UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN

DEPENDENCIA ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS Y PETROLERA

MAESTRO:

LUIS JORGE PÉREZ REDA

MATERIA:

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

TEMA:

“CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES QUE FORMAN PARTE DE UN MOTOR ELECTRICO”

TRABAJO PRESENTADO POR:

JÉSICA CHABLE GARCÍA

ALEXIS LÓPEZ MONTENEGRO

JOSE PEDRO GARDUZA SOSA

GERARDO CERVANTES DE LA CRUZ

JOAQUIN ALFONSO GALLEGOS HERNANDES

30/abril/2013

INTRODUCCIÓN

A principios del siglo XX, tres tipos de automóviles competían por el mercado: eléctricos, a vapor y gasolina; sin embargo, en poco más de una década los autos a gasolina dominaron los próximos 100 años.

En la actualidad, los medios de transporte son los responsables del 50% de la contaminación total del planeta, esta cifra muestra el gran problema que presenta la contaminación ambiental. [1] Con el uso de medios alternativos de energía para el sistema de transporte se pueden reducir notablemente los índices de contaminación. [2]

La gran mayoría de los vehículos en uso actualmente están diseñados para ser alimentados por un determinado combustible, con el inconveniente que esta limitación implica que cuando ese combustible escasee o se agote, el vehículo no se podrá usar más; sin embargo existen posibles sustitutos para el petróleo, pero por ahora son relativamente caros.

Los vehículos que se desarrollen de ahora en adelante deberán ser propulsados por una forma de energía de fácil distribución y que pueda provenir de distintas fuentes. La única forma de energía que reúne todas estas condiciones es la electricidad. En efecto, cualquiera dispone de energía eléctrica en su propio domicilio, especialmente en áreas urbanas y suburbanas.

En la actualidad la mayor parte de la electricidad proviene del empleo de combustibles no renovables, que se obtienen de diversas fuentes (hidroeléctrica, termoeléctrica, nuclear, etc.). De esta manera se podría reservar al gas y al petróleo para usos en los que su sustitución aún es compleja (fundamentalmente la petro-química).

Utilizar medios de transporte con motores eléctricos es una opción para ayudar a combatir el problema de la contaminación; su funcionamiento es conveniente porque son silenciosos y no utilizan gasolina y aceite. [3]

El uso masivo de los vehículos eléctricos (VE) en principio no obligaría a incrementar rápidamente la capacidad de generación eléctrica, ya que sus baterías se podrían cargar de noche, cuando la demanda de energía eléctrica disminuye considerablemente. Para inducir al usuario a esta costumbre, en algunos países ya existe la legislación que establece tarifas de electricidad más económicas para los horarios nocturnos. [4]

Durante el día las baterías se pueden cargar usando energía solar, es decir, mediante celdas solares que conviertan la energía solar en energía eléctrica, las cuales pueden estar acopladas al VE o bien, si el vehículo permanece estacionado

durante el día, podrían ubicarse en el techo del estacionamiento y así tener una mayor superficie de captación de energía solar.

Un vehículo de motor eléctrico presenta un número significativo de ventajas con respecto a un vehículo de combustión interna. Entre las principales se pueden mencionar:

Contaminación nula de gases de escape Alta eficiencia y disminución del ruido Bajo costo de operación y mantenimiento Presenta una amplia variedad de fuentes de energía.

Los motores eléctricos son maquinas eléctricas que transforman en energía mecánica la energía eléctrica que absorben por sus bornes.

Existen varios tipos de motores y continuará proliferando nuevos tipos de motores según avance la tecnología. Primero definamos los elementos que componen a los motores.

1. La carcasa o caja que envuelve las partes eléctricas del motor, es la parte externa.2. El inductor, llamado estartor cuando se trata de motores de corriente alterna, consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado estatórico, que es una parte fija y unida a la carcasa.3. El inducido, llamado rotor cuando se trata de motores de corriente alterna, consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado rotórico, que constituye la parte móvil del motor y resulta ser la salida o eje del motor.

Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentación, se clasifican en:

• Motores de corriente continúa

De excitación independiente.De excitación serie.De excitación (shunt) o derivación.De excitación compuesta (compund).

• Motores de corriente alterna

Motores síncronos.Motores asíncronos:

Monofásicos.

De bobinado auxiliar. De espira en cortocircuito. Universal.

Trifásicos. De rotor bobinado. De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).

MOTOR ELÉCTRICO

Un vehículo eléctrico es un vehículo de combustible alternativo impulsado por uno o más motores eléctricos. La tracción puede ser proporcionada por ruedas o hélices impulsadas por motores rotativos, o en otros casos utilizar otro tipo de motores no rotativos, como los motores lineales, los motores inerciales, o aplicaciones del magnetismo como fuente de propulsión, como es el caso de los trenes de levitación magnética.

A diferencia de un vehículo con un motor de combustión interna (abreviadamente denominado vehículo de combustión) que está diseñado específicamente para funcionar quemando combustible, un vehículo eléctrico obtiene la tracción de los motores eléctricos, pero la energía puede ser suministrada de los modos siguientes:

Alimentación externa del vehículo durante todo su recorrido, con un aporte constante de energía, como es común en el tren eléctrico y el trolebús.

Energía proporcionada al vehículo en forma de un producto químico almacenado en el vehículo que, mediante una reacción química producida a bordo, produce la electricidad para los motores eléctricos. Ejemplo de esto es el coche híbrido no enchufable, o cualquier vehículo con pila de combustible.

Energía generada a bordo usando energía nuclear, como son el submarino y el portaaviones nuclear.

Energía generada a bordo usando energía solar generada con placas fotovoltaicas, que es un método no contaminante durante la producción eléctrica, mientras que los otros métodos descritos dependen de si la energía que consumen proviene de fuentes renovables para poder decir si son o no contaminantes.

Energía eléctrica suministrada al vehículo cuando está parado, que es almacenada a bordo con sistemas recargables, y que luego consumen durante su desplazamiento. Las principales formas de almacenamiento son: energía química almacenada en las baterías como en el llamado vehículo eléctrico de batería, especialmente en baterías de litio que parece ser la tecnología más madura a día de hoy. Es preciso destacar las nuevas inversiones que se están haciendo en el mayor yacimiento de litio (Salar de Uyuni-Bolivia) para la fabricación de estas baterías. energía eléctrica almacenada en supercondensadores. Tecnología aún muy experimental. Almacenamiento de energía cinética, con volante de inercia sin rozamiento.

También es posible disponer de vehículos eléctricos híbridos, cuya energía proviene de múltiples fuentes, tales como: Almacenamiento de energía

recargable y un sistema de conexión directa permanente. Almacenamiento de energía recargable y un sistema basado en la quema de combustibles, incluye la generación eléctrica con un motor de explosión y la propulsión mixta con motor eléctrico y de combustión.

Metodología para la seleccionar los componentes que debe incluir un motor eléctrico de automóvil.

Un coche eléctrico es movido por un motor eléctrico en lugar de un motor a

gasolina o gasoil. A diferencia de un motor de combustión interna, que está

diseñado específicamente para funcionar quemando combustible, un vehículo

eléctrico obtiene la tracción de los motores eléctricos.

Las diferencias más palpables entre ambos automóviles son:

• El motor de gasolina es reemplazado por un motor eléctrico.

• El motor eléctrico recibe su potencia de un controlador.

• El controlador recoge la potencia de un conjunto de baterías.

El corazón de un coche eléctrico es la combinación de:

• El motor eléctrico.

• El controlador del motor.

• Las baterías.

El controlador coge energía de las baterías y se lo entrega al motor. El acelerador va conectado a un par de potenciómetros (resistencias variables), y estos potenciómetros proveen de la señal que le dice al controlador cuanta energía se supone que tiene que entregar. El controlador puede enviar entregar varios niveles de potencia, controlando la velocidad.

Los factores principales a tomar en cuenta al seleccionar un motor eléctrico incluyen los siguientes:

Torque de operación, velocidad de operación y especificaciones de potencia estos se relacionan mediante la ecuación, potencia=torque x velocidad

Torque de arranque. Variaciones de carga que se separan y variaciones de velocidad

correspondiente que puedan tolerarse. Limitaciones de la corriente durante las fases de arranque y

funcionamiento. Ciclo de trabajo: que tan a menudo hay que encender y apagar el motor.

Factores ambientales: temperatura, presencia de atmosferas corrosivas exposiciones al clima o a líquidos, disponibilidad de aire para enfriar y demás.

Variaciones de voltaje que se esperan: casi todos los motores toleraran hasta la variación respecto al voltaje que se especifica. Más allá de este, se requieren más especiales.

Cargas a las que se someten las flechas; es particular cargas laterales y cargas de empuje susceptibles de afectar la vida de los cojinetes de las flechas.

Para agrupar motores cuyo tamaño es similar se emplea una clasificación general que se basa en el tamaño. Se suele utilizar el caballaje (hp), y a veces se utiliza la unidad métrica de watts o kilowatts. La conversión es:

1.0 hp= 0.746 kW= 746W

Las clasificaciones se indican enseguida:

Caballaje subfraccional: 1 a 40 milicaballos (mhp) donde 1 mhp = 0.001hp. por tanto, este rango incluye 0.001 hp (0.75 W a 30 W, aproximadamente).

Caballaje fraccional: 1/20 1.0 hp (37 W a 746 W aproximadamente). Caballaje integral: 1.0 hp (0.75 kW) y mayores.

Leyes físicas que intervienen en los motores eléctricos.

Ley de Ampere

El campo magnético en el espacio alrededor de una corriente eléctrica, es proporcional a la corriente eléctrica que constituye su fuente, de la misma forma que el campo eléctrico en el espacio alrededor de una carga, es proporcional a esa carga que constituye su fuente. La ley de Ampere establece que para cualquier trayecto de bucle cerrado, la suma de los elementos de longitud multiplicada por el campo magnético en la dirección de esos elementos de longitud, es igual a la permeabilidad multiplicada por la corriente eléctrica encerrada en ese bucle.

Ley de Ohm

La corriente eléctrica es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica. Donde  I es la corriente eléctrica, V  la

diferencia de potencial y R la resistencia eléctrica.

Ley de lenz

Relaciona cambios producidos en el campo eléctrico en un conductor con la variación de flujo magnético en dicho conductor, y afirma que las tensiones o voltajes inducidos sobre un conductor y los campos eléctricos asociados son de un sentido tal que se oponen a la variación del flujo magnético que las induce.

La Ley de inducción electromagnética de Faraday

Establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde". Por lo que al obtenerse casi 2 revoluciones por 1 sola vuelta.se puede hablar de casi duplicar la producción de electricidad por vuelta. A diferencia de un motor tradicional donde 1 vuelta del rotor es solo una revolución.

 

Elección de las baterías

Cuando elegimos baterías, debemos considerar los parámetros de coste, tamaño, peso, potencia máxima y durabilidad (entre otros).Determinan la potencia del motor, autonomía y el diseño del vehículo debido a sus dimensiones y peso. 

La batería de Plomo (ácido y gel) es la más económica, pero es la que menos autonomía nos ofrece, mayor peso tiene, más aumenta la tara del vehículo, y más exigencia en el cuidado y mantenimiento. La batería de Níquel (Cadmio o Hidruro metálico) es algo intermedio. Sin embargo no es tan económica comparada con la de Litio teniendo en cuenta las desventajas que tiene.La batería de Litio (Ion o Polímero) es la batería más cara, pero es la que más ventajas y prestaciones ofrece. Cuenta con la mayor autonomía, reduce el peso y por tanto la TARA de los vehículos. No requiere de ningún mantenimiento (sólo chequeo mediante software BMS), permite las cargas parciales e incluso son recomendables ya que alargan la vida de las baterías.

. Los criterios para la elección de baterías son los siguientes:

Alta densidad de energía y alta energía específica para conseguir sistemas de dimensiones más reducidas y de menor peso.

Alta eficiencia energética. Baja razón de auto‐descarga, para minimizar las pérdidas. Larga vida útil, para compensarlos costes iniciales. Independencia de las condiciones ambientales, que posibiliten un

buencomportamiento ante variaciones climáticas extremas. Diseño robusto preparado para resistir sobrecargas eléctricas,vibraciones,

golpes, etc. Diseño respetuoso con el medio ambiente.

Bajo mantenimiento para reducir costes. Bajo coste.

Ninguna batería por sí sola aúna todos estos factores, por lo que a la hora de elegir se van a descartar las que por sus características no se ajusten a los factores deseables, y elegiremosla que ofrezcamejores prestaciones en conjunto.

Escoger entre los diferentes tipos de batería es siempre la decisión de compromiso y densidad energética, potencia específica, costos, seguridad y durabilidad.

BATERIA DE LITIO – HIERRO –FOSFATO (Li mn2 o2)

densidad energética 90 - 125 wh/kg son las más seguras, por tener mayor estabilidad térmica y química. Su

densidad energética se encuentra en la zona más baja, pero se puede considerar un salto adelante en seguridad y también en durabilidad, con hasta 2000 ciclos de carga. Son también las más baratas, junto con los de cobalto, pero estas si se pueden emplear en automoción híbridos y eléctricos puros sin riesgos.

BATERIA DE LITIO-NIQUEL MANGANESO (Li Nix Co y Mnz O2)

densidad energética 155- 190wh/kg excelente compromiso entre muy buenas rendimiento y coste razonable, se

empiezan a utilizar en coches eléctricos masivamente. Soportan 1500 ciclos y voltajes de los más altos.

Las baterías necesarias para mover un coche están sometidas a un nivel de exigencia brutal. Por un lado debe ser capaz de contener una elevada carga con una menor masa posible (densidad energética) para poder competir con la gasolina en la medida de lo posible y salvando las enormes distancias que existen entre ambas formas de almacenamiento energético. Por otro lado deben de soportar rango de temperatura muy amplia, posibles accidentes y miles de ciclos de carga.

COMO REALIZAR LA ELECCION DE UNA BATERIA PARA NUESTRO MOTOR

ELECTRICO

1ero.

No use una batería de arranque de automóvil para su motor Minn Kota. Las baterías de arranque están diseñadas para entregar la energía almacenada en breves descargas de gran amperaje que se realizan de manera muyespaciada. Si a una batería de arranque le solicitamos una entrega de por ejemplo, 25 A de manera continuada, esta batería no será capaz de entregarnos la energía que tiene acumulada (los amperios-hora) ya que esta entrega continuada la “asfixia” al cabo de un rato. Use baterías de ciclo profundo, a ser posible de tecnología AGM, diseñadas para este tipo de trabajo. Estas baterías sí serán capaces de entregar el amperaje solicitado durante el tiempo previsto y durarán muchos ciclos de carga-descarga.

2do.

Calcule los amperios que consume su motor, con la siguiente fórmula: Empuje en libras / Voltaje del motor x 12 = Amperios que consume.Por ejemplo:55 libras de empuje /12 Voltios x 12 = 55 Amperios55 libras de empuje /24 Voltios x 12 = 27,5 Amperios55 libras de empuje /36 Voltios x 12 = 18,3 AmperiosNota: Aunque tengamos un motor de 55 libras de empuje, probablemente no lo vamos a usar continuamente al 100% depotencia, por lo que deberemos estimar el % de potencia media usada.

3ero.

En función del número de horas seguidas que desea de autonomía, seleccione la batería necesaria.Por ejemplo:Con un motor que consume 55 Amperios, que usaremos a una media del 75% de su potencia, deseamos una autonomía de 3 horasBatería necesaria = consumo en amperios x % de potencia x horas de funcionamiento x 1,3 = 55 A x 0,75 x 3 h x 1,3 = 160,88 Ah

Elección del controladorEl controlador automático se encarga de ejecutar el poder. El controlador también es responsable de la detección de la cantidad de energía se considera necesario por el motor. Para entonces, el controlador suministra esta energía directamente de las baterías con la intención de conseguir el coche para estar en movimiento y

se mueven. El controlador automático es muy esencial para la razón que pone en las líneas de la maniobra y la función tanto de la batería y el motor.

Hay que tener en cuenta ciertos parámetros de los motores eléctricos como es su curva de par, que a diferencia de los motores de explosión, esta es plana con un rendimiento excelente sobre todo a bajas revoluciones.

Ventajas y problemas que presentan los vehículos eléctricos en la actualidad (2013)

Desventajas y problemas

1. Carga de las baterías y su precio, las baterías de más de 400 km de autonomía son muy costosas y éstas se recargan en un máximo de 9 horas sin mermar su capacidad.

2. Seguirán contaminado, ya que en algunos casos la electricidad utilizada para recargar las baterías se produce mediante materias primas contaminantes como el carbón. En España, por ejemplo, la electricidad utilizada para las baterías supone unas emisiones de dióxido de carbono de 0,276 kg/KWeh generado.

3. Menor autonomía que un coche convencional dado que necesita recargas frecuentes.

4. El fuerte costo de compra inicial. En algunos casos el precio de un coche eléctrico triplica al de un coche convencional. Ejemplo: Un Toyota Corolla, gama alta de Toyota, puede costar en torno a 17.000 euros con lo básico, un vehículo eléctrico como el THINK City alcanza en el mercado los 30.114 euros.

5. La poca accesibilidad que existe en cuanto a las recargas. Problema que se irá solucionando poco a poco, al suministrar los puntos de recarga por parte del país.

Ventajas

1. Respetan el medioambiente, produce menos cantidad de CO2 que un vehículo convencional.

2. No hacen apenas ruido, su motor evita la contaminación acústica.3. Su uso permite prescindir de combustible y ahorra así petróleo, una materia

prima limitada y se puede dedicar a otras materias también necesarias.4. Su mantenimiento y costo del "combustible" es mucho menor al de uno

convencional. El Tesla Model S, por ejemplo, gasta 700$ de electricidad al año; el Porsche Panamera Turbo gasta 3400$ de combustible al año.

5. Mayor eficiencia y par motor a partir de 0 revoluciones y la total ausencia de marchas, lo que se traduce en mejor respuesta en aceleración.

6. En los deportivos, el uso de potencia distribuida en las ruedas y control del par motor de cada uno proporciona una mayor estabilidad en las curvas, y por tanto, en seguridad.

7. Según Francisco Laverón, Miguel Ángel Muñoz y Gonzalo Sáenz de Miera, dos economistas y un ingeniero de la compañía Iberdrola, un coche consigue una eficacia de un 77% si la electricidad procede de fuentes renovables, mientras que 42 % si procede de energía eléctrica basada en gas natural. Además estos autores aseguran que uno coche eléctrico podría recorrer casi el doble de kilómetros que uno de gasolina.

Bibliografía.-

FUNDAMENTOS DE MECANISMOS Y MAQUINAS PARA INGENIEROS (ROQUE CALERO PEREZ, JOSE ANTONIO GONZALES)

DISEÑOS DE ELEMENTOS DE MAQUINAS -SEGUNDA EDICION -PEARSON PRETINCE HALL- ROBERT L. MOTT

Daniel Soto E., “Aumento del rendimiento en un vehículo eléctrico, utilizando celdas fotovoltaicas”, PUCC, Santiago de chile, 2002.

PAGINAS WEB CONSULTADAS:

http://es.prmob.net/coche-el%C3%A9ctrico/motor-el%C3%A9ctrico/autom%C3%B3vil-1958987.html

http://www.aktuaya.org/index.php?option=com_content&view=article&id=464

http://www.marcadecoche.com/coche-electrico.html

http://www.greenpeace.org/espana/transporte/emisiones-de-co2

http://www.electraton.com.mx/electraton.htm

http://www.theclimateproject.org/

http://www.nichese.com/motor.html