Anàlisis experimental de nous mètodes de tracció de rotors conductors laminars sense ferro. Aplicació a tracció directe de vehicles elèctrics. Disseny electromecànic

Projecte DASER. Pàg. 1 Resum Aquest projecte s’engloba en la recerca de nous sistemes de propulsió per a vehicles elèctrics amb motors d’inducció no convencionals. Es pretén el desenvolupament d’un sistema de tracció que ocasioni un impacte mínim sobre el medi ambient, donat la futura manca dels recursos naturals que actualment són emprats en aquest sector i l’augment de la conscienciació ecològica. L’objectiu d’aquest projecte és el disseny del sistema de tracció Roda automotriu DASER-1, mitjançant el resultat de les proves realitzades sobre el prototipus de motor DASER-0. El DASER-0 és un motor d’inducció no convencional, que no porta ferro ni al rotor ni a l’estator, i no disposa de bobinats convencionals al rotor, que funciona per corrents induïts a la massa d’alumini; material del qual està conformat. S’ha materialitzat aquest prototip de motor, juntament amb una comanda electrònica específica, que permet extreure conclusions mitjançant l’experimentació. És a partir d’aquestes conclusions que es deriven les característiques del motor i la seva viabilitat. A la part electrònica, que ha realitzat en Sergio Jiménez i Gozálvez al seu PFC “Anàlisi experimental de nous mètodes de tracció de rotors conductors laminars sense ferro. Aplicació a tracció de vehicles elèctrics: comanda electrònica”, s’ha dissenyat i materialitzat el sistema d’alimentació del motor. Aquest consta d’una part d’electrònica de potència, amb realització de convertidors CC/CA, i una part d’electrònica digital, amb configuració de dispositius lògics programables. En aquesta memòria, on es tracta la part electromecànica, s’ha dissenyat i assajat el DASER-0, per més endavant acabar dissenyant la roda automotriu DASER-1 definitiva. La conjunció del disseny mecànic i el control electrònic ha permès un augment de característiques dels motors d’inducció amb rotors conductors laminars sense ferro, com el DASER-0. De les experimentacions realitzades es desprenen esperançadores conclusions envers el futur d’aquest tipus de propulsors elèctrics degut a les millores substancials amb anteriors proves de prototips similars. Aquests motors encara són lluny de les prestacions que poden donar els motors d’inducció comercials, però aquest projecte pretén establir les bases de propers treballs de recerca de rodes automotrius sense ferro que impulsin els cotxes elèctrics del futur, sense necessitat de cap altre tipus de propulsor. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Projecte DASER. Pàg. 3 Sumari RESUM ______________________________________________________1 SUMARI _____________________________________________________3 TAULA DE FIGURES ___________________________________________7 1. PREFACI_________________________________________________9 1.1. Origen del projecte...........................................................................................9 1.2. Motivació ..........................................................................................................9 1.3. Característica especial del projecte...............................................................10 1.4. Requeriments previs ......................................................................................10 2. INTRODUCCIÓ___________________________________________11 3. ANÀLISI D'ANTECEDENTS_________________________________13 3.1. SC-M150-xx de New Generation Motors Corporation...................................13 3.2. Roda automotriu de CSIRO/UTS Solar Car Motors......................................14 3.3. RB-11 .............................................................................................................15 3.4. Sistema tractor i dimensions del Despertaferro.............................................17 4. ALTERNATIVES CONCEPTUALS I JUSTIFICACIÓ DE LA SOLUCIÓ ESCOLLIDA _____________________________________________19 4.1. Factor de qualitat............................................................................................21 5. DISSENY I CONSTRUCCIÓ DEL DASER-0 ____________________25 5.1. Components que es compren........................................................................26 5.2. Components que es fabriquen.......................................................................26 5.2.1. Placa base ...........................................................................................................27 5.2.2. Conjunt bobinadora .............................................................................................27 5.2.3. Eix ........................................................................................................................28 5.2.4. Anella subjecció...................................................................................................28 5.2.5. Porció llanda ........................................................................................................28 5.2.6. Nucli .....................................................................................................................29 5.2.7. Base estator.........................................................................................................29 5.2.8. Grapa ...................................................................................................................29 5.2.9. Placa guia ............................................................................................................29 5.2.10. Cilindre.................................................................................................................30 5.2.11. Grapa cilindre.......................................................................................................30 5.3. Muntatge ........................................................................................................30 INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 4 PROJECTE FINAL DE CARRERA. 5.3.1. Conjunt Nucli ....................................................................................................... 30 5.3.2. Conjunt estator .................................................................................................... 33 5.3.3. DASER-0............................................................................................................. 34 6. ASSAIGS _______________________________________________37 6.1. Assaigs a realitzar.......................................................................................... 37 6.2. Tractament i interpretació de resultats .......................................................... 38 6.2.1. Escalfament i deformacions................................................................................ 38 6.2.2. Lliscament, s........................................................................................................ 39 6.2.3. Parell d’arranc, Γ arranc........................................................................................... 41 6.2.4. Corbes Parell / Velocitat angular (Γ/ω) i Potència.............................................. 42 6.2.5. Corbes de consum i rendiment........................................................................... 46 6.2.6. Extrapolació de les prestacions del DASER-1 ................................................... 47 7. DISSENY DE LA RODA AUTOMOTRIU DASER-1_______________53 7.1. Elements que es compren............................................................................. 54 7.1.1. Cargoleria............................................................................................................ 54 7.1.2. Rodaments .......................................................................................................... 54 7.1.3. Pneumàtic............................................................................................................ 55 7.1.4. Fil de bobinar....................................................................................................... 55 7.2. Elements que es fabriquen............................................................................ 55 7.2.1. Eix........................................................................................................................ 56 7.2.2. Llanda central interior/exterior............................................................................. 57 7.2.3. Tapa radial........................................................................................................... 57 7.2.4. Porció llanda perimetral ...................................................................................... 57 7.2.5. Cilindre ranurat.................................................................................................... 58 7.2.6. Radis.................................................................................................................... 58 7.2.7. Nucli..................................................................................................................... 58 7.2.8. Perfil llanda.......................................................................................................... 58 7.2.9. Tapa exterior ....................................................................................................... 59 7.3. Muntatge ........................................................................................................ 59 7.3.1. Conjunt llanda interior/exterior ............................................................................ 59 7.3.2. Conjunt rotor........................................................................................................ 59 7.3.3. Conjunt estructural .............................................................................................. 60 7.3.4. Conjunt nucli........................................................................................................ 60 7.3.5. Conjunt estator .................................................................................................... 60 7.3.6. Conjunt Pneumàtic.............................................................................................. 60 7.3.7. Conjunt Roda Automotriu.................................................................................... 61 7.4. Lubricació....................................................................................................... 61 David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 5 8. SIMULACIÓ I OPTIMITZACIÓ _______________________________63 8.1. Definició del cas d'estudi i procediment.........................................................63 8.1.1. Perfil Llanda.........................................................................................................64 8.1.2. Porció Llanda Perimetral.....................................................................................65 8.1.3. Llanda Central Exterior........................................................................................66 8.1.4. Eix ........................................................................................................................66 8.2. Conclusions....................................................................................................75 8.2.1. Estudi de deformacions i interferències..............................................................75 8.2.2. Comprovació del disseny i optimització del conjunt ...........................................76 9. ESTUDI DE RESULTATS___________________________________79 9.1. Estudi d’aplicacions........................................................................................79 9.1.1. Vehicles híbrids ...................................................................................................79 9.1.2. Vehicles absolutament elèctrics..........................................................................80 9.1.3. Vehicles pesants..................................................................................................80 9.1.4. Trens, Metros i Tramvies.....................................................................................81 9.1.5. Altres aplicacions.................................................................................................81 9.2. Comparativa respecte sistemes de tracció actuals .......................................81 9.3. Viabilitat del DASER-1 ...................................................................................86 10. MILLORES MEDIAMBIENTALS _____________________________87 CONCLUSIONS ______________________________________________89 AGRAÏMENTS _______________________________________________91 BIBLIOGRAFIA ______________________________________________93 Referències bibliogràfiques .....................................................................................93 Bibliografia complementària ....................................................................................93 ANNEX A: Plànols ANNEX B: Càlculs mecànics ANNEX C: Selecció de materials ANNEX D: Assaigs ANNEX E: Estudi econòmic INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Projecte DASER. Pàg. 7 Taula de Figures Figura 3.1 Esquema de la roda automotriu de CSIRO/UTS Solar Car Motors. ________________________ 14 Figura 3.2 Fotografies del RB-11 muntat (esquerra) i de l’estator (dreta) ____________________________ 16 Figura 3.3 Sistema tractor del Despertaferro. Extret de [10] ______________________________________ 17 Figura 3.4 Dimensions faldilla posterior del Despertaferro. Extret de [10] ____________________________ 18 Figura 3.5 Dimensions principals del Despertaferro. Extret de [10] _________________________________ 18 Figura 4.1 Circuits equivalents en una màquina d'inducció rotativa. Extret de [8] ______________________ 22 Figura 4.2 Efectes del valor de G en el rendiment. Extret de [8] ___________________________________ 23 Figura 5.1 Vista isomètrica i secció del DASER-0.______________________________________________ 27 Figura 5.2 Nucli de fusta amb esquema dels bobinats. __________________________________________ 31 Figura 5.3 Cabdells de fil de coure__________________________________________________________ 31 Figura 5.4 Procés de fabricació del Bobinat. __________________________________________________ 32 Figura 5.5 Detall de la protecció d’epoxi______________________________________________________ 33 Figura 5.6 Detall del cosit de cada pol _______________________________________________________ 33 Figura 5.7 Detall de les protuberàncies d’epoxi i la regleta elèctrica. ________________________________ 33 Figura 5.8 Joc entre rotor i estator.__________________________________________________________ 34 Figura 5.9 Conjunt DASER-0. _____________________________________________________________ 35 Figura 6.1 Valors s vs f segons Ient__________________________________________________________ 40 Figura 6.2 Γ arranc vs f segons Ient ____________________________________________________________ 41 Figura 6.3 Γ / ω vs ω segons per Ient = 6 A a 500 Hz. _____________________________________________ 43 Figura 6.4 Γ / ω vs ω segons per Ient = 8 A a 500 Hz. _____________________________________________ 43 Figura 6.5 Γ / ω vs ω segons per Ient = 15 A a 500 Hz. ____________________________________________ 44 Figura 6.6 Γ vs t per Ient = 6, 8 i 15 A a 500 Hz. ________________________________________________ 45 Figura 6.7 Pmec vs t per Ient = 6, 8 i 15 A a 500 Hz.______________________________________________ 45 Figura 6.8 Pent vs f per Ient = 4, 6 i 8 A. _______________________________________________________ 46 Figura 6.9 Rendiment vs f per Ient = 4, 6 i 8 A. _________________________________________________ 47 Figura 6.10 Γ/ω DASER-1 segons nombre de parells de pols (Ient =20A i f =800Hz). ___________________ 49 Figura 6.11 Pmec DASER-1 (Ient =20A i f =800Hz). ______________________________________________ 50 Figura 6.12 Rendiment DASER-1 (Ient =15A i f =500Hz)._________________________________________ 51 Figura 7.1 Vista isomètrica i secció del DASER-1.______________________________________________ 56 Figura 8.1. Resultat Simulació del Perfil Llanda (1er cas). ________________________________________ 67 Figura 8.2. Resultat Simulació del Perfil Llanda (2n cas). _________________________________________ 68 Figura 8.3. Detall del resultat de la simulació del Perfil Llanda (2n cas).______________________________ 68 Figura 8.4. Desplaçaments del Perfil Llanda (2n cas). ___________________________________________ 69 Figura 8.5. Resultat simulació de Porció llanda perimetral.________________________________________ 69 Figura 8.6. Detall resultat simulació de Porció llanda perimetral. ___________________________________ 70 Figura 8.7. Desplaçament Porció llanda perimetral. _____________________________________________ 70 Figura 8.8. Resultat simulació de Llanda central exterior (cas 1).___________________________________ 71 Figura 8.9. Resultat simulació de Llanda central exterior (cas 2).___________________________________ 71 Figura 8.10. Detall simulació de Llanda central exterior.__________________________________________ 72 Figura 8.11. Desplaçament de Llanda central exterior.___________________________________________ 72 Figura 8.12. Resultat simulació de l'Eix. ______________________________________________________ 73 Figura 8.13. Detall simulació de secció de l'Eix. ________________________________________________ 73 Figura 8.14. Detall simulació de l'Eix. ________________________________________________________ 74 Figura 8.15. Desplaçament de l'Eix. _________________________________________________________ 74 INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Projecte DASER. Pàg. 9 1. Prefaci 1.1. Origen del projecte El projecte de final de carrera (PFC) que tot seguit es presenta s'ha pogut realitzar gràcies a dos fets concrets. En primer lloc, gràcies a l’experiència del Dr. Enginyer Industrial Ricard Bosch i Tous, que ha estat la base conceptual d’aquest treball. El Dr. Bosch sempre ha cercat resultats experimentals als plantejaments teòrics que ell mateix va impulsar en la seva tesi doctoral, consistent en la viabilitat d’una màquina elèctrica amb rotor laminar de material diamagnètic i basada en el funcionament dels motors lineals. El segon fet ha estat que dos estudiants de dues intensificacions diferents, com són la mecànica i l’electrònica, es posessin d'acord per realitzar el PFC conjuntament i, d’aquesta manera, donar un caire més multidisciplinar i ampliar les possibilitats del mateix. Després que el professor Bosch expliqués als autors les seves intencions de dissenyar un nou tipus de motor elèctric amb electrònica integrada, i aplicar-ho al disseny d'una roda automotriu, es va veure que la conjunció dels coneixements aportats per cadascú podia donar resultats molt satisfactoris. 1.2. Motivació Un alumne d’Enginyeria Industrial, front a la realització del projecte de fi de carrera, pot triar dos plantejaments diferents. Per una banda, es pot veure solament com un tràmit més a realitzar per aconseguir el títol d'enginyeria industrial. En aquest cas, es triarà el camí fàcil de fer un treball teòric, sense riscos i, normalment, amb elevats resultats acadèmics. Per l’altre banda, el PFC pot suposar el moment en que, per fi, es posa en pràctica en un cas real tot allò que s'ha après al llarg de la carrera. Aleshores, l'estudiant escollirà un projecte que li sembli interessant de contingut, que li aporti coneixements addicionals als de la carrera, que es miri l'enginyeria des d'un punt de vista més pràctic i real, que permeti aprendre una metodologia de treball més "professional", que, en definitiva, li permeti disfrutar del que fa i del que, suposadament, ha de seguir fent la resta de la seva vida professional. Per als autors l'opció a escollir és, sens dubte, la segona. Per aquest motiu, quan el Dr. Bosch va plantejar la possibilitat de treballar en un projecte relacionat amb el món de l'automoció, branca professional a la qual l'estudiant es vol dedicar, que incloïa la realització INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 16 Memoria • Posició horitzontal de tot el conjunt (eix del rotor i de l’estator en posició vertical). Els bobinats escombren un quart de volta del motor, així cada fase és present en tot el toroide de l’estator però actuant alhora als quatre quadrants. Els bobinats estan fets per grups de deu barres de quatre espires que es combinen amb els de l’altre fase formant deu parells de pols en cada quart de volta. El funcionament d’aquesta màquina és possible gràcies al comportament aparentment diamagnètic de l’alumini front a camps magnètics alterns. Primer es generen els camps de l’estator que van girant per cada quadrant a la freqüència d’alimentació, amb dos camps magnètics desfasats 90º elèctrics. L’alumini “repel·leix” els camps magnètics creats pels quaranta pols de l’estator formant camps magnètics invertits (de signe contrari) degut a les corrents inverses induïdes. Aquests camps magnètics induïts de sentit contrari generen, junt amb els camps inductors de l’estator, una força de repulsió que fa moure el rotor. Figura 3.2 Fotografies del RB-11 muntat (esquerra) i de l’estator (dreta) El prototipus RB-11 va ser provat amb resultats poc significatius. Va començar a girar a partir dels 70 ampers, A, i el lliscament no va baixar del 0’7. Amb els resultats a la mà sembla que aquests no són gens bons. No obstant, si es comparen amb resultats de proves anteriors amb versions menys evolucionades es pot advertir millores substancials. L’anterior prototip (RB-10), de sistema de funcionament idèntic però amb diferències en la construcció, amb prou feines girava amb intensitats del voltant de 120 A. Els problemes d’aquest sistema de tracció són les pèrdues elevades en el coure del conductor, a l’entreferro i a l’alumini degut a les intensitats induïdes. A petites intensitats d’alimentació, amb el que es redueixen significativament les pèrdues, el motor no té suficient parell com per ni tan sols arrancar. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 17 Una avantatge a destacar d’aquest motor és l’autocentratge. Els esforços de repulsió entre estator i rotor, sumats a la seva geometria simètrica, fan que el rotor es centri automàticament i en tot moment. Aquest fet allibera als rodaments de les fortes càrregues que normalment exerceixen els motors d’imants permanents. 3.4. Sistema tractor i dimensions del Despertaferro La roda automotriu que es pretén dissenyar s’aplicarà al vehicle solar Despertaferro, [10]. En aquest apartat s’exposen les característiques bàsiques d’aquest vehicle que s’utilitzaran més endavant en el disseny del DASER-1. El sistema tractor que es vol substituir consta d’una única roda motriu a l’eix posterior. A la Figura 3.3 es mostra aquest sistema tractor, que consta d’un motor brushless Mavilor MA-55 (de potència màxima 5’5 KW), una transmissió per cadena de relació 53/22, un basculant de tipus forquilla amb monoamortidor, roda de característiques convencionals i pneumàtic especial per vehicles solars R16 65/80 de Michelin inflat a 5 bars. Figura 3.3 Sistema tractor del Despertaferro. Extret de [10] Com es veu, tot el conjunt de la roda, està envoltat per la faldilla posterior per tal de reduir la resistència aerodinàmica. Aquesta faldilla té les dimensions, en mm, que es mostren a la Figura 3.4. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 18 Memoria Figura 3.4 Dimensions faldilla posterior del Despertaferro. Extret de [10] Les resta de dimensions més destacades del vehicle es mostren a la Figura 3.5. Figura 3.5 Dimensions principals del Despertaferro. Extret de [10] David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 19 4. Alternatives conceptuals i justificació de la solució escollida El prototip DASER-1 que es pretén dissenyar es basarà en la màquina elèctrica RB-11, que s’ha explicat a l’apartat anterior, tenint en compte que es vol aplicar al Despertaferro. En menor grau, també s’adoptaran conceptes de les rodes automotrius definides a l’apartat anterior. Com a restriccions externes al sistema roda automotriu, comportades per la geometria del Despertaferro, es suposarà: • Ús del mateix pneumàtic que el Despertaferro. Per tant, queda fixat el diàmetre màxim del conjunt roda automotriu. • Secció màxima del conjunt limitada per la faldilla posterior. Cal destacar, però, que interessa que aquesta sigui mínima per tal de reduïr la resistència aerodinàmica. • Punt de fixació de l’eix del conjunt en una suposada forquilla d’un sol braç, diferent a l’existent però de característiques anàlogues. El sistema de funcionament del DASER-1 serà el mateix que el del RB-11 però implementant millores constructives de caire electromecànic i un nou sistema electrònic d’alimentació. Es pretén dissenyar un motor elèctric amb varis debanats programables electrònicament, per poder escollir a cada instant la freqüència de treball, així com l’estructura magnètica de la màquina. El tipus de debanat en concret, elimina la funció dels “caps de bobina” que defineixen el pas polar, el nombre de pols, i el nombre de conductors en paral·lel per a magnetitzar cada pol. Aquests són elements de disseny que determinen una sola estructura magnètica possible per a tota la vida de la màquina elèctrica. Els caps de bonina són necessaris en les màquines elèctriques clàssiques però ocupen molt espai, no són magnèticament actius i són responsables en molts casos del 40% del pes del coure. El fet de no muntar imants permanents en el rotor, com fan NGM i CSIRO, possibilita variar el nombre de parells de pols amb un únic rotor. A més, eliminar els imants permanents de terres rares abarateix considerablament la construcció del conjunt degut al cost d’aquest tipus d’imants. Les modificacions suggerides respecte al RB-11 són les següents: INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 20 PROJECTE FINAL DE CARRERA. • Nucli de l’estator de forma toroidal amb secció rectangular de 15x39 mm fet amb material no ferromagnètic. • Rotor d’alumini en forma de “U” que envolta l’estator per l’exterior. • Rotor d’alumini com a component estructural de la roda. • Rotor, amb l’estator en el seu interior, de secció inferior a la del pneumàtic. • Entreferro o GAP de 0’5 mm entre l’estator i el rotor en tot el perímetre del primer envoltat pel segon. • Vuit bobinats formats per barres de 6 espires de fil de coure de 0,8 mm de diàmetre eficaç. • Posició vertical de tot el conjunt (eix del rotor i de l’estator en posició horitzontal). • Eix que suporti tant el rotor com l’estator alhora i buit per deixar passar cables de tensió o control. El nucli de l’estator es fabricarà d’un material no ferromagnètic per tal de disminuir la massa total de la futura roda automotriu i, així, evitar al màxim la problemàtica de les masses no suspeses, que es tractarà més endavant. Treure el ferro de l’estator és un risc elevat pel que fa al funcionament del prototip degut a la baixa permeabilitat magnètica dels materials no ferromagnètics. Això farà disminuir la intensitat dels camps magnètics de l’estator (dispersions magnètiques elevades) que s’encarreguen d’induir les intensitats al rotor d’alumini i pot arribar a influir molt negativament en el funcionament del prototipus. Tot i això, el fet de treure el ferro de l’estator també ajuda a treballar a altes freqüències, ja que elimina les pèrdues d’histèresi i corrents paràsites. La geometria toroïdal de l’estator facilita l’eliminació dels caps de bobina clàssics. Així es minimitzen els camins de retorn dels corrents inductors, que no defineixen a priori cap pas polar concret. El nou disseny del rotor respon a la necessitat d’assegurar un millor cobriment de l’estator davant de les condicions de funcionament d’una roda: aigua, pols, grava... S’ha decidit que el rotor formi part de l’estructura mecànica del conjunt amb el fi de simplificar la conjunció motor elèctric/roda i alliberar pes. Per una altre banda, la geometria del rotor es busca que formi part de l’estructura de la roda i que tingui una secció inferior a la del pneumàtic amb la intenció de que l’àrea frontal total del conjunt sigui la mínima. D’aquesta manera, com en el cas de la roda automotriu de CSIRO/UTS Solar Car Motors, la resistència aerodinàmica del David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 21 conjunt també serà la mínima. Tot això, sense perdre capacitat de dissipació de calor ja que el rotor segueix estant en contacte amb l’aire. L’entreferro es redueix al mínim possible per millorar notablement la inducció electromagnètica entre rotor i estator, que farà augmentar les prestacions del conjunt. Aquest entreferro tant petit pot fer témer que, davant dels impactes que acostumen a rebre les rodes dels vehicles, apareguin interferències en el funcionament del DASER-1. Tot i això, degut a la capacitat d’autocentratge d’aquest tipus de motor que s’ha esmentat anteriorment, és d’esperar que no aparegui aquest problema. L’estructura magnètica adoptada, de vuit bobinats, permet fer una magnetització parcial dels pols magnètics, per a disminuir el consum de corrent quan no es demana el parell màxim. El fet de variar el nombre de parell de pols, mitjançant l’electrònica, és equivalent, en una màquina d’inducció, a tenir un canvi de marxes. De cara al disseny del prototip que es realitzarà, DASER-0, això queda fora de l’abast d’aquest treball de recerca. En el seu lloc es faran només dos bobinats per simplificar molt notablement el projecte global. Amb dos únics bobinats només s’hauran de generar i controlar dues sinusoides i facilitarà molt el disseny de la font d’alimentació. És el número mínim de bobines per aconseguir el funcionament del prototip. L’alimentació del motor constarà d’un cert tipus de convertidor CC/CA, que s’estudiarà en la memòria d’en Sergio Jiménez i Gozálvez. Aquest convertidor és capaç de subministrar 2 sinusoides desfasades 90º elèctrics amb una intensitat màxima de 20 ampers eficaços per fase. Es desitja un convertidor CC/CA, també anomenat ondulador o inversor, ja que els sistemes de transport normalment van alimentats per bateries (amb possibles sistemes auxiliars de càrrega d’aquestes bateries) que donen tensió constant, o sigui CC, que s’ha de convertir en CA per alimentar degudament el motor. El rang de variació de la freqüència es fixa entre els 100 Hz i els 2 KHz. El perquè d’aquesta opció de variació de la freqüència es teoritza en el següent subapartat. La possibilitat de variar l’amplada de l’ona és degut al desitjable control de la intensitat d’entrada de cada fase, crucial en el comportament del parell del motor. 4.1. Factor de qualitat Es defineix el factor de qualitat G, segons [8], com la capacitat d’una màquina en transformar potència d’una forma a una altra, en concret d’elèctrica a mecànica. Aquesta definició no s’ha de confondre amb el rendiment de la màquina. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 22 PROJECTE FINAL DE CARRERA. David BOSCH BARBOSA. El factor de qualitat es quelcom relacionat amb la facilitat d’obtenir certa corrent a partir d’una força electromotriu donada, així com la facilitat d’obtenir cert flux magnètic de certa corrent circular. Matemàticament es pot expressar com: R L G ω = (Eq. 4.1) On L i R són la inductància i la resistència del secundari en el circuit equivalent d’una màquina d’inducció rotativa (Figura 4.1), o sigui, a falta de reactància de dispersió en el secundari, L ≡ Xm i R ≡ R2. Figura 4.1 Circuits equivalents en una màquina d'inducció rotativa. Extret de [8] Per tal de simplificar el concepte, [8] exposa una proporció entre el factor de qualitat i el producte de termes que s’observa a Eq. 4.2. freqüència areluctànciaresistenci G××∝ 11 (Eq. 4.2) Obviant càlculs teòrics que es poden consultar si són d’interès [8], el rendiment d’una màquina d’inducció rotativa bé donat per l’Eq.4.3 si es considera X2=0 i Rm=∞. A través de la Figura 4.2 es demostra la relació entre el factor de qualitat i el rendiment d’una màquina d’inducció. ()()() { [ } ] 2 2 21 111 1 GRR ++ − = σσ σ η (Eq. 4.3) Per tot el que s’acaba d’exposar, si s’augmenta la freqüència de la sinusoide d’alimentació del motor d’inducció s’aconseguirà augmentar el factor de qualitat de la màquina. Alhora això repercutirà positivament en el rendiment global del sistema. Projecte DASER. Pàg. 23 Aquest fonament teòric és el que s’intentarà demostrar a la pràctica. Es realitzarà una comanda electrònica capaç de variar la freqüència de l’ona d’alimentació i es veurà els efectes en el rendiment del motor. Figura 4.2 Efectes del valor de G en el rendiment. Extret de [8] INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Projecte DASER. Pàg. 25 5. Disseny i construcció del DASER-0 Abans de passar al disseny de la Roda Automotriu definitiva, que s’anomena DASER-1, s’ha de provar que les solucions escollides en l’apartat 4 i els principis elèctrics teòrics de la màquina són correctes. Per provar-ho i poder treure conclusions que ajudin al disseny definitiu, es necessita un prototip per realitzar els assaigs pertinents (detallats a l’apartat 6). S’anomena a aquest prototip DASER-0. El disseny d’aquest prototip ha de ser conseqüent amb la seva finalitat. Així doncs, cal que es tinguin presents els següents aspectes alhora de fer el disseny del DASER-0: • En primer lloc, degut al caire acadèmic del projecte i les possibilitats dels autors, el disseny ha de resultar el més econòmic possible. • Degut a que, en aquest cas, la vida del prototip no serà superior als 6 mesos, aproximadament, alhora de pensar en el disseny del DASER-0 no s’ha de tenir en compte la fatiga mecànica, la corrosió galvànica o per oxidació, l’afluixament de cargols per vibració, o altres problemes que acostumen a aparèixer amb el temps produint fallades ja que, a la pràctica, no es donarà temps a que apareguin. • El disseny ha de permetre aplicar al prototip tots aquells assaigs que es volen realitzar (apartat 6) però no cal que sigui ni estructural ni funcionalment idèntic al DASER-1. Per abaratir al màxim el cost final, el DASER-0 s’ha dissenyat tenint en compte: • Utilització del màxim nombre de peces i conjunts existents en el magatzem del Departament d’Enginyeria Elèctrica de l'ETSEIB o altres fonts a l’abast dels autors. • Mínima utilització de toleràncies especials en el disseny de les peces del conjunt. • Dimensionat generós, per tal d’estalviar temps en càlculs de resistències, de les parts a fabricar. • Utilització de processos de producció de mínim cost. • Màxima utilització de medis propis per a la producció i muntatge de les diferents parts. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 32 Memoria Per assegurar la posició dels fils, s’empren dos procediments. Per una banda, cada pol bobinat, es fixa mitjançant el cosit del fil d’entrada amb el de sortida (veure detall de la Figura 5.6). Per una altra banda, el fil de coure usat disposa d’un vernís que amb el calor es fixa i s’enganxa amb els fils en contacte. Així, un cop es té el fil en el seu lloc, s’aplica calor mitjançant un canó de vent calent per ajudar al posicionament i fixació del bobinat. Un cop acabats els bobinats, per acabar de fixar-los, donar rigidesa i protegir-los de cops o rascades que podrien arrencar el vernís dels fils, cal donar una capa d’epoxi lligada amb fibra de vidre. Per fer-ho, es retalla la fibra de vidre segons les mides del nucli i aplicant Araldit, s’ha d'aconseguir fer un recobriment de tot el nucli bobinat. Els punts on cal prestar més atenció alhora de protegir-los amb l’epoxi són el cantells ja que són els més propensos a rebre cops o fregaments dins del rotor. A la Figura 5.5 es veu un detall d'aquesta protecció. Figura 5.4 Procés de fabricació del Bobinat. També amb Araldit es fan unes protuberàncies al Conjunt nucli que serviran de punt de contacte dels cargols destinats a centrar-lo. Aquest detall es mostra a la Figura 5.7. Finalment, per acabar el muntatge/fabricació del Conjunt nucli, s’adhereix amb Araldit una regleta elèctrica, on es soldaran amb estany les puntes dels fils del bobinat. Això es fa per evitar que qualsevol esforç aplicat als cables entre el bobinat i el control electrònic repercuteixi en els fils del bobinat en sí, cosa que podria causar, directament o via fatiga, el trencament d'aquests. D'aquesta manera, qualsevol esforç repercutirà en els cables que s’utilitzin per connectar l'esmentada regleta i el control electrònic, que són de fàcil reemplaçament. A la Figura 5.7 es veu també un detall de l'esmentada regleta. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 33 INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Figura 5.6 Detall del cosit de cada pol Figura 5.5 Detall de la protecció d’epoxi Figura 5.7 Detall de les protuberàncies d’epoxi i la regleta elèctrica. 5.3.2. Conjunt estator Per portar a terme el muntatge del Conjunt estator, es realitzen els següents passos. En primer lloc, es presenta la Placa guia sobre les guies de la Base estator i es col·loquen les grapes a lloc sense apretar els cargols. Per un altre banda, mitjançant els cargols indicats, es fixa el Conjunt nucli al Cilindre. Per acabar, es presenta el Cilindre sobre la Placa guia i es fixa amb la Grapa cilindre. Pág. 34 Memoria La raó per la qual no s’apreten els cargols, és que serveixen per centrar el Conjunt nucli dins del rotor i aquest pas es fa més endavant. Finalment, es fixen els cables corresponents a la regleta de l'estator per, més endavant poder conectar l'electrònica de control. 5.3.3. DASER-0 Per muntar el DASER-0, un cop es tenen la resta de subconjunts preparats, cal fixar el Conjunt bobinadora a la Placa base i presentar l’Eix al seu lloc. Després, es fixa el Conjunt estator també a la Placa base i es col·loquen els Silent Blocks. Finalment, es presenta el Conjunt rotor a lloc i, mitjançant els forats realitzats a l’alumini, es centra respecte l’estator i s’apreten, ara sí, tots els cargols que fixen la Placa guia i el Cilindre. A la Figura 5.8, es mostra el joc entre rotor i estator. Per acabar es conecta l'electrònica al conjunt. A la Figura 5.9 es mostra el conjunt acabat. Fi g ura 5.8 Joc entre rotor i estator. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 35 Figura 5.9 Conjunt DASER-0. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Projecte DASER. Pàg. 37 6. Assaigs Per assegurar que el DASER-1 funcionarà i que ho farà en un rang de prestacions i característiques acceptables, es realitzaran tots els assaigs convenients al DASER-0 i s’intentarà extrapolar les prestacions del primer. En aquest apartat es descriuen els assaigs i tractament de les dades obtingudes. Aspectes com el muntatge, el procés i les mesures preses dels assaigs es presenten a l'Annex D. 6.1. Assaigs a realitzar Encara que sembli obvi, s’ha de destacar que la principal funció del DASER-0 i el primer assaig que es portarà a terme, encara que sigui de manera intrínseca, és veure si aquest sistema funciona o no. A banda d’aquesta observació, els factors que realment interessa estudiar són tots aquells relacionats amb l’electromecànica i l’electrònica d’aquest nou sistema que s’està desenvolupant i que no es coneix ja que no existeix cap antecedent. El primer factor que s’estudiarà, per tal d’assegurar el bon funcionament del sistema, és l’escalfament que patirà l’estator del conjunt i el rotor d’alumini degut als corrents induïts. Interessa que l’estator i treballin a temperatures adequades per no comprometre el seu comportament elèctric i/o mecànic. Per tant, s’ha d’estudiar el factor ja esmentat i decidir si el DASER-1 necessitarà refrigeració forçada o, en canvi, serà capaç de refrigerar-se per si sol. En el cas del fil de coure, el motiu que, en major probabilitat, pot produir-li escalfaments inacceptables és l’Efecte pel·licular. Aquest fet provoca que, a altes freqüències, el corrent que passa per un fil tendeix a utilitzar només les parts més externes de la seva secció. D'aquesta manera, es redueix l'àrea eficaç i, per tant, augmenta la resistència del fil, al mateix temps que la calor generada per Efecte Joule. Si la resistència del fil de coure del bobinat augmenta, el rendiment de la màquina disminueix considerablement ja que hi ha més part de l’energia d’entrada que es perd en energia calorífica i els camps resultants per transmetre el parell al rotor son molt menors. Pel que fa al rotor d’alumini, el causant del seu escalfament pot ser, a més de l’efecte pel·licular com en el cas del bobinat, l’aparició de vòrtexs diferents als desitjats, [6], (només interessen aquells corrents induïts iguals que els creats per l’estator però de signe contrari). Si apareixen aquests vòrtexs, la seva energia no es dedica a “crear parell” sinó que es malgasta per efecte Joule. En aquests cas, a més de disminuir el rendiment de la màquina, també poden aparèixer problemes mecànics ja que, en augmentar la temperatura, la INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 38 Memoria resistència de l’alumini disminueix. Aquesta disminució podria causar fallades degudes a una resistència mecànica de funcionament insuficient. Degut a aquest escalfament del rotor, també poden aparèixer dilatacions i deformacions, en el propi rotor o en altres elements de la màquina, que produeixin la fallada del sistema. Així, doncs, aquests són dos factors que també s’han d’estudiar per tal de minimitzar els seus efectes negatius. Amb el fi de preveure les prestacions del DASER-1 i veure si aquestes són o no suficients, s’estudiarà la corba parell / velocitat (Γ/ω), la potència mecànica, Pmec, el consum d’energia o Potència d'entrada, Pent, de la màquina i el rendiment que pot oferir. Un valor que pot ajudar a preveure les prestacions d'una màquina elèctrica és el lliscament, s. Aquest valor és de gran interès per començar a definir una màquina elèctrica ja que dóna, aproximadament, una fita màxima del seu rendiment. En una màquina com el DASER-0 es pot considerar que si s val 0, el rendiment màxim de la màquina pot arribar a ser del 100%. Si s val 1, el rendiment màxim de la màquina serà del 0%. Tot i que, encara que s fos 0, el rendiment podria ser del 30%, per exemple, per la senzillesa de mesura i per definir la fita que s’acaba de comentar, el càlcul del lliscament és el primer valor que es buscarà. En el cas del DASER-0, és molt probable que el parell d'arranc sigui el màxim que pot oferir la màquina. Per tant, també per començar a preveure les prestacions del prototip, cal conèixer el parell d’arranc, Γ arranc. Tots els factors que s’acaben de mencionar depenen, al seu torn, de la freqüència i de la Potència entregada per la font d’alimentació. Així, els assaigs que s’han previst fins ara, s’han de repetir per a diferents magnituds d’aquests valors. 6.2. Tractament i interpretació de resultats En aquest apartat es pretén treure conclusions de les dades mesurades a l'Annex D i dels gràfics que se’n poden extreure. 6.2.1. Escalfament i deformacions De les mesures preses en els diferents assaigs, es poden deduir tres fets: • El DASER-0 no pateix escalfaments elevats a l’alumini però si al fil de l’estator ja que un cop acabat l’assaig el primer s’escalfa, presumiblement degut a la calor que el segon li transmet. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 39 • Les característiques del DASER-0 són altament dependents del temps de funcionament degut als escalfaments mencionats en el punt anterior. • El DASER-0 no pateix cap tipus de deformacions ni desajustos en funcionament degut a la temperatura ja que l’alumini no s’escalfa. Aquest escalfament de l’estator, com ja s’ha comentat anteriorment, és degut segurament a l’efecte pel·licular que apareix en augmentar la freqüència del corrent d’entrada. Per eliminar aquest problema, s’haurien de portar a terme dues modificacions. En primer lloc, s’hauria de canviar el fil de coure de 0’8 mm de diàmetre eficaç, utilitzat per la confecció del bobinat de l’estator, per un de Litz. Aquest tipus de fil està format, en veritat, per molts fils de diàmetre de dècimes de mil·límetre que, sumats, donen la secció que es desitgi. Com que la secció de cada fil és molt petita, el fil de Litz redueix considerablement l’efecte pel·licular. En segon lloc, si la primera modificació no fos suficient, s’hauria de buscar una configuració que permetés la refrigeració forçada de l’estator. 6.2.2. Lliscament, s De les dades trobades a l’Annex D, es dedueix la Figura 6.1. Aquest gràfic demostra els següents fets: • En primer lloc, s disminueix en augmentar la intensitat d’entrada. Això sembla força lògic ja que en augmentar Ient s’augmenta també el parell motor i el punt d’intersecció amb la corba de parell resistent serà a ω més elevada. També cal destacar que, si més no de les corbes de 6 i 8 Ampers, es dedueix que la corba d’s sembla ser totalment anàloga per a diferents Ient. • Sembla haver una freqüència òptima on s es minimitza i, a partir de la qual, s torna a augmentar. Segons la teoria del factor de qualitat, aquest punt òptim, al voltant dels 500 Hz per a les corbes de 6 i 8 A, no hauria d’existir i s hauria de seguir disminuint en augmentar f. Les raons per les quals s deixa de disminuir encara que s’augmenti f poden ser dues. En primer lloc, degut a l’efecte pel·licular, que ja s’ha esmentat, podria ser que aquesta freqüència, aparentment òptima, fos un punt crític a partir del qual la resistència del fil de coure augmentés considerablement. En segon lloc, el fet d’augmentar la freqüència augmenta la possibilitat de que es formin vòrtex de corrent no desitjats a l’alumini. Aquests fets o els dos alhora podrien ser la causa que el rendiment de la màquina baixés, així com el seu lliscament augmentés. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 40 Memoria s vs I ent 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 100 200 297 405 504 602 705 796 914 987 1175 f [Hz] s [-] s (4A) s (6A) s (8A) Figura 6.1 Valors s vs f segons Ient El fet que la corba d’s a 4 A presenti l’òptim a una freqüència superior a 500 Hz, dóna força a la teoria de l’escalfament de l’estator. En passar menys corrent, és probable que l’efecte pel.licular no es noti tant i que el lliscament no comenci a augmentar fins més tard. • Els valors del lliscament obtinguts a 8 A fan pensar que el DASER-0 pot donar lliscaments molt bons si s’augmenta la intensitat, sobretot si es comparen amb prototips anteriors d’aquest estil i es pensa que s'està parlant d’un motor de nova generació amb nucli no ferromagnètic. En resum, sembla que per obtenir els millors valors de lliscament del DASER-0, s’ha d’alimentar-lo a corrents el més elevats possible, dins de les capacitats del prototip (20 A), i a una freqüència al voltant dels 500 Hz. Portant a terme les modificacions proposades a l’apartat anterior amb el fi de disminuir l’escalfament de l’estator, és de suposar que el lliscament seguiria creixent amb la freqüència; així com que el temps de funcionament del DASER-0 seria molt superior. Per tant, és de suposar que es poden aconseguir millors lliscaments a freqüències superiors a 500 Hz. L’altre fet que pot ser causant de la disminució del valor d’s en augmentar la freqüència, l’aparició de vòrtexs de corrent no desitjats, es tracta en profunditat a [6]; on es demostra que David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 41 aquest inconvenient és salvable mitjançant el mètode dels elements finits. Es deixa fora d’aquest PFC el seu estudi però es vol remarcar la possibilitat de la millora de les característiques d'aquest motor. 6.2.3. Parell d’arranc, Γ arranc De les mesures preses, que es mostren a l’Annex D, es dedueix la Figura 6.2, d’on es pot concloure: Parell arranc vs freqüència 0,0000 0,0050 0,0100 0,0150 0,0200 0,0250 0,0300 0,0350 0,0400 0,0450 0,0500 100 200 297 404 503 602 705 796 914 987 1175 1299 f [Hz] Γ arranc [Nm] I=4A I=6A I=8A I=15A I=20A Figura 6.2 Γ arranc vs f segons Ient • El primer aspecte que crida l’atenció és que els parells d’arranc cedits pel DASER-0 són de molt baixa magnitud i clarament insuficients per a aplicacions industrials. • Com és freqüent en els motors d’inducció [4], el parell d’arranc creix amb la intensitat. • Les diferents corbes del Γ arranc respecte la freqüència a diferents Ient són clarament anàlogues. • Γ arranc també creix en augmentar la freqüència del corrent d’alimentació. A freqüències baixes, aquest parell creix ràpidament i, a freqüències superiors a 500Hz, sembla que es manté aproximadament constant. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 48 Memoria • Tot i que el DASER-1 tindrà en compte les millores proposades respecte la problemàtica de l’escalfament de l’estator, a falta dels assaigs pertinents, no es pot saber si aquesta és realment la causa de la pèrdua de propietats del DASER-0 a mesura que s’augmenta la freqüència d’entrada. Per tant, s’extrapolaran les característiques del prototip final suposant que no hi ha millores al respecte. • Tot i que s’allunya bastant de la realitat, es suposarà que, en buit, tant la inèrcia del rotor, Ι , com el parell resistent a càrrega zero, Γ resist, són iguals pels dos prototips. • Les extrapolacions es faran a partir de les dades del parell d’arranc per a 20 A, que és el corrent màxim acceptable pel prototip. • Els canvis importants del DASER-1 respecte del DASER-0 són: doble diàmetre de la secció del rotor i possibilitat d’utilitzar 80, 40 i 20 parells de pols per disposar de l’equivalent a un canvi de marxes mecànic. • Per comoditat de representació, es suposarà que les corbes de Γ / ω són rectes i no paràboles com s’ha vist en el cas del DASER-0. Pel que fa a la corba Γ / ω , els canvis que presentarà el DASER-1 venen donats per la quarta suposició que s'acaba de veure. Si el diàmetre de la secció del rotor és el doble, el parell que generarà aquest també serà el doble. Si, a més, es duplica el nombre de parell de pols, per una mateixa Pmec, el parell es torna a multiplicar per dos ja que ω és la meitat. En total, quan s’utilitzen els 80 parells de pols, el parell és quatre vegades superior que el del DASER-0. Quan s’utilitzen 40 parells de pols, el doble i, finalment, si s’utilitzen 20 parells de pols es manté igual. Una altra manera de veure quin és el parell d’arranc és pensar que si la potència es conserva, l’àrea compresa entre els eixos i cadascuna de les corbes Γ / ω ha de ser la mateixa. Per tant, si ω s augmenta el Γ arranc disminueix i a l’inrevés. A la Figura 6.10, es mostren les noves corbes Γ / ω del DASER-1, per a un corrent d’entrada de 20 A i 800 Hz (millor punt trobat del parell d’arranc). Com es pot veure, el pendent de la corba del DASER-1 és més pronunciat per 80 i 40 parells de pols que la corba del DASER-0. Això farà que el lliscament d’aquest prototip millori considerablement respecte al del primer prototip. Probablement, encara que com s’ha vist en el cas del DASER-0 un i altre no semblen estar tant lligats com era d’esperar, l’augment del lliscament també comportarà l’augment del rendiment del DASER-1. Per 20 parells de pols, ω s augmenta i Γ disminueix. Per tant, el pendent de la corba Γ/ω es va aplanant. En tot cas, la configuració de 80 parells de pols és la que s’encarregarà d’arrencar el vehicle (és l’equivalent a la 1ª marxa dels canvis mecànics) i, per tant, la que interessa que tingui millors característiques de parell. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 49 INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Γ/ω DASER-1 0,0000 0,0200 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 0,1200 0,1400 0,1600 0,1800 0,2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 ω [rad/s] Γ [Nm] 80 pp 40 pp 20 pp Figura 6.10 Γ/ω DASER-1 segons nombre de parells de pols (Ient =20A i f =800Hz). Un detall important a destacar de la Figura 6.10 és que posa de manifest el gran avantatge que presenta el canvi de nombre de parell de pols per dissenyar l’equivalent d’un canvi de marxes mecànic. La similitud entre les corbes Γ/ω del DASER-1 i els diagrames Força/velocitat (F/V) que s’utilitzen en l’estudi de canvis de marxa d’automòbils és clara. En el cas del prototip final que es proposa, les tres possibilitats de nombre de parells de pols és l’equivalent a tenir 3 marxes. Una primera, treballant amb 80 parells de pols, que aniria de ω = 0 fins a ω = 40 rad/s aproximadament. Una segona marxa, treballant amb 40 parells de pols, que aniria de ω = 40 fins a ω = 80 rad/s. I, finalment, una tercera marxa, treballant amb 20 parells de pols, que aniria de ω = 80 fins a ω = 240 rad/s (en el cas del DASER-1 significaria aproximadament uns 220 Km/h però a càrrega zero cosa que no es pot donar) sempre i quan el parell resistent ho permetés. Aquestes corbes Γ/ω es poden extrapolar, en general, a la resta de punts de funcionament del DASER-1 (per diferents Ient i f). Cal destacar, també, que aquesta configuració de pols proposada és només una de les possibles. La flexibilitat gràcies a la introducció de l'electrònica en el dispar de les bobines pot oferir moltes altres configuracions i procediments de funcionament. Pág. 50 Memoria Pel que fa als rendiments, es calcularà també per a 800 Hz i 20 A. Coneixent les corbes Γ/ω de les tres possibles "marxes" i el consum teòric per a cada punt, es pot interpolar el rendiment. Com ja s’ha vist, el consum del motor es manté constant, fins i tot a l’arrencada, donat que es fixa la tensió i el corrent d’entrada. Per 20 A i 24 V d’entrada, el consum és de 405 W. Suposant que es solapen les tres corbes de parell de les tres possibles configuracions de parells de pols com s’ha explicat anteriorment, la potència mecànica obtinguda és la que es mostra a la Figura 6.11. Potència mecànica DASER-1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 w [rad/s] Pmec [W] Pmec Figura 6.11 Pmec DASER-1 (Ient =20A i f =800Hz). Es veu, doncs, que la Pmec del DASER-1 és aproximadament constant en el rang de 10 a 140 rad/s, gràcies a la variació dels parells de pols, i de magnitud mitja 2’5 W. Aquest valor és clarament insuficient per a l’aplicació que se li vol donar. Tot i això, el tipus de corba és molt interessant ja que, tal com es diria d’un motor tèrmic, el DASER-1 és molt flexible. Sabent que el rendiment és el quocient de la potència obtinguda per la potència absorbida, el rendiment del DASER-1 respecte ω és el que es mostra a la Figura 6.12. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 51 Rendiment DASER-1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 w [rad/s] η [%] Rendiment Figura 6.12 Rendiment DASER-1 (Ient =15A i f =500Hz). La solució per a la que s’ha buscat el rendiment és només una de les possibilitats. Variant la intensitat d’entrada es podrien trobar altres configuracions que reduïssin el consum tot i que el rendiment no patiria, segurament, cap millora. En aquest apartat s’ha vist avantatges que pot aportar un sistema com el DASER-1 al món de l’automoció. També s’ha vist, però, que les prestacions que aquest pot oferir, són insuficients per aplicar-les a un vehicle solar com el Despertaferro. NOTA: En un projecte real, arribats a aquest punt, s’hauria de fer modificacions i més assaigs per posar a punt el sistema DASER. Com que el cas que ens ocupa és un PFC, no són al nostre abast ni el temps ni els medis necessaris per fer-ho. Per tant, a partir d’aquest punt en endavant, es suposarà que aquests passos han estat seguits i que les prestacions del DASER-1 són acceptables per poder seguir aquest PFC com si fos un projecte real. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Projecte DASER. Pàg. 53 7. Disseny de la roda automotriu DASER-1 Tenint en compte els resultats i conclusions dels apartats anteriors, es pot començar ja el disseny definitiu de la Roda Automotriu DASER-1. En aquest apartat es descriu aquest procés detalladament. Cal, abans de començar aquest disseny, destacar un parell de factors que incidiran directament sobre el resultat final. • Per una banda, el fet de no entrar dins l’abast d’aquest projecte la construcció del DASER-1, allibera, en certa mesura, del caire econòmic que tot projecte real comporta. • El caire acadèmic d’aquest projecte, porta a intentar aprendre el màxim de coneixements que un PFC pugui aportar. Per aquests dos motius, es decideix, a diferència del cas del DASER-0, donar un caire diferent al disseny del DASER-1 i fer les següents suposicions. • Tot i que, en principi, es parla del disseny d’un prototip i, per tant, de tirades curtes, es disposarà de qualsevol procés de construcció, encara que aquests estiguin reservats en general a produccions de series nombroses. • La geometria de les diferents peces del conjunt vindrà influenciada pel punt anterior. A més, s’intentarà, en la mesura del possible, que s’ajusti al màxim a les necessitats del conjunt per tal d’evitar falles mecàniques amb el mínim pes. • Els materials utilitzats, així com els elements a comprar, no tindran en compte l’aspecte econòmic com a primer dels seus condicionants. • L’ús de toleràncies serà el necessari per assegurar el millor rendiment sense tenir en compte la seva dificultat o cost. A continuació es descriuen detingudament els elements a comprar i els que es fabriquen especialment per a la construcció del DASER-1, així com el procediment de muntatge dels seus conjunts. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 54 Memoria 7.1. Elements que es compren 7.1.1. Cargoleria Tal com es veu a l’Annex B, el conjunt Roda Automotriu conté tres unions cargolades les quals consten de: • Unió Perfil Llanda amb Llanda perimetral: o 6 cargols Allen M4 tipus 12.9 DIN 912 (ISO 4762). o 6 volanderes elàstiques dentades per M4 DIN 6797. o 6 helicoils M4xM6x13. • Unió Llanda perimetral amb Llanda central exterior/interior: o 24 cargols Allen M4 tipus 8.8 DIN 912 (ISO 4762). o 24 volanderes elàstiques dentades per M4 DIN 6797. o 24 helicoils M4xM6x13. • Unió Conjunt estructural amb Conjunt Nucli: o 4 cargols de cap hexagonal M6 tipus 5.6 DIN 912 (ISO 4017). o 4 femelles hexagonals M6 DIN 555 (ISO 4032). o 4 volanderes elàstiques dentades per M6 DIN 6797. • Fixació dels rodaments: o 1 Femella entallada 55-75 KM 11 segons NF E 22-310. o 1 volandera dentada de fre 55-75 MB segons NF E 22-310. 7.1.2. Rodaments Els rodaments que es faran servir en el muntatge del conjunt són: • 1 Rodament 65 BT 02 (segons ISO R 300). • 1 Rodament 60 BT 02 (segons ISO R 300). David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 55 La decisió d’aquests rodaments es justifica a l’Annex B. D’aquest també es desprèn que la vida de funcionament dels rodaments escollits és de 99’8·106 i 161·106 revolucions pel 60 BT 02 i el 65 BT 02, respectivament. Tenint en compte que la cursa SunRace té un total de 1.900 Km (aproximadament 0’9·106 revolucions), es pot dir que la vida dels rodaments és més que suficient. 7.1.3. Pneumàtic El pneumàtic escollit és el R16 65/80 especial per a cotxes solars de Michelin. 7.1.4. Fil de bobinar Per conformar el bobinat de l’estator, es farà servir 60 metres de fil de Litz equivalent al fil de 0’8 mm de diàmetre emprat en el DASER-0 eficaç amb capa de vernís adhesiu amb calor. 7.2. Elements que es fabriquen El conjunt Daser-1 ha estat dissenyat segons l’estructura que es pot veure a la Taula 7-1. A la Figura 7.1 es mostra la vista isomètrica i una secció del conjunt. Conjunt Roda automotriu Conjunt Rotor Eix Conjunt Llanda Interior/Exterior Llanda Central Interior/Exterior Tapa Radial Porció Llanda Perimetral Conjunt Stator Conjunt Estructural Cilindre Ranurat DS-102 A/102 Radis Conjunt Nucli DS-102 A/201 Nucli DS-102 A/202 Bobinat DS-102 A/203 Recubriment Epoxi Conjunt Electrònic Conjunt Pneumàtic Perfil Llanda Tapa ExteriorDS-104 A/000 DS-102 A/200 DS-102 A/300 DS-103 A/000 DS-103 A/100 DS-101 A/400 DS-102 A/000 DS-102 A/100 DS-102 A/101 DS-101 A/100 DS-101 A/200 DS-101 A/201 DS-101 A/202 DS-100 A/000 DS-101 A/000 Taula 7-1. Estructuració del DASER-1. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 56 Memoria Figura 7.1 Vista isomètrica i secció del DASER-1. A continuació, es detallen les diferents parts del conjunt especificant aspectes concrets com la funció, el procés de fabricació, el material, l’acabat superficial o les toleràncies. 7.2.1. Eix Aquest element és un dels més importants del sistema ja que és el que “suporta” les dues estructures tant del rotor com de l’estator sent, alhora, el nexe entre una i altra. A més, cal d’estacar que és un eix buit per poder passar cables de tensió i de control a l’interior de la roda. Així, doncs, aquesta és una peça que ha de suportar esforços mecànics i presentar una geometria concreta amb toleràncies fines en totes les condicions de treball. Segons [11], els eixos i arbres es conformen, en general, per mecanitzat o, en casos de diàmetres de més de 150 mm i fortament escalonats per forja. En el cas de l’Eix, sembla innecessari utilitzar la forja, cosa que deixa com a mètode de conformat més adient el mecanitzat (tornejat). Com a mecanitzats especials d’aquesta peça cal destacar les sortides d’eina i l’allotjament per a la xaveta del tipus A de 18x11x50 realitzada segons NF E 27-656. Per a la conformació de l’Eix s’ha donat toleràncies especials als seients dels rodaments (g 6 segons [2], pàgina 178) i a aquelles cotes que han d’assegurar el centrat de l’estator respecte al rotor. Una altra tolerància especial és la de l’allotjament de la xaveta (N9 segons pàgina [2], 157). David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 57 Tal com es dedueix a l’Annex C, el material seleccionat per a la conformació de l’Eix és l’acer 2C25 segons EN 10083-1 en estat de normalització. 7.2.2. Llanda central interior/exterior La funció d’aquestes parts és transmetre els esforços mecànics des de la llanda perimetral als rodaments. Per tant, tenen una funció purament estructural i com a tal han de suportar els esforços corresponents. Degut a la geometria d’aquestes peces, decidim conformar-les per emmotllament i fer els acabats per mecanitzat. Tal com es mostra a l’Annex C, el material escollit és la fosa nodular FGE 43-12. Com a mecanitzats especials d’aquestes peces cal destacar les sortides d’eina als allotjaments dels rodaments i al suport de les Porcions llanda perimetral. Per a la conformació d’aquestes peces també s’ha de destacar les toleràncies P7 als allotjaments dels rodaments, per assegurar el seu bon funcionament ([2], pàgina 178), i la tolerància h 6 pel suport de les Porcions llanda perimetral per assegurar el correcte centrat d’aquestes ([2], pàgina 44). 7.2.3. Tapa radial La funció d’aquesta peça és impedir que cap cos estrany, pols o líquid entrin a l’interior de la roda automotriu a través de l’espai entre radis. Amb la fi de reduir al màxim el seu pes, es dissenyarà la tapa radial d’algun polímer emmotllat. En concret, com es mostra a l’Annex C, Policarbonat (PC). La seva fixació a la Llanda interior/exterior pot ser de per vida cosa que fa pensar en utilitzar massilles. De totes maneres, per evitar problemes de trencament per deformació deguda a la calor i donar més flexibilitat a la unió (que en el sector de la competició sempre és recomanable), es realitzarà per forma a pressió. 7.2.4. Porció llanda perimetral Aquesta peça és clarament la més crítica del conjunt. Per una banda, és la part de màquina elèctrica del rotor, que, per tant, ha de complir les necessitats electromagnètiques corresponents. Per una altra banda, s’ha decidit donar també funció estructural a aquesta peça, cosa que vol dir que ha de suportar tots els esforços mecànics aplicats al conjunt. Per la seva forma, complicada de mecanitzar com s’ha vist en la fabricació del DASER-0, es decideix conformar aquesta peça per emmotllament i mecanitzar els acabats corresponents. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 64 PROJECTE FINAL DE CARRERA. • Els esforços que s’utilitzaran com a resultat dels estudis de simulació i per prendre decisions comparant amb les resistències del material de cada peça són els de Von Misses. • Per millor senzillesa del procés de càlcul, degut al programari informàtic utilitzat, el punt de contacte amb el terra es suposarà en el punt superior. • Els materials assignats a cada peça són els decidits a l’Annex C. 8.1.1. Perfil Llanda En el cas del Perfil llanda, els esforços aplicats són els que rep directament del pneumàtic. Tal com es demostra a l’Annex B, aquests esforços són: • MRX = 364 Nm • FRY = 1.141 N • FRZ1 = 2.028 N • FRZ2 = 613 N On MRX és el moment de reacció aplicat en el punt de contacte entre el Perfil llanda i els talons del pneumàtic; FRY, FRZ1 i FRZ2 son, respectivament les reaccions en les direccions dels eixos Y i Z. Una acció més a tenir en compte per a aquesta peça és la pressió d’inflat del pneumàtic que pot arribar als 5 bars. Es consideren com a punts fixos de la peça aquells que estan en contacte amb les Porcions llanda perimetral. Per a aquesta peça, sembla haver dues distribucions geomètriques crítiques. Aquella en que el contacte amb les Porcions llanda perimetral es troba sobre l’eix Z i aquella en que la direcció Z passa a igual angle de dos dels punts de contacte. S’estudiaran les dues possibilitats. Aplicant tots aquest esforços al Perfil Llanda, els resultats obtinguts d’aquesta simulació son els que es veuen a la Figura 8.1 i a la Figura 8.2 (pàgines 67 i 68). El més crític dels dos casos és el segon. Al detall de la Figura 8.3 (pàgina 68), es pot veure el punt de màxima tensió de Von Misses segons la simulació i que el seu valor és τ = 8’95x107 Pa o 89’5 N/mm2. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 65 El desplaçament màxim que patirà aquesta peça és, tal com es veu a la Figura 8.4 (pàgina 69), de δ = 0’055 mm. 8.1.2. Porció Llanda Perimetral Per a aquest estudi, s’ha de remarcar el següent fet. La geometria d’aquesta peça ve decidida més per raons elèctriques que no pas per raons mecàniques. Així, la finalitat de l’estudi per elements finits de la Porció Llanda Perimetral és només per assegurar que suporta les càrregues corresponents. El cas d’optimització geomètrica, no es tindrà en compte. En el cas de la Porció llanda perimetral, els esforços aplicats són els que rep del Perfil llanda. Tal com es demostra a l’Annex B, aquests esforços són: • MRX = 364 Nm • FRY = 1.141 N • FRZ1 = 3.065 N • FRZ2 = 1.650 N Cal destacar que el moment MRX està repartit entre les sis porcions del conjunt i que, per tant, s’ha de dividir per 6 en aquest estudi. Per una altra banda, el signe negatiu de FRZ2 indica que aquesta reacció la suportarà la unió cargolada i no el punt de contacte que es suposava. A més de les accions que s’acaben de veure, s’aplicarà a l’estudi de simulació aquelles degudes a la força que apliquen les unions cargolades. Es consideren com a punts fixos de la peça aquells que estan en contacte amb les Llandes centrals exterior i interior i els que estan en contacte amb les altres Porcions llanda perimetral. El resultat obtingut d’aquesta simulació és el que es pot veure a la Figura 8.5 (pàgina 69). En el detall de la Figura 8.6 (pàgina 70) es pot veure que el valor de màxima tensió de Von Misses és τ = 3’77x107 Pa o 37’7 N/mm2. El desplaçament màxim que patirà aquesta peça és, tal com es veu a la Figura 8.7 (pàgina 70), de δ = 0’0075 mm. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 66 PROJECTE FINAL DE CARRERA. 8.1.3. Llanda Central Exterior En el cas de les Llandes centrals, degut a la seva similitud, es realitzarà l’estudi només d’una d’elles. En concret, de la llanda exterior ja que al tenir els radis més llargs, els moments resistents han de ser també superiors i, per tant, més crítics. D’aquesta manera, al ser els moments flectors aplicats a aquestes peces les accions que més preocupen a priori, es pot assegurar que si la llanda central exterior supera la prova, la interior també. Seguint el raonament que s’està aplicant, els esforços aplicats sobre aquesta peça són els que rep de les Porcions de llanda perimetrals. Tal com es demostra a l’Annex B, aquests esforços són: • MRX = 364 Nm • FRY = 1.141 N • FRZ1 = 1.575 N • FRZ2 = 2.990 N Com a punts fixos es pren el contacte de la peça en estudi amb el rodament. En aquest cas, tornen a haver dos casos candidats a cas crític. A les Figura 8.8 i Figura 8.9 (pàgina 71) es veuen els resultats de la simulació de cadascun d’ells, d’on es dedueix que el cas més crític dels dos és el segon. El valor màxim de tensió de Von Misses, com es mostra a la Figura 8.10 (pàgina 72), és de τ = 2’58x108 Pa o 258 N/mm2. Pel que fa al desplaçament màxim que pot arribar a patir aquesta peça, tal com es veu a la Figura 8.11 (pàgina 72), és de δ = 0’205 mm. 8.1.4. Eix Seguint el raonament que estem aplicant, els esforços aplicats sobre aquesta peça són els que rep dels rodaments. Tal com es demostra a l’Annex B, aquests esforços són: • MRX = 364 Nm • FRY = 1.141 N • FRZ1 = 1.017 N • FRZ2 = 2.432 N David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 67 Per a l'estudi d'aquesta peça també s’ha de tenir en compte el moment resistent que transmet la xaveta, d'igual magnitud que MRX però de sentit contrari. Com a punts fixos es pren el contacte de la peça en estudi amb la suposada forquilla d’un braç que suportaria tot el sistema DASER-1 a través de l’Eix. A la Figura 8.12 (pàgina 73) es veu el resultat de la simulació. A la Figura 8.13 (pàgina 73) es mostra un detall de la secció de l’Eix on apareixen les tensions màximes. El valor màxim de tensió de Von Misses, com es pot veure detallat a la Figura 8.14 (pàgina 74), és de τ = 5’22x107 Pa o 52’2 N/mm2. Finalment, tal com es mostra a la Figura 8.15 (pàgina 74), el desplaçament màxim de l’Eix serà de δ = 0’06 mm. Figura 8.1. Resultat Simulació del Perfil Llanda (1er cas). INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 68 PROJECTE FINAL DE CARRERA. Figura 8.2. Resultat Simulació del Perfil Llanda (2n cas). Figura 8.3. Detall del resultat de la simulació del Perfil Llanda (2n cas). David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 69 Figura 8.4. Desplaçaments del Perfil Llanda (2n cas). Figura 8.5. Resultat simulació de Porció llanda perimetral. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 70 PROJECTE FINAL DE CARRERA. David BOSCH BARBOSA. Figura 8.6. Detall resultat simulació de Porció llanda perimetral. Figura 8.7. Desplaçament Porció llanda perimetral. Projecte DASER. Pàg. 71 Figura 8.8. Resultat simulació de Llanda central exterior (cas 1). Figura 8.9. Resultat simulació de Llanda central exterior (cas 2). INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 72 PROJECTE FINAL DE CARRERA. Figura 8.10. Detall simulació de Llanda central exterior. Figura 8.11. Desplaçament de Llanda central exterior. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 73 Figura 8.12. Resultat simulació de l'Eix. Figura 8.13. Detall simulació de secció de l'Eix. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 80 PROJECTE FINAL DE CARRERA. 9.1.2. Vehicles absolutament elèctrics Tot i que aquesta opció presenta, encara avui, un gran inconvenient enfront dels vehicles amb motor de combustió interna com és l’autonomia, el futur sembla que ens porta cap a solucions totalment elèctriques i de contaminació zero. Si bé és cert que, avui en dia, la transformació de l’energia a energia elèctrica acostuma a portar-se a terme mitjançant processos contaminants, hi ha molts altres que no ho són. És el cas de l’energia solar, l’eòlica, les cel·les de combustible, la transformació mitjançant dinamos o el frenat regeneratiu, que transforma energia mecànica en elèctrica. És, aquesta última, la transformació, i més tractant-se d’un vehicle, que millors opcions presenta. En recorreguts urbans, on les frenades són contínues, l’energia necessària per accelerar el vehicle és gairebé la mateixa que la que podríem recuperar en les frenades. Així, l’energia que hauríem d’emmagatzemar en bateries es redueix molt, donant a aquest tipus de vehicles, autonomies que, en el cas més ideal (rendiments del 100% i suposant que l’energia utilitzada en l’acceleració i l’avanç és la mateixa que la utilitzada en la desacceleració), es podrien considerar infinites; o dit d’una altra manera, vehicles totalment autònoms. Així, doncs, sembla que vehicles totalment elèctrics, si van equipats amb sistemes de frenat regeneratiu eficients, tal com es podria aconseguir amb el DASER-1, són una bona opció de futur. Es Tindria: • Baix consum. • Baix cost (econòmic) en energia. • Altes autonomies. • Respecte mediambiental. • Contaminació acústica només deguda al rodament, que és gairebé menyspreable a baixes velocitats. 9.1.3. Vehicles pesants L’aplicació on més destacarien els avantatges del DASER-1, ja sigui en format híbrid o en format completament elèctric, és en els vehicles pesats. En aquest tipus de vehicles es pot augmentar el diàmetre de la roda fins a dimensions considerables, augmentant així la potència del motor. També es trauria molt més pes en %, ja que les mecàniques a substituir d’aquests vehicles són molt més grans en comparació amb els turismes. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 81 9.1.4. Trens, Metros i Tramvies. Aquests medis de transport, que també es podrien considerar vehicles pesats, presenten, a més de les avantatges vistes a l’apartat anterior, el fet que ja avui dia s’alimenten majoritàriament d’energia elèctrica. Això implica una implantació molt més ràpida i senzilla. A més, el fet que utilitzin instal·lacions elèctriques com a font d'alimentació elimina el problema de l'autonomia i ofereix la possibilitat de retornar energia a la xarxa gràcies al frenat regeneratiu. 9.1.5. Altres aplicacions. Degut a la senzillesa i flexibilitat geomètrica i de prestacions de les rodes automotrius DASER, a més del sector de l'automoció, poden oferir interessants avantatges en altres aplicacions com cadires de rodes, grues, llits d’hospital, carros de compra i molts altres sistemes que requereixin, o siguin de gran ajuda, rodes motrius. 9.2. Comparativa respecte sistemes de tracció actuals En aquest apartat es pretén portar a terme una comparativa entre els sistemes de tracció actuals i les solucions que es proposen en aquest projecte. D'aquesta manera, es veurà quins son els avantatges o desavantatges dels suposats vehicles propulsats amb la roda automotriu DASER-1. Com s’acaba de veure, la Roda Automotriu DASER-1 podria aplicar-se a moltes solucions de tracció. Per no fer excessiva aquesta comparativa, es selecciona una de les solucions proposades. En concret, degut a que és el cas més oposat a les solucions de tracció amb motors de combustió interna i el cas que es considera "ideal", es realitzarà aquesta comparativa entre els turismes actuals i el cas de vehicles tipus turisme absolutament elèctrics amb tracció a les quatres rodes alimentat per bateries. A continuació es llisten els avantatges del suposat turisme traccionat amb quatre rodes DASER-1 en comparació amb un turisme de combustió interna: • Motor de rendiment elevat: Tot i que el resultat d'aquest projecte no és satisfactori en quan a rendiments, tractantse d'un motor elèctric, és de suposar que es poden arribar a aconseguir rendiments molt propers al 90%. Això, comparat amb els rendiments dels motors de combustió interna, que difícilment superen el 40%, és un clar avantatge. • Pèrdues de transmissió zero: INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 82 PROJECTE FINAL DE CARRERA. Una de les característiques principals de les rodes automotrius és que fan desaparèixer tota transmissió entre el motor i la roda. Per tant, tota les pèrdues que apareixen en els vehicles actuals (rendiments de transmissió de l'ordre del 90%) no existeixen en les rodes automotrius. En total, si el rendiment total de la "cadena cinemàtica" d'una roda automotriu és la del motor que l'alimenta, que pot rondar el 90%, el rendiment dels vehicles actuals és, en el millor dels casos, aproximadament del 36%; gairebé una tercera part. • Reducció del pes total: També degut a la desaparició de la cadena cinemàtica, els vehicles equipats amb rodes automotrius, eliminen peces, en general bastant pesants, i aporten poc pes més. Tenint en compte que s’elimina el motor, l'embragatge, la caixa de canvis, el diferencial, arbres de transmissió i les juntes homocinètiques (d'un pes aproximat d'uns 300 Kg en un turisme estàndard o superior si es tracta d'un 4x4) i que s’afegeixen quatre DASER-1 (de 30 Kg cadascuna, aproximadament) el pes total reduït és de l'ordre dels 200 Kg. A més, s’ha de pensar que el dipòsit de combustible, amb tots els seus complements i el combustible en si, s'ha de substituir per un joc de bateries. El sistema de frens es pot eliminar (frenat regeneratiu). També es pot eliminar el radiador, la bateria d'arranc, tubs d'escapament, catalitzadors, silenciosos... En resum, es té una reducció del pes total altament destacada que de manera estimativa es podria establir al voltant dels 300 Kg. Aquesta reducció de pes, ajuda molt alhora d'igualar les prestacions mecàniques o l'autonomia respecte els vehicles amb motor de combustió interna. • Frenat regeneratiu: Com és conegut, els motors d'inducció poden treballar també com a generadors. Aquest fet es pot aprofitar per generar energia a les frenades i conservar-la a les bateries del vehicle. Tot i que s'ha deixat aquest aspecte fora del projecte, el disseny d'un bon sistema de regeneració milloraria considerablement l'autonomia dels vehicles amb rodes automotrius ja que ells mateixos podrien "fabricar-se" l'energia necessària. A més facilitarien la disminució del nombre de bateries necessàries i, per tant, encara disminuirien més el pes total d'aquest tipus de vehicles. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 83 • Respecte al medi: Tal com es demostra a l'apartat 10 la roda automotriu que es defensa en aquest projecte presenta millors característiques ecològiques respecte els motors de combustió interna. • Localització del centre de gravetat, C.D.G., inferior: Com ja s'ha comentat, vehicles que usin rodes automotrius, disminueixen el seu pes total de manera considerable. Però, a més, el pes romanent és majoritàriament el de les rodes i no el d'un motor i una mecànica que no pot anar tant a prop de terra. Per tant, el C.D.G. d'aquests vehicles baixa considerablement donant-los una estabilitat dinàmica molt superior, més comoditat i un comportament més segur. Un altre pes a destacar, a més del del xassís en sí, és el de les bateries. Aquestes, no poden anar tant a prop del terra com les rodes però sí que són de posicionament flexible dins del vehicle i es podrien aproximar al màxim al pla del terra. • Tendència a centrar el C.D.G. respecte la batalla i la via: S’acaba de veure que el pes majoritari del sistema de tracció d'un vehicle equipat amb rodes automotrius estarà concentrat justament a les rodes. Aleshores, el C.D.G. en el pla horitzontal quedarà molt a prop del centre geomètric de les quatre rodes. La distribució de la resta de pesos és molt flexible ja que s’ha fet desaparèixer molts dels elements que avui dia es fan servir i, el que és millor, la necessitat de posar-los en llocs concrets del vehicle. Per tant, es pot aconseguir que el C.D.G. en el pla horitzontal estigui exactament en el centre geomètric de les quatre rodes o a la distància dels eixos que es desitgi per optimitzar dinàmiques d’acceleració o de frenada. Aquest fet també donarà més estabilitat, comoditat i seguretat. • Simplicitat constructiva i de manteniment: Amb un ràpid estudi del sistema que es presenta, es pot veure que el DASER-1 és de simple construcció en comparació amb un motor de combustió interna, un embragatge, una caixa de canvis i un diferencial. Aquest fet comporta un clar avantatge alhora de fabricar aquests sistemes, així com de portar a terme el seu manteniment. • Abaratiment de costos: Si com s'ha vist en el punt anterior, s'aconsegueix simplificar la construcció i el manteniment de la cadena cinemàtica d'un vehicle, tant el cost d'adquisició com el de manteniment es poden reduir considerablement. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 84 PROJECTE FINAL DE CARRERA. També degut a aquesta simplicitat del DASER-1, la possibilitat de fallada es redueix, tot i que s’afegeixin quatre "cadenes cinemàtiques" en comptes d'una. Aquest és un motiu més que redueix el cost de manteniment o reparació. • Alta flexibilitat d'aplicació de sistemes electrònics de control: En tractar-se d'un motor elèctric, la possibilitat d'afegir sistemes electrònics de control o de seguiment al DASER-1 és molt major en comparació amb els motors "mecànics". A més, el fet d'utilitzar un motor a cadascuna de les rodes i que aquests vagin governats amb senyals electrònics, presenta també millor flexibilitat per utilitzar sistemes de control del conjunt de les quatre rodes; com ara diferencials electrònics, controls de frenada, controls d'estabilitat o controls de tracció. Per una altra banda, els possibles desavantatges de la solució proposada respecte els vehicles amb motor de combustió interna són: • Prestacions mecàniques inferiors: Si més no de moment, les prestacions mecàniques, com el parell, la potència o la velocitat punta, dels vehicles amb motors de combustió interna son clarament superiors a les dels elèctrics. Cal tenir en compte, però, que la possibilitat d'usar quatre rodes automotrius apropa les característiques d'uns i altres. • Autonomia inferior: L'elevat Poder calorífic dels combustibles derivats del petroli fa que, amb pocs litres, l'autonomia dels vehicles amb motor de combustió interna sigui considerablement alta. L'energia elèctrica és més complicada d'emmagatzemar i, a dia d'avui, només s'aconsegueix amb diferents tipus de bateries, totes elles de pes elevat i poca capacitat d’emmagatzemat. En definitiva, tot i que a la llarga pot deixar de ser un desavantatge o pot arribar a ser un avantatge, l'autonomia de vehicles purament elèctrics, queda molt per darrera de les solucions que utilitzen combustibles fòssils. Per solucionar aquest desavantatge, s'ha de trobar bons sistemes per regenerar l'energia cinètica a les frenades i aprofitar el fet que es pugui reduir considerablement el pes total dels turismes elèctrics. Si, a més, es busquen sistemes electrònics de control i optimització del consum energètic, es factible arribar a autonomies semblants a les que els combustibles derivats del petroli ofereixen o, fins i tot, superiors. • Augment de les masses no suspeses: David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 85 A mesura que la proporció entre les masses no suspeses i les suspeses d'un vehicle augmenta, el treball que han de portar a terme les suspensions per aconseguir que el pneumàtic segueixi el perfil del traçat sense transferir el moviment a la resta del vehicle augmenta; existint punts crítics a partir dels quals es fa impossible. Quan menys segueixi el pneumàtic el perfil del terra, menys seguretat de conducció i prestacions mecàniques es tindran, ja que es perd l'adherència. També es perd comoditat dels passatgers ja que, aparentment, el terreny es torna més ondulat. Utilitzant les rodes automotrius DASER-1, tot i que no gaire comparat amb les llandes actuals, s'augmenta el pes d'aquestes masses no suspeses. En conseqüència, la possibilitat que apareguin aquests problemes és superior. • Dificultat d'introducció en el mercat: Actualment, existeixen tres grans inconvenients que podrien fer dificultosa la introducció de nous tipus de vehicles com els que es proposen en el mercat. Per una banda, l'aclaparador domini dels combustibles fòssils com a font d'energia pels vehicles actuals, així com el gran poder econòmic i polític que els seus productors disposen, fa que tant usuaris com governs no inverteixin en aquestes tecnologies. En segon lloc, la falta d’infrastructures per proveir vehicles elèctrics en front de la multitud de benzineres actuals. I en tercer lloc, el fet que la població tingui una certa desconfiança als canvis bruscos en innovacions; sobretot si aquestes innovacions ofereixen característiques, a la vista de l'usuari, inferiors com, per exemple, les prestacions mecàniques. Tot i que aquests inconvenients es podrien solucionar, una simple observació de la situació actual, fa pensar que encara ha de passar temps per aconseguir-ho. Les infrastructures, equivalents a les benzineres actuals, necessàries per proveir d'energia a aquests vehicles es podrien construir sense complicacions ja que es podria agafar de la xarxa elèctrica existent i, fins i tot, en els propis garatges dels usuaris. Pel que fa a la mentalització de la població, es podria incentivar-la, amb l'ajuda dels governs, via ajudes econòmiques (i no al contrari com passa ara amb els vehicles híbrids) o amb campanyes informatives dels seus avantatges, sobretot els ecològics. L'únic punt que sembla difícil de superar, si més no, fins que s'acabin les existències, és el domini del petroli. Tot i la creixent conscienciació mediambiental dels governs, l'hegemonia petrolera sembla que no desapareixerà si no es prenen mesures més INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 86 PROJECTE FINAL DE CARRERA. serioses. Per contra, si continua l’escalada en el preu del petroli, pot produir-se un canvi d’escenari favorable als vehicles híbrids o purament elèctrics. En definitiva, el producte que es presenta podria patir una difícil introducció en el mercat actual, encara que sigui per raons no gaire racionals. 9.3. Viabilitat del DASER-1 En el present projecte s’ha intentat explicar i dissenyar un nou sistema de tracció aplicat al vehicle solar Despertaferro. Els assaigs realitzats en el prototip d’aquest sistema, anomenat DASER-0, demostren que, ara per ara, aquest sistema no és viable degut a les pobres prestacions mecàniques que ofereix. Si bé el prototip final, el DASER-1, presenta modificacions que poden millorar aquestes prestacions, a falta dels assaigs pertinents, és d’esperar que tampoc siguin suficients. No obstant, sí que s’ha demostrat que la roda automotriu presenta un seguit d’avantatges que la presenten com una bona alternativa al sistema de tracció que munta el Despertaferro i, sobretot, als sistemes de tracció actuals que utilitzen motors de combustió interna. Per tant, tot i no ser viable actualment, la roda automotriu obre una nova porta d’investigació pels sistemes de tracció per a vehicles terrestres. En resum, si es dedica més temps a la investigació del DASER, més del que es disposa en un PFC, es poden aconseguir prestacions viables amb els avantatges d’usar una roda automotriu competent. Si es pensa només en el motor elèctric, les prestacions obtingudes no són del tot dolentes si es té en compte que es parla d’un nou tipus de màquina i que s’ha tret el nucli de ferro. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 87 10. Millores mediambientals En aquest apartat es pretén presentar les millores pel medi que suposaria l’aplicació de sistemes de tracció per a vehicles terrestres com el que es proposa en aquest projecte. Com es mostra a l’apartat 9.1 Estudi d’aplicacions l’aplicació de la roda automotriu va més enllà de cotxes solars, i és aquí on pren més força en front dels sistemes tractors actuals. Segons les pautes de [7], els aspectes mediambientals que cal tenir en compte per a la realització d’un projecte de productes són: • Utilització de materials reciclats i/o reciclables o aprofitables energèticament: Un avantatge del DASER-1 és que empra alumini en la seva fabricació, que és de més fàcil reciclatge que l’acer. No obstant, el seu gran avantatge respecte els vehicles actuals és que elimina moltes de les parts fabricades d’acer com el motor, la caixa de canvis o el diferencial, entre d’altres. • Programació de manteniments predictius: En el present PFC, no s’ha portat a terme una programació de manteniment pel DASER-1. No obstant, la seva senzillesa de fabricació i manteniment envers tota la cadena cinemàtica d’un automòbil amb motor de combustió fa pensar que la programació dels manteniments preventius del DASER-1 serà molt menys complexa. • Necessitat de noves infrastructures: Si ve és cert que el DASER-1 és un sistema nou i, per tant, necessitarà noves infrastructures, aquestes es podrien reciclar fàcilment de les existents. Pel que fa a infrastructures de fabricació i muntatge, es podrien substituir les fàbriques d’automòbils existents per les necessàries. Pel que fa a infrastructures de proveïment, també es podrien utilitzar les existents per als sistemes actuals: benzineres existents adaptades per proveir d’energia elèctrica que es podria treure de la xarxa. • Nivells d’emissió atmosfèrica: Els sistemes tractors que utilitzen combustibles fòssils presenten com a gran inconvenient la generació de gasos contaminants que van a parar a l’atmosfera. Amb el DASER-1 aquestes emissions desapareixen, si més no en el lloc d’utilització. Avui dia, part de la generació de l’energia elèctrica encara es porta mitjançant processos contaminants però n’hi ha que no i és previsible que augmentin en el futur. En el cas dels vehicles híbrids, tot i no desaparèixer les emissions contaminants, es redueixen considerablement; cosa que ja seria una millora mediambiental. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA. Pág. 88 PROJECTE FINAL DE CARRERA. • Influència sobre la població: El DASER-1 representa un abaratiment de costos tant de construcció com de manteniment. Per tant, “pot” arribar a tenir un cost d’adquisició i de manteniment inferiors als dels vehicles actuals. Això podria fer que la població optés per aquesta alternativa, cosa que faria disminuir molt les emissions contaminants i tots els aspectes negatius del automòbils actuals que s’està exposant en aquest apartat. • Influència sobre la qualitat de vida: En disminuir les emissions contaminants a l’atmosfera, eliminar el soroll de funcionament i altres factors que es veuen en aquest apartat, el DASER-1 presenta una clara millora de la qualitat de vida. • Generació de residus de fabricació i muntatge: En ser un sistema molt més senzill, els residus que es puguin crear en la seva construcció i muntatge seran molt inferiors que en el cas dels sistemes de tracció actuals. • Consum de recursos d’utilització y de manteniment: A diferència dels sistemes tractors actuals, el DASER-1 elimina la utilització d’aigua refrigerant i olis lubrificants de motor, caixa de canvis i diferencial. Això implica un estalvi molt important en producció i reciclatge d’aquests elements, sobretot de l’oli. • Possibilitat de separació en els seus components: El DASER-1 és tant senzill de muntar com de desmuntar i separar en els seus components. Sobretot si es compara amb sistemes de tracció actuals. El sistema DASER-1 presenta, doncs, clares avantatges mediambientals en la majoria dels aspectes que s’acaben de presentar. Per tant, es pot concloure que la roda automotriu és un sistema més respectuós amb el medi ambient que els sistemes tractors actuals en tot el seu cicle de vida. David BOSCH BARBOSA. Projecte DASER. Pàg. 89 Conclusions Tot i quedar molta feina per fer, s’ha aconseguit demostrar la funcionalitat del DASER-0 i, per tant, la del DASER-1. En el present projecte s’han extret, a freqüències diferents de 50 Hz, les primeres gràfiques de lliscament, parell i potència d’aquest tipus de motors. També s’han pres les primeres determinacions fiables del rendiment. Això no s’havia aconseguit mai en prototips previs. El DASER-0, malgrat tenir prestacions limitades, ha superat les prestacions que oferia el RB11, l’últim dels prototips previs construïts. A més, s’ha posat a punt un sistema d’alimentació de freqüència variable, s’ha eliminat el ferro de l’estator i el conjunt presenta una simplificació constructiva important respecte als seus successors i altres màquines convencionals. L’estructura magnètica adoptada pel DASER-0 també permet fer una magnetització parcial dels pols magnètics, per a disminuir el consum de corrent quan no es demana el parell màxim. A més de la desconnexió d’alguna de les vies en paral·lel, també hom pot desconnectar, per exemple, els parells de pols senars mantenint l’estructura de conjunt que interessi. Aquesta possibilitat no es viable en cap altre màquina de les conegudes i es deixa per un altre treball llur explicació. Aquesta flexibilitat electromagnètica, adaptable a un ampli ventall de possibilitats de parell i velocitat, és inèdita a les màquines elèctriques i potser molt útil per a les rodes automotrius i el frenat regeneratiu, sempre que s’assoleixin un mínim de prestacions. Queda per treballs posteriors l’experimentació amb menys parells de pols, jugant amb el nombre de vies en paral·lel, per disminuir el parell i el corrent absorbit fora dels punts de treball a màximes prestacions. En concret, s’ha posat a punt un dispositiu de base per a varies tesis doctorals, en curs al Departament d’Enginyeria Elèctrica de l’ETSEIB, que ampliaran aquests estudis. També s’ha extrapolat les prestacions de la roda automotriu DASER-1. Aquestes són, actualment, insuficients per a aplicacions pràctiques, però obren una nova via d’estudi per a sistemes de tracció de vehicles. Realitzant les millores pertinents com, per exemple, les que s’han proposat en aquest text, aquests sistemes poden arribar a donar prestacions competents i un seguit d’avantatges de gran interès. INTENSIFICACIÓ MECÀNICA.