TFG_TERESA_DURAN_CARRETERO

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID 
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE 
INGENIEROS INDUSTRIALES 
 
 
 
 
TRABAJO FIN DE GRADO 
 
 
PREDISEÑO DE UN MOTOR 
ELÉCTRICO PARA UNA MOTOCICLETA 
URBANA 
 
 
 
TERESA DURÁN CARRETERO 
TUTORES: FRANCISCO BLÁZQUEZ GARCÍA 
EMILIO REBOLLO LÓPEZ 
 
 
GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES 
SEPTIEMBRE 2016 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 
ÍNDICE 
RESUMEN _________________________________________________________________________ 1 
1 INTRODUCCIÓN ________________________________________________________________ 5 
1.1 Breve evolución histórica del vehículo eléctrico __________________________________ 5 
1.2 Estado del arte de vehículos eléctricos __________________________________________ 6 
1.3 Motocicleta eléctrica _______________________________________________________ 11 
1.4 Plan MOVEA ______________________________________________________________ 15 
2 OBJETIVOS ___________________________________________________________________ 17 
3 MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO DEL ARTE __________________ 19 
3.1 Introducción ______________________________________________________________ 19 
3.2 Descripción básica _________________________________________________________ 19 
3.3 Ventajas y desventajas _____________________________________________________ 20 
3.4 Imanes permanentes (IP) ___________________________________________________ 21 
3.5 Configuraciones rotóricas ___________________________________________________ 25 
3.5.1 Rotor exterior_________________________________________________________ 25 
3.5.2 Rotor interior _________________________________________________________ 26 
 Rotor con imanes exteriores o superficiales: __________________________________ 26 
 Rotor con imanes interiores: _______________________________________________ 27 
3.6 Ecuaciones básicas de funcionamiento_________________________________________ 29 
3.6.1 Funcionamiento en condiciones de vacío: __________________________________ 29 
3.6.2 Ensayo de carga: ______________________________________________________ 29 
4 PREDISEÑO DEL MOTOR ________________________________________________________ 31 
4.1 CÁLCULOS ANALÍTICOS _____________________________________________________ 31 
ÍNDICE 
 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
4.1.1 Características del motor _______________________________________________ 31 
4.1.2 Método de cálculo _____________________________________________________ 32 
4.2 CÁLCULOS NUMÉRICOS: ____________________________________________________ 40 
4.2.1 Introducción __________________________________________________________ 40 
4.2.2 Geometría ___________________________________________________________ 41 
4.2.3 Materiales ___________________________________________________________ 43 
4.2.4 Excitación ____________________________________________________________ 47 
4.2.5 Parámetros ___________________________________________________________ 47 
4.2.6 Regiones y límites _____________________________________________________ 48 
4.2.7 Mallado _____________________________________________________________ 48 
4.2.8 Análisis ______________________________________________________________ 49 
5 SIMULACIONES ________________________________________________________________ 53 
5.1 Simulación en vacío: _______________________________________________________ 53 
5.1.1 Ranura rectangular tipo 1 _______________________________________________ 54 
5.1.2 Ranura redondeada ____________________________________________________ 56 
5.1.3 Ranura rectangular tipo 2 _______________________________________________ 59 
5.2 Simulación en carga: _______________________________________________________ 61 
5.2.1 Ranura rectangular tipo 1 _______________________________________________ 62 
5.2.2 Ranura redondeada ____________________________________________________ 64 
5.2.3 Ranura rectangular tipo 2 _______________________________________________ 67 
6 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS _________________________________________________ 71 
7 CONCLUSIONES _______________________________________________________________ 79 
8 LÍNEAS FUTURAS ______________________________________________________________ 81 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 
9 BIBLIOGRAFÍA _________________________________________________________________ 83 
10 PLANIFICACIÓN DEL TRABAJO ____________________________________________________ 85 
11 PRESUPUESTO ________________________________________________________________ 87 
12 IMPACTOS DEL TRABAJO ________________________________________________________ 89 
12.1 Impactos socio-económicos: _________________________________________________ 89 
12.2 Impactos medioambientales: ________________________________________________ 89 
13 ÍNDICE DE FIGURAS ____________________________________________________________ 91 
14 ÍNDICE DE TABLAS _____________________________________________________________ 95 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ÍNDICE 
 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 1 
 
RESUMEN 
 
El vehículo eléctrico está en pleno momento de expansión, empezando a establecerse como 
parte del parque de automóviles a nivel mundial, a la vez que continúa su desarrollo e 
investigación para solventar los inconvenientes que presentan y potenciar sus ventajas. 
La parte más crítica de los vehículos eléctricos es el almacenaje de energía realizado a través 
de las baterías, ya que, a pesar del impulso de la última década, aún no se han conseguido 
desarrollar baterías con capacidades suficientes para asegurar una autonomía ni siquiera 
similar a los vehículos impulsados por motores alternativos convencionales. Además de la 
capacidad de almacenaje, también presentan los inconvenientes de un elevado tiempo de 
carga, un comportamiento difícil de predecir en algunos casos y la dificultad de medir aspectos 
como su tiempo de vida o el estado de carga en el que se encuentran. 
La utilización de motocicletas eléctricas en las grandes ciudades ha aumentado en los últimos 
años. Cada vez son más los ciudadanos que recurren a este medio de transporte eléctrico de 
dos ruedas con el objetivo de evitar el tráfico habitual de la ciudad. La motocicleta eléctrica es 
un vehículo de movilización urbana que permite un transporte limpio, silencioso y además es 
muy fácil de conducir. 
Desde hace unos meses, se impulsó en algunas ciudades lo que se denomina “car sharing”, 
que consiste en compartir coches eléctricos aparcados por determinadas zonas de la ciudad 
de manera que sólo se paga los minutos que se utilizan. Así se favorece el transporte eléctrico 
y se conciencia de lo fácil que resulta contribuir al cuidado del medioambiente. Recientemente 
se ha dado a conocer que al igual que el “car sharing”, pronto comenzará en la ciudad de 
Barcelona el “moto sharing”. Esta iniciativa está promovida por la empresa catalana Cooltra. 
De esta manera los ciudadanos podrán utilizar motocicletas eléctricas que reservarán a través 
de una aplicación. 
En Barcelona también, con el objetivo de promover la utilización de transporte limpio, BMW 
cedió a la policía nacional 30 motocicletas eléctricas de la gama C Evolution. 
En las siguientesimágenes se observan algunos modelos comerciales de motocicletas 
urbanas: 
RESUMEN 
2 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En el presente proyecto se realiza el prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta 
urbana de este tipo. El tipo de motor escogido es un motor de imanes permanentes con rotor 
interior y con los imanes superficiales, es decir, situados sobre la superficie del rotor. 
Los motores síncronos de imanes permanentes, también conocidos como “PM motors”, se 
caracterizan por tener una alta eficiencia, tamaño reducido y un amplio rango de velocidad de 
funcionamiento y par. Son motores cuyo uso ha crecido muy rápidamente estos últimos años 
Figura 1. Motocicletas eléctricas de la empresa Cooltra. 
(Fuente: Cooltra) 
Figura 2. Motocicletas eléctricas BMW C Evolution utilizadas por la 
policía de Barcelona. (Fuente: BMW Blog) 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 3 
 
por la aparición de los imanes construidos a base de tierras raras (principalmente los 
compuestos por Neodimio-Hierro-Boro) que tienen un producto de energía muy superior al 
resto, relativo bajo coste y por ser muy adecuados en aplicaciones con convertidores de 
frecuencia donde se requieren amplios rangos de velocidad de funcionamiento con par 
constante. 
Este tipo de máquinas no necesitan escobillas ni anillos rozantes al no haber bobinados en el 
rotor. Esto provoca también que las pérdidas por efecto Joule disminuyan considerablemente 
en el rotor. Esta reducción de pérdidas en el rotor es muy importante, ya que ésta es la parte 
más difícil de refrigerar de la máquina, dando lugar a diseños de máquinas de menor volumen 
y peso. 
Las tareas realizadas para llevar a cabo el proyecto se citan a continuación. 
En primer lugar se ha llevado a cabo un estudio teórico previo de los vehículos eléctricos, en 
concreto de las motocicletas, con el objetivo de conocer las características, las ventajas y los 
inconvenientes. 
A continuación se define el tipo de motor que se va a prediseñar, con sus especificaciones 
eléctricas y mecánicas. Estas especificaciones se resumen en las siguientes tablas: 
 
Especificaciones mecánicas Símbolo Valor 
Potencia nominal (kW) Pm 11 
Velocidad (rpm) ns 803 
 
Tabla 1. Especificaciones mecánicas 
 
Especificaciones eléctricas Símbolo Valor 
Tensión eficaz (V por fase) E 45 
Frecuencia (Hz) f 53.55 
Rendimiento η 0.9 
Factor de potencia cos φ 1 
 
Tabla 2. Especificaciones eléctricas 
 
RESUMEN 
4 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
Una vez se especifican las características del motor se procede al cálculo, mediante 
ecuaciones analíticas, de los parámetros necesarios para poder posteriormente definir la 
geometría del motor en un programa específico basado en el Método de Elementos Finitos 
(FEM). Este cálculo analítico se basa en una serie de ecuaciones propias de máquinas de 
imanes permanentes. 
A continuación, se aplica el programa de FEM por ser un método numérico muy utilizado para 
la resolución de ecuaciones diferenciales parciales que, de otro modo, no pueden resolverse 
con precisión. 
Se han prediseñado distintas alternativas en cuanto al tipo de ranura: dos ranuras 
rectangulares diferenciadas por la apertura inferior y una ranura más redondeada, para así 
poder hacer una comparación de los resultados y ver cómo el tipo de ranura, no considerado 
en el método analítico, es un factor que afecta a los resultados. 
Las simulaciones electromagnéticas del motor se han realizado mediante un análisis 
transitorio en 2 dimensiones (2D). Se han llevado a cabo dos ensayos principales: ensayo de 
vacío y ensayo en carga. En ambos ensayos se han analizado los siguientes parámetros: las 
corrientes, la tensión inducida, el par, la velocidad a la que gira el motor y el flujo. 
Por último, se han recopilado las conclusiones alcanzadas tras el análisis y la discusión de 
resultados. Entre las más importantes, destaca que el tipo de ranura no afecta a factores como 
la corriente, los enlaces de flujo o la velocidad a la que gira la máquina, mientras que supone 
una diferencia de resultados en el caso de las tensiones inducidas y del par. 
 
Palabras clave: Vehículo eléctrico, motocicleta eléctrica, motor, ensayos, simulación, tipos 
de ranura 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 5 
 
1 INTRODUCCIÓN 
 
1.1 Breve evolución histórica del vehículo eléctrico 
 
El nacimiento del vehículo eléctrico es previo incluso a los vehículos de combustión interna. 
Uno de los primeros vehículos con propulsión eléctrica que se desarrollaron fue el coche 
eléctrico, entre 1832 y 1839, cuando Robert Andersen inventó el primer carruaje con tracción 
eléctrica pura, el cual se alimentaba de unas baterías primarias. 
La expansión del coche eléctrico en esa época se debe a las mejoras en sus baterías, gracias 
a que en 1859 Gastón Planté inventó la primera batería secundaria. Este hecho hizo que 
naciones como Gran Bretaña y Francia apoyaran el desarrollo de los vehículos eléctricos. 
En 1882 William Ayrton y John Perry, del Reino Unido, inventaron el primer triciclo eléctrico. 
A medida que los vehículos eléctricos se introducían en el mercado, también lo hicieron los 
vehículos de combustión interna en 1885. Pero estos últimos eran muy contaminantes, debido 
a los gases de escape que emitían, ruidosos y necesitan gasolina, la cual en esa época no 
era de fácil adquisición. Además requerían de un gran esfuerzo manual para conducir, como 
el cambio de marchas, que no fue una tarea fácil, y el arranque del vehículo, que tenía que 
ser iniciado con una manivela. 
Todo esto hacía que para algunos los vehículos de combustión interna fueran difíciles de 
operar y, por tanto, dio lugar a que las ventas de automóviles eléctricos superaran a los de 
gasolina a principios del siglo XX. Los vehículos eléctricos no tenían esos problemas 
asociados ya que eran silenciosos, fáciles de conducir y no emitían contaminantes. 
En 1911 Charles Kettering introdujo el motor de arranque eléctrico, eliminando la necesidad 
de la manivela y dando lugar a un mayor número de ventas de vehículos con motor de 
gasolina. Sin embargo, fue la implantación de la producción en cadena de montaje de forma 
masiva inventada en el 1909 por Henry Ford para su Ford T, lo que hizo que el coche de 
motor de combustión le fuera ganando terreno al coche con motor eléctrico. 
En 1912 en USA se vendieron 900000 vehículos de gasolina frente a los 30000 vehículos 
eléctricos. 
Durante los siguientes 30 años los vehículos eléctricos experimentaron una decaída, sobre 
todo en la Primera Guerra Mundial. El coche eléctrico perdió su importancia en el mercado, 
INTRODUCCION 
6 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
Debido a que la mayoría de vehículos que intervinieron en esta guerra utilizaban motores de 
combustión interna. Muchas marcas de vehículos eléctricos cerraron desde entonces. 
Durante los años 60-70, la crisis del petróleo favoreció la reaparición del vehículo eléctrico, 
haciendo que los fabricantes mejoraran la eficiencia de los coches de combustión interna y al 
mismo tiempo buscaran alternativas al petróleo. 
A partir de la década de los 80, el desarrollo de este tipo de vehículos se incrementó 
considerablemente al ser cada vez más patentes los altos índices de contaminación y el 
agotamiento progresivo de las fuentes de carburantes para los motores tradicionales de 
combustión interna. En los años 90 los grandesfabricantes de coches comienzan a desarrollar 
los prototipos de sus vehículos eléctricos y en 1997 se comienzan a comercializar en Japón 
los primeros vehículos híbridos, como el Toyota Prius y el Honda Insight. Estos nuevos 
vehículos eléctricos alcanzan unas velocidades y un rendimiento que se va acercando al de 
los vehículos de combustión. 
Poco a poco se han vencido muchos de los inconvenientes que en un principio presentaban 
los vehículos eléctricos. El avance de la eficiencia de los motores eléctricos y la mayor 
autonomía de las baterías permiten los vehículos eléctricos pasen a competir contra los de 
combustión. 
Actualmente, la aplicación de nuevas tecnologías (construyendo zonas de recargas por las 
ciudades y disminuyendo el tamaño de las baterías a la par que aumenta su capacidad de 
carga) y el esfuerzo por parte de empresas y administración para normalizar el uso de estos 
vehículos, debido a la necesidad de reducir la contaminación en las ciudades, ha supuesto un 
nuevo auge de los vehículos eléctricos, ya sean autobuses, coches, o como es el caso de 
este proyecto, motocicletas. 
 
1.2 Estado del arte de vehículos eléctricos 
 
Los vehículos eléctricos son aquellos que, para moverse, utilizan energía eléctrica liberada 
por baterías que alimentan el motor eléctrico y se recargan a través de una toma de corriente 
y del sistema de frenado regenerativo. 
Respecto a los vehículos movidos por motores de combustión, los vehículos eléctricos 
suponen un impacto medioambiental mucho menor debido a la disminución de las emisiones 
de CO2 a la atmósfera. 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 7 
 
Estas emisiones de CO2 del transporte por carretera son una de las causas más evidentes y 
difíciles de controlar del cambio climático. Si a esto se añade el incremento del precio de los 
combustibles fósiles, y la limitación de las reservas de gas y petróleo, se pone de manifiesto 
la urgencia por desarrollar nuevas formas de transporte que a día de hoy apuntan hacia los 
vehículos eléctricos híbridos (HEV), híbridos enchufables (PHEV) y eléctricos puros (EV). 
Si el sistema de transporte del futuro se basara en los coches eléctricos, éstos requerirían 
sistemas de almacenamiento de energía capaces de cargarse tantas veces como se quisiese 
en tiempos de carga muy reducidos. De forma complementaria se desarrollaría una red de 
distribución capaz de suministrar la energía eléctrica en las cantidades demandadas, en 
lugares accesibles. 
Los vehículos eléctricos abarcan todos los vehículos impulsados exclusiva o principalmente 
por un motor eléctrico, alimentado desde una batería o desde otros dispositivos de 
acumulación de energía recargables, empleando para la recarga la energía proveniente de 
una fuente exterior al vehículo. 
Se clasifican según las fuentes de energía eléctrica: 
 Energía almacenada a bordo con sistemas recargables, que cuando estacionan 
almacenan energía que luego consumen durante su desplazamiento. Las principales 
formas de almacenamiento son: 
- Energía química almacenada en las baterías: vehículo eléctrico de batería. 
- Energía eléctrica almacenada en supercondensadores. 
- Almacenamiento de energía cinética, con volante de inercia sin rozamiento. 
 Fuentes que permiten la generación eléctrica a bordo del vehículo durante el 
desplazamiento, como son: 
- La energía solar generada con placas fotovoltaicas. 
- Generados a bordo usando una célula de combustible. 
 También es posible disponer de vehículos eléctricos híbridos, cuya energía proviene 
de múltiples fuentes, tales como: 
- Almacenamiento de energía recargable y un sistema de conexión directa 
permanente. 
- Almacenamiento de energía recargable y un sistema basado en la quema de 
combustibles, incluyendo la generación eléctrica con un motor de explosión y 
propulsión mixta con un motor eléctrico y de combustión. 
 
INTRODUCCION 
8 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
En la actualidad existen diferentes tipos de vehículos eléctricos en función de su tecnología 
de tracción y sistema de recarga de sus baterías: 
 
 Vehículo Eléctrico Híbrido no enchufable (HEV, Hybrid Electric Vehicle) 
Los vehículos híbridos no enchufables combinan la propulsión del motor eléctrico y la del 
motor de combustión interna. 
La batería eléctrica se recarga únicamente mediante el sistema de frenado regenerativo 
durante las frenadas o las fuertes pendientes y suelen tener menor capacidad que las de los 
eléctricos puros. 
La recuperación y almacenamiento de energía en la batería mejora la eficiencia del vehículo 
respecto a uno de combustión interna, pero contribuye en menor medida a reducir las 
emisiones de CO2. 
Aunque el híbrido no enchufable sigue siendo la tecnología que predomina en el mercado 
desde el año 2011, están perdiendo cuota frente a los enchufables gracias al avance de su 
autonomía. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Esquema simplificado del 
HEV (Fuente: Iberdrola) 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 9 
 
 Vehículo Eléctrico Híbrido enchufable (PHEV, Plug- in Hybrid Electric Vehicle) 
Los vehículos híbridos enchufables combinan la propulsión del motor eléctrico y la del motor 
de combustión interna. 
Las baterías se pueden cargar de la red, cuando el vehículo está parado o mediante el sistema 
de frenado regenerativo cuando frena y baja fuertes pendientes. La capacidad de las baterías 
suelen ser menor que el de los eléctricos puros. 
Cuanto más se utilice en régimen eléctrico, menos emisiones de CO2 se producirán. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Vehículo Eléctrico Híbrido de autonomía extendida (E-REV, Extended-Range Electric 
Vehicles) 
El vehículo híbrido de autonomía extendida siempre utiliza el sistema de propulsión eléctrica. 
Las baterías se recargan desde la red eléctrica. 
Para las situaciones en que se necesita más autonomía y no se tiene la posibilidad de recargar 
de la red, el vehículo dispone de un motor de combustión interna que recarga la batería 
eléctrica mientras circula. 
Estos vehículos también disponen del sistema de frenado regenerativo para aprovechar la 
energía de las frenadas y las fuertes pendientes. 
Figura 4. Esquema simplificado del 
PHEV (Fuente: Iberdrola) 
 
INTRODUCCION 
10 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Vehículo Eléctrico puro (BEV, Battery Electric Vehicle): 
El vehículo eléctrico puro utiliza únicamente el motor eléctrico como sistema de propulsión. 
La energía almacenada en las baterías se carga de la red eléctrica mientras el vehículo está 
aparcado. 
También dispone de sistema de frenado regenerativo que en las frenadas o en las fuertes 
pendientes recupera energía y recarga las baterías. 
Tienen una autonomía limitada por la capacidad de las baterías. No produce ruido, ni 
emisiones de gas de efecto invernadero. Cuando se recarga con energía renovable, es nula 
la emisión de CO2. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Esquema simplificado del E-REV 
(Fuente: Iberdrola) 
 
Figura 6. Esquema simplificado del BEV (Fuente: Iberdrola) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 11 
 
El precio todavía sigue siendo bastante elevado (debido principalmente a las baterías, que 
constituyen una tercera parte del precio final del vehículo), pero se espera que éste disminuya 
cuando empiece la producción en serie. Además del precio, sus principales inconvenientes 
son las limitaciones de tamaño y prestaciones de los vehículos, el tiempo de recarga de las 
baterías, la baja autonomía y la lentitud con respecto a los de combustión interna. 
Sin embargo,a pesar del precio y de las desventajas descritas anteriormente, el número de 
matriculaciones de vehículos eléctricos enchufables es cada vez mayor. En el actual mercado 
de vehículos, la mayor parte de las matriculaciones siguen siendo, vehículos diesel o gasolina, 
aunque la tendencia es que las configuraciones alternativas están ganando terreno. Desde 
2011 hasta 2015 se han matriculado 82.234 unidades con tecnologías alternativas, es decir 
casi un 106,5% más. 
 El tipo de vehículo eléctrico más demandado, con diferencia, es el eléctrico puro, como se 
puede observar en la siguiente figura: 
 
 
Figura 7. Incremento de ventas de vehículos enchufables entre 2011 y 2015 en España. El eje de 
ordenadas hace referencia a las unidades vendidas (Fuente: ANFAC Research) 
 
1.3 Motocicleta eléctrica 
 
Desde hace unos años, la utilización de vehículos eléctricos ha experimentado una fuerte 
subida en ventas. A medida que en las ciudades el tráfico es cada vez mayor, muchos 
ciudadanos están recurriendo a diversas formas de transporte eléctrico de dos ruedas. La 
INTRODUCCION 
12 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
motocicleta eléctrica es un vehículo de movilización urbana que permite un transporte limpio, 
fácil de conducir y silencioso. 
En un principio, el mayor éxito de ventas de las motocicletas eléctricas tuvo lugar en China. 
Este país constituye el mayor mercado de vehículos eléctricos de dos ruedas en el mundo, 
alcanzándose en 2013 un total de 33 millones de unidades vendidas. Entre 2012 y 2018 se 
venderán un total acumulado de 355 millones de motos y bicicletas eléctricas. 
A pesar de la desaceleración del crecimiento en China estos últimos años, ésta se ve 
compensada por la expansión de los mercados en las economías emergentes vecinas. 
Se espera que el mercado de las motocicletas y scooters eléctricos logre un crecimiento 
estable y continuo durante los próximos años. Este crecimiento vendrá dado por la 
introducción en el mercado de varios grandes fabricantes, principalmente América del Norte 
y Europa, y por la disminución del coste de las baterías y la mejora de su capacidad, lo cual 
hace que los productos sean más asequibles. De acuerdo con un nuevo informe de Navigant 
Research, se espera que las ventas mundiales de motocicletas y scooters eléctricos 
aumenten de 5,3 millones de dólares anuales en 2015 a casi 6 millones de dólares para el 
2024. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En España el número de matriculaciones de motocicletas eléctricas experimentó un gran 
crecimiento entre los años 2012 y 2013, pero a partir de 2014 ese número se redujo a la mitad. 
Figura 8. Tabla de previsión de ventas de e-scooters y motocicletas eléctricas del 2014-
2023. (Fuente: Navigant Research) 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 13 
 
Sin embargo queda claro que las motocicletas puramente eléctricas son más atractivas al 
público que las híbridas enchufables, como se ve en la siguiente figura: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Existen distintos tipos de motocicletas, según el ámbito en el que se vayan a usar. Destacan 
las motocicletas urbanas, que son las más demandadas, aunque también se fabrican motos 
eléctricas de campo e incluso de competición. En las figuras 1.8 y 1.9 se muestran algunos 
ejemplos de motocicletas eléctricas comerciales: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9. Matriculaciones en España de motocicletas y similares del 2011 al 2015 
(Fuente: ANFAC Research) 
 
Figura 10. BMW C Evolution (Fuente: BMW) 
 
INTRODUCCION 
14 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En cuanto a los fabricantes que comercializan motocicletas eléctricas, los principales son los 
siguientes: 
 
 
Figura 11. VR Cross (Fuente: VR bikes) 
Figura 12. Principales fabricantes de motocicletas eléctricas 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 15 
 
En España, las ventas de motocicletas eléctricas en el primer trimestre del año 2016 están 
lideradas por Scutum, con una cuota de mercado del 56% que lo sitúa muy por encima del 
resto de fabricantes. A pesar de no ser muy conocida ha logrado superar a marcas como 
BMW, Zero Motorcycles y Brammo con una gran diferencia, logrando vender 131 unidades 
en esos primeros meses. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.4 Plan MOVEA 
 
En los últimos planes MOVELE para la ayuda a la compra de vehículos eléctricos, las 
motocicletas eléctricas fueron las grandes perjudicadas, ya que no se incluyeron y el 
presupuesto fue destinado exclusivamente a los coches eléctricos. 
Sin embargo el nuevo plan MOVEA (Movilidad con Vehículos de Energías Alternativas), que 
entró en vigor el 1 de enero de 2016, ha recuperado las ayudas a ciclomotores y motocicletas. 
Figura 13. Datos de ventas de motos eléctricas del primer trimestre del año 2016 
(Fuente: Movilidad Eléctrica) 
 
INTRODUCCION 
16 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
En él se regula la concesión directa de ayudas para la adquisición de vehículos de energías 
alternativas, y para la implantación de puntos de recarga de vehículos eléctricos en 2016. Con 
esto se espera que 2016 se convierta en el punto de inflexión que marque el auge de las 
ventas de este tipo de vehículos que, además, puede atraer a nuevos usuarios que nunca se 
habían planteado pasarse a las dos ruedas para su movilidad habitual. 
Tanto el Plan MOVELE como el plan MOVEA han sido desarrollados por el Ministerio de 
Industria, Energía y Turismo. Con este plan se pretende fomentar la sostenibilidad en el sector 
del transporte, la disminución de las emisiones de contaminantes y la mejora de calidad del 
aire, así como la diversificación de las fuentes energéticas en el transporte y la consiguiente 
reducción de la dependencia energética del petróleo. 
El Plan MOVEA dedica la mayor parte de su presupuesto, 13,3 de los 16,6 millones de euros, 
a ayudas a la compra de vehículos eléctricos e infraestructura de recarga. De ellos, 300.000 
se destinarán a motocicletas eléctricas. 
Las ayudas varían en función de la autonomía de los vehículos. Se destinarán 1.500 euros 
para motocicletas eléctricas que se propulsen con baterías cargadas totalmente con 
electricidad de la red (BEV) cuya potencia sea igual o superior a 3 kWh e inferior a 4,5 kWh, 
con autonomía eléctrica igual o superior a 70 km, y cuyo precio no supere los 8.000 euros. 
Una mayor cantidad, 2.000 euros, irá para motocicletas eléctricas que se propulsen con 
baterías cargadas totalmente con electricidad de la red (BEV) cuya potencia sea igual o 
superior a 4,5 kWh, con autonomía eléctrica igual o superior a 70 km, y cuyo precio no supere 
los 8.000 euros. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 14. Infraestructura de recarga en el centro de Madrid (Fuente: IBIL) 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 17 
 
2 OBJETIVOS 
 
El objetivo del presente proyecto es: 
 Diseñar un motor síncrono de imanes permanentes para propulsar, a través de una 
transmisión mecánica, una motocicleta eléctrica urbana. 
Los objetivos parciales que se deben cubrir para poder alcanzar el objetivo principal de este 
proyecto son: 
 Conocer las características y funcionamiento de un motor de imanes permanentes. 
 Definir las especificaciones del motor, tanto mecánicas como eléctricas, y calcular a 
partir de ellas todos los parámetros necesarios para el dimensionamiento del motor. 
 Verificar el dimensionamiento del motor mediante la simulación electromagnética del 
mismo, utilizando un software de cálculo mediante Elementos Finitos.OBJETIVOS 
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Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 19 
 
3 MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO 
DEL ARTE 
 
3.1 Introducción 
 
En la actualidad, existen nuevos tipos de máquinas que juegan un papel importante en los 
sistemas de generación y consumo de energía eléctrica. En los últimos años, muchos 
fabricantes se han dedicado a estos diferentes tipos de diseños de máquinas eléctricas. Las 
máquinas de imanes permanentes están actualmente muy comercializadas y han adquirido 
más importancia gracias a las mejoras significativas en aspectos como los imanes 
permanentes, la potencia de los dispositivos eléctricos y la creciente necesidad de desarrollar 
motores más eficientes, de menor tamaño y más baratos. 
Los motores de imanes permanentes no son los más utilizados actualmente, pero a medida 
que su precio disminuya, se convertirán en el tipo de motor más usado por su compacidad, su 
alta densidad de par y su eficiencia. Estos motores montaos en vehículos, mejoran las 
características de conducción, ya que permiten una conducción silenciosa, fácil y sin 
contaminación. 
 
3.2 Descripción básica 
 
Un motor síncrono tradicional se compone de dos partes principales, una estática denominada 
estator y una giratoria denominada rotor. Ambas partes están acopladas magnéticamente por 
medio del campo creado por los imanes permanentes. El hueco de aire que separa al estator 
del rotor se denomina entrehierro. 
El estator cuenta con un arrollamiento polifásico de corriente alterna. Está formado por el 
apilamiento de finas láminas cilíndricas de acero al silicio (chapa magnética), aisladas entre 
sí, a las que se les han realizado unos orificios o ranuras para poder situar en ellas los 
devanados trifásicos. 
 
MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO DEL ARTE 
20 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
El rotor de la máquina de sitúa concéntrico con el estator y también está constituido por un 
material magnético. A diferencia de las máquinas síncronas convencionales, las cuales tienen 
un rotor bobinado por el cual se hace circular una corriente continua que genera el campo 
magnético del rotor, en las máquinas de imanes este campo es generado por unos imanes 
permanentes que se colocan en el rotor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.3 Ventajas y desventajas 
 
El uso de los motores de imanes permanentes en la construcción de máquinas eléctricas 
supone los siguientes beneficios: 
- La ausencia de devanado de excitación en el rotor hace que no existan pérdidas eléctricas 
en el cobre del rotor y, por tanto, aumenta sustancialmente la eficiencia de la máquina. 
- Al haber eliminado las escobillas y anillos rozantes se reduce drásticamente el 
mantenimiento de la máquina y la desaparición de chispas. 
- Reducción del volumen de la máquina y aumento del par debido a la alta densidad de 
potencia de estas máquinas, por lo que ofrecen mejores prestaciones dinámicas que los 
motores con excitación electromagnética. 
- Se limitan los flujos de dispersión de imanes y distorsión armónica. 
Figura 15. Rotor con imanes permanentes superficiales 
(Fuente: China Magnets Source Material) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 21 
 
- Se pueden construir máquinas lentas de muchos pares de polos, ya que el tamaño 
superficial de los imanes no afecta a su nivel de inducción magnética B, reduciendo así 
considerablemente el paso polar y consiguiendo más polos en un espacio más pequeño. 
- Son eficientes a baja velocidad, por lo que son adecuados para su utilización en el “modo 
ciudad”, donde se requiere que el vehículo se inicie y se detenga con frecuencia. 
En cuanto a las desventajas, la principal que tienen los motores síncronos de imanes 
permanentes es su precio, así como la volatilidad del mismo. Al utilizar imanes en lugar de 
bobinado en el rotor encarece el precio de estas máquinas. Este encarecimiento será mayor 
o menor dependiendo del imán que se utilice. 
Otros inconvenientes son: 
- La fabricación. Al tener imanes que pueden ir montados tanto en el exterior o interior 
del rotor, la fabricación de este diseño es más difícil que la de los demás motores. 
- No se puede regular el flujo magnético creado por el rotor, ya que el campo es creado 
únicamente por los imanes. 
- La regulación y el control de estos motores es complejo, ya que requiere de valores 
muy precisos de la posición del campo generado por los imanes. 
 
3.4 Imanes permanentes (IP) 
 
Inicialmente, la utilización de imanes permanentes en el rotor surge como idea para solucionar 
los problemas asociados al devanado de excitación. Los imanes permanentes son materiales 
que poseen una gran capacidad de almacenamiento de energía magnética, que perdura 
en el tiempo aunque puede sufrir degradación si se produce una maña utilización del mismo. 
Pueden generar intensos campos magnéticos en el entrehierro sin necesidad de alimentación 
y sin disipación de energía eléctrica. 
De la misma forma que los materiales ferromagnéticos, un imán permanente puede ser 
descrito por su curva característica de magnetización o curva de histéresis, curva que es 
particular para cada tipo de material magnético. Estos imanes son también llamados 
materiales magnéticos duros, por su amplia curva de histéresis. 
MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO DEL ARTE 
22 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
. 
Una forma rápida y adecuada para determinar la capacidad del material empleado como imán 
permanente y su comportamiento magnético es la observación de su curva característica 
de magnetización, tal como se muestra en la figura 1 6 . Los puntos más relevantes son: 
1. La inducción remanente, Br, que indica la máxima densidad de flujo magnético que el 
imán puede producir por sí mismo. 
2. El campo magnético coercitivo, Hc, que es la intensidad de campo negativa necesaria 
para llevar la remanencia a cero, es decir, para desmagnetizar el imán. Un valor 
razonable de coercitividad para imanes permanentes de alto rendimiento es del orden 
de los kA/m. 
3. El producto energético máximo (BH)máx es el factor de calidad del imán e indica la 
energía máxima por unidad de volumen que el material del imán permanente puede 
contener. 
Si se disminuye el campo magnético H, los dominios comienzan a moverse hacia su dirección 
inicial, hasta que encuentran una posición estable denominada de “magnetización fácil”. 
Cuando el campo magnético externo se anula, los dominios del material mantienen una 
componente neta distinta de cero, originando una inducción magnética remanente (Br). Este 
efecto es el que permite crear imanes permanentes y es responsable del efecto conocido 
como histéresis magnética. 
Debido a la histéresis, cuando se anula el campo magnético exterior aplicado a un material 
ferromagnético, en éste queda un momento magnético distinto de cero (Br), generando así un 
Figura 16. Ciclo de histéresis de un material ferromagnético (Fuente: PFC 
Universidad Pública de Navarra) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 23 
 
imán, denominado imán permanente. Observando la figura correspondiente al ciclo de 
histéresis se puede observar como aparece un flujo remanente, causante del imán 
permanente, y un campo coercitivo (Hc), que es el necesario para anular la densidad de flujo 
del imán permanente. 
La característica de imán permanente es a lo largo de todo el sector del segundo cuadrante. 
Ladesmagnetización de los imanes permanentes debido a la temperatura, vibraciones o 
fuerzas magnetomotrices inversas, son siempre de naturaleza irreversible, es decir, una vez 
ocurrido el fenómeno perjudicial y debido a la característica de memoria de la curva de 
histéresis del material, el punto de operación no volverá a ser el mismo, sino que se 
reposicionará en otro punto situado en el segundo cuadrante pero con menor nivel de 
inducción. 
En los núcleos magnéticos sometidos a campos magnéticos variables se dan dos tipos de 
pérdidas: Pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault. 
Hay tres clases de imanes permanentes, según el material, utilizados actualmente para 
motores eléctricos: 
 Alnicos (Al, Ni, Co, Fe) 
 Cerámicos o ferritas, por ejemplo, ferrita de bario BaO.6Fe2O3 y ferrita de estroncio 
SrFe12O19 
 De tierras raras, como el samario-cobalto (Sm-Co) y el neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-
B). Tanto los imanes de samario-cobalto como los de neodimio-hierro-boro presentan 
diversos grados comerciales que les permiten adaptarse a distintas condiciones de 
utilización. Estos imanes son de alta energía, siendo los más habituales los de Nd-Fe-
B al tener un alto valor de fuerza coercitiva y flujo remanente. 
 
 
 
 
 
MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO DEL ARTE 
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De estos 3 tipos los que presentan mayor número de ventajas son los imanes de “tierras 
raras”: 
- Mayor rendimiento 
- Menor mantenimiento 
- Son máquinas con arranque muy suave 
- Pueden alcanzar grandes velocidades 
- Mejoran bastante el factor de potencia 
 
En la siguiente figura se ilustra un desarrollo histórico de los materiales de los imanes 
permanentes a lo largo de los siglos XX y XXI 
Este gráfico muestra la mejora de la energía máxima de los materiales mediante la 
introducción de nuevos tipos de materiales, excepto el caso de la ferrita. La ferrita no tiene 
valores deseables de (BH)máx porque el aumento de coercitividad va unido a un descenso de 
la remanencia. 
Figura 17. Gráfica comparativa de los puntos de trabajo de los distintos tipos de 
imanes permanentes (Fuente: PFC Universidad Carlos III) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 25 
 
 
 
3.5 Configuraciones rotóricas 
 
La construcción del rotor y la ubicación de los imanes permanentes tienen un considerable 
efecto sobre las propiedades del motor. Según la disposición del rotor se pueden distinguir 
dos tipos de construcción: 
 
3.5.1 Rotor exterior 
 
Este tipo de rotores se pueden diseñar para ir montados directamente en la rueda, eliminando 
la necesidad de un sistema de transmisión. Esto hace que sean menos ruidosos y que haya 
más espacio libre en el medio de la moto, que es donde iría alojado en el caso de no ir montado 
en la rueda. En motores de rotor exterior la componente del par de reluctancia es 
prácticamente nula. 
Figura 18. La evolución histórica de los materiales de imanes permanentes según (BH)máx en el 
siglo XX (Fuente: Magnet Energy) 
 
MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO DEL ARTE 
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Esta configuración tiene una serie de inconvenientes. El principal es debido al montaje en la 
rueda, lo cual aumenta la masa de la rueda, rompiéndose el balance de masas de una 
motocicleta convencional. 
 
 
 
 
 
3.5.2 Rotor interior 
 
A diferencia de los motores de rotor exterior, éstos van montados en el medio de la 
motocicleta, manteniéndose el balance de masas de la motocicleta convencional. Se 
caracterizan por su ligero peso y su alta eficiencia. 
Al no ir montados en la rueda es necesario un sistema de transmisión y que exista un espacio 
en el medio de la motocicleta donde el rotor y la transmisión puedan alojarse. 
En este tipo de motores se pueden distinguir dos tipos de montajes de los imanes: 
 Rotor con imanes exteriores 
 Rotor con imanes interiores 
 
 Rotor con imanes exteriores o superficiales: 
En este tipo de rotor, los imanes se van colocando sobre la superficie del mismo. Con este 
diseño se consigue la mayor densidad de flujo en el entrehierro y se aprovecha al máximo la 
energía de los imanes al estar colocados en la posición más cercana posible a los bobinados 
del estator. 
Esto ayuda a filtrar los armónicos altos, reduciendo pérdidas y vibraciones. El entrehierro 
geométrico es variable con la posición, si bien el entrehierro magnético es en la práctica 
constante, asumiendo una permeabilidad magnética de los imanes parecida a la del aire. 
Figura 19. Motor síncrono de imanes permanentes de rotor exterior (Fuente: PFG Universidad 
Politécnica de Cataluña) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 27 
 
Debido a que los imanes se pegan en la superficie del rotor, la velocidad de rotación se debe 
limitar para poder mantener los imanes permanentes en la superficie del rotor por el efecto de 
la fuerza centrífuga. Es por eso que esta configuración está pensada para máquinas de baja 
velocidad. 
 
(a) (b) (c) 
 
 Rotor con imanes interiores: 
En este tipo de configuración, como bien indica el nombre, los imanes se colocan en el interior 
de la chapa del rotor. Hay distintas formas de colocarlos pero las más usadas son en forma 
de “I”, verticalmente y horizontalmente y en forma de “V”. Esta geometría es de especial 
interés cuando la sujeción y/o protección de los imanes es un asunto importante, como en 
máquinas de alta velocidad. 
El entrehierro geométrico es constante, mientras que el magnético es variable. El imán y el 
aire no están a continuación el uno del otro y, por tanto, el flujo magnético atraviesa 
alternativamente regiones ferromagnéticas y regiones de baja permeabilidad, bien sea al paso 
por los imanes o por el propio entrehierro entre parte fija y parte móvil. La variabilidad del 
entrehierro magnético hace que se pueda obtener una componente de par reluctante, pero 
por lo general no es apreciable. 
Al estar el imán en el interior del rotor, se hace necesario evitar caminos de cortocircuito 
magnético que pudieran ser utilizados por el flujo del imán para cerrarse sin concatenar el 
estator de la máquina. A este efecto se usan las llamadas barreras de flujo que no son más 
que regiones interiores al rotor en las que la permeabilidad magnética es baja, la del aire, y 
Figura 20. Configuraciones rotóricas de los PMSM con imanes superficiales (Fuente: World 
Academy of Science, Engineering and Technology) 
 
MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO DEL ARTE 
28 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
que por tanto el campo magnético no cruza fácilmente. En cualquier caso aparecen caminos 
de fugas de flujo, que hacen desaprovechar parte del potencial del imán. 
Permiten configurar el flujo magnético y concentrarlo, de tal forma que la máquina trabaje con 
un campo de entrehierro superior al campo en el imán. Son necesarias en caso de querer 
operar con campos de entrehierro superiores a los campos proporcionados por los imanes, 
como ocurría en muchos casos con imanes de Ferrita. En el caso de imanes de tierras raras 
no suele ser necesario concentrar el flujo, y la configuración de imanes interiores es escogida 
por motivos mecánicos en vez de magnéticos. 
Como ventaja de esta configuración se puede mencionar que los imanes están más 
protegidos contra la desmagnetización parcial, ya que al estar más alejados del estator se 
producenmenos pérdidas por corrientes de Foucault en los mismos y, por tanto, menos 
calentamiento. 
Esta configuración también permite el uso de imanes rectangulares en lugar de imanes en 
forma de arco. Pero esto tienen una desventaja, si los imanes son rectangulares no producen 
una densidad de flujo en el entrehierro tan senoidal como pueden producir unos imanes 
curvos, disminuyéndose la amplitud de su armónico fundamental. Así que, si se usan imanes 
interiores rectangulares en vez de curvos, hay que colocar imanes con un volumen mayor 
para conseguir la misma potencia que con los curvos. 
 
 
 
 
 
a) IP enterrados 
radialmente pero 
magnetizados 
tangencialmente 
b) IP enterrados 
tangencialmente 
pero magnetizados 
radialmente 
c) IP interiores 
en “V” 
Figura 21. Configuraciones rotóricas de los PMSM con imanes interiores (Fuente: World Academy of 
Science, Engineering and Technology) 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 29 
 
3.6 Ecuaciones básicas de funcionamiento 
 
A continuación se presentan las tres ecuaciones básicas que explican el funcionamiento en 
régimen permanente de la máquina en condiciones de vacío y carga: 
 
3.6.1 Funcionamiento en condiciones de vacío: 
 
En un ensayo de vacío, por los devanados del estator no circulará corriente, es decir el campo 
magnético será creado en el rotor bien por otro devanado o bien como es este caso, por 
imanes permanentes. 
La fuerza electromotriz inducida (E0) depende de la velocidad de giro, a través de la frecuencia 
(f): 
 𝐸0 = 4.44 · 𝑓 · ξ · ф0_𝛿 · 𝑁𝑠 
 
 
(1) 
 𝑓 =
𝑛𝑠 · 𝑝
60
 
 
(2) 
Siendo: 
p: pares de polos 
ns: velocidad de sincronismo 
ξ : factor de devanado 
Ns: número de espiras por fase 
 
3.6.2 Ensayo de carga: 
 
En el ensayo de carga aparece un par electromagnético debido a la interacción entre las 
corrientes del inducido y el campo magnético, cuya expresión es: 
MÁQUINAS SÍNCRONAS DE IMANES PERMANENTES. ESTADO DEL ARTE 
30 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 𝑇 = 𝜋 · 𝑝 · 𝜇0 ·
𝑅 · 𝑙
𝛿
· 𝐹𝑓 · 𝐹𝑖 · sin(𝛽) 
 
 
(3) 
El par depende del ángulo que forman los campos de estator y de rotor. 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 31 
 
4 PREDISEÑO DEL MOTOR 
 
4.1 CÁLCULOS ANALÍTICOS 
 
4.1.1 Características del motor 
 
El motor síncrono de imanes permanentes que se ha elegido es un motor con rotor interno 
con imanes superficiales dispuestos sobre el rotor, ya que de esta manera el motor va situado 
en la mitad de la motocicleta y no es necesario reajustar el balance de masas en la misma. 
La motocicleta para la cual se diseña el motor es una motocicleta urbana. Al utilizarse en 
ciudad, la velocidad máxima que se estima que alcanza la moto es de 100 km/h, lo que 
equivale a 803 rpm en la rueda. Para poder diseñar el motor es necesario determinar una 
serie de especificaciones mecánicas y eléctricas, resumidas en las siguientes tablas: 
 
Especificaciones mecánicas Símbolo Valor 
Potencia nominal (kW) Pm 11 
Velocidad (rpm) ns 803 
 
Tabla 3. Especificaciones mecánicas 
 
Especificaciones eléctricas Símbolo Valor 
Tensión eficaz (V por fase) E 45 
Frecuencia (Hz) F 53.55 
Rendimiento Η 0.9 
Factor de potencia cos φ 1 
 
Tabla 4. Especificaciones eléctricas 
 
 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
32 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
4.1.2 Método de cálculo 
 
A partir de las especificaciones impuestas se procede al cálculo de los parámetros del motor 
de imanes permanentes superficiales: 
 
 Dimensionamiento inicial: 
Con las especificaciones mecánicas de par y velocidad se obtiene el valor del par 
electromagnético a través de la siguiente ecuación básica: 
 
𝑇𝑚 = 
𝑃𝑚
𝑛𝑆 · 2𝜋
60⁄
=
11 · 1000
803 · 2𝜋
60⁄
= 130.81 𝑁 · 𝑚 
 
(4) 
 
Se suponen los siguientes valores: 
Parámetros supuestos Símbolo Valor 
Factor de devanado ξ 0.9654 
Inducción en el entrehierro (T) Bδ 0.71 
Carga lineal (A·m) A 21500 
Diámetro medio del entrehierro (m) D 0.140 
 
Tabla 5. Valores supuestos en el dimensionamiento inicial 
 
El par electromagnético también puede calcularse mediante la siguiente ecuación: 
 𝑇𝑚 =
𝜋
2
· 𝐷2 · 𝐿 · ξ · Bδ · A 
 
(5) 
en la que se conocen todos los datos menos la longitud del paquete magnético (L) 
 
𝐿 = 
𝑇𝑚
𝐶 · 𝐷2 
 
(6) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 33 
 
 𝐶 =
𝜋
2
· ξ · Bδ · A 
 
(7) 
 𝐿 = 0.288 𝑚 
 
(8) 
A partir de la especificación 𝑇𝑚 y del “nivel de utilización de los materiales”, Bδ · A, queda 
definido el tamaño de la máquina 𝐷2 · 𝐿 a nivel de entrehierro 
Nota: Es necesario comprobar los valores supuestos una vez que se calculan las dimensiones 
de los imanes y del estator. 
 
 Dimensionamiento de los imanes: 
Los imanes que se van utilizar son imanes curvos, ya que van pegados a la superficie del 
rotor. Al igual que en el caso anterior, es necesario realizar una serie de suposiciones iniciales: 
Parámetros supuestos Símbolo Valor 
Longitud del entrehierro (mm) lg 2 
Recubrimiento polar - 0.75 
Altura del imán (mm) lm 10 
Coeficiente de dispersión Kσ 1 
Coeficiente de Carter KC 1 
Inducción remanente en el imán (T) Br 1.1 
Campo magnético coercitivo (kA/m) HC 838 
 
Tabla 6. Valores supuestos en el dimensionamiento de los imanes 
 
El recubrimiento polar es criterio del diseñador y suele estar entre 0.7-0.8. En este caso se ha 
escogido el valor intermedio. 
 𝐵𝑟 = 𝜇0 · 𝜇𝑟 · 𝐻𝑐 
 
 
 
(9) 
 
𝜇0 = 4 · 𝜋 · 10−7 
𝑁
𝐴2
 
 
(10) 
 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
34 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
Con la permeabilidad magnética en vacío y los datos supuestos de los imanes es posible 
calcular la permeabilidad magnética relativa de los imanes: 
 𝜇𝑟 = 1.04 
 
(11) 
𝜇𝑟 > 1, como corresponde para un material ferromagnético 
El número de pares de polos necesarios queda determinado por la frecuencia y la velocidad 
de giro del motor: 
 
𝑝 =
60 · 𝑓
𝑛𝑠
=
60 · 53.55
803
≅ 4 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 
 
(12) 
Este número coincide con el número de imanes que habrá en el motor (2·4 = 8 imanes). 
La inducción máxima y el flujo magnético en el entrehierro quedan: 
 
𝐵0_𝛿 = 
𝑅𝑒𝑐 𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟 · 𝐾𝜎 · 𝐵𝑟
1 + 𝜇𝑟 · 𝑅𝑒𝑐 𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟 · 𝐾𝑐 ·
𝑙𝑔
𝑙𝑚
⁄
= 0.7132 𝑇 
(13) 
 
𝐵0_𝛿 ≅ 𝐵𝛿, por lo que la aproximación realizada previamente es correcta. 
 
ф0_𝛿 =
𝐵0_𝛿 · 𝐷 · 𝐿 · 𝜋
2 · 𝑝
= 0.0113 𝑊𝑏 
 
(14) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 22. Figura 4.1. Imanes curvos de Neodimio (Fuente: Direct Industry) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 35 
 
 Dimensionamiento del rotor: 
En primer lugar se establece como criterio una saturación máxima del circuito magnético en 
el rotor 𝐵𝑚á𝑥_𝑟 = 0.7 𝑇. 
El rotor del motor síncrono que se pretende diseñar viene determinado por la colocación de 
los imanes en éste. En este caso, al ser los imanes superficiales, es necesario tener en cuenta 
la altura de éstos a la hora de calcular el diámetro interior del rotor. 
A continuación se calculan las dimensiones del rotor: 
Diámetro exterior del rotor: 
 𝐷𝑒𝑥𝑡_𝑟 = 𝐷 − 𝑙𝑔 = 0.138 𝑚 
 
(15) 
Diámetro interior del rotor: 
 𝐷𝑖𝑛𝑡_𝑟 = 𝐷𝑒𝑥𝑡_𝑟 − 2 · 𝑙𝑚 = 0.118 𝑚 
 
(16) 
Altura de la corona del rotor: 
 
ℎ𝐶𝑟 =
ф0_𝛿
2 · 𝐵𝑚á𝑥_𝑟 · 𝐿
= 0.028 𝑚 
 
(17) 
Diámetro de material paramagnético: 
 𝐷𝑝𝑚𝑎𝑔 = 𝐷𝑖𝑛𝑡_𝑟 − 2 · ℎ𝐶𝑟 = 0.062 𝑚(18) 
 
 Dimensionamiento del estator: 
El dimensionamiento del estator se determinará a partir de sus diferentes partes de las cuales 
está compuesto, como las ranuras, el yugo y el devanado. 
Cuando se dimensiona la chapa del estator se tienen en cuenta unos criterios que vienen 
dados por el diseñador. En este caso se han determinado los siguientes valores: 
Criterios Símbolo Valor 
Inducción máxima en el diente (T) Bmáx_d 2 
Máxima intensidad que puede circular por los 
conductores (A/mm2) 
 
δ 
 
3 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
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 Factor de relleno Fr 0.45 
Inducción máxima en el circuito magnético del 
estator (T) 
 
Bmáx_e 
 
0.7 
 
Tabla 7. Criterios del diseñador en el estator 
 
Diámetro interior del estator: 
 𝐷𝑖𝑛𝑡_𝑒 = 𝐷 + 𝑙𝑔 = 0.140 + 2 · 10−3 = 0.142 𝑚 
 
(19) 
El número de ranuras del que dispondrá el motor (Q) en el estator viene determinado por el 
número de polos del motor. Dado que el motor es trifásico, m = 3, y el número de polos del 
motor es 2·p = 8. En este motor se han elegido 48 ranuras. Por tanto, sólo queda por conocer 
el número de ranuras por polo y fase (q): 
 𝑄 = 𝑚 · 2𝑝 · 𝑞 
 
(20) 
 
𝑞 = 
𝑄
𝑚 · 2𝑝
=
48
3 · 2 · 4
= 2 
 
(21) 
Obtenidas las dimensiones tanto del estator como del rotor, así como el número de ranuras 
de las que se dispone, se procede a la elección del devanado. 
Una espira no es más que la unión de dos conductores, uno de ida y otro de vuelta. Un 
conjunto igual y superpuesto de estas espiras conforman una bobina y, a su vez, la unión de 
varias bobinas da lugar a un devanado básico. En este caso, el devanado que se ha elegido 
ha sido de doble capa. 
El número de bobinas (B) en que se distribuye el devanado se calcula a partir del número de 
ranuras y las capas de devanado: 
 
𝐵 =
𝑄 · 𝑛ª 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 
2
=
48 · 2
2
= 48 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎𝑠 
 
(22) 
Al haber el mismo número de bobinas que de ranuras, entonces el número de bobinas por 
polo y fase (b) coincide con el número de ranuras por polo y fase: 
 𝑏 = 𝑞 = 2 (23) 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 37 
 
 
El factor de devanado (ξ) queda definido por el paso diametral (ξp) y el factor de distribución 
(ξd), los cuales se suponen: 
 ξ = ξd · ξp = 0.9654 · 1 = 0.9654 
 
(24) 
Para hallar el número de espiras por fase se utiliza la ecuación de la fuerza electromotriz 
inducida (E): 
 𝐸 = 4.44 · 𝑓 · ξ · ф0_𝛿 · 𝑁𝑠 
 
 
 
(25) 
 
𝑁𝑠 =
𝐸
4.44 · 𝑓 · ξ · ф0_𝛿
=
45
4.44 · 53.55 · 0.9654 · 0.0113
= 17.34615 
 
(26) 
 
Hay que tener en cuenta que al dar un valor con decimales hay que elegir el número entero 
inmediatamente superior. 
𝑁𝑠 = 18 
El número de espiras por polo y fase quedará: 
 
𝑛𝑠 =
𝑁𝑠
𝑝
=
18
4
= 4.5 
 
(27) 
Redondeando queda un valor de 5 espiras por polo y fase. Por lo que cambia también el valor 
de espiras por fase: 
𝑁𝑠 = 5 · 4 = 20 
El cálculo de la sección del conductor de las bobinas del estator es un proceso donde hay que 
tener en cuenta diferentes factores que condicionarán el resultado final. Pero previamente es 
necesario calcular la intensidad nominal del motor: 
 
𝐼𝑁 = 
𝑃𝑚
3 · 𝜂 · cos 𝜑 · 𝐸
 
 
(28) 
Una vez conocida la intensidad se obtiene la sección de conductor: 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
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𝑎𝑐 =
𝐼𝑁
𝛿
= 30.18 𝑚𝑚2 
 
(29) 
Se escoge la sección de conductor normalizada según el Standard Wire Gauge (SWG) 
inmediatamente superior, que es de 32.17 mm2. 
Teniendo el número de espiras por fase se obtiene de manera directa el número de espiras 
por bobina y con esto, el número de conductores por ranura: 
 
𝑛𝑠_𝑏𝑜𝑏 =
𝑁𝑠
𝐵
3⁄
= 1.25 
(30) 
 𝑛𝑠_𝑏𝑜𝑏 = 2 
 𝑛𝑐_𝑟𝑎𝑛𝑢𝑟𝑎 = 𝑛𝑠_𝑏𝑜𝑏 · 𝑛º𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 = 4 
 
(31) 
 
Las dimensiones de la ranura vienen determinadas por su área y la altura de ésta, considerada 
en un principio rectangular. Antes de poder conocer la altura hay que calcular el paso polar 
(𝜏𝑝), el paso de ranura (𝜏𝑟), el ancho de diente (𝑤𝑑) y el ancho de ranura (𝑤𝑟): 
 
𝜏𝑝 =
𝐷𝑖𝑛𝑡_𝑒 · 𝜋
2 · 𝑝
= 0.0557 𝑚 
 
(32) 
 
𝜏𝑟 =
𝜏𝑝 · 1000
3 · 𝑞
= 9.3 𝑚𝑚 
 
(33) 
 
 
 
𝑤𝑑 =
1000 · ф0_𝛿
𝐿 · 3𝑞 · 𝐵𝑚á𝑥_𝑑
= 3.3 𝑚𝑚 
 
(34) 
 𝑤𝑟 = 𝜏𝑟 − 𝑤𝑑 = 6 𝑚𝑚 
 
(35) 
El área de la ranura se calcula a partir de la sección de los conductores: 
 𝐴𝑟 =
𝑛𝑐_𝑟𝑎𝑛𝑢𝑟𝑎 · 𝑎𝑐
𝐹𝑟
= 145.41 𝑚𝑚2 
 
(36) 
Conocidos estos valores, la altura de la ranura es: 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 39 
 
 
hr =
Ar
wr
= 24.1 mm 
 
(37) 
Por último queda por determinar el diámetro exterior del estator. Para ello primero se obtiene 
la altura de la corona del estator: 
 
ℎ𝑐𝑠 =
ф0_𝛿
2 · 𝐵𝑚á𝑥_𝑟 · 𝐿
= 0.03 𝑚 
 
(38) 
 𝐷𝑒𝑥𝑡_𝑒 = 𝐷𝑖𝑛𝑡_𝑒 + 2 · ℎ𝑟 + 2 · ℎ𝑐𝑠 = 0.25 𝑚 
 
(39) 
Tras obtenerse todos los resultados deben comprobarse todas las suposiciones realizadas en 
los puntos anteriores: 
 
ф0_𝛿 =
𝐸
4.44 · 𝑓 · 𝑁𝑠 · ξ
= 0.0098 𝑊𝑏 ≈ 0.01 𝑊𝑏 
 
(40) 
 
𝐵0_𝛿 =
ф0_𝛿
𝜋
2
·
𝐷 · 𝐿
𝑝
= 0.63 𝑇 
 
(41) 
 
𝐴 =
3 · 2 · 𝑁𝑠 · 𝐼𝑁
𝜋 · 𝐷
= 24700 𝐴/𝑚 
 
(42) 
 
Los tres valores son similares a los del principio de los cálculos, por lo que se concluyen los 
cálculos analíticos necesarios para poder diseñar el motor de imanes permanentes. 
Los parámetros más importantes se recogen en la siguiente tabla resumen: 
Parámetros Símbolo Valor 
Potencia nominal (kW) Pm 11 
 
Velocidad (rpm) 
 
ns 
 
803 
Tensión eficaz (V por fase) E 45 
 
Par (N·m) 
 
Tm 
 
130.81 
Diámetro exterior del rotor (mm) Dext_r 138 
Diámetro interior del rotor (mm) Dint_r 118 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
40 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
Longitud del entrehierro (mm) 𝑙𝑔 2 
Diámetro exterior del estator (mm) Dext_e 250 
Diámetro interior del estator (mm) Dint_e 142 
Diámetro del material paramagnético (mm) Dpmag 62 
Longitud del paquete magnético (m) L 0.288 
Pares de polos P 4 
Altura de los imanes (mm) lm 10 
Inducción remanente (T) Br 1.1 
Campo magnético coercitivo (kA/m) Hc 838 
Inducción máxima en el entrehierro (T) B0_δ 0.71 
Flujo magnético en el entrehierro (Wb) ф0_δ 0.01 Wb 
Número de ranuras Q 48 
Capas de devanado - 2 
Espiras por fase Ns 18 
Conductores por ranura nc_ranura 2 
Sección de los conductores (mm2) ac 32.17 
Área de la ranura (mm2) Ar 145.41 
Altura de la ranura (mm) hr 24.1 
Ancho de ranura (mm) wr 6 
Inducción máxima en el diente (T) Bmáx_d 2 
Intensidad nominal (A) IN 90.53 
 
Tabla 8. Tabla resumen de los parámetros más importantes 
 
 
4.2 CÁLCULOS NUMÉRICOS: 
 
4.2.1 Introducción 
 
En este capítulo se realizará el análisis electromagnético del motor. Esto se hace para verificar 
el funcionamiento de éste y ver que se cumplan los valores deseados para la máquina. 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 41 
 
Este Método de Elementos Finitos (FEM) es un método numérico muy utilizado para la 
resolución de ecuaciones diferenciales parciales que, de otro modo, no pueden resolverse 
con precisión. Se puede aplicar a todo tipo de problemas no lineales. Está basado en dividir 
el dominio o volumen en el que la ecuación es válida en dominios o volúmenes más pequeños, 
subdominios denominados elementos finitos. Para poder aproximar la solución se usa un 
polinomio simple dentro de cada elemento. Esta discretización en elementos finitos ayuda a 
transformar las ecuaciones diferenciales parciales en un número finito,generalmente muy 
elevado, de ecuaciones algebraicas lineales. 
En este caso, la simulación electromagnética se ha realizado mediante un análisis transitorio 
en 2D. 
 
4.2.2 Geometría 
 
Partiendo de los aspectos teóricos explicados en los capítulos anteriores se ha procedido a 
analizar la máquina objeto de análisis de este proyecto. El primer paso para realizar una 
simulación FEM es crear la geometría de la máquina. 
Para ello se crea primero el estator. Una vez se tiene éste le sigue el rotor, los imanes 
permanentes y finalmente el devanado. En las siguientes figuras se puede ver el proceso de 
creación de estas distintas partes para el caso de ranura redondeada: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 23. Creación del estator 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
42 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 24. Creación del rotor. 
Figura 25. Creación de los imanes 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 43 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dado que la máquina es simétrica, en este caso, basta con dibujar un cuarto del motor e 
indicarle al simulador que multiplique la simetría por cuatro. 
Durante todo el diseño del motor se ha utilizado un sistema de coordenadas cartesianas. En 
el caso de los imanes, los dos que aparecen en la figura 28 tienen sistemas de coordenadas 
propios, en direcciones y sentidos opuestos. 
 
4.2.3 Materiales 
 
Una vez se tiene el dibujo del motor en el programa, el siguiente paso es definir los materiales 
utilizados. En el programa se han utilizado los siguientes materiales: 
 Aire: Se utiliza para el entrehierro del motor 
 
 M19_26G: Se trata de una chapa magnética de acero al silicio. Este material se utiliza 
tanto para el estator como para el rotor. 
Propiedades Símbolo Valor 
Conductividad (S/m) Σ 1960000 
Densidad (kg/m3) 𝜌 7650 
Coeficiente de histéresis Kh 164.2 
Coeficiente clásico de Eddy Kc 0.712 
Figura 26. Creación del devanado de doble capa 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
44 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
Coeficiente de Exceso Ke 0.82 
 
Tabla 9. Propiedades del material M19_26G en el programa 
 
En la próxima gráfica se muestra la característica B-H del material M19_26G. La máquina está 
construida con láminas apiladas de este material. 
 
 
Figura 27. Característica BH del M19_26G 
 
 NdFeB30: Este material tiene las siguientes propiedades: 
Propiedades Símbolo Valor 
Campo magnético coercitivo (kA/m) Hc -838 
Conductividad (S/m) σ 625000 
Densidad 𝜌 7550 
Permeabilidad relativa 𝜇𝑟 1.044 
 
Tabla 10. Propiedades del material NdFeB30 
 
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,00E+00 1,00E+05 2,00E+05 3,00E+05 4,00E+05 5,00E+05 6,00E+05
B
 (
T)
Hc (A/m)
Acero al Silicio
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 45 
 
Como se puede comprobar en la siguiente tabla, este material cumple los requisitos impuestos 
en los cálculos realizados: 
𝐵𝑟 = 1.1 𝑇 → 𝐵𝑟 𝜖 (1.08 − 1.13) 𝑇 
𝐻𝑐 = 838
𝑘𝐴
𝑚
→ 𝐻𝑐 ≥ 796 𝑘𝐴/𝑚 
 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
46 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 28. Tabla de propiedades de imanes permanentes NdFeB (Fuente: PFC 
Universidad Carlos III) 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 47 
 
 Cobre: Es el material elegido para los conductores. Con él se crea el bobinado del 
motor. Tiene las siguientes características: 
Propiedades Símbolo Valor 
Conductividad (S/m) σ 58000000 
Densidad 𝜌 8933 
Permeabilidad relativa 𝜇𝑟 1 
 
Tabla 11. Propiedades del cobre 
 
4.2.4 Excitación 
 
En este proyecto se van a realizar dos ensayos: 
o Ensayo de vacío: no se alimenta el devanado inducido. 
o Ensayo en carga: se alimenta el devanado inducido a través de una rampa de 
corrientes senoidales que comienza a estabilizarse a los 100 ms. 
 
4.2.5 Parámetros 
 
Se definen varios parámetros necesarios para la simulación: 
 
Parámetros Valor 
Número de polos 8 
Pares de polos 4 
Velocidad (rpm) 803 
Omega (rad/s) 84.09 
Theta (rad) 0 
Intensidad máxima (A) 90.53 
 
Tabla 12. Parámetros introducidos en el programa 
 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
48 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
4.2.6 Regiones y límites 
 
Para poder imponer unos límites al motor primero hay que crear lo que se denomina región. 
Como su propio nombre indica se trata de una región que contiene toda la geometría del 
motor. Una vez creada ésta, se establecen los límites, por los cuales el flujo es nulo fuera de 
esa región. 
También hay que indicarle al programa cuál es la región que va a estar rotando y a qué 
velocidad lo hará. 
En la siguiente figura se observa cómo queda el prediseño final del motor una vez que se 
añaden las regiones mencionadas, de nuevo para el caso de la ranura redondeada: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.2.7 Mallado 
 
Se ha realizado un mallado denso de 0.3 mm. 
 
 
Figura 29. Prediseño final del motor para ranura redondeada 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 49 
 
4.2.8 Análisis 
 
Por último habrá que configurar el proceso de análisis de la simulación. En principio las 
simulaciones serán de un periodo, y si se dispone de un ordenador potente, es recomendable 
trabajar con un alto número de pasos por ciclo. Si el número de pasos se reduce demasiado 
los resultados obtenidos con el programa pueden diferir bastante de la realidad, así que no es 
recomendable bajar demasiado esta cifra. 
En este caso se han realizados dos análisis: 
 ENSAYO DE VACÍO ENSAYO DE CARGA 
Tiempo de simulación (ms) 100 200 
Tiempo entre cada paso (ms) 0.2 0.2 
Valor residual 10-6 10-6 
 
Tabla 13. Valores introducidos para el análisis del motor en los ensayos 
 
Como la rampa de corriente que se aplica en el ensayo de carga comienza a estabilizarse a 
los 100 ms, el par también lo hará. Es por esto que para que se vieran más claros los 
resultados se ha considerado conveniente simular el ensayo en carga durante un tiempo de 
200 ms. 
Una vez se han ajustado todos los puntos anteriores ya es posible comenzar la simulación. 
En las siguientes figuras se puede observar cómo queda la geometría del motor con los otros 
tipos de ranura que se van a analizar: 
 
 
 
 
 
 
 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
50 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
Ranura rectangular 1: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ranura rectangular 2: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 30. Prediseño final con ranura rectangular 1 
Figura 31. Prediseño final con ranura rectangular 2 
 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 51 
 
La diferencia entre ambas ranuras se puede ver en las siguientes figuras. Se observa 
claramente como la llamada ranura rectangular 1 es completamente abierta en su extremo 
inferior, mientras que la ranura rectangular 2 es prácticamente cerrada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 33. Ranura rectangular tipo 2 Figura 32. Ranura rectangular tipo 1 
 
PREDISEÑO DEL MOTOR 
52 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prediseño de unmotor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 53 
 
5 SIMULACIONES 
 
En este capítulo se van a detallar las simulaciones realizadas mediante el programa de 
análisis electromagnético por elementos finitos. 
Se le han realizados dos ensayos al motor, en vacío y en carga. Primero se realiza con una 
ranura de geometría rectangular, obtenida mediante las ecuaciones de diseño analítico. 
Después, con el objetivo de mejorar el rizado del par electromagnético del motor, se modifica 
la geometría de la ranura a una más redondeada y, por último, a otra ranura rectangular 
distinta a la primera. 
 
5.1 Simulación en vacío: 
 
El ensayo de vacío consiste en hacer funcionar la máquina a velocidad de sincronismo y 
mantener abierto el circuito inducido. Es evidente que en estas condiciones, tanto la corriente 
como el par medio generado, son nulos. 
El tiempo de simulación elegido para el ensayo de vacío ha sido de 100 ms. A continuación 
se muestran los resultados obtenidos con los tres tipos de ranura previamente mencionados: 
dos rectangulares y una redondeada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
SIMULACIONES 
54 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
5.1.1 Ranura rectangular tipo 1 
 
 
 
 
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
P
ar
 (
N
·m
)
Tiempo (ms)
PAR
Figura 34. Par en vacío. Ranura rectangular tipo 1 
 
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fl
u
jo
 (
W
b
)
Tiempo (ms)
ENLACES DE FLUJO
Fase A Fase B Fase C
Figura 35. Enlaces de flujo en vacío. Ranura rectangular tipo 1 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 55 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 37. Tensiones inducidas en vacío. Ranura rectangular tipo 1 
 
 
 
 
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
In
d
u
cc
ió
n
 (T
)
Distancia (mm)
INDUCCIÓN EN EL ENTREHIERRO
Figura 36. Inducción en el entrehierro en vacío. Ranura rectangular tipo 1 
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Te
n
si
o
n
e
s 
(V
)
Tiempo (ms)
TENSIONES INDUCIDAS
Fase A Fase B Fase C
SIMULACIONES 
56 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5.1.2 Ranura redondeada 
 
Los resultados obtenidos para la ranura redondeada se representan en las siguientes gráficas: 
 
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
C
o
rr
ie
n
te
s 
(A
)
Tiempo (ms)
CORRIENTES
Fase A Fase B Fase C
Figura 38. Corrientes en vacío. Ranura rectangular tipo 1 
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
P
ar
 (
N
·m
)
Tiempo (ms)
PAR
Figura 39. Par en vacío. Ranura redondeada 
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 57 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fl
u
jo
 (
W
b
)
Tiempo (ms)
ENLACES DE FLUJO
Fase A Fase B Fase C
Figura 40. Enlaces de flujo en vacío. Ranura redondeada 
0
200
400
600
800
1.000
1.200
In
d
u
cc
ió
n
 (
m
T)
Distancia (mm)
INDUCCIÓN EN EL ENTREHIERRO
Figura 41. Inducción en el entrehierro en vacío. Ranura redondeada 
SIMULACIONES 
58 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
Figura 42. Tensiones inducidas en vacío. Ranura redondeada 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 43. Corrientes en vacío. Ranura redondeada 
 
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Te
n
si
o
n
e
s 
(V
)
Tiempo (ms)
TENSIONES INDUCIDAS
Fase A Fase B Fase C
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
C
o
rr
ie
n
te
s 
(A
)
Tiempo (ms)
CORRIENTES
Fase A Fase B Fase C
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 59 
 
5.1.3 Ranura rectangular tipo 2 
 
 
Figura 44. Par en vacío. Ranura rectangular tipo 2 
 
 
Figura 45. Flujo en vacío. Ranura rectangular tipo 2 
 
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fl
u
jo
 (
W
b
)
Tiempo (ms)
ENLACES DE FLUJO
Fase A Fase B Fase C
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
P
ar
 (
N
·m
)
Tiempo (ms)
PAR
SIMULACIONES 
60 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 47. Tensiones inducidas en vacío. Ranura rectangular tipo 2 
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 200 400 600 800 1000 1200
In
d
u
cc
ió
n
 (
m
T)
Distancia (mm)
INDUCCIÓN EN EL ENTREHIERRO
Figura 46. Inducción en el entrehierro en vacío. Ranura rectangular tipo 2 
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Te
n
si
ó
n
 (V
)
Tiempo (ms)
TENSIONES INDUCIDAS
Fase A Fase B Fase C
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 61 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 48. Corrientes en vacío. Ranura rectangular tipo 2 
 
 
5.2 Simulación en carga: 
 
En este apartado se van a presentar los resultados de la simulación de la máquina a velocidad 
nominal (803 rpm) y alimentada por una rampa de fuentes de corriente senoidales. En este 
caso, el par depende del ángulo que forman los campos del rotor y del estator. Tras varios 
análisis, se concluye que el ángulo de par máximo para las referencias tomadas coincide con 
desfase 0 de la corriente de la fase A. 
 
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
C
o
rr
ie
n
te
s 
(A
)
Tiempo (ms)
CORRIENTES
Fase A Fase B Fase C
SIMULACIONES 
62 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
5.2.1 Ranura rectangular tipo 1 
 
 
 Figura 49. Par en carga. Ranura rectangular tipo 1 
 
 
Figura 50. Flujo en carga. Ranura rectangular tipo 1 
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Fl
u
jo
 (
W
b
)
Tiempo (ms)
ENLACES DE FLUJO
Fase A Fase B Fase C
-50
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
P
ar
 (
N
·m
)
Tiempo (ms)
PAR
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 63 
 
 
 
Figura 51. Tensiones inducidas en carga. Ranura rectangular tipo 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 52. Velocidad del motor en carga. Ranura rectangular tipo 1 
 
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Te
n
si
o
n
e
s 
(V
)
Tiempo (ms)
TENSIONES INDUCIDAS
Fase A Fase B Fase C
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200
V
e
lo
ci
d
ad
 (r
p
m
)
Tiempo (ms)
VELOCIDAD
SIMULACIONES 
64 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
Figura 53. Corrientes en carga. Ranura rectangular tipo 1 
 
5.2.2 Ranura redondeada 
 
 
 Figura 54. Par en carga. Ranura redondeada 
-150
-100
-50
0
50
100
150
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
C
o
rr
ie
n
te
s 
(A
)
Tiempo (ms)
CORRIENTES
Fase A Fase B Fase C
-50
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
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Tiempo (ms)
PAR
Prediseño de un motor eléctrico para una motocicleta urbana 
Teresa Durán Carretero 65