UNIVERSIDAD DE BURGOS

APLICACIÓN DE MOTORES PMSM EN VEHÍCULOS

ELÉCTRICOS HÍBRIDOS. EL TOYOTA PRIUS

Victoria Abad San MartinJunio 2012

CONTENIDO

1. JUSTIFICACIÓN.2. VEHICULOS HÍBRIDOS.3. MOTORES PMSM.4. HSD Y EL MG2 DEL TOYOTA PRIUS5. SIMULACION6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS7. BIBLIOGRAFIA

1.- JUSTIFICACION

Como en otras áreas la preocupación por el entorno hallevado a la industria automovilística a desarrollar susmodelos eléctricos a finales de los años 90.

Debido al poco éxito de ventas, comienza el desarrollode los vehículos híbridos.

Combinan altas prestaciones tanto en conducciónurbana como en crucero y suficiente nivel de autonomía.

En estos vehículos el motor eléctrico es un elemento enpleno desarrollo e investigación para todas lascompañías automovilísticas.

TOYOTA es líder en este sector y el Prius unareferencia mundial.

2.- VEHÍCULOS HIBRIDOS

Combinan 1 motor térmico y otro(s) eléctrico. No están tan limitados en autonomía y potencia como

los eléctricos. Regenerativos, si sobra energía pasa a las baterías Reducen mucho el consumo y contaminan mucho

menos.

2.- VEHÍCULOS HÍBRIDOS (II)

ACELERACIÓN

2.- VEHÍCULOS HIBRIDOS (III)

Elemento que combina la energía generada por el motor térmico y los eléctricos.Incluye: una corona, 2 trenes epicicloidales que permiten una reducción de velocidad/ aumento de par de 2,6 veces.

PSD

2.- VEHÍCULOS HIBRIDOS (IV)

Elem

PCU

2.- VEHÍCULOS HÍBRIDOS (V)

MG2MG1

MOTORES PARA VEHÍCULOS ELECTRICOS

Ventajas Inconvenientes

Imanes en superficieSPM (HONDA)

Alta relación par/inerciaAlto rendimiento

Sujeción de imanesPar reluctante nuloLimitación de velocidadCoste de imanes curvos

Imanes interioresIPM (TOYOTA)

Alta densidad de potencia y pequeño tamañoAlto rendimiento

Rango de velocidades limitadoAlto costeAltas pérdidas en el núcleo a altas velocidades

Motor de inducciónIM (VALEO)

Alto rango de velocidadesAlta fiabilidadBajo costeRobusto en entorno hostil

Baja densidad de potencia y gran tamañoProblemas térmicos a altas velocidades

Motor de reluctanciaVRM (DANA)

Curva par-velocidad deseableAlta fiabilidadBajo costeRobusto en entorno hostil

Alto par de rizado y ruidoBaja densidad de potenciaBaja eficiencia

3.- MOTORES PMSM

Son los más empleados en híbridos, especialmente losde imanes interiores debido a los imanes de tierras raras

Tipo de motor Ventajas Inconvenientes

Motor de inducción

Alto rango de velocidades

Alta fiabilidadBajo coste

Robusto en entorno hostil

Baja densidad de potencia y gran

tamañoBaja eficiencia

Problemas térmicos a altas velocidades

Motor Síncrono de imanes

permanentes(PMSM)

Alta densidad de potencia

y pequeño tamañoAlta eficiencia

Rango de velocidades limitado

Alto costeAltas pérdidas en el núcleo del estátor a altas velocidades

Motor de reluctancia

variable(VRM)

Curva par-velocidad deseable

Alta fiabilidadBajo coste

Robusto en entorno hostil

Alto par de rizado y ruido

Baja densidad de potencia

Baja eficiencia

3.-MOTORES PMSM (I)

- Motor/generador síncrono trifásico, muy similar al de las centrales eléctricas.

- Estator de motor síncrono (similar al de Tesla)- Rotor. Por la potencia de los nuevos materiales magnéticos se ha

sustituido la excitatriz por imanes permanentes.- La velocidad depende de la tensión de alimentación.

3.- MOTORES PMSM (II)

3

Par magnético Par reluctante

⁄

Ecuaciones de par

3.- MOTORES PMSM (III)

V1

1

1

2

I2XS

I1

XSI2

V2

A B

I1

X3I3

V3I3

QG<0 QG>0

PG>0

PG<0E

3

GENERADOR

MOTOR

Func. a potencia constante-excitación variable

1

Diagrama fasorial

MATERIALES MAGNÉTICOS

Ciclo de histéresis Nd2Fe14B

EL MG2 DEL TOYOTA PRIUS

- Mueve las ruedas - Carga la batería (freno regenerativo)- Elemento más desarrollado del sistema híbrido.- Estátor de 48 ranuras- Rotor PMSM de 8 polos.- t

EL MG2. El estátor.

Prius 2000 Prius 2004 Prius 2010MG2

Material magnético:

Acero magnético M19

Conexión de bobinas

Paralelo Serie Serie

Tensión de alimentación (V)

275 500 650

Sección conductores

EL MG2. El rotor.

Prius 2000 Prius 2004 Prius 2010Nº polos 8Angulo Plano 145º 145º

Laminación

Original Resalte en cabeza de imanes Huecos en rotorMenor diámetro ejeMayor par reluctante

Material imanes Nd2Fe14BDimensionesImanes (mm)

83,57X38,4X5,3 83,8X18,9X6,5 49,3X17,8X7,86

Peso imanes (kg) 1,23 0,76Menos material magnético y aumento del espesor de imanes

Nº puentes 2 3 4

EL MG2. El conjunto.

Operación

Potencia (kW) 33 50 60

Par/rev

Peso conjunto (kg) 41 45 36,7Potencia especifica kW/kg 0,8 1,1 1,6Sistema Híbrido THS THSII HSD

HSD se ha derivado Lexus Hybrid Drive y a PSHD

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Par (

Nm

)

Velocidad (rpm)

2000 2004 2010

5.- SIMULACIÓNANSYS Y MAXWELL (FEA)

Propiedades magnéticas

Topología

Excitaciones

Flujo magnético

Cogging

Análisis estático

Par total

Análisis estático

Análisis Dinámico

Par magnetostático

Inductancias

TransitoriosPares

Futuras líneas (I)

.Mejora del par de

rizado• Inclinación de las ranuras del estator o de los imanes del rotor.• Modificar la geometría de los imanes, ver la variación que produce en el THD.• Ajustar el devanado del estator a un numero fraccional optimo.

.

Aumentar el margen de velocidad a par constante

• Doble tipo de excitación en el rotor.• Debilitamiento de campo, combinar la relación de saliencia con la posición del vector de

intensidad.• Control de la inductancia.

Futuras líneas (II).Otros

• Análisis de envejecimiento del motor, relativo por ejemplo a parámetros de rendimiento y comportamiento de los imanes.

• Comparativa con otros motores de otros fabricantes.

• Profundizar en el análisis con herramientas de elementos finitos y algoritmos genéticos .

• Estudio de modificaciones geométricas y analizarlas con elementos finitos:• Colocación de los polos magnéticos• Imanes laterales para mejorar el rendimiento

Bibliografía Lappeenranta University of Technology

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ELÉCTRICOS HÍBRIDOS. EL TOYOTA PRIUS

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN