Motores pmsm
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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
UNIVERSIDAD DE BURGOS
APLICACIÓN DE MOTORES PMSM EN VEHÍCULOS
ELÉCTRICOS HÍBRIDOS. EL TOYOTA PRIUS
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN