Este documento describe la aplicación de motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) en vehículos híbridos eléctricos, enfocándose en el Toyota Prius. Explica que los vehículos híbridos combinan un motor de combustión interna con uno o más motores eléctricos para reducir el consumo de combustible. Luego, analiza el sistema híbrido del Prius y sus motores eléctricos MG1 y MG2 a través de los años, notando mejoras en la potencia, eficiencia y tamaño del MG

1. UNIVERSIDAD DE BURGOS
APLICACIÓN DE MOTORES
PMSM EN VEHÍCULOS
ELÉCTRICOS HÍBRIDOS. EL
TOYOTA PRIUS
Victoria Abad San Martin
Junio 2012

2. CONTENIDO
1. JUSTIFICACIÓN.
2. VEHICULOS HÍBRIDOS.
3. MOTORES PMSM.
4. HSD Y EL MG2 DEL TOYOTA PRIUS
5. SIMULACION
6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
7. BIBLIOGRAFIA

3. 1.- JUSTIFICACION
 Como en otras áreas la preocupación por el entorno ha
llevado a la industria automovilística a desarrollar sus
modelos eléctricos a finales de los años 90.
 Debido al poco éxito de ventas, comienza el desarrollo
de los vehículos híbridos.
 Combinan altas prestaciones tanto en conducción
urbana como en crucero y suficiente nivel de autonomía.
 En estos vehículos el motor eléctrico es un elemento en
pleno desarrollo e investigación para todas las
compañías automovilísticas.
 TOYOTA es líder en este sector y el Prius una
referencia mundial.

4. 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.

5. 2.- VEHÍCULOS HÍBRIDOS (II)
ACELERACIÓN

6. 2.- VEHÍCULOS HIBRIDOS (III)
PSD
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.

7. 2.- VEHÍCULOS HIBRIDOS (IV)
PCU
Elem

8. 2.- VEHÍCULOS HÍBRIDOS (V)
MG1 MG2

9. MOTORES PARA VEHÍCULOS ELECTRICOS
Ventajas Inconvenientes
Imanes en superficie
SPM (HONDA)
Alta relación par/inercia
Alto rendimiento
Sujeción de imanes
Par reluctante nulo
Limitación de velocidad
Coste de imanes curvos
Imanes interiores
IPM (TOYOTA)
Alta densidad de potencia
y pequeño tamaño
Alto rendimiento
Rango de velocidades
limitado
Alto coste
Altas pérdidas en el núcleo a
altas velocidades
Motor de inducción
IM (VALEO)
Alto rango de velocidades
Alta fiabilidad
Bajo coste
Robusto en entorno hostil
Baja densidad de potencia y
gran tamaño
Problemas térmicos a altas
velocidades
Motor de reluctancia
VRM (DANA)
Curva par-velocidad deseable
Alta fiabilidad
Bajo coste
Robusto en entorno hostil
Alto par de rizado y ruido
Baja densidad de potencia
Baja eficiencia

10. 3.- MOTORES PMSM
 Son los más empleados en híbridos, especialmente los
de imanes interiores debido a los imanes de tierras raras
Tipo de motor Ventajas Inconvenientes
Motor de
inducción
Alto rango de
velocidades
Alta fiabilidad
Bajo coste
Robusto en entorno
hostil
Baja densidad de
potencia y gran
tamaño
Baja eficiencia
Problemas térmicos
a altas velocidades
Motor Síncrono
de imanes
permanentes
(PMSM)
Alta densidad de
potencia
y pequeño tamaño
Alta eficiencia
Rango de
velocidades limitado
Alto coste
Altas pérdidas en el
núcleo del estátor a
altas velocidades
Motor de
reluctancia
variable
(VRM)
Curva par-velocidad
deseable
Alta fiabilidad
Bajo coste
Robusto en entorno
hostil
Alto par de rizado y
ruido
Baja densidad de
potencia
Baja eficiencia

11. 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.

12. 3.- MOTORES PMSM (II)
Ecuaciones de par
ܶ ൌ
3݌
߱
௉ெܫ௤ ൅ ܮௗ െ ܮ௤ ܫௗܫ௤
Par magnético Par reluctante
ܶ ൌ ܫ௤ܧ௜௠௔௡⁄߱ ൅ ܫௗܫ௤ ܮ௤ െ ܮௗ

13. 3.- MOTORES PMSM (III)
V1
1
1
2
I2
XS
I1
XSI2
V2
A B
I1
X3I3
V I 3 3
QG<0 QG>0
PG>0
PG<0
E
3
GENERADOR
MOTOR
Func. a potencia constante-excitación variable
1
Diagrama fasorial

14. MATERIALES MAGNÉTICOS
Ciclo de histéresis Nd2Fe14B

15. 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

16. EL MG2. El estátor.
Prius 2000 Prius 2004 Prius 2010
MG2
Material
magnético: Acero magnético M19
Conexión de
bobinas Paralelo Serie Serie
Tensión de
275 500 650
alimentación (V)
Sección
conductores

17. EL MG2. El rotor.
Prius 2000 Prius 2004 Prius 2010
Nº polos 8
Angulo Plano 145º 145º
Laminación
Original Resalte en cabeza de imanes Huecos en rotor
Menor diámetro eje
Mayor par reluctante
Material imanes Nd2Fe14B
Dimensiones
Imanes (mm)
83,57X38,4X5,3 83,8X18,9X6,5 49,3X17,8X7,86
Peso imanes (kg) 1,23 0,76
Menos material magnético y aumento del espesor de imanes
Nº puentes 2 3 4

18. EL MG2. El conjunto.
Operación
Potencia (kW) 33 50 60
Par/rev
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Par (Nm)
Velocidad (rpm)
2000 2004 2010
Peso conjunto (kg) 41 45 36,7
Potencia especifica kW/kg 0,8 1,1 1,6
Sistema Híbrido THS THSII HSD
HSD se ha derivado Lexus Hybrid Drive y a PSHD

19. 5.- SIMULACIÓN
ANSYS Y MAXWELL (FEA)
Topología
Propiedades magnéticas
Excitaciones
Flujo magnético
Cogging
Análisis estático
Par total
Análisis estático
Análisis Dinámico
Par
magnetostático
Inductancias
Transitorios
Pares

20. 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.

21. 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

22. Bibliografía
 Lappeenranta University of Technology

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