JP2005168287A - 負荷の下で動作するモータの効率を最適化する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 実質的に二次関数の負荷特性曲線を有する負荷の下で動作するモータの効率を、動作中に少なくとも一つの自由なパラメータを変化させることによって自動的に最適化することができ、効率、トルク又は機械的な出力を測定する必要がない簡単な方法を提案する。
【解決手段】 本発明は、実質的に二次関数の負荷特性曲線を有する負荷の下で動作するモータの効率を最適化する方法に関するものであって、モータはモータ制御部と接続されており、少なくとも一つの自由なモータパラメータｗを、効率ηに介入するために、上記モータ制御部によって変更可能である。
本発明によれば、モータの回転数ｎと消費された入力Ｐ_Ｅが求められ、回転数ｎの３乗と消費された入力Ｐ_Ｅとの商の値Ｅが最大値に達する値に上記モータパラメータｗが設定される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されている、負荷の下で動作するモータ、特にファンやポンプを駆動するためのモータの効率を最適化する方法に関する。

多くのモータ制御には、例えば効率等のモータ特性を最適化するために利用することができる自由なパラメータがある。このような効率の最適化を行うと、回転数、トルク、供給電圧、温度等といった数多くの要因に関わりなく、モータを常にその都度、最適な効率で動作させることができるはずである。ところが、大半のファン駆動装置やポンプ駆動装置は、特に部分負荷領域において、しばしば比較的低い効率で動作している。

ファンやポンプの駆動には、ブラシレス直流モータが利用されることが多い。このモータは、モータの電流供給やモータ巻線の適当な転流（転流角）を管理する電子的なモータ制御部と接続されている。転流角は、自由なモータパラメータとして設定可能であり、モータのトルク・回転数・特性曲線だけではなく効率にも影響を及ぼす。

効率を最適化しようとするならば、先ず効率を検出又は算出しなければならない。モータの効率とは、機械的な出力と電気的な入力との比率である。特に機械的な出力の検出には、非常に高いコストが掛かる。出力は、回転数とトルクとの積である。トルクを測定するためのセンサは存在しているものの、そのようなセンサは、広い場所を占有する上に非常に高価であるために、ファン駆動装置やポンプ駆動装置にそれを適用することは現実問題として考慮の対象外である。

自動的な効率最適化を行うことができれば、モータのエネルギー消費量を低減させることができるばかりでなく、モータや出力電子機器の自己加熱が低減するので、設備全体の耐用年数も伸ばすことができるはずである。

従って、本発明の課題は、実質的に二次関数の負荷特性曲線を有する負荷の下で動作するモータの効率を、動作中に少なくとも一つの自由なパラメータを変化させることによって自動的に最適化することができ、効率、トルク又は機械的な出力を測定する必要がない簡単な方法を提案することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１の構成要件を備えている方法によって解決される。

本発明の有利な実施の形態や構成要件は、従属請求項に記載されている。

本方法は、モータの回転数ｎと、消費された入力Ｐ_Ｅとを繰り返して直接又は間接に求め、選択されたモータパラメータを、値Ｅがその最大値に達する値に設定することに依拠するものであり、ここで、Ｅは、回転数ｎの３乗と消費された入力Ｐ_Ｅとの商に相当している。

本発明では、トルクと回転数との間の既知の法則性が利用される。ポンプやファンは、二次関数のトルク−回転数特性曲線を有している。便宜上、以下においてはファン駆動装置だけに着目する。当然ながら、本発明は、ベンチレータの駆動にもポンプの駆動にも同様に適用可能であり、一般には、二次関数のトルク−回転数特性曲線を有する任意の装置に適用可能である。

ファンの二次関数の特性曲線は、羽根車を駆動するのに必要なトルク（ｍ）が回転数（ｎ）の２乗に比例することを意味している。
ｍ＝Ｋｎ^２ （１）
機械的な出力、即ち、モータの出力Ｐ_Ａは、機械的な角速度（ω）とトルク（ｍ）との積である。
Ｐ_Ａ＝ｍω＝ｍ２πｎ／６０ （２）
ここで、回転数（ｎ）は、１分当たりの回転数（ｍｉｎ^−１）として表されている。

式（１）及び式（２）より、次式が得られる。
Ｐ_Ａ＝Ｋ２πｎ^３／６０ （３）
係数ｋ＝２πＫ／６０とおいて、この関係を次のように簡単に表すことができる。
Ｐ_Ａ＝ｋｎ^３ （４）
モータの効率（η）は、機械的な出力Ｐ_Ａと（電気的な）入力Ｐ_Ｅとの比率である。
η＝Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｅ＝ｋｎ^３／Ｐ_Ｅ （５）
入力Ｐ_Ｅは、比較的容易に測定することができる。電気モータの場合には、電気量を測定するだけでよい。内燃機関の場合にも、燃料消費量を通じて入力を比較的容易に測定することができる。

効率を計算するために、測定が困難な機械的な出力Ｐ_Ａを判定する必要がなくなる。

残念ながら、係数ｋは、多くの外部要因に左右される。例えばファンの場合、ｋは、先ず第一に、空気通路の流動抵抗に左右される。本発明では、係数ｋは一定ではないものの、駆動モータ及びモータ制御部に依存して決まるという事実が利用される。従って、効率（η）を、最適化されるべき量Ｅ＝η／ｋによって表すことができる。
Ｅ＝η／ｋ＝ｎ^３／Ｐ_Ｅ （６）
係数ｋは、モータやモータ制御部には左右されないので、値Ｅの最大値は（モータのパラメータ設定が同じままであれば）効率ηの最大値に対応している。

従って、本発明では、効率を最大限に高めるために値Ｅを援用することができる。

本発明に係る方法の利点は、モータの回転数（ｎ）を、簡単に、かつ、多くの場合は低コストに、測定可能なことである。電気的な入力Ｐ_Ｅも容易に判定することができる。

直流の供給が行われる電気モータの場合、又は、変圧器から供給を受けるモータの場合、供給電圧又は中間回路の直流電流（Ｉ_ＤＣ）と直流電圧（Ｕ_ＤＣ）とから入力を算出することができる。

Ｐ_Ｅ＝Ｉ_ＤＣＵ_ＤＣ （７）
従って、次式が得られる。
Ｅ＝ｎ^３／Ｐ_Ｅ＝ｎ^３／Ｉ_ＤＣＵ_ＤＣ （８）
電圧Ｕ_ＤＣが一定であると仮定すると、係数Ｅに代えて、修正された係数Ｅ^＊を最適化することができるという利点がある。
Ｅ^＊＝ＥＵ_ＤＣ＝ｎ^３／Ｉ_ＤＣ （９）
例えばブラシレス直流モータの場合、回転数の情報は、事実上コストを掛けずに利用することができる。モータ制御部が転流のためにロータの位置情報を必要としており、その位置情報に基づいて、回転数（ｎ）だけでなくその３乗（ｎ^３）も数学的に容易に導き出すことができるからである。今日、ファンの分野においても独自のマイクロコンピュータを含むモータ制御部が増加し続けているので、このような計算には何ら問題がない。モータで消費される直流電流Ｉ_ＤＣも、比較的容易に測定することができる。従って、本発明は、トルクの測定又は計算に比較して大幅な簡素化を可能にする。

このように、本発明の利点は、効率そのものを測定又は計算しなくても、効率ηを最適化することができることである。それによって制御が低コストかつコンパクトになるばかりでなく、信頼性も高くなる。このように、実際上も適用可能な効率最適化によって、エネルギーを節約し、モータの稼動率を高め、及び／又は、モータの耐用寿命を延ばすことができる。

以下の実施の形態では、ブラシレス直流モータの場合に、本発明をどのようにして実際に適用できるかについて説明する。但し、本発明の基本思想は、二次関数の負荷特性曲線を有する任意の電気的又は非電気的な駆動装置に適用することができる。

図１には、１コイルのブラシレス直流モータの簡略化したブロック図が示されている。このモータは、本来のモータ１０とこれに付属するモータ制御部１１とを含んでおり、モータ制御部は、モータに内蔵されているか、又は、外部に設けられていてもよい。ロータの唯一の巻線１２は、各１８０°の電気角において通電される、即ち、１８０°の経過後に供給電圧Ｕ_ＤＣの極性が制御部１１のトランジスタＴ_１乃至Ｔ_４によって切り換えられて、適当なモータ電流Ｉ_ＤＣが流れる。このような種類の１コイルのブラシレス直流モータは、例えばファンを駆動するために用いられる。

図２は、ファンとして動作する場合におけるこのような種類の直流モータの典型的な二次関数の負荷特性曲線を示している。本図では、回転数に対してトルクがプロットされている。符号「２０」は、特定の動作電圧のときのモータ特性曲線を表している。モータ特性曲線２０は、ファンの対応する負荷特性曲線２１と動作点２２で交わっている。一つ又は複数のモータパラメータ、例えばモータ電圧、モータ電流又は転流角等を変化させると、負荷特性曲線２１が別の動作点２４で交わる別のモータ特性曲線２３が生じる。この動作点２４でモータは、付属の効率ηで動作する。このように、転流角は、モータのトルク−回転数特性曲線に影響を及ぼす。それにより、各々の転流角について異なる動作点が生じる。各々の動作点に対して異なる回転数値及びトルク値が付属しているので、各々の動作点に、モータの異なる出力が対応している。

本発明に係る方法を具現化するためには、モータの入力Ｐ_Ｅと回転数とを測定しなければならない。入力Ｐ_Ｅは、入力電圧Ｕ_ＤＣと入力電流Ｉ_ＤＣとから算出される。回転数ｎは、例えば、ホールセンサにより検出されたロータ位置に基づいて判定することができる転流信号ＫＳから導き出すことができる。

図３ａ及び図３ｂは、二つの異なる転流角２０°及び６°の場合における転流信号ＫＳ（上）、モータ電流Ｉ_ＤＣ（中央）及び巻線電流ＩＷ（下）をそれぞれ示している。転流角は、モータ電流（Ｉ_ＤＣ）の波形だけでなく巻線のピーク電流（Ｉ_Ｐ）にも主要な影響を及ぼしていることが明らかである。それによって、モータのエネルギー消費量も変化する。即ち、転流角をモータの効率の最適化に利用することができる。

本発明においては、効率ηを最適化するための自由なパラメータとして、転流角を利用することができる。転流角を変化させると、図２に示すトルク−回転数特性曲線も変化する。それによって別の動作点が生じ、このことは回転数の変化を引き起こす。変化した回転数によってモータの負荷も変化する。従って、入力Ｐ_Ｅを最低限に抑制しようとするのは誤りである。最小の入力が生じるのは、当然ながらモータが停止しているときである。そうではなく、本発明においては、効率を最適化することを目標としている。

効率の最適化は、導入された係数Ｅ又はＥ^＊の最適化によって間接的に行われる。この係数は、供給電圧が一定であるとみなせる場合、又は、少なくともモータによる負荷に左右されないとみなせる場合に利用することができる。ブラシレス直流モータの入力電流（図３ａ及び図３ｂにおけるＩ_ＤＣ）は理想的な直流電流ではないので、これをディジタル化する前に先ず濾過するか、又は、Ｉ_ＤＣの平均値を測定するのが目的に適っている。

重要な点を付言しておくと、使用する数式は、モータの静的な負荷だけを記述するものである。加速時や制動時には動的な力も発生する。従って、最適値を探す制御が急激な回転数変化を引き起こさないように配慮しなければならず（これは音響上の理由からも有意義である）、又は対案として、測定値を評価する前に定常状態が生じるように配慮しなければならない。

位置検出の信号、例えばホールセンサの出力信号やＥＭＫ評価を、係数Ｅ又はＥ^＊の計算に直接利用することもできる。但し、その場合には、回転数に代えて周期時間Ｔが測定されるので、次のような係数も利用することができる。
Ｅ_Ｔ＝１／Ｅ＝Ｐ_Ｅ／ｎ^３＝Ｐ_ＥＴ^３
又は、
Ｅ_Ｔ ^＊＝１／Ｅ^＊＝Ｉ_ＤＣ／ｎ^３＝Ｉ_ＤＣＴ^３
これらの係数により、モータ制御部で必要な計算作業を減少させることができる。係数Ｅ_Ｔ及びＥ_Ｔ ^＊は、それぞれ最高の効率を決定できるようにするために、この場合には最大限に高めるのではなく、最小限に抑制しなければならない。

図４には、本方法の簡素化したフローチャートが示されている。ステップ４０においてモータを始動させた後、設定された転流角ｗで動作が行われる（ステップ４１）。次のステップにおいて、最新の回転数ｎ１及び入力Ｐ_Ｅ１を測定する。これらの量に基づいて値Ｅ１＝（ｎ１）^３／Ｐ_Ｅ１を算出し、記憶させる（ステップ４２）。

そして、ステップ４３において、転流角を所定のステップだけ、例えば１°だけ増加させる。

次いで、再び最新の回転数ｎ２及び入力Ｐ_Ｅ２を測定する。これらの量に基づいて値Ｅ２＝（ｎ２）^３／Ｐ_Ｅ２を算出し、記憶させる（ステップ４４）。

ステップ４５において、Ｅ２がＥ１よりも大きいかどうかの比較を行う。Ｅ２の方がＥ１よりも大きければ、モータの効率が改善されている。値Ｅ１を値Ｅ２で置き換える（ステップ４６）。そして、転流角をあらためて所定の値だけ増加させる（ステップ４７）。その上で最新の回転数ｎ２及び入力Ｐ_Ｅ２を測定する。これらの量に基づいて値Ｅ２＝（ｎ２）^３／Ｐ_Ｅ２を算出し、記憶させる（ステップ４８）。

ステップ４９において、Ｅ２がＥ１よりも大きいかどうかの比較を行う。Ｅ２の方がＥ１よりも大きければ、モータの効率が改善されており、ステップ４６に進む。Ｅ２がＥ１よりも大きくなければ、最高の効率は既に直前の転流角ｗのときに達成されている。その直前の転流角に固定し、モータをその転流角Ｗ_ｏｐｔで動作させる（ステップ５４）。

ステップ４５における比較によってＥ２がＥ１よりも大きくないことが判明したときは、効率が低下している。値Ｅ１を値Ｅ２で置き換える（ステップ５０）。そして、転流角を所定の値だけ減少させる（ステップ５１）。最新の回転数ｎ２及び入力Ｐ_Ｅ２を測定する。それらの量に基づいて値Ｅ２＝（ｎ２）^３／Ｐ_Ｅ２を算出し、記憶させる（ステップ５２）。ステップ５３において、Ｅ２がＥ１よりも大きいかどうかの比較を行う。Ｅ２の方がＥ１よりも大きければ、モータの効率が改善されており、ステップ５０に進む。Ｅ２がＥ１よりも大きくなければ、最高の効率は既に直前の転流角ｗのときに達成されている。その直前の転流角に固定し、モータをその転流角Ｗ_ｏｐｔで動作させる（ステップ５４）。

このような方法により、Ｅ２の値の最大値を容易に見出すことができる。Ｅ２の値が転流角Ｗ_ｏｐｔのときに最大値に達すれば、その角度のときにモータ効率も最大である。

図５には、基本的に図４と同じ手順が示されている。方法ステップ６０乃至６５及びそれに付属する方法手順は、図４の方法ステップ４０乃至４５に正確に対応している。

ステップ６５において、Ｅ２がＥ１よりも大きいかどうかの比較を行う。Ｅ２の方がＥ１よりも大きければ、モータの効率が改善されている。値Ｅ１を値Ｅ２で置き換える（ステップ６６）。そして、転流角をあらためて所定の値だけ増加させる（ステップ６７）。最新の回転数ｎ２及び入力Ｐ_Ｅ２を測定する。それらの量に基づいて値Ｅ２＝（ｎ２）^３／Ｐ_Ｅ２を算出し、記憶させる（ステップ６８）。ステップ６９において、Ｅ２がＥ１よりも大きいかどうかの比較を行う。Ｅ２の方がＥ１よりも大きければ、モータの効率が改善されており、ステップ６６に進む。Ｅ２がＥ１よりも大きくなければ、最高の効率は既に直前の転流角ｗのときに達成されている。手順は、ステップ７０にとぶ。

ステップ６５における比較によってＥ２がＥ１よりも大きくないことが判明した場合、即ち、効率が低下している場合にも、ステップ７０に進む。そして、転流角を所定の値だけ減少させる（ステップ７１）。最新の回転数ｎ２及び入力Ｐ_Ｅ２を測定する。それらの量に基づいて値Ｅ２＝（ｎ２）^３／Ｐ_Ｅ２を算出し、記憶させる（ステップ７２）。ステップ７３において、Ｅ２がＥ１よりも大きいかどうかの比較を行う。Ｅ２の方がＥ１よりも大きければ、モータの効率が改善されており、あらためてステップ７０に進む。Ｅ２がＥ１よりも大きくなければ、最高の効率は既に直前の転流角ｗのときに達成されており、手順はステップ６６にとぶ。

このように、図５は、モータの効率を絶えず最適化していくための方法手順を記述しており、このことは、負荷の下にあるモータが絶えず変化する環境条件において動作する場合に有利であり得る。

１コイル、単相、バイポーラの直流モータを示す簡略化したブロック図である。 ファン駆動装置のモータ特性曲線及び負荷特性曲線を示す模式図である。 回転数ｎ１及び転流角ｗ１の場合における、図１に示すモータのモータ電流（Ｉ_ＤＣ１）とそれに対応する巻線電流である。 回転数ｎ２及び転流角ｗ２の場合における、図１に示すモータのモータ電流（Ｉ_ＤＣ２）とそれに対応する巻線電流である。 本発明に係る方法の簡略化したフローチャートである。 ストップ基準（ステップ５４）のない、基本的に図４と同じフローチャートである。

符号の説明

１０ モータ
１１ モータ制御部
１２ 巻線
２０ モータ特性曲線
２１ 負荷特性曲線
２２ 動作点
２３ モータ特性曲線
２４ 動作点
４０−５４ 方法ステップ（図４）
６０−７３ 方法ステップ（図５）

Claims (10)

1. 実質的に二次関数の負荷特性曲線（２１）を有する負荷の下で動作するモータ（１０）の効率ηを最適化する方法であって、前記モータはモータ制御部（１１）と接続されており、少なくとも一つの自由なモータパラメータｗを、効率ηに介入するために、前記モータ制御部によって変更可能である方法において、
   前記モータの回転数ｎを繰り返し求め、
   消費された入力Ｐ_Ｅを繰り返し求め、
   回転数ｎの３乗と消費された入力Ｐ_Ｅとの商である値Ｅが最大値に達する値に前記モータパラメータｗを設定することを特徴とする方法。
2. 電子的に転流される直流モータを前記モータとして使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記モータパラメータとして転流角を利用することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. モータ電流Ｉ_ＤＣ及びモータ電圧Ｕ_ＤＣから消費された入力Ｐ_Ｅを求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 内燃機関を前記モータとして使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記モータパラメータとして点火のタイミングを利用することを特徴とする請求項１又は５に記載の方法。
7. 消費された入力を燃料消費量を用いて求めることを特徴とする請求項１，５又は６に記載の方法。
8. 前記モータは、ファン又はポンプの駆動に用いられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１又は２に記載の方法に基づいて、実質的に二次関数の負荷特性曲線（２１）を有する負荷の下で動作するモータ（１０）の効率ηを最適化する装置において、
   前記モータの回転数ｎを求める手段と、
   前記モータの消費された入力Ｐ_Ｅを求める手段と、
   モータ制御部（１１）と、を備え、
   少なくとも一つの自由なモータパラメータｗを、効率ηに介入するために、前記モータ制御部によって変更可能であり、回転数ｎの３乗と消費された入力Ｐ_Ｅとの商である値Ｅが最大値に達する値に前記モータパラメータｗが設定されることを特徴とする装置。
10. 前記モータパラメータは、転流角であることを特徴とする請求項９に記載の装置。

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