JP2007315994A - 回転電機の温度変化検知方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサおよび特別な装置がいずれも不要であり，複雑な制御を必要としないで温度変化を容易に検知できる回転電機の温度変化検知方法およびその装置を提供すること。
【解決手段】本発明のモータ２０の温度変化検知方法では，モータ２０の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得し，取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出し，算出した線間抵抗値が所定の閾値より大きい場合に，温度上昇が起こっていると判定する。さらに，温度上昇が起こっていると判定された場合に，モータ２０の運転モードを温度上昇時モードに変更する。また，コイルの線間抵抗の算出においては，ＬＣＲ回路における電流，電圧，抵抗の関係に基づいて，コイル電流と，コイル端子間電圧と，ロータ回転数を交流周波数とみなした周波数とを用いて算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は，運転中の回転電機のコイルの温度変化を検知する回転電機の温度変化検知方法およびその装置に関する。さらに詳細には，サーミスタ等の温度検出素子を利用しないで温度を推定することによる回転電機の温度変化検知方法およびその装置に関するものである。

一般に，運転中の回転電機ではコイルの温度が上昇するが，過熱状態となることは好ましくない。そのため従来より，コイルにサーミスタ等の温度検出装置を取り付けて，運転中の回転電機の温度を測定することが行われている。しかしながら，テープ等による貼り付けでは，コイルの表面状態や貼り付け箇所等の微小な差異によって測定結果にバラツキが生じるため，安全しろを大きく見込む必要があった。また，貼り付け後の各製造工程において破損しないために，製造工程の工夫や高価な部品等が必要とされていた。

これに対して，特許文献１には，温度センサをコイルに貼り付けるのでなく，ブラケットに取り付けることによって，組立工程の作業性を向上させる技術が開示されている。この文献の技術では，温度センサの出力を所定の補正値によって補正することで，検出精度を向上できるとされている。また，特許文献２には，温度センサを用いず，コイルの抵抗値を精度良く測定することによって，温度を算出する技術が開示されている。
特開２００５−２３７０５６号公報 特開２００４−７７２４５号公報

しかしながら，前記した従来の技術には，以下のような問題点があった。特許文献１の技術では，温度センサとコイルとの配置が離れているため，補正値による補正を行っても測定誤差はある程度大きいものとなる。また，温度センサを利用しているのでコスト高の要因となるという問題点があった。

また，特許文献２の技術では，温度算出のための複雑な制御が必要となるという問題点があった。また，コイルの抵抗値を精度良く測定するために，直流電源およびデジタル記録手段を必要としているので，コスト高の要因となる。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，温度センサおよび特別な装置がいずれも不要であり，複雑な制御を必要としないで温度変化を容易に検知できる回転電機の温度変化検知方法およびその装置を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の回転電機の温度変化検知方法は，回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得ステップと，値取得ステップで取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出ステップと，抵抗算出ステップで算出した線間抵抗値と所定の閾値との比較に基づいて，所定の温度変化の有無を判定する判定ステップとを含むものである。

本発明の回転電機の温度変化検知方法によれば，値取得ステップにおいて，運転中の回転電機のコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数の各値が取得される。これらの値を用いて，抵抗算出ステップにおいてコイルの線間抵抗値が算出される。このコイルの線間抵抗値とコイル温度とには一定の関係があることが知られている。本発明では，判定ステップにおいて，算出された線間抵抗値と所定の閾値との比較に基づいて，温度変化の有無が判定されるので，温度センサおよび特別な装置を用いることなく，複雑な制御を必要としないで温度変化を容易に検知できる。

さらに，本発明では，判定ステップにて，抵抗算出ステップで算出した線間抵抗値が所定の閾値より大きい場合に，温度上昇が起こっていると判定することが望ましい。算出された線間抵抗値が所定の閾値より大きい場合にはコイル温度が所定の温度より高い。そこで，このようにすれば，コイル温度が所定の温度より高くなった場合に温度上昇が起こっていると判断されるので，温度上昇検知方法とみなすことができる。

または，本発明の回転電機の温度変化検知方法は，回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得ステップと，値取得ステップで取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出ステップと，あらかじめ定められた線間抵抗値とコイル温度との関係と，抵抗算出ステップで算出した線間抵抗値とに基づいて，コイル温度を求める温度推定ステップとを含むものであっても良い。このようにすれば，線間抵抗値のみでなくコイル温度をも推定できる。

さらに本発明では，温度推定ステップで求めたコイル温度と所定の閾値との比較に基づいて，所定の温度変化の有無を判定する判定ステップを含むことが望ましい。このようにすれば，コイル温度の変化の有無が容易に判定される。

さらに本発明では，判定ステップにて，温度推定ステップで求めたコイル温度が所定の閾値より高い場合に，温度上昇が起こっていると判定することが望ましい。コイル温度によって判定すれば，判定基準が判りやすい。

さらに本発明では，判定ステップで温度上昇が起こっていると判定された場合に，回転電機の運転モードを温度上昇時モードに変更することが望ましい。回転電機の温度が上昇した状態でそのまま運転を続けると，さらに温度上昇するおそれがある。そこで，温度上昇が起こっていると判定された場合に回転電機の運転モードを温度上昇時モードに変更することとすれば，回転電機の過熱状態に至るおそれを回避できる。

さらに本発明では，抵抗算出ステップが，ＬＣＲ回路における電流，電圧，抵抗の関係に基づいて，コイル電流と，コイル端子間電圧と，ロータ回転数を交流周波数とみなした周波数とを用いてコイルの線間抵抗値を算出することが望ましい。一般に回転電機では，制御の必要性から，コイル電流，コイル端子間電圧，ロータ回転数を測定している。一方，ＬＣＲ回路における電流，電圧，抵抗の関係は既知のものであり，ロータ回転数を交流周波数とみなせば，コイルの線間抵抗値を算出することができる。

また，本発明は，回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得部と，値取得部が取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出部と，抵抗算出部が算出した線間抵抗値と所定の閾値との比較により，温度変化が起こっているか否かを判定する判定部とを有する回転電機の温度変化検知装置にも及ぶ。

また，本発明では，判定部が，抵抗算出部が算出した線間抵抗値が所定の閾値より大きい場合に，温度上昇が起こっていると判定することが望ましい。このようにすれば，コイルの温度上昇を判定する温度上昇検知装置とみなすことができる。

また，本発明は，回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得部と，値取得部が取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出部と，あらかじめ定められた線間抵抗値とコイル温度との関係と，抵抗算出部が算出した線間抵抗値とに基づいて，コイル温度を求める温度推定部とを有する回転電機の温度変化検知装置であってもよい。

本発明の回転電機の温度変化検知方法およびその装置によれば，温度センサおよび特別な装置がいずれも不要であり，複雑な制御を必要としないで温度変化を容易に検知できる。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，三相交流モータのステータにおけるコイル温度を推定して温度上昇を検知する温度変化検知方法に本発明を適用したものである。

本形態の温度変化検知装置は，図１に示すように，温度推定部１０を有している。温度推定部１０には，電流・電圧・回転数取得部１１，線間抵抗算出部１２，コイル温度取得部１３が設けられている。また，コイル温度取得部１３には，出力制限部１４が接続されている。この温度推定部１０による温度推定の対象とされるものは，モータ２０のステータ２１に設けられているコイル２２である。

モータ２０は，三相交流モータであり，コイル２２はＵ，Ｖ，Ｗの各相のコイルを含んでいる。また，このモータ２０は，ステータ２１とロータ２３とを有し，ロータ２３の回転軸にはレゾルバ２４が取り付けられている。レゾルバ２４は，ロータ２３の回転状態を検知する装置であり，これによりローラ２３の回転数を取得できる。

各相のコイル２２は，それぞれの電源端子２５，２５，２５を介してインバータ２６，２６，２６によって駆動される。さらに，電源端子２５とインバータ２６との間には，適切な箇所に電流計２７および電圧計２８が接続されている。この図１では，３つの電源ラインの内の１つに電流計２７が設けられ，その電源ラインと他の電源ラインの１つとの間に電圧計２８が設けられている。

なお，モータ２０の状態を監視する必要性から，レゾルバ２４，電流計２７および電圧計２８は，いずれも従来より設けられているものである。つまり，温度測定のために新設したわけではない。また，電流計２７および電圧計２８の接続箇所は特に定められるものではない。電流計２７は，どの端子に設けても良い。電圧計２８は，どの端子間に設けても良いし，中立端子がある場合にはそれと他の端子間に設けても良い。ただし，Ｕ，Ｖ，Ｗの各相で温度上昇の仕方に差がある場合には，温度が高くなりがちな相に接続することが好ましい。

次に，温度推定部１０について説明する。温度推定部１０は，従来より自動車等の制御のために設けられているコンピュータ等に設けられる。電流・電圧・回転数取得部１１は，電流計２７，電圧計２８，レゾルバ２４の検出結果から，所定のコイル２２に流れる電流および印加されている電圧，ロータ２３の回転数を取得する。線間抵抗算出部１２は，得られた電流，電圧，回転数から，コイルの線間抵抗を算出する。ここでの「線間」とは，モータ２０の各端子間のことである。コイル温度取得部１３は，算出されたコイルの線間抵抗値に基づいて，コイル温度を推定する。さらに，推定されたコイル温度が所定値以上であれば，出力制限部１４がインバータ２６の出力を制限する。

次に，温度推定部１０による温度推定方法について説明する。一般に，交流ＬＣＲ回路の電流Ｉ，抵抗Ｒ，電圧Ｅには，次式（式１）の関係があることが知られている。
Ｅ＝｛Ｒ＋ｊωＬ−ｊ／ωＣ｝Ｉ …（式１）
ここで，ｊは所定の係数であり，ωは電気角での角速度，Ｌはステータ２１のインダクタンス，Ｃはステータ２１の静電容量である。

ここで，回転数ｆと角速度ωとは，次の式２の関係がある。
ｆ＝ω／２π …（式２）
さらに，回転数ｆはレゾルバ２４の検出結果から得られるので，ωは容易に算出される。また，ＬとＣは，ステータ２１の種類毎に固定の値であり，予め取得しておくことができる。

次に，式１を変形して，抵抗Ｒを表す形にすると，次の式３が得られる。
Ｒ＝Ｅ／Ｉ−ｊ（ωＬ＋１／ωＣ） …（式３）

ここで，電流Ｉは交流電流であり，最大電流Ｉｍと角速度ωとを用いて，次の式４のように複素数表示することができる。
Ｉ＝Ｉｍ・ｅ^j(ω^t+φ⁾ …（式４）
この式４を三角関数を用いて書き直すと，次の式５となる。
Ｉ＝Ｉｍ・｛ｃｏｓ（ωｔ＋φ）＋ｊ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）｝ …（式５）

また，ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＝Ｉ／Ｉｍ …（式６）
ｃｏｓ（ωｔ＋φ）＝√（１＋１／Ｉｍ²） …（式７）
であるので，これらの式６，式７を式５に代入し，ｊを求めると次の式８が得られる。
ｊ＝１−√｛（１＋Ｉｍ²）／Ｉ²｝ …（式８）

式３にここで求めた式８を代入すると，次の式９が得られる。
Ｒ＝Ｅ／Ｉ−［１−√｛（１＋Ｉｍ²）／Ｉ²｝］（ωＬ＋１／ωＣ） …（式９）
線間抵抗算出部１２では，この式９に既知の値であるＬ，Ｃおよび，電流・電圧・回転数取得部１１によって取得されたＥ，Ｉ，Ｉｍ，ωを代入することにより，抵抗値Ｒが得られる。

次に，式９によって得られた抵抗値Ｒの絶対値をコイル温度取得部１３に入力する。線間抵抗Ｒとコイル温度ｔとの間には，図２に示すような関係がある。この関係は，あらかじめコイル温度取得部１３に記憶されている。そこで，コイル温度取得部１３では，入力された抵抗値Ｒに対応するコイル温度ｔを得ることができる。これが，推定されるコイル温度である。

なお，線間抵抗Ｒとコイル温度ｔとの関係は，あらかじめ各温度において実測し，記憶しておいても良い。またあるいは，基準温度における関係を実測して記憶し，温度係数を用いてコイル温度取得部１３において算出するようにしても良い。またあるいは，算出プログラムとして記憶しておき，その都度コイル温度取得部１３において演算するようにしても良い。

さらに，モータ２０では，コイル温度が高い状態で運転を続けると過熱状態となり，寿命が短くなる等のおそれがある。そのため，温度推定部１０では，所定の温度を閾値として記憶しておき，推定されたコイル温度をこの閾値と比較する。そして，推定コイル温度が閾値より高い場合には，温度上昇が起こっていると判定する。そして，温度上昇が起こっていると判定された場合には，モータ２０の運転モードを温度上昇時モードに変更し，モータ２０の出力を通常時よりも制限する。

ここでは，温度上昇時モードとして，推定コイル温度が１５０℃を超えた場合には出力制限を行い，１８０℃を超えたら出力停止するとしている。すなわち，算出された抵抗値Ｒが，図２に示すように，Ｒａを超えたら出力制限，Ｒｂを超えたら出力停止するようにしている。ここで，Ｒａは，推定コイル温度１５０℃に対応する線間抵抗値である。また，Ｒｂは，推定コイル温度１８０℃に対応する線間抵抗値である。

なお，出力制限の方法としては例えば，図３に示すように，そのコイル温度に応じて出力率を低下させるようにしても良い。あるいは，例えば１５０℃から１０℃毎に１／３ずつというように階段状に出力低下させてもよい。いずれにしても，コイル温度取得部１３では，推定されたコイル温度がこれらの値を超えていた場合には，出力制限あるいは出力停止信号を出力制御部１４に送出する。出力制御部１４は，これらの信号を受けてインバータ２６の出力を適切に制限する。または，モータ２０に冷却機構が備えられている場合はそれを作動させても良い。なお，線間抵抗算出部１２およびコイル温度取得部１３は，プログラムとして構成しソフトウエアで実施しても良いし，ハードウエアとして構成しても良い。

以上詳細に説明したように本形態の温度推定方法によれば，コイル２２に流れる電流や印加されている電圧，およびロータ２３の回転数を取得して，式９から線間抵抗値が算出される。コイル温度は，この線間抵抗値と所定の関係にあるので，算出された線間抵抗値からコイル温度を推定することができる。従って，温度センサおよび特別な装置がいずれも不要であり，複雑な制御を必要としないで温度を容易に推定することができる。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の形態では，電流と電圧とを検出して抵抗値を算出するとしたが，例えばミリオームメータ等の高精度の抵抗検出器を用いて，直接抵抗を測定することもできる。また，過熱防止のためだけであれば，推定コイル温度を求めることなく，算出された線間抵抗値がＲａまたはＲｂを超えた場合に出力制限あるいは停止を指示するようにしても良い。また，モータ２０に代えて発電機の温度変化を検知する場合には，インバータ２６の位置に負荷が配置される。

また例えば，上記の形態では，コイルの温度上昇のみについて判定しているが，温度下降の判定に用いることもできる。例えば，環境温度の低下，モータの電源異常，あるいは発電機の動力源や負荷の異常等によって発生するコイルの温度下降を判定することもできる。

本形態に係る温度推定装置の概略構成を示すブロック図である。 線間抵抗とコイル温度との関係を示すグラフ図である。 推定コイル温度と出力率との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ 温度推定部
１１ 電流・電圧・回転数取得部
１２ 線間抵抗算出部
１３ コイル温度取得部
１４ 出力制御部
２０ モータ

Claims (10)

1. 回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得ステップと，
   前記値取得ステップで取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出ステップと，
   前記抵抗算出ステップで算出した線間抵抗値と所定の閾値との比較に基づいて，所定の温度変化の有無を判定する判定ステップとを含むことを特徴とする回転電機の温度変化検知方法。
2. 請求項１に記載の回転電機の温度変化検知方法において，前記判定ステップでは，
   前記抵抗算出ステップで求めた線間抵抗値が所定の閾値より大きい場合に，温度上昇が起こっていると判定することを特徴とする回転電機の温度変化検知方法。
3. 回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得ステップと，
   前記値取得ステップで取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出ステップと，
   あらかじめ定められた線間抵抗値とコイル温度との関係と，前記抵抗算出ステップで算出した線間抵抗値とに基づいて，コイル温度を求める温度推定ステップとを含むことを特徴とする回転電機の温度変化検知方法。
4. 請求項３に記載の回転電機の温度変化検知方法において，
   前記温度推定ステップで求めたコイル温度と所定の閾値との比較に基づいて，所定の温度変化の有無を判定する判定ステップを含むことを特徴とする回転電機の温度変化検知方法。
5. 請求項４に記載の回転電機の温度変化検知方法において，前記判定ステップでは，
   前記温度推定ステップで求めたコイル温度が所定の閾値より高い場合に，温度上昇が起こっていると判定することを特徴とする回転電機の温度変化検知方法。
6. 請求項２または請求項５に記載の回転電機の温度変化検知方法において，
   前記判定ステップで温度上昇が起こっていると判定された場合に，回転電機の運転モードを温度上昇時モードに変更することを特徴とする回転電機の温度変化検知方法。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の回転電機の温度変化検知方法において，前記抵抗算出ステップでは，
   ＬＣＲ回路における電流，電圧，抵抗の関係に基づいて，コイル電流と，コイル端子間電圧と，ロータ回転数を交流周波数とみなした周波数とを用いてコイルの線間抵抗値を算出することを特徴とする回転電機の温度変化検知方法。
8. 回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得部と，
   前記値取得部が取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出部と，
   前記抵抗算出部が算出した線間抵抗値と所定の閾値との比較により，温度変化が起こっているか否かを判定する判定部とを有することを特徴とする回転電機の温度変化検知装置。
9. 請求項８に記載の回転電機の温度変化検知装置において，前記判定部は，
   前記抵抗算出部が算出した線間抵抗値が所定の閾値より大きい場合に，温度上昇が起こっていると判定することを特徴とする回転電機の温度変化検知装置。
10. 回転電機の運転中におけるコイル電流，コイル端子間電圧，およびロータ回転数，の各値を取得する値取得部と，
    前記値取得部が取得した各値を用いて，コイルの線間抵抗値を算出する抵抗算出部と，
    あらかじめ定められた線間抵抗値とコイル温度との関係と，前記抵抗算出部が算出した線間抵抗値とに基づいて，コイル温度を求める温度推定部とを有することを特徴とする回転電機の温度変化検知装置。

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