JP4207810B2

JP4207810B2 - Ｐｍモータの評価試験装置

Info

Publication number: JP4207810B2
Application number: JP2004068895A
Authority: JP
Inventors: 博年河村
Original assignee: 神鋼電機株式会社
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP2005257432A

Description

本発明は、ＰＭモータ（永久磁石同期電動機）の特性を評価する評価試験装置に関する。

従来のＰＭモータの評価試験装置の構成を図６に示す（非特許文献１参照）。
同図に示すように、ＰＭモータの評価試験装置は、ＰＭモータ１００の回転軸に出力軸が連結される負荷装置１０１と、ＰＭモータ１００のトルクを検出するトルクメータ１０２と、ＰＭモータ１０３を駆動するＰＭモータ１０３の専用インバータであるＰＷＭインバータ１０３と、直流電源１０４と、ＰＭモータ１０３の磁極位置を検出する位置センサ（ＰＳ）１０５と、速度指令部１０６と、速度検出部１０７と、位置検出部１０８と、速度制御電流指令作成部１０９と、電流制御回路１１０と、ＦＦＴアナライザ１１１とを有している。

上記構成において、負荷装置１０１は、ＰＭモータ１００の運転特性を試験すために外部からの指令によりＰＭモータ１００の出力軸に加えるトルクを発生する。このトルクはトルクメータ１０２により検出される。
ＰＭモータ１００は、直流電源１０４により供給される直流電圧をパルス幅変調して三相交流信号を出力するＰＷＭインバータ１０３により駆動される。
ＰＭモータ１００の磁極位置は位置センサ（ＰＭ）により検出され、この出力に基づいてＰＭモータ１０５の回転速度が速度検出部１０７により、また、位置検出部１０８により基準位置からの回転角度θが検出される。

速度制御電流指令作成部１０９では、速度指令部１０６により与えられた速度指令及び速度検出部１０７により検出された回転速度とを比較して速度制御電流指令を作成し、電流制御回路１１０に出力する。
ｄ-ｑ座標軸上で表したＰＭモータの電圧方程式は、（１）空隙の磁束分布は正弦波状であること、（２）電圧及び電流の高調波成分は無視できること、（３）鉄損は無視できる、と仮定して次式で与えられ、ベクトル図は図２に示すようになる。

ただし、φaは、永久磁石による電機子鎖交磁束数、ｉd，ｉqは、電機子電流のｄ軸、ｑ軸成分、Ｖd，Ｖqは、端子電圧のｄ軸、ｑ軸成分、Ｒaは、１相分の電機子巻線抵抗、Ｌd，Ｌqは、ｄ軸、ｑ軸の電機子自己インダクタンス、ωは電気角速度、ｖa，ｉaは、相電圧、相電流である。
ＰＭモータ１００は、ＰＷＭインバータ１０３で駆動されるため、その電圧、電流には高調波成分が含まれる。式（１）で表されるモータモデルは、上記仮定（２）の下に成立するので、ＦＦＴアナライザ１１１により相電流、線間電圧の基本波成分を計測し、等価回路定数を測定してＰＭモータ１００の特性評価を行う。
森本、武田、平紗「ＰＭモータのｄｑ等価回路定数の測定法」T.IEE Japan，Vol．113-D，No.11，‘93

ＰＭモータの制御を行うには、一般的には磁極位置の検出機能が必要であり、そのためにＰＭモータには磁極位置検出センサが付設されている。この磁極位置検出センサがモータにより異なるため、誘導電動機のような汎用インバータが存在せず、専用のインバータを必要としていた。
また、自動車メーカは、電気自動車のためのＰＭモータ及び該モータを駆動するためのインバータの開発を行っている。ＰＭモータの開発者は、インバータが無いとＰＭモータの特性が測定できないが、通常、ＰＭモータおよび磁極位置センサに合わせた専用インバータは、別部門で並行して開発しており、相互の開発の進捗具合によって、ＰＭモータの特性評価が思うようにできないのが実情である。

また、製品のインバータは、モータの特性測定に必要となる機能が不足していることが多く、また、モータ特性の測定結果が、モータに起因するかインバータに起因するかが不明確になるという問題が有った。
加えて、供試体のＰＭモータの角度センサは、モータの特性測定には分解能、精度、応答等の性能が不十分であったり、センサの種類に応じて装置の変更が必要になったりする問題が有った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、供試体であるＰＭモータ用の角度センサを使用することなく、かつ供試体用の専用インバータを使用せずに、特性評価を行うことができるＰＭモータの評価試験装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ＰＭモータの特性を評価する評価試験装置であって、供試体としてのＰＭモータの回転軸に、出力軸が連結され該ＰＭモータの負荷装置として機能するダイナモメータと、前記ダイナモメータに付設され、該ダイナモメータの回転軸の回転角度を検出する角度センサと、前記角度センサの出力を取り込み、前記ＰＭモータの磁極位置に同期した信号を生成し、出力するとともに、前記ＰＭモータを駆動制御するモータ評価用インバータと、前記基準信号生成手段から出力される磁極位置同期信号に基づいて前記ＰＭモータの端子電圧、モータ電流及び該端子電圧、モータ電流の磁極位置を基準とする位相を計測する計測手段と、前記ダイナモメータに速度指令を出力して該ダイナモメータを駆動し、かつ前記モータ評価用インバータに制御指令を出力するとともに、前記計測手段の出力に基づいて前記ＰＭモータの特性評価を行う制御手段とを有することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＰＭモータの評価試験装置において、前記制御手段は、前記ＰＭモータと前記ダイナモメータの連結部であるシャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係を予め求めておき、検出されたトルクまたは、ダイナモメータのトルク指令値について前記予め求めたシャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係から捩れ角を求め、この求めた捩れ角に基づいて前記角度センサにより検出した前記ＰＭモータの磁極位置の基準位置からの回転角度を示す回転角度データを補正し、該補正データに基づき磁極位置に同期した信号の生成、及び／または、前記モータ評価用インバータで駆動される前記ＰＭモータの電流、電圧を制御することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のＰＭモータの評価試験装置において、前記制御手段は、前記ダイナモメータを速度制御した状態で、ＰＭモータの誘起電圧を測定し、該誘起電圧と前記ダイナモメータの回転軸の回転角度から磁極位置を検出することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、負荷装置側に設けた角度センサ（位置センサ）により、供試体であるＰＭモータの磁極位置を検出し、かつモータ評価用インバータにＰＭモータの磁極位置と同期した磁極位置同期信号を出力する機能を付加するように構成したので、ＰＭモータを駆動するための専用インバータ及びＰＭモータに設けられた角度センサを使用することなく、ＰＭモータの特性評価を行うことができる。

したがって、ＰＭモータの開発と該ＰＭモータを駆動するインバータの開発を並行して行い易くなり、またモータの特性評価が統一されるとともに、モータの特性の測定結果が、モータに起因するのか、インバータに起因するのかという不明確さがなくなり、開発のスピードアップ、ならびにＰＭモータ及び該ＰＭモータを駆動するインバータの効率的な開発を促進することが可能となる。
という効果が得られる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係るＰＭモータの評価試験装置の構成を図１に示す。同図において、ＰＭモータの評価試験装置は、負荷装置として機能するダイナモメータ１２と、ダイナモメータ１２に付設され、ＰＭモ−タ１０の磁極位置を検出する磁極位置検出センサとしての角度センサ１３と、ダイナモメータ１２を駆動制御するダイナモ制御盤１４と、モータ評価用インバータ１５と、ディジタルパワーメータ１６と、トルクアンプ１７と、速度検出部１８と、データ収集システム１９と、特性評価装置２０とを有している。

供試体であるＰＭモータ１０の出力軸は、連結部を介してダイナモメータ１２の出力軸１２０に連結されており、連結部には、トルクメータ１１が設けられている。また、ＰＭモータ１０には、位置センサ３０が設けられているが、これは使用しない。
ダイナモメータ１２は、ダイナモ制御盤１４の制御下に、速度指令の速度となるようＰＭモータ１０の出力軸にトルクを出力する。
角度センサ１３は、ダイナモメータ１２の出力軸の回転角度、すなわちＰＭモータ１０の磁極位置を基準位置からの回転角度データとして出力する。
ダイナモメータ１２を一定速度で回転させ、ＰＭモータ１０の端子電圧（誘起電圧）のゼロクロス時間における前記回転角度データを求め、このデータで磁極位置と回転角度データとのずれを補正した角度で同期信号の生成、モータ評価用インバータの制御を行う。

ダイナモ制御盤１４は、特性評価装置２０からの速度指令を受けてダイナモメータ１２に駆動信号を出力するとともに、角度センサ１３から得た回転角度データをモータ評価用インバータ１５及び特性評価装置２０に出力する。
モータ評価用インバータ１５は、ダイナモ制御盤１４を介して角度センサ１３の出力を取り込み、ＰＭモータ１０の磁極位置に同期した基準信号である磁極位置同期信号を生成し、ディジタルパワーメータ１６に出力するとともに、ＰＭモータ１０を駆動制御する。

モータ評価用インバータ１５の出力は、ディジタルパワーメータ１６を介してＰＭモータ１０に出力される。
ディジタルパワーメータ１６は、磁極位置同期信号に基づいて、ＰＭモータ１０の端子電圧、モータ電流、端子電圧及びモータ電流の磁極位置からの位相、電力を計測する。
なお、図１の例では、トルク検出器として機能するトルクアンプ１７と、速度検出用パルス発生器である速度検出部１８が一体になったものがオプションとして付加されている場合を想定している。
トルクアンプ１７は、トルクメータ１１により検出されたトルクを電気信号に変換し、出力する。
また、速度検出部１８は、トルクメータ１１の出力に基づいてＰＭモータ１０の回転速度を検出し、出力する。

データ収集システム１９は、トルクアンプ１７、速度検出部１８及びディジタルパワーメータ１６から出力される各種計測データを取り込み、記憶し、特性評価装置２０に出力する。
特性評価装置２０は、試験条件に応じてダイナモメータ１２の速度指令を生成し、該速度指令を、ダイナモ制御盤１４を介してダイナモメータ１２に出力することによりダイナモメータ１２を駆動し、かつモータ評価用インバータ１５に電流振幅、位相の制御指令を出力するとともに、データ収集システム１９の出力に基づいてＰＭモータ１０の特性評価を行う。

また、特性評価装置２０は、ＰＭモータ１０とダイナモメータ１２の連結部であるシャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係を予め求めておき、検出されたトルクについて上記予め求めたシャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係から捩れ角を求め、この求めた捩れ角に基づいて角度センサ１３によりダイナモメータ１２で測定したＰＭモータ１０の磁極位置の基準位置からの回転角度を示す回転角度データを補正し、該補正データに基づいてＰＭモータ１０の電流、電圧を制御する制御指令（電流振幅、位相指令）をモータ評価用インバータ１５に出力する。
なお、特性評価装置２０は、検出されたトルクからシャフト及びカップリングの捩れ角を求める場合に、シャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係をテーブルとし予め記憶しておき、検出されたトルクについて前記テーブルを参照して捩れ角を求めてもよいし、また、上記シャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係を示す近似式を記憶しておき、この近似式により算出するようにしてもよい。
特性評価装置２０は、本発明の制御手段に相当する。また、トルクメータ１１、ディジタルパワーメータ１６、トルクアンプ１７、速度検出部１８は、本発明の計測手段に相当する。

特性評価装置２０は、特性評価として、モータ効率の演算、各種特性グラフの作成、ＰＭモータの１０の特性、すなわち既述した式（１）の各パラメータの算出を行う。
モータ効率は、（機械出力／電気入力）＝{（ＰＭモータ１０のトルク出力×回転速度）の積分値}／電力として算出される。
また、上記各パラメータとしては、ＰＭモータの端子電圧、モータ電流、電力、位相、トルク、回転速度がある。
特性評価装置２０で作成されるＰＭモータ１０の特性グラフの例としては、電流位相−トルク特性（図３参照）、電流位相−電圧・トルク特性（図４参照）、モータ効率マップ（図５参照）が有る。

本発明の実施形態に係るＰＭモータの評価試験装置によれば、負荷装置側に設けた角度センサ（位置センサ）により、供試体であるＰＭモータの磁極位置を検出し、かつモータ評価用インバータにＰＭモータの磁極位置と同期した磁極位置同期信号を出力する機能を付加するように構成したので、ＰＭモータを駆動するための専用インバータ及びＰＭモータに設けられた角度センサを使用することなく、ＰＭモータの特性評価を行うことができる。

本発明の実施形態に係るＰＭモータの評価試験装置の構成を示すブロック図。ＰＭモータの定常運転時の電圧方程式を示すベクトル図。ＰＭモータの電流位相−トルク特性を示す図。ＰＭモータの電流位相−電圧・トルク特性を示す図。ＰＭモータのモータ効率マップを示す図。従来のＰＭモータの評価試験装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０…ＰＭモータ
１１…トルクメータ
１２…ダイナモメータ
１３…角度センサ
１４…ダイナモメータ
１５…モータ評価用インバータ
１６…ディジタルパワーメータ
１７…トルクアンプ
１８…速度検出部
１９…データ収集システム
２０…特性評価装置

Claims

ＰＭモータの特性を評価する評価試験装置であって、
供試体としてのＰＭモータの回転軸に、出力軸が連結され該ＰＭモータの負荷装置として機能するダイナモメータと、
前記ダイナモメータに付設され、該ダイナモメータの回転軸の回転角度を検出する角度センサと、
前記角度センサの出力を取り込み、前記ＰＭモータの磁極位置に同期した信号を生成し、出力するとともに、前記ＰＭモータを駆動制御するモータ評価用インバータと、
前記基準信号生成手段から出力される磁極位置同期信号に基づいて前記ＰＭモータの端子電圧、モータ電流及び該端子電圧、モータ電流の磁極位置を基準とする位相を計測する計測手段と、
前記ダイナモメータに速度指令を出力して該ダイナモメータを駆動し、かつ前記モータ評価用インバータに制御指令を出力するとともに、前記計測手段の出力に基づいて前記ＰＭモータの特性評価を行う制御手段と、
を有することを特徴とするＰＭモータの評価試験装置。
前記制御手段は、前記ＰＭモータと前記ダイナモメータの連結部であるシャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係を予め求めておき、検出されたトルクまたは、ダイナモメータのトルク指令値について前記予め求めたシャフト及びカップリングの捩れ角とトルクとの関係から捩れ角を求め、この求めた捩れ角に基づいて前記角度センサにより検出した前記ＰＭモータの磁極位置の基準位置からの回転角度を示す回転角度データを補正し、該補正データに基づき磁極位置に同期した信号の生成、及び／または、前記モータ評価用インバータで駆動される前記ＰＭモータの電流、電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載のＰＭモータの評価試験装置。
前記制御手段は、前記ダイナモメータを速度制御した状態で、ＰＭモータの誘起電圧を測定し、該誘起電圧と前記ダイナモメータの回転軸の回転角度から磁極位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のＰＭモータの評価試験装置。