JP6218976B2 - 同期機制御装置および同期機の永久磁石温度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、界磁として永久磁石を有する同期機の制御装置である同期機制御装置および同期機の永久磁石温度推定方法に関するものである。

周知のように、界磁として永久磁石を有する同期機をインバータ等の電力変換手段を有する同期機制御装置にて制御する際、同期機の電機子巻線への通電や同期機自身の鉄損等に起因する温度上昇に伴って、界磁の永久磁石の磁化の強さ、すなわち、磁束が減少する「減磁」と呼ばれる現象が発生する。さらに、許容温度を超えると、その後、温度が常温に下がっても、磁束が減磁発生前の状態に戻らない「不可逆減磁」と呼ばれる現象が発生することも周知である。

このため、界磁として永久磁石を有する同期機を制御する際、少なくとも永久磁石の温度を不可逆減磁が発生する許容温度以下に抑制するように制御する必要がある。また、減磁によってトルクが低下することも想定される。しかしながら、同期機の構造上のスペースの問題、あるいは周囲をケースで防護している等の理由により、温度検出器を永久磁石に直接取り付けることは困難である。

さらに、界磁として永久磁石を有する同期電動機の多くは、回転子側の内部に永久磁石を有することが多い。従って、このような構成は、温度検出器を取りつけることへのさらなる大きな障害要因となっている。

そのため、主に、永久磁石の温度を許容温度以下に抑制できるように、何らかの方法で永久磁石の温度、あるいは永久磁石の温度と相関のある磁束を間接的に測定、あるいは推定する技術が求められている。

このような課題の解決を図った同期機制御装置の一例として、以下のようなステップを順次実施して、回転子磁石部の減磁状態を判定するようにした従来装置がある（例えば、特許文献１参照）。
ステップＳＴ１：回転速度および電流・電圧を測定する。
ステップＳＴ３：回転速度および電流・電圧の前記測定値に基づいて、巻線の温度を推定する。
ステップＳＴ４：巻線温度の推定値に基づいて、巻線の抵抗を推定する。
ステップＳＴ５：巻線温度の推定値に基づいて、回転子磁石部の温度を推定する。
ステップＳＴ６：巻線温度の推定値に基づいて、誘起電圧の正常値を推定する。
ステップＳＴ７：巻線抵抗の推定値に基づいて、誘起電圧の実際の値を推定する。
ステップＳＴ８：ステップＳＴ６およびステップＳＴ７において推定した誘起電圧係数の正常値と実際の値を比較して、その差が所定の閾値を超えているときに減磁が生じていると判断する。

また、同様な制御装置の他の例として、以下のような制御を行うことにより、回転数と鉄損と機械損の和から永久磁石の温度を推定するようにした従来の装置がある（例えば、特許文献２参照）。
・負荷から切り離されて無通電状態で回転する状態の回転子の回転数を検出する。
・検出された回転数に基づいて、回転子の磁石温度を推定する。
・推定された磁石温度に基づいて、同期機（永久磁石電動機）に対する電流指令を補正するための補正量を求め、補正量に基づいて同期機を駆動する。

特開２００５−１９２３２５号公報 国際公開ＷＯ２０１３／１０８８７７号 特許第４６７２２３６号公報 特許第５２９１１８４号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に示された永久磁石電動機の減磁検出方法においては、電機子巻線の温度上昇と回転子永久磁石の温度上昇との比をあらかじめ実験により求めておき、電機子巻線の温度に基づいて永久磁石の温度を推定している。

しかしながら、電機子巻線と永久磁石とでは、熱時定数が大きく異なり、さらに、電動機の運転条件や冷却性能等、他の要因も温度上昇に影響を与える。このため、電機子巻線の温度上昇に対する回転子永久磁石の温度上昇を一義的に求めることは難しく、様々な条件に対して、電機子巻線の温度に基づいて、磁石温度を精度よく推測することは容易ではないといった課題があった。

一方、特許文献２に示された従来装置は、負荷から切り離されて無通電状態で磁石温度を推定するものである。従って、特許文献２に係る従来装置は、磁石温度が上昇し易い通電（有負荷）状態での磁石温度推定が困難であるといった課題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、界磁として永久磁石を有する同期機を駆動しながら、永久磁石に直接温度検出器を取り付けることなく、変化する電流（負荷）条件下で、永久磁石の温度を高い精度で推定することが可能な同期機制御装置および同期機の永久磁石温度推定方法を得ることを目的としている。

本発明に係る同期機制御装置は、界磁として永久磁石を有する同期機と、永久磁石にかかる応力を推定する応力推定器と、応力推定器により推定された応力に基づいて電機子鎖交磁束の応力減磁分を演算し、同期機の回転子位置、同期機の駆動制御に用いられる電流指令と電圧指令、および電機子鎖交磁束の応力減磁分に基づいて、電機子鎖交磁束を推定し、推定した電機子鎖交磁束から電機子鎖交磁束の応力減磁分を考慮した補正後の永久磁石温度推定値を出力する第１磁石温度推定器とを備えるものである。

また、本発明に係る同期機の永久磁石温度推定方法は、界磁として永久磁石を有する同期機の永久磁石温度推定方法であって、永久磁石にかかる応力を推定する第１ステップと、第１ステップにより推定された応力に基づいて電機子鎖交磁束の応力減磁分を演算する第２ステップと、同期機の回転子位置、同期機の駆動制御に用いられる電流指令と電圧指令、および電機子鎖交磁束の応力減磁分に基づいて、電機子鎖交磁束を推定し、推定した電機子鎖交磁束から電機子鎖交磁束の応力減磁分を考慮した補正後の永久磁石温度推定値を出力する第３ステップとを有するものである。

本発明によれば、永久磁石にかかる応力の推定値に基づいて応力減磁分を演算し、電機子鎖交磁束の推定値に基づいて推定された永久磁石の温度を、応力減磁分を考慮して補正し、補正後の永久磁石温度推定値を得る構成を備えている。この結果、永久磁石の温度変化に伴う減磁と永久磁石にかかる応力による減磁とを分離でき、界磁として永久磁石を有する同期機を駆動しながら、永久磁石に直接温度検出器を取り付けることなく、変化する電流（負荷）条件下で、永久磁石の温度を高い精度で推定することが可能な同期機制御装置および同期機の永久磁石温度推定方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置を駆動する駆動システムのハードウエア構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置の、図２とは異なる全体構成図である。 本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における磁石温度推定器の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る磁石温度推定器を構成する第１の磁束マップの概念図である。 本発明の実施の形態１に係る磁石温度推定器を構成する磁束変化マップ６２の概念図である。 本発明の実施の形態１において、複数のｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑの条件下での磁石温度上昇１０℃に対するｄ軸磁束Φｄの減磁割合の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における磁石温度推定器の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る磁石温度推定器を構成する第２の磁束マップの概念図である。 本発明の実施の形態１に係る永久磁石３１を有する同期機１の回転子３０が、ある回転数で回転しているときの構造解析結果における応力分布を表すコンター図である。 本発明の実施の形態１における永久磁石に圧縮応力を印加したときの実験結果として、印加した圧縮応力に対する磁束密度Ｂｒの変化率を表した図である。 本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における永久磁石の応力推定器の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における磁石温度補正器８の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係る同期機制御装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態２に係る同期機制御装置における永久磁石の応力推定器の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態３に係る同期機制御装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態４に係る同期機制御装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態５に係る同期機制御装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態６に係る同期機制御装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態６に係る同期機制御装置における磁石温度推定器の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態６に係る同期機制御装置における磁石温度推定器の一例を示す構成図である。

以下、本発明の同期機制御装置および同期機の永久磁石温度推定方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置を駆動する駆動システムのハードウエア構成を示す図である。図１において、この駆動システムは、同期機制御装置１００に加えてさらに上位のシステム２００、および電源２３を備える。同期機制御装置１００は、ハードウエアとして、永久磁石同期機１、電力変換器２、電流検出器３、位置検出器４、プロセッサ１０１、および記憶装置１０２を備える。

記憶装置１０２は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、記憶装置１０２は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、不揮発性の補助記憶装置の代わりにハードディスク等の補助記憶装置とを具備してもよい。

プロセッサ１０１は、記憶装置１０２から入力されたプログラムを実行する。記憶装置１０２が補助記憶装置と揮発性記憶装置とを具備するため、プロセッサ１０１に、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。また、プロセッサ１０１は、演算結果等のデータを記憶装置１０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に前記データを保存してもよい。

図１でのハードウエアの構成要素間におけるデータ等の入出力については、後述する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置の全体構成図である。同期機制御装置は、永久磁石同期機１、電力変換器２、電流検出器３、位置検出器４、電流制御器５、磁石温度推定器６、応力推定器７、磁石温度補正器８、座標変換器２１ａ、２１ｂ、および加減算器２２を備える。また、磁石温度推定器６と磁石温度補正器８とを合わせたものを磁石温度演算器５０とする。本実施の形態１における同期機制御装置は、図２に図示しない上位のシステムから、電流指令座標上の電流指令、あるいはさらにその上位のシステムからトルク指令が与えられることを想定している。

ここで、電流指令座標は、後述する回転直交二軸座標（ｄ−ｑ軸）のことであり、以下の説明では、電流指令座標上のことを、「ｄ−ｑ軸上」と略記し、それぞれの軸の電流指令は、Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に相当する。

該上位のシステムの一例として、電気自動車（ＥＶ）、または内燃機関とモータの両方を備えるハイブリッド自動車の車両、さらには鉄道車両のような電気車を駆動する用途に本発明が適用される場合には、ドライバー（操縦者）からのアクセル（ノッチ）やブレーキの入力量と車速や種々の入力量に応じて、電流指令あるいはトルク指令を決定する車両制御装置などが挙げられる。また、その他の用途として、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）、昇降機用途においても、電流指令を種々の要因に基づいて生成する上位のシステムがある。

また、本発明の同期機制御装置において推定する、同期機１の界磁を形成する永久磁石の温度推定値Ｔｍａｇを、上位のシステムに伝達して、この温度推定値を上位のシステムの制御に利用してもよい。ただし、本発明において、電流指令を与える上位のシステムは、限定されないため、上位のシステムの説明は、上述した例示にとどめる。

図２の電流制御器５、磁石温度推定器６、応力推定器７、磁石温度補正器８、座標変換器２１ａ、２１ｂ、および加減算器２２は、記憶装置１０２に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ１０１、または図示していないシステムＬＳＩ等の処理回路により実現される。

また、複数のプロセッサ１０１および複数の記憶装置１０２が連携して上記機能を実行してもよいし、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。また、複数のプロセッサ１０１および複数の記憶装置１０２と、複数の処理回路との組み合わせにより連携して上記機能を実行してもよい。

図２に示した本実施の形態１における同期機１は、界磁として永久磁石を有するものである。以下、本実施の形態１に係る、同期機１を駆動する同期機制御装置の構成および構成要素の機能について、詳細に説明する。

まず、本実施の形態１において同期機１を駆動するために必要な構成について、電力変換器２の出力側から順に、電力変換器２の入力側となる電圧指令の生成までの流れを説明する。

本実施の形態１における電力変換器２は、電源２３から供給される電力を多相交流電力へ変換し、多相交流電圧を出力する。より具体的には、電力変換器２は、同期機１の電機子巻線と接続されており、周知のＰＷＭ（パルス幅変調）インバータをはじめとする変換動作を行う。

座標変換器２１ｂは、電流制御器５により得られる電圧指令（厳密には、電流制御器５から出力される電圧指令）を、位置検出器４で得られる同期機１の回転子位置θに基づいて座標変換することで、多相交流電圧指令を生成する。そして、電力変換器２は、座標変換器２１ｂによって生成された多相交流電圧指令に基づいて、同期機１に多相電圧を出力し、同期機１を駆動する。

その結果、同期機１の電機子巻線に出力電流が発生する。この電機子巻線に発生する出力電流を、以下、電機子電流と表記する。

なお、本実施の形態１の電源２３に関しては、直流電圧を出力する電源あるいはバッテリなどの電池、または、単相あるいは三相の交流電源から周知のコンバータによって直流電圧を得るものを含めて、電源２３と称している。

同期機１の出力電流である電機子電流は、電流センサをはじめとする電流検出器３によって検出される。なお、電流検出器３は、同期機１が三相回転機の場合、同期機１の三相の電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの内、全相の電機子電流を検出する構成、あるいは、１つの相（例えばｗ相）の電機子電流ｉｗについては、検出した２つの相の電機子電流ｉｕ、ｉｖを用いて、三相平衡状態のｉｗ＝−ｉｕ−ｉｖの関係から求めるようにして、２つの相の電機子電流を検出する構成、のいずれを採用することもできる。

さらに、各相の電機子電流を直接検出する方法以外に、周知の技術である、電源２３と電力変換器２との間を流れるＤＣリンク電流に基づいて電機子電流を検出する方法を採用することもできる。

図２における位置検出器４は、周知のレゾルバやエンコーダ等を用いて同期機１の回転子位置θを検出する例を示している。ただし、位置検出器４は、この構成に限定されず、周知の適応オブザーバ等を適用して、電圧指令や電機子電流等を用いて演算により回転子位置θを推定する構成とすることも可能である。ここで、同期機１の回転子位置θとは、一般的に、ｕ相電機子巻線を基準に取った軸に対する永久磁石のＮ極方向の角度を指す。

また、同期機１の回転速度（電気角周波数ωとする）で回転する回転直交二軸座標をｄ−ｑ軸と定義し、慣例同様、ｄ軸は、永久磁石のＮ極方向、すなわち、界磁磁束方向と定め、ｑ軸は、ｄ軸に対して９０°進んだ直交方向と定める。以下の説明も、この座標軸の定義に従う。

図３は、本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置の、図２とは異なる全体構成図である。具体的には、図３に示した同期機制御装置は、先の図２における位置検出器４の代わりに、推定演算により回転子位置θを得る位置検出器４ａを備えている。位置検出器４ａの構成は、例えば、特許文献３、４に示されている構成で実現可能であることから、詳細は省略する。

なお、図２と図３の差異は、位置検出器４、４ａに係る箇所のみであり、その他の構成は、同一である。

後述の実施の形態においても、図２の周知のレゾルバやエンコーダ等を用いて同期機１の回転子位置θを検出する例に基づいて説明する。しかしながら、これらの実施の形態においても、図３の周知の適応オブザーバ等を適用して、電圧指令や電機子電流等から回転子位置θを推定する方式を採用できることは言うまでもない。

座標変換器２１ａは、下式（１）の演算により、回転子位置θに基づいて、同期機１の電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑへ変換する。

電流制御器５は、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑを、所望の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に一致させるように、ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力する。具体的には、電流制御器５は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとの偏差に基づいて、下式（２）の比例積分制御（ＰＩ制御）を行い、ｄ−ｑ軸上の電圧指令（電流フィードバック制御指令）Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を生成する。

ここで、Ｋｐｄは、電流制御ｄ軸比例ゲイン、Ｋｉｄは、電流制御ｄ軸積分ゲイン、Ｋｐｑは、電流制御ｑ軸比例ゲイン、Ｋｉｑは、電流制御ｑ軸積分ゲイン、ｓは、ラプラス演算子を意味している。なお、ラプラス演算子ｓの逆数１／ｓは、１回の時間積分を意味する。

なお、電流制御器５は、インダクタンス値、抵抗値などのモータパラメータと回転速度ωとを用いて電圧フィードフォワード項を演算し、電流フィードバック制御指令に加算する周知の電圧非干渉制御を適用して、ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を求めてもよい。

電流制御器５は、電圧フィードフォワード制御を行うためには、図２（図３）の電流制御器５の入力として記載されていない回転速度ωを得る必要がある。この場合、電流制御器５は、位置検出器４（または４ａ）で検出された回転子位置θに対して微分演算を行うことで、回転速度ωを得ることができる。

電流制御器５から出力されるｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊は、座標変換器２１ｂにおいて、下式（３）の演算により、回転子位置θに基づいて電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換された上で、電力変換器２に出力される。

電力変換器２は、上述した通り、電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に基づいて、周知のＰＷＭ（パルス幅変調）方式等により、同期機１に電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを出力する。以上が、実施の形態１において同期機１を駆動するために必要な構成である。

次に、同期機１の界磁を形成する永久磁石の温度推定に必要な構成である磁石温度推定器６、応力推定器７、磁石温度補正器８について説明する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における磁石温度推定器６の一例を示す構成図である。図４に示すように、本実施の形態１における磁石温度推定器６は、磁束推定器６０、第１の磁束マップ６１、磁束変化マップ６２、および磁石温度換算部６３を備えて構成されている。

磁石温度換算部６３は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０で推定されるｄ軸磁束推定値Φｄｅと、第１の磁束マップ６１と、磁束変化マップ６２と、に基づいて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を出力する。

ここで、Ｔｍａｇ０を「補正前」の同期機１の永久磁石温度推定値とした理由は、以下のとおりである。すなわち、本発明の実施の形態１による同期機制御装置における特徴の１つである後述の応力推定器７、および磁石温度補正器８により、Ｔｍａｇ０に対して補正を施し、補正後の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇを求めて、同期機１の永久磁石温度推定値の精度を向上させるためである。

磁束推定器６０は、位置検出器４（または４ａ）で検出した回転子位置θに基づいて演算した回転速度ω、ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊（Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の代わりにｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑを用いてもよい）に基づいて、電機子鎖交磁束Φに係る状態量を推定する。

なお，電機子鎖交磁束Φとは、永久磁石磁束Φｍと、電機子電流が生成する磁束（電機子反作用磁束）Φａとの合成磁束を指す。

電機子鎖交磁束Φに係る状態量を推定する好適な一手法としては、ｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑと、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ（以下、ｄ軸磁束と表記）、電機子鎖交磁束Φのｑ軸成分Φｑ（以下、ｑ軸磁束と表記）との関係式である下式（４）の演算によって、Φｄ、Φｑを求めるものがある。

また、必要に応じて、下式（５）の演算によって、電機子鎖交磁束Φの絶対値｜Φ｜を求める方法がある。

ここで、Ｌｄは、ｄ軸方向のインダクタンス（以下、ｄ軸インダクタンスと表記）、Ｌｑは、ｑ軸方向のインダクタンス（以下、ｑ軸インダクタンスと表記）、Ｒは、抵抗である。なお、抵抗Ｒは、同期機１の電機子巻線の抵抗が主であり、同期機１と電力変換器２との間の配線抵抗の影響が無視できないぐらい大きい場合には、この配線抵抗も考慮した抵抗値とする。

なお、ラプラス演算子ｓは、１回の時間微分を意味するが、定常状態では、微分項を考慮しなくてもよい。

本実施の形態１における図２、図３の構成では、ｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑの実際の値が不明である。このため、磁束推定器６０は、ｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑの代わりに、ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いて、下式（６）の演算により、電機子鎖交磁束Φの推定値Φｅのｄ軸成分Φｄｅ（以下、ｄ軸磁束推定値と表記）、電機子鎖交磁束Φの推定値Φｅのｑ軸成分Φｑｅ（以下、ｑ軸磁束推定値と表記）を求める。

また、磁束推定器６０は、必要に応じて、下式（７）の演算によって、電機子鎖交磁束Φの推定値Φｅの絶対値｜Φｅ｜を求める。

その際、同期機１の駆動開始前（停止状態）においては、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊が０であり、Φｄｅ＝０となる。このことから、同期機１の駆動開始におけるΦｄｅの初期値として、所定の永久磁石磁束の値（Φｍ０とする）を与えておく。

図４の磁束推定器６０への入力の中に、位置検出器４（または４ａ）で検出した回転子位置θが含まれている。これは、回転子位置θを用いて微分演算を行うことで、回転速度ωを得る処理を磁束推定器６０の処理の中に含めていることを想定したものである。従って、回転速度ωを得る処理を別の構成部で行うならば、必ずしも磁束推定器６０の入力として回転子位置θを含める必要はない。

また、上式（６）の演算において、電流の変化が緩やかであると仮定して、上式（４）におけるラプラス演算子ｓを含む項は、無視してもよい。

図５は、本発明の実施の形態１に係る磁石温度推定器を構成する第１の磁束マップ６１の概念図である。この第１の磁束マップ６１は、同期機１を全運転領域で駆動するために必要なｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の範囲全てにおいて、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１の状態におけるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分（Φｄ１とする）との相関を、実機実験的あるいは周知の磁界解析のツールなどを用いて求めてマッピングしたものである。

なお、図５では、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の範囲を−１００［Ａ］〜０［Ａ］、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊の範囲を−１００［Ａ］〜＋１００［Ａ］と想定しており、以降の図も同様の想定としている。

また、相関マッピングの際には、電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の代わりに、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑに対する関連付けでもよく、以下のマッピングにおいても、同様である。

第１の磁束マップ６１を用いることで、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊は、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１の条件下における電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ１へ換算される。

なお、マッピングした電流指令条件と同期機１の駆動時に与えられた電流指令とが一致しない場合には、第１の磁束マップ６１に基づいて線形補間や近似の手法を用いて、換算値の推定値を出力することができる。なお、その他のマップに対しても、同様の手法を用いることで、推定値を出力することができる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る磁石温度推定器を構成する磁束変化マップ６２の概念図である。この磁束変化マップ６２は、同期機１を全運転領域で駆動するために必要なｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の範囲全てにおいて、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊が一定であるとの前提で、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１から温度Ｔ１とは異なる温度Ｔ２までΔＴ０分変化した時の、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分の変化量（ΔΦｄ０とする）との相関を、実機実験的あるいは周知の磁界解析のツールなどを用いて求めてマッピングしたものである。

磁束変化マップ６２を用いることで、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊は、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１から温度Ｔ１とは異なる温度Ｔ２までΔＴ０分変化した時の電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分の変化量ΔΦｄ０へ換算される。

なお、温度Ｔ１、Ｔ２は、同期機１の駆動によって変化し得る（同期機１の界磁を形成する）永久磁石の温度変化範囲の上限および下限に設定することが望ましい。なお、本発明においては、温度Ｔ１、Ｔ２の大小関係は問わない。

磁石温度換算部６３は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０で推定された、温度Ｔ１の時のｄ軸磁束推定値Φｄｅと、第１の磁束マップ６１から得られた電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ１と、磁束変化マップ６２から得られた電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分の変化量ΔΦｄ０とから、下式（８）に基づいて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を生成する。

以上の図４に示した構成を備えることで、磁石温度推定器６は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時における補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を求めることができる。

なお、図４の構成では、ｄ軸磁束推定値Φｄｅを用いて補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を求める方式を示した。しかしながら、磁石温度推定器６は、ｄ軸磁束推定値Φｄｅの代わりに電機子鎖交磁束Φの推定値Φｅの絶対値｜Φｅ｜を用いて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を求めることも可能である。

この場合、特に図示しないが、第１の磁束マップ６１ａは、同期機１を全運転領域で駆動するために必要なｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の範囲全てにおいて、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１の状態におけるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と電機子鎖交磁束Φの絶対値（｜Φ１｜とする）との相関を、実機実験的あるいは周知の磁界解析のツールなどを用いて求めてマッピングしておく。

この第１の磁束マップ６１ａを用いることで、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊は、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１の条件下における電機子鎖交磁束Φの絶対値｜Φ１｜へ換算される。

また、特に図示しないが磁束変化マップ６２ａは、同期機１を全運転領域で駆動するために必要なｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の範囲全てにおいて、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊が一定であるとの前提で、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１から温度Ｔ２までΔＴ０分変化した時のｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と電機子鎖交磁束Φの絶対値の変化量（｜ΔΦ０｜とする）との相関を、実機実験的あるいは周知の磁界解析のツールなどを用いて求めてマッピングしておく。

この磁束変化マップ６２ａを用いることで、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊は、同期機１の永久磁石が温度Ｔ１から温度Ｔ２までΔＴ０分変化した時の電機子鎖交磁束Φの絶対値の変化量｜ΔΦ０｜へ換算される。

これらの換算値を用いれば、磁石温度推定器６は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０で推定する電機子鎖交磁束推定値Φｅの絶対値｜Φｅ｜と、第１の磁束マップ６１ａから得られる電機子鎖交磁束Φの絶対値｜Φ１｜と、磁束変化マップ６２ａから得られる電機子鎖交磁束Φの絶対値の変化量｜ΔΦ０｜とから、同様に補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を求めることができる。

次に、上述した方法によって、同期機１の永久磁石温度を推定する原理について説明する。ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑと、ｄ軸磁束Φｄ、ｑ軸磁束Φｑとの関係式は、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、永久磁石磁束Φｍを用いて表すと、下式（９）となる。

仮に、ｄ軸電流Ｉｄおよびｄ軸インダクタンスＬｄがともに一定であるとした時、永久磁石の温度変化により、永久磁石磁束Φｍが変化すると、この変化は、ｄ軸磁束Φｄにあらわれる。したがって、所定のｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑ条件下におけるｄ軸磁束Φｄと永久磁石の温度Ｔｍとの相関が分かれば、永久磁石の温度Ｔｍを推定できる。

ただし、永久磁石磁束Φｍ、すなわち、ｄ軸磁束Φｄと永久磁石の温度Ｔｍとの相関は、電機子電流の大きさに依存して変化する同期機１の磁気飽和状態によって異なる。

例えば、モータに組み込まれていない単体の状態で、磁石温度上昇１０℃に対して１％の割合で減磁する特性を有する永久磁石が、同期機１の界磁として組み込まれた場合を考える。この場合に、磁気飽和が緩和されている状態（ｑ軸電流Ｉｑの絶対値が小さい、軽負荷条件など）では、単体の状態と同様に、温度上昇１０℃に対して概ね１％の割合で、ｄ軸磁束Φｄの減磁が発生する。

ただし、ｑ軸電流の絶対値が大きい磁気飽和状態では、温度上昇１０℃に対して０．６〜１．０％の割合で減磁が発生する。このように、磁石温度変化に対するｄ軸磁束Φｄの変化は、電流条件に対しては一様ではない。また、この変化量は、ｑ軸電流Ｉｑのみではなく、ｄ軸電流Ｉｄにも依存する。

図７は、本発明の実施の形態１において、複数のｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑの条件下での磁石温度上昇１０℃に対するｄ軸磁束Φｄの減磁割合の一例を示す図である。

また、実際には、永久磁石の温度変化により、永久磁石磁束Φｍが変化して磁気飽和状態も僅かに変わる。このため、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑが一定の条件下においても、永久磁石の温度が変わると、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑの値にも変化が生じる。

よって、永久磁石の温度Ｔｍが変化すると、ｄ軸インダクタンスＬｄ、永久磁石磁束Φｍともに変化し、さらに、磁石温度変化に対するｄ軸インダクタンスＬｄ、永久磁石磁束Φｍの変化の大きさは、ｄ−ｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑ（すなわち、負荷条件）によって異なる。

すなわち、上式（６）からｄ軸磁束推定値Φｄｅを求めた際、ｄ軸インダクタンスＬｄとｄ軸電流Ｉｄとに起因する電機子反作用磁束（Ｌｄ・Ｉｄ）と永久磁石磁束Φｍとに分離することは困難である。従って、永久磁石温度Ｔｍと永久磁石磁束Φｍとの直接的な相関を求めることは容易ではない。

このことから、永久磁石の温度を精度よく推定するためには、永久磁石の温度Ｔｍとｄ軸磁束Φｄとの相関を、様々なｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑ条件毎に把握する必要がある。

そこで、本実施の形態１における磁石温度推定器６は、上述したように、磁束推定器６０、第１の磁束マップ６１、磁束変化マップ６２、および磁石温度換算部６３とで構成されている。そして、磁石温度推定器６は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０で推定されたｄ軸磁束推定値Φｄｅと、第１の磁束マップ６１と、磁束変化マップ６２と、に基づいて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を出力する構成とした。

本実施の形態１において、界磁磁束と同一方向であるｄ軸磁束推定値Φｄｅに基づいて永久磁石温度推定を行うと、上式（９）からわかるように、磁石温度変化に対する磁束変化が、ｄ軸側に表れる。このため、磁石温度変化に対する磁束変化の感度を向上させることができ、永久磁石の温度推定精度が向上する。

ただし、上式（５）と上式（９）との関係からわかるように、永久磁石の温度変化に起因する変化は、電機子鎖交磁束の絶対値｜Φ｜にも現れる。このため、上述した通り、電機子鎖交磁束のｄ軸成分の代わりに、絶対値｜Φ｜を用いて永久磁石の温度を推定できることは言うまでもない。

なお、先の図４に示した磁石温度推定器６の代わりに、以下に示す磁石温度推定器６ａを用いてもよい。

図８は、本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における磁石温度推定器６ａの一例を示す構成図である。図８に示すように、本実施の形態１における磁石温度推定器６ａは、磁束推定器６０、第１の磁束マップ６１、第２に磁束マップ６４、および磁石温度換算部６３ａを備えて構成されている。

磁石温度換算部６３ａは、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０で推定されるｄ軸磁束推定値Φｄｅと、第１の磁束マップ６１と、第２の磁束マップ６４と、に基づいて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を出力する。なお、第１の磁束マップ６１については、先の図５に示したものと同じ構成である。

先の図４の構成を備えた磁石温度推定器６においては、「同期機１の永久磁石が温度Ｔ１の状態におけるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ１との相関」と「同期機１の永久磁石が温度Ｔ１からＴ２までΔＴ０分変化した時の、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分の変化量ΔΦｄ０との相関」との２つの相関情報から、永久磁石の温度を精度よく推定するために必要な、様々なｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑ条件での永久磁石の温度Ｔｍとｄ軸磁束Φｄとの相関を求めていた。

それに対して、図８の構成を備えた磁石温度推定器６ａにおいては、「同期機１の永久磁石が温度Ｔ１の状態におけるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ１との相関」と「同期機１の永久磁石が温度Ｔ２の状態におけるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分（Φｄ２とする）との相関」との２つの相関情報から、様々なｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑ条件での永久磁石の温度Ｔｍとｄ軸磁束Φｄとの相関を求めている点で、先の図４の構成を備える磁石温度推定器６とは異なる。

図９は、本発明の実施の形態１に係る磁石温度推定器６ａを構成する第２の磁束マップ６４の概念図である。この第２の磁束マップ６４は、同期機１を全運転領域で駆動するために必要なｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の範囲全てにおいて、同期機１の永久磁石が温度Ｔ２の状態におけるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ２との相関を、実機実験的あるいは周知の磁界解析のツールなどを用いて求めてマッピングしたものである。

第２の磁束マップ６４を用いることで、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊は、同期機１の永久磁石が温度Ｔ２の条件下における電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ２へ換算される。

磁石温度換算部６３ａは、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０で推定されたｄ軸磁束推定値Φｄｅと、第１の磁束マップ６１から得られた電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ１と、第２の磁束マップ６４から得られた電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ２とから、下式（１０）に基づいて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を生成する。

以上の図８に示した構成を備えることで、磁石温度推定器６ａは、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時における補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を求めることができる。

また、この図８の構成においても、ｄ軸磁束推定値Φｄｅの代わりに、電機子鎖交磁束Φの推定値Φｅの絶対値｜Φｅ｜を用いて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を求めることができることは言うまでもない。

さらに、温度Ｔ１、Ｔ２とは異なる温度の条件下における、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分との相関を示す磁束マップを有するような構成としてもよい。なお、磁束マップを求める温度条件が増えれば、同期機１の永久磁石温度推定精度が向上することは言うまでもない。しかしながら、マップ数が多大となると、マップの作成に大きな労力を必要とするため、マップ数は、必要最低限にとどめる。

上述した図４あるいは図８の構成においては、磁石温度推定器６（または６ａ）は、ｄ軸磁束Φｄと永久磁石の温度Ｔｍとの相関が同期機１の磁気飽和状態によって異なる点を踏まえ、磁石温度変化に対するｄ軸磁束Φｄの変化の電機子電流依存性を考慮した上で、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を出力している。

しかしながら、実際の界磁として永久磁石を有する同期機１においては、永久磁石にかかる応力により減磁が発生する。このため、同一の電機子電流条件下においても、永久磁石にかかる応力の大きさにより、ｄ軸磁束Φｄと永久磁石の温度Ｔｍとの相関がずれる可能性がある。

そこで、本発明においては、同期機１の永久磁石温度推定値の精度を向上させるために、応力推定器７と磁石温度補正器８とを備えている。そして、磁石温度補正器８は、磁石温度推定器６（または６ａ）により推定された補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０に対して、応力推定器７において推定される永久磁石にかかる応力に基づいて、応力減磁分を演算し、応力減磁分を温度補正量に換算して補正する。

次に、同期機１の回転によって永久磁石に発生する応力の推定方法と、永久磁石に応力を印加した時の磁束密度の変化について、具体的に説明する。

図１０は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石３１を有する同期機１の回転子３０が、ある回転数で回転しているときの構造解析結果における応力分布を表すコンター図である。同期機１の回転子３０が回転すると、遠心力により、永久磁石３１に応力が発生する。なお、図１０に示した構造解析において、回転子３０は、解析の時間短縮のために、部分モデルとしている。永久磁石３１は、回転子３０のスロット３２内に保持され、遠心力で弓型に変形する。この結果、外周側に引張応力が発生し、内周側に圧縮応力が発生する。

図１１は、本発明の実施の形態１における永久磁石に圧縮応力を印加したときの実験結果として、印加した圧縮応力に対する磁束密度Ｂｒの変化率を表した図である。図１１に示すように、永久磁石に応力を印加すると、応力が増加するにつれて、磁束密度Ｂｒの変化率が低下する。つまり、永久磁石に応力が加わると、減磁が発生することになる。この図１１に示した解析結果の場合、応力を５０ＭＰａ印加すると、約０．２％減磁する。

図１２は、本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における永久磁石３１の応力推定器７の一例を示す構成図である。図１２に示す応力推定器７は、第１の応力推定部７０により、位置検出器４（または４ａ）により検出された同期機１の回転子位置θから回転速度ωを算出し、構造解析により求めた永久磁石３１に発生する応力と、回転速度ωとの関係である構造解析データ７１を参照することによって、永久磁石に印加される応力の値σを推定する。

なお、構造解析データ７１は、先の図１０に示す構造解析から求めた回転速度と応力との関係を表す計算式、あるいは、各回転数に対応した応力値のマップとすることができる。

図１３は、本発明の実施の形態１に係る同期機制御装置における磁石温度補正器８の一例を示す構成図である。図１３に示す磁石温度補正器８は、磁束推定部８０、および磁石温度換算部８１を備えて構成されている。

磁束推定部８０は、永久磁石の加圧実験により求めた応力σと、残留磁化Ｂｒとの関係から、応力減磁による電機子鎖交磁束の変化量Δφｄｅを導き出す。そして、磁石温度換算部８１は、応力減磁による電機子鎖交磁束の変化量Δφｄｅを温度補正量に換算して、永久磁石温度推定値Ｔｍａｇ０を補正し、補正後の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇを出力する。

なお、出力された永久磁石温度推定値Ｔｍａｇは、本実施の形態１では記述しない上位のシステムに伝達されることで、この推定値を上位のシステムの制御に利用してもよい。
具体的には、永久磁石温度推定値Ｔｍａｇを上位のシステムにフィードバックし、ｄ−ｑ軸上の電流指令を補正する例を、後述の実施の形態４で説明し、永久磁石温度推定値Ｔｍａｇを用いてトルク指令に制限をかける例を、後述の実施の形態５で説明する。以上が、実施の形態１における同期機制御装置の説明である。

以上のように、実施の形態１によれば、電流指令（同期機の磁気飽和状態）に応じて異なる磁石温度変化に対する電機子鎖交磁束の変化を正確に把握しながら磁石温度を推定している。これにより、永久磁石に直接温度検出器を取り付けることなく、あらゆる電流（負荷）条件で永久磁石の温度を精度よく推定できる効果がある。

さらに、永久磁石温度変化による熱減磁と、永久磁石にかかる応力による減磁とを分離できるように、温度推定誤差となり得る永久磁石にかかる応力によって発生する減磁分を補正している。これにより、磁石温度推定精度が向上する効果も得られる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る同期機制御装置について説明する。
図１４は、本発明の実施の形態２に係る同期機制御装置の全体構成図である。

本実施の形態２による同期機制御装置は、図１４に示すように、先の図２に示す実施の形態１に係る同期機制御装置の応力推定器７に対して、磁石温度推定器６により推定された永久磁石の温度Ｔｍａｇ０と、電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とを入力として取り込む構成として、応力推定器７ａとしたものである。

図１５は、本発明の実施の形態２に係る同期機制御装置における永久磁石３１の応力推定器７ａの一例を示す構成図である。応力推定器７ａは、図１５に示すように、同期機１の回転子位置θから回転速度ωを算出し、構造解析の結果から永久磁石に印加される応力σ１を推定する第１の応力推定部７０と、磁石温度推定器６により推定された永久磁石の温度Ｔｍａｇ０に基づいて永久磁石にかかる応力σ２を推定する第２の応力推定部７２と、電流指令により発生するトルクから永久磁石にかかる応力σ３を推定する第３の応力推定部７３と、各応力推定部からの出力σ１〜σ３を合算して、永久磁石にかかる応力σを演算する磁石応力演算部７４から構成されている。

なお、図１５においては、先の実施の形態１における図１２で記載した構造解析データ７１については、表記を省略している。また、その他の構成に関する動作は、先の実施の形態１における図２と同じなので、同一符号を付して、説明を省略する。以上が、実施の形態２における同期機制御装置の説明である。

以上のように、実施の形態２によれば、永久磁石にかかる応力を推定する際、同期機の回転子の回転速度から推定される応力だけでなく、永久磁石の温度変化により発生する寸法変化に起因する熱応力と、駆動電流により発生するトルクに起因する応力も考慮している。この結果、永久磁石にかかる応力の推定精度を、更に向上させることができる効果が得られる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る同期機制御装置について説明する。
図１６は、本発明の実施の形態３に係る同期機制御装置の全体構成図である。

本実施の形態３による同期機制御装置は、図１６に示すように、磁石温度補正器８によって補正された永久磁石温度推定値Ｔｍａｇを、応力推定器７ｂに入力することで、永久磁石の温度変化に伴う寸法変化に起因して発生する応力σ（熱応力）を推定する。そして、磁石温度補正器８は、その応力σを使って補正前の永久磁石温度Ｔｍａｇ０を補正することで、再帰的な温度補正を行うものである。なお、その他の構成に関する動作は、先の実施の形態１の図２と同じなので、同一符号を付して、説明を省略する。

応力推定器７ｂは、例えば、先の図１０に示したスロット３２により永久磁石３１の寸法変化が妨げられたとき、その内部に発生する応力σを、材料の線膨張係数に基づいた寸法変化を考慮した構造解析などにより推定する。以上が、実施の形態３における同期機制御装置の説明である。

以上のように、実施の形態３によれば、永久磁石温度を推定する際、永久磁石の温度変化による熱減磁と、永久磁石にかかる温度依存性に係る熱応力による減磁とを分離できるように、温度推定誤差となり得る永久磁石にかかる応力によって発生する減磁分を補正している。この結果、永久磁石の温度推定精度を向上させることができる効果が得られる。

さらに、実施の形態３によれば、永久磁石の温度変化に伴う寸法変化で発生する応力σ（熱応力）を推定して、再帰的に永久磁石の温度補正を行っている。この結果、さらに正確な温度推定が可能となる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４に係る同期機制御装置について説明する。
図１７は、本発明の実施の形態４に係る同期機制御装置の全体構成図である。

本実施の形態４による同期機制御装置は、図１７に示すように、磁石温度補正器８により補正された永久磁石温度推定値Ｔｍａｇに応じて、ｄ−ｑ軸上の電流指令を補正する電流指令補正器９をさらに備えた構成となっている。

図１７のｄ−ｑ軸上の電流指令において、便宜上、電流指令補正器９の入力側である補正前の電流指令をＩｄ０＊、Ｉｑ０＊、電流指令補正器９の出力側である補正後の電流指令をＩｄ＊、Ｉｑ＊としている。

以下、新たに追加した電流指令補正器９の構成を中心に説明し、他の同一部分については、適宜説明を省略する。

同期機１の永久磁石の温度Ｔｍを推定する目的の１つに、減磁によるトルク変化分を補正する点がある。同期機１の永久磁石に減磁が発生すると、永久磁石に起因して発生するトルクが変化する。そこで、本実施の形態４では、不可逆減磁に至らない許容温度範囲内において、電流指令Ｉｄ＊とＩｑ＊を補正し、同期機１のトルク出力を調整し、トルク変化分を補正するような構成としている。

同期機１が出力するトルクτは、下式（１１）で算出される。ただし、Ｐｍは、同期機１の極対数である。

上式（１１）において、電流指令Ｉｄ＊とＩｑ＊を適切に変化させると、同期機１が出力するトルクが変化することは自明である。そこで、電流指令補正器９は、補正された永久磁石温度推定値Ｔｍａｇに応じて、電流指令Ｉｄ＊とＩｑ＊とを調整する。

永久磁石温の温度変化によりΦｍが変化すると、上式（１１）のトルクτが変化してしまう。そこで、電流指令補正器９は、永久磁石温度推定値Ｔｍａｇに基づき、トルク変化分を補うように、電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を調整する。以上が、実施の形態４における同期機制御装置の説明である。

以上のように、実施の形態４によれば、同期機の界磁を形成する永久磁石の温度上昇時に電流指令を補正している。この結果、熱減磁に伴うトルク変化分を補正でき、トルク精度を向上させることができる効果がある。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５に係る同期機制御装置について説明する。
図１８は、本発明の実施の形態５に係る同期機制御装置の全体構成図である。

本実施の形態５による同期機制御装置は、図１８に示すように、磁石温度補正器８により補正された永久磁石温度推定値Ｔｍａｇに応じて、同期機１に対するトルク指令を制限するトルク指令制限器１０と、制限されたトルク指令に基づいて電流指令を生成する電流指令生成器１１とをさらに備えた構成となっている。

図１８の同期機１に対するトルク指令において、便宜上、トルク指令制限器１０の入力側における制限前のトルク指令をτ０＊、トルク指令制限器１０の出力側における制限後のトルク指令をτ＊としている。

以下、新たに追加したトルク指令制限器１０、および電流指令生成器１１の構成を中心に説明し、他の同一部分については、適宜説明を省略する。

本実施の形態５では、トルク指令制限器１０において、同期機１に対するトルク指令を、補正された永久磁石温度推定値Ｔｍａｇに応じて制限し、電機子電流（実効値）を小さくすることで、さらなる温度上昇を抑制するような構成としている。

トルク指令制限器１０は、先の実施の形態１に示したような上位のシステムにおける制限前のトルク指令τ０＊を、補正された永久磁石温度推定値Ｔｍａｇに応じて制限し、制限後のトルク指令τ＊として出力する。

永久磁石温度推定値Ｔｍａｇとトルク指令制限値との相関は、鉄損と関係がある同期機１の回転速度などの駆動条件、同期機１の熱容量や冷却性能に応じて設定する。

トルク指令制限器１０は、例えば、永久磁石温度推定値Ｔｍａｇがある域値を超えると、永久磁石温度が不可逆減磁に至る温度に漸近したと判断して、トルク指令を下げる、極端には、トルク指令制限器１０は、「０」にするなどの処理を施した上で、制限後のトルク指令τ＊を出力するといった形態にする。また、トルク指令制限器１０は、永久磁石温度推定値Ｔｍａｇが上昇するに従い、トルク指令の制限値を段階的に逓減するような形態としてもよい。

また、図１８における電流指令生成器１１は、制限後のトルク指令をτ＊に基づいて、制御指令であるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を生成する。本発明のような界磁として永久磁石を有する同期機１の場合、同一のトルクを発生させることの可能なｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの組み合わせが無数に存在することが知られている。そこで、電流指令生成器１１は、制限後のトルク指令τ＊に対し、所望の条件（例えば、効率最大条件、電流最小条件など）に合致する適切なｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を出力すればよい。ただし、より効果的に同期機１の温度上昇を抑制し、不可逆減磁を防止するためには、同一トルクに対する電流が最小となる条件となるように、電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を選択すれば、より好適となる。

また、同期機１の種々のトルクに対応するｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の最適値を事前に測定してマップ化しておき、運転中に、制限後のトルク指令τ＊を、該マップを随時参照して、τ＊に応じたｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を得る方法でもよい。以上が、実施の形態５における同期機制御装置の説明である。

以上のように、実施の形態５によれば、同期機の界磁を形成する永久磁石の温度上昇時にトルク指令を制限している。この結果、磁石温度上昇を引き起こす電機子電流（実効値）を小さくでき、永久磁石の不可逆減磁を防止することができる効果がある。

実施の形態６．
次に、本発明の実施の形態６に係る同期機制御装置について説明する。
図１９は、本発明の実施の形態６に係る同期機制御装置の全体構成図である。

本実施の形態６による同期機制御装置は、図１９に示すように、応力推定器７によって推定される永久磁石にかかる応力σを、磁石温度推定器６ｂに入力することで、永久磁石の温度Ｔｍａｇを推定する。つまり、磁石温度推定器６ｂは、先の実施の形態１における図２に示す磁石温度推定器６と磁石温度補正器８の両方の機能を合わせ持ち、それら２つを合わせた磁石温度演算器５０と同じ役割を果たす。

図２０は、本発明の実施の形態６に係る同期機制御装置における磁石温度推定器６ｂの一例を示す構成図である。図２０に示すように、磁石温度推定器６ｂは、磁束推定器６０ａ、第１の磁束マップ６１、磁束変化マップ６２、および磁石温度換算部６３を備えて構成されている。そして、磁石温度換算部６３は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０ａで推定されたｄ軸磁束推定値Φｄｅと、第１の磁束マップ６１と、磁束変化マップ６２と、に基づいて、同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇを出力する。

磁束推定器６０ａは、位置検出器４で検出された回転子位置θに基づいて演算した回転速度ω、ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊（Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の代わりに、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑを用いてもよい）、それに応力推定器７で推定した永久磁石に印加される応力σに基づいて、電機子鎖交磁束Φに係る状態量を推定する。

先の実施の形態１では、図１３に示すように、磁石温度補正器８の中に磁束推定部８０を有し、熱減磁を考慮して推定された永久磁石温度Ｔｍａｇ０に対し、応力減磁による電機子鎖交磁束の変化量Δφｄｅに基づいた補正を行っていた。これに対して、本実施の形態６では、図２０に示すように、磁石温度推定器６ｂの中の磁束推定器６０ａで、応力減磁も考慮して、直接、ｄ軸磁束推定値Φｄｅを推定する。

なお、図２０に示した磁石温度推定器６ｂの代わりに、以下に示す磁石温度推定器６ｃを用いてもよい。

図２１は、本発明の実施の形態６に係る同期機制御装置における磁石温度推定器６ｃの一例を示す構成図である。図２１に示すように、磁石温度推定器６ｃは、磁束推定器６０ａ、第１の磁束マップ６１、第２に磁束マップ６４、および磁石温度換算部６３ａを備えて構成されている。そして、磁石温度換算部６３ａは、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で同期機１を駆動した時に、磁束推定器６０ａで推定されたｄ軸磁束推定値Φｄｅと、第１の磁束マップ６１と、第２の磁束マップ６４と、に基づいて、補正前の同期機１の永久磁石温度推定値Ｔｍａｇを出力する。

なお、その他の構成に関する動作は、図１３に関する部分を除いて先の実施の形態１と同じであり、同一符号を付して説明を省略する。ただし、上式（８）および上式（１０）の出力は、Ｔｍａｇ０でなくＴｍａｇとなる。以上が、実施の形態６における同期機制御装置の説明である。

以上のように、実施の形態６によれば、永久磁石温度を推定する際、永久磁石にかかる応力によって発生する応力減磁分も考慮するので、磁石温度推定精度が向上する。

なお、上述した実施の形態２から６の位置検出器４に代えて、先の実施の形態１の図３で説明した位置検出器４ａを用いて、回転子位置θを推定演算してもよい。

また、上述したそれぞれの実施の形態において、磁石温度推定器６ｂ、６ｃ、および磁石温度演算器５０は、第１磁石温度推定器に相当し、磁石温度推定器６、６ａは、第２磁石温度推定器に相当する。

Claims (14)

1. 界磁として永久磁石を有する同期機と、
   前記永久磁石にかかる応力を推定する応力推定器と、
   前記応力推定器により推定された前記応力に基づいて電機子鎖交磁束の応力減磁分を演算し、前記同期機の回転子位置、前記同期機の駆動制御に用いられる電流指令と電圧指令、および前記電機子鎖交磁束の応力減磁分に基づいて、電機子鎖交磁束を推定し、推定した前記電機子鎖交磁束から前記電機子鎖交磁束の応力減磁分を考慮した補正後の永久磁石温度推定値を出力する第１磁石温度推定器と
   を備える同期機制御装置。
2. 前記第１磁石温度推定器は、
   前記同期機の回転子位置、および前記同期機の駆動制御に用いられる電流指令と電圧指令に基づいて、電機子鎖交磁束を推定し、推定した前記電機子鎖交磁束から前記同期機の前記永久磁石の温度を推定する第２磁石温度推定器と、
   前記応力推定器により推定された前記永久磁石にかかる応力に基づいて電機子鎖交磁束の応力減磁分を演算し、前記電機子鎖交磁束の応力減磁分を温度補正量に換算し、前記第２磁石温度推定器により推定された前記永久磁石の温度に対して前記温度補正量による補正を施し、前記補正後の永久磁石温度推定値を出力する磁石温度補正器と
   を有する請求項１に記載の同期機制御装置。
3. 前記第２磁石温度推定器は、
   前記永久磁石の温度が第１の温度の条件下における、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束との相関である第１の磁束マップと、
   前記永久磁石の温度が第１の温度から第２の温度まで変化した時の、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束の変化量との相関である磁束変化マップと
   をあらかじめ記憶しておき、前記第１の磁束マップおよび前記磁束変化マップを用いて、推定した前記電機子鎖交磁束に応じた前記永久磁石の温度を推定する
   請求項２に記載の同期機制御装置。
4. 前記第２磁石温度推定器は、
   前記永久磁石の温度が第１の温度の条件下における、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束との相関である第１の磁束マップと、
   前記永久磁石の温度が第２の温度の条件下における、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束との相関である第２の磁束マップと
   をあらかじめ記憶しておき、前記第１の磁束マップおよび前記第２の磁束マップを用いて、推定した前記電機子鎖交磁束に応じた前記永久磁石の温度を推定する
   請求項２に記載の同期機制御装置。
5. 前記応力推定器は、前記同期機の前記回転子位置に基づいて前記同期機の回転速度を算出し、算出した前記回転速度に基づいて前記永久磁石にかかる応力を推定する
   請求項２から４のいずれか１項に記載の同期機制御装置。
6. 前記応力推定器は、
   前記同期機の前記回転子位置に基づいて前記同期機の回転速度を算出し、算出した前記回転速度に基づいて前記永久磁石にかかる応力を第１の応力として推定し、
   前記第２磁石温度推定器により推定された前記永久磁石の温度に基づいて永久磁石にかかる応力を第２の応力として推定し、
   前記電流指令により発生するトルクから前記永久磁石にかかる応力を第３の応力として推定し、
   前記第１の応力、前記第２の応力、前記第３の応力を合算することで前記永久磁石にかかる応力を推定する
   請求項２から４のいずれか１項に記載の同期機制御装置。
7. 前記応力推定器は、前記磁石温度補正器により補正された前記補正後の永久磁石温度推定値に基づいて前記永久磁石にかかる応力を推定する
   請求項２から４のいずれか１項に記載の同期機制御装置。
8. 前記磁石温度補正器により補正された前記補正後の永久磁石温度推定値に応じて前記電流指令を補正する電流指令補正器
   をさらに備える請求項２から７のいずれか１項に記載の同期機制御装置。
9. 前記磁石温度補正器により補正された前記補正後の永久磁石温度推定値に応じて前記同期機に対するトルク指令を制限するトルク指令制限器と、
   前記トルク指令制限器によって制限された前記トルク指令に基づいて前記電流指令を生成する電流指令生成器と
   をさらに備える請求項２から８のいずれか１項に記載の同期機制御装置。
10. 前記第１磁石温度推定器は、
    前記永久磁石の温度が第１の温度の条件下における、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束との相関である第１の磁束マップと、
    前記永久磁石の温度が第１の温度から第２の温度まで変化した時の、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束の変化量との相関である磁束変化マップと
    をあらかじめ記憶しておき、前記第１の磁束マップおよび前記磁束変化マップを用いて、推定した前記電機子鎖交磁束に応じた前記補正後の永久磁石温度推定値を出力する
    請求項１に記載の同期機制御装置。
11. 前記第１磁石温度推定器は、
    前記永久磁石の温度が第１の温度の条件下における、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束との相関である第１の磁束マップと、
    前記永久磁石の温度が第２の温度の条件下における、前記電流指令と、前記電機子鎖交磁束との相関である第２の磁束マップと
    をあらかじめ記憶しておき、前記第１の磁束マップおよび前記第２の磁束マップを用いて、推定した前記電機子鎖交磁束に応じた前記補正後の永久磁石温度推定値を出力する
    請求項１に記載の同期機制御装置。
12. 前記応力推定器は、前記同期機の前記回転子位置に基づいて前記同期機の回転速度を算出し、算出した前記回転速度に基づいて前記永久磁石にかかる応力を推定する
    請求項１、１０、１１のいずれか１項に記載の同期機制御装置。
13. 界磁として永久磁石を有する同期機の永久磁石温度推定方法であって、
    前記永久磁石にかかる応力を推定する第１ステップと、
    前記第１ステップにより推定された前記応力に基づいて電機子鎖交磁束の応力減磁分を演算する第２ステップと、
    前記同期機の回転子位置、前記同期機の駆動制御に用いられる電流指令と電圧指令、および前記電機子鎖交磁束の応力減磁分に基づいて、電機子鎖交磁束を推定し、推定した前記電機子鎖交磁束から前記電機子鎖交磁束の応力減磁分を考慮した補正後の永久磁石温度推定値を出力する第３ステップと
    を有する同期機の永久磁石温度推定方法。
14. 前記第３ステップは、前記同期機の回転子位置、および前記同期機の駆動制御に用いられる電流指令と電圧指令に基づいて、電機子鎖交磁束を推定する第４ステップと、
    前記第４ステップにより推定された前記電機子鎖交磁束から前記同期機の永久磁石温度を推定する第５ステップと、
    前記第２ステップにより演算された前記電機子鎖交磁束の応力減磁分を温度補正量に換算し、前記第５ステップにより推定された前記永久磁石温度に対して前記温度補正量による補正を施し、前記補正後の永久磁石温度推定値を出力する第６ステップと
    を有する請求項１３に記載の同期機の永久磁石温度推定方法。

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