JP6544105B2 - 磁石温度推定システム、モータ、及び、磁石温度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁石温度推定システム、モータ、及び、磁石温度推定方法に関する。

同期電動機の一つとして、回転子に永久磁石を備える永久磁石型のモータが知られている。このような永久磁石型のモータにおいては、固定子に設けられたコイルは電力が印加されると回転磁界が発生し、回転磁界が永久磁石に作用することにより、回転子が固定子内にて回転する。

一般に、モータの回転速度が速くなるほど、回転子に設けられた永久磁石の温度が上昇する。また、永久磁石は、ある上限温度を超えると不可逆に消磁してしまい磁力を失ってしまうことが知られている。そのため、永久磁石の温度を測定し、永久磁石が上限温度に達しないようにモータの回転速度を制限する必要がある。

しかしながら、永久磁石の温度を測定するために温度センサを用いると、温度センサを回転子に組み込む必要があるため、モータの小型化が困難になる。そこで、温度センサを用いずに永久磁石の温度を推定する方法が検討されている。例えば、特許文献１には、モータに印加される電流と、固定子にて発生する誘起電圧とを用いて、永久磁石の温度を推定する方法が開示されている。

特開２００７−６６１３号公報

特許文献１に開示された方法では、モータの回転速度が遅い場合には、誘起電圧が小さくなるため、永久磁石の温度の推定精度が悪くなるという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータの回転子が備える永久磁石の温度の推定精度を向上させることができる、磁石温度推定システム、モータ、及び、磁石温度推定方法を提供することである。

本発明の磁石温度推定システムは、コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とからなるモータ、及び、永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置を有する。回転子は、永久磁石の近傍に設けられ、自身の温度に応じて透磁率が変化する感温性磁性体を、有する。磁石温度推定装置は、回転子を回転駆動させる駆動周波数の交流電力をコイルに印加する電力供給部と、駆動周波数とは周波数が異なる測定周波数の交流電力を駆動周波数の交流電力に重畳させる重畳部と、測定周波数の交流電力に基づいてインピーダンスを測定し、測定したインピーダンスに応じて永久磁石の温度を推定する温度推定部と、を有する。

本発明によれば、磁石温度推定装置により測定される測定周波数でのインピーダンスは、永久磁石の温度と相関関係があることが知られている。そのため、測定周波数でのインピーダンスを測定することにより、永久磁石の温度を推定することができる。

また、回転子が有する感温性磁性体は、モータの回転時に回転子の温度が上昇すると、温度が上昇して透磁率が変化するので、永久磁石と固定子のコイルとの間の磁束量が変化する。そのため、高調波成分のインピーダンスにおけるインダクタンス成分が変化する。ここで、感温性磁性体は温度に対する透磁率の変化量が大きいため、単位温度あたりの測定周波数でのインピーダンスの変化量が大きくなり、測定周波数でのインピーダンスと永久磁石の温度との相関関係が顕著になる。したがって、磁石温度推定装置は永久磁石の温度を精度よく推定することができるようになることにより、永久磁石の温度の推定精度を向上させることができる。

図１は、第１実施形態による磁石温度推定システムの概略構成図である。 図２は、モータの断面図である。 図３は、永久磁石の概略構成図である。 図４は、感温性磁性体の温度特性を示す図である。 図５は、磁石温度推定装置のシステム構成図である。 図６は、モータをモデル化した等価回路を示す図である。 図７は、一般的なモータにおける高調波インピーダンスの実部Ｒｄと磁石温度Ｔｍとの相関関係を示すグラフである。 図８は、本実施形態のモータにおける高調波インピーダンスの実部Ｒｄと磁石温度Ｔｍとの相関関係を示すグラフである。 図９は、第２実施形態のモータの一部の断面図である。 図１０は、第３実施形態のモータの一部の断面図である。 図１１は、感温性磁性体の循環を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁石温度推定システムについて説明する。

図１は、第１実施形態による磁石温度推定システムの概略構成図である。

磁石温度推定システム１００は、モータ１と、磁石温度推定装置２とにより構成される。

モータ１は、３相で動作する永久磁石型の回転同期機（ＰＭＳＭ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）である。モータ１は、中空円柱状の固定子１１と、固定子１１の中空部に回転可能に設けられた回転子１２とにより構成されている。

固定子１１は、コイルを備えており、所定の駆動周波数の交流電力がコイルに供給されると所定のタイミングで回転磁界を発生する。

回転子１２は、永久磁石を備えている。固定子１１のコイルにより発生する回転磁界が永久磁石に作用することにより、コイルと永久磁石とが誘引または反発することで回転駆動力が発生して、回転子１２が固定子１１内で回転する。

磁石温度推定装置２は、モータ１に駆動周波数の交流電力を供給するとともに、モータ１の回転子１２が備える永久磁石の温度を推定する。

次に、図２を参照して、モータ１の詳細な構成について説明する。

図２は、モータ１の断面図である。

モータ１の固定子１１には、固定子１１の軸方向に貫通するスロット２１が、固定子１１の周方向に等間隔に複数形成されている。このように固定子１１にスロット２１を複数形成することにより、隣接するスロット２１の間にティース２２が構成される。そして、ティース２２を巻回するように、コイル２３が設けられている。

回転子１２においては、軸方向に延在する空間２４が形成されており、空間２４に永久磁石２５が挿入されている。永久磁石２５は、略対向するように対をなしており、対をなした永久磁石２５が、周方向に等間隔に設けられる。略対向する永久磁石２５は、対向面が同じ極性となるように配置される。また、略対向する永久磁石２５と、その隣にて略対向する永久磁石２５とは、互いの対向面の極性が異なるように配置される。具体的には、図２に示すように、略対向する永久磁石２５Ａと永久磁石２５Ｂの隣に略対向する永久磁石２５Ｃ及び永久磁石２５Ｄが設けられている場合には、永久磁石２５Ａと永久磁石２５Ｂの対向面がＮ極であれば、永久磁石２５Ｃと永久磁石２５Ｄの対向面がＳ極となる。

コイル２３は、磁石温度推定装置２（図２では不図示）から交流電力が印加されると回転磁界を発生させる。コイル２３による回転磁界の方向は印加される交流電力の位相に応じて変化するため、コイル２３と回転子１２の永久磁石２５とが誘引と反発とを交互に繰り返すことで回転駆動力が発生し、固定子１１内で回転子１２が回転する。

また、回転子１２には、永久磁石２５の近傍に感温性磁性体２６が設けられている。本実施形態では、感温性磁性体２６は、永久磁石２５の磁束の経路である、略対向する一対の永久磁石２５の間にて固定子１１と対向する場所に設けられている。なお、感温性磁性体２６は、自身の温度に応じて透磁率が変化する部材である。感温性磁性体２６は、具体的には、液体であるフェリコロイドや、固体である鉄系の合金などである。感温性磁性体２６の温度特性については、図４を用いて後に説明する。なお、感温性磁性体２６が液体である場合には、回転子１２に封入可能な流路などが設けられ、その流路などにて感温性磁性体２６が封入される。

次に、図３を参照して、永久磁石２５の詳細な構成について説明する。

図３は、永久磁石２５の概略構成図である。図３における上下方向は、回転子１２の軸方向、すなわち、図２における紙面に向かう方向を示している。また、図３における磁束と平行な方向を磁束方向と称し、磁束方向と直交する図３の左右方向を回転子１２の径方向と称するものとする。

永久磁石２５は、回転子１２の軸方向に積層された複数の磁石部材３１により構成されている。例えば、モータ１が高効率の運転が求められる電動自動車などに用いられる場合には、永久磁石２５は、複数の磁石部材３１により構成されることが多い。コイル２３が印加される交流電流に応じた回転磁界を発生させると、回転子１２の永久磁石２５の表面において渦電流が発生して損失が発生してしまう。そこで、永久磁石２５を複数の磁石部材３１により構成することにより、永久磁石２５を１つの磁石部材により構成する場合と比較すると、表面積を小さくすることができる。このようにすることで、渦電流の経路が短くなり、渦電流による損失を低減することができる。

図４は、感温性磁性体２６の温度特性を示す図であり、横軸に温度が示されており、縦軸に透磁率が示されている。この図に示されるように、温度が高くなると、感温性磁性体２６は透磁率が小さくなり磁束を透過しにくくなる。そのため、温度が高くなると、永久磁石２５と回転子１２のコイル２３との間の磁束量は、減少することになる。

次に、図５を用いて、磁石温度推定装置２について説明する。

図５は、磁石温度推定装置２のシステム構成図である。なお、各構成の入出力の線に付された２本斜線および３本斜線は、それぞれ、各構成にて入出力される値が２次元、３次元のベクトルであることを示している。

図５に示すように、磁石温度推定装置２は、電力供給部５１と、重畳部５２と、磁石温度推定部５３とを有する。

電力供給部５１は、不図示のコントローラなどから入力されるトルク指令値Ｔｒ^*に応じて、駆動周波数（基本波）の交流電力である３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをモータ１に出力することにより、モータ１を回転駆動させる。

重畳部５２には、永久磁石２５の温度を推定するために、基本波の駆動周波数よりも周波数が高い高調波である測定周波数の高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力される。そして、重畳部５２は、入力に応じた高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を電力供給部５１に出力することで、電力供給部５１がモータ１に供給する交流電力に高調波成分の電力を重畳する。

磁石温度推定部５３は、入力された高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を用いて、測定周波数でのインピーダンスを求め、求めたインピーダンスを用いて永久磁石２５の磁石温度Ｔｍを推定する。

高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*は、上述のように、永久磁石２５の温度の推定に用いる高調波の電力をモータ１に供給するための指令値である。高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*の周波数は、モータ１の回転中には変更されず一定であるものとする。また、本実施形態では、高調波成分の指令値によってモータ１に回転トルクを発生させないように、ｑ軸成分の高調波電流指令値ｉｑｓｃ^*をゼロとし、ｄ軸成分の高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*だけが変更されて磁石温度推定装置２に入力されるものとする。また、高調波電流指令値の振幅は、モータ１への影響を小さくするために、基本波電流指令値の振幅よりも小さいものとする。

以下では、電力供給部５１、重畳部５２、及び、磁石温度推定部５３の詳細な構成について説明する。

電力供給部５１は、電力制御部５１０、減算器５１１、電流制御部５１２、加算器５１３、座標変換部５１４、電力変換部５１５、電流検出部５１６、座標変換部５１７、及び、バンドストップフィルター５１８を備える。

また、電力供給部５１においては、モータ１のトルク指令値Ｔｒ^*が、電力制御部５１０に入力されるとともに、重畳部５２の共振制御部５２２から高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*が、加算器５１３に入力される。そして、電力変換部５１５は、これらの入力に応じて、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをモータ１に出力する。

電力制御部５１０は、トルク指令値Ｔｒ^*と磁石温度推定部５３からの永久磁石２５の推定温度Ｔｍとから、予め記憶しているテーブルなどを用いて、モータ１にて所望のトルクを発生させる基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*を求め、減算器５１１に出力する。なお、電力制御部５１０は、モータ１の回転速度や、モータ１の駆動源となる不図示のバッテリーからの直流電力の大きさなどに応じて、基本波電流指令値を算出してもよい。

なお、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*の周波数は、モータ１を回転させる回転速度に応じて変化する。また、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*は、回転座標軸（ｄｑ軸）を用いて表されている。

ここで、モータ１の回転速度が速い場合には、コイル２３を交番する永久磁石２５の磁束が多くなるため、固定子１１にて大きな逆起電力が発生してしまう。そこで、回転駆動力を発生させる電流に加えて弱め界磁電流と称される電流をモータ１に印加することにより、永久磁石２５の磁束とは逆向きの磁束を発生させて、固定子１１にて発生する逆起電力を低減することが行われている。

本実施形態においては、図２に示したように回転子１２に感温性磁性体２６が設けられているため、コイル２３を交番する永久磁石２５の磁束は、図４に示したように感温性磁性体２６の温度に応じて変化する。また、感温性磁性体２６は、永久磁石２５の近傍に設けられるため、永久磁石２５と感温性磁性体２６との温度は同じとみなすことができる。

そこで、電力制御部５１０は、予め設計によって求めた、トルク指令値Ｔｒ^*及び感温性磁性体２６の温度と、感温性磁性体２６の透磁率の変化に応じた弱め界磁電流が考慮された電流指令値との対応関係をテーブルに記憶している。電力制御部５１０は、トルク指令値Ｔｒ^*と永久磁石２５の推定温度Ｔｍとから、予め記憶している対応関係を示すテーブルを用いて、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*を求めることができる。

減算器５１１は、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*から、それぞれ基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆを減算し、これらの減算結果を電流制御部５１２に出力する。なお、基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆは、モータ１に印加され電流の検出値の基本波成分である。

電流制御部５１２は、減算器５１１の減算結果がそれぞれゼロに近づくように、すなわち、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*と、基本波電流検出値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆとの偏差がなくなるように比例積分制御を行い、第１電圧指令値ｖｄ０^*、ｖｑ０^*を加算器５１３に出力する。

加算器５１３は、電流制御部５１２から出力された第１電圧指令値ｖｄ０^*、ｖｑ０^*に、重畳部５２の共振制御部５２２から出力された高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を加算する。そして、加算器５１３は、高調波成分が重畳された第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*を座標変換部５１４へ出力する。

座標変換部５１４は、加算器５１３から出力された第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*に対して、回転座標（ｄｑ軸）から３相座標（ｕｖｗ相）への変換を行い、３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を算出する。そして、座標変換部５１４は、算出した３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を、電力変換部５１５に出力する。

電力変換部５１５は、例えばコンバータとインバータで構成される電力変換回路を備えている。また、電力変換部５１５には、不図示のバッテリーから直流電力が供給されている。電力変換部５１５は、３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*によりインバータが制御されることで、バッテリーからの直流電力を交流である３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに変換して、モータ１に出力する。なお、インバータとしては、電圧型インバータまたは電流型インバータを用いることができる。

電流検出部５１６は、例えばホール素子などを用いて構成され、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗがモータ１に印加される際に、磁石温度推定装置２からモータ１へと流れる３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。電流検出部５１６は、検出した３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを座標変換部５１７に出力する。

座標変換部５１７は、電流検出部５１６により検出された３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに対して、３相座標から回転座標への座標変換を行い、検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓを求める。そして、座標変換部５１７は、求めた検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓを、バンドストップフィルター５１８、および、重畳部５２のバンドパスフィルター５２３に出力する。

バンドストップフィルター５１８は、重畳された高調波の周波数帯の信号をカットする。これにより、バンドストップフィルター５１８は、検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓの高調波成分をカットして求めた基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆを減算器５１１に出力する。

重畳部５２は、減算器５２１と、共振制御部５２２と、バンドパスフィルター５２３とを備える。重畳部５２は、減算器５２１への高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*の入力に応じて、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を電力供給部５１の加算器５１３および磁石温度推定部５３に出力する。

バンドパスフィルター５２３は、高調波の周波数帯の信号のみを通す。これにより、バンドパスフィルター５２３は、座標変換部５１７から出力される検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓの基本波成分をカットして求めた高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃを減算器５２１に出力する。

減算器５２１には、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力されるとともに、バンドパスフィルター５２３からの高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃがフィードバック入力される。減算器５２１は、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*から高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃを減算し、その減算結果を共振制御部５２２に出力する。

共振制御部５２２は、減算器５２１からの出力がゼロに近づくように、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を生成する。そして、共振制御部５２２は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を、電力供給部５１の加算器５１３、及び、磁石温度推定部５３の温度推定部５３１に出力する。

なお、共振制御部５２２は、高調波電圧指令値の振幅や、高調波電圧指令値の出力間隔を任意に設定することができる。なお、ｑ軸成分の高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*は、モータ１の回転トルクの制御に用いられる。そのため、モータ１の回転トルクに影響を与えないように、共振制御部５２２は、ｑ軸成分の高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*としてゼロを出力し、ｄ軸成分の高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*のみを変化させて出力する。

本実施形態では、共振制御部５２２は、パルセイティング・ベクトル・インジェクション（Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式によって高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*を出力するものとする。具体的には、共振制御部５２２は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*に正負の符号を交互に付して出力する。このようにすることにより、モータ１への指令値として加算器５１３から出力される第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*においては、ｄ軸方向に高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*の進みと遅れとが交互に生じることになる。

磁石温度推定部５３には、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力されるとともに、重畳部５２の共振制御部５２２から高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*が入力される。なお、上述のように、ｑ軸成分の高調波電流指令値ｉｑｓｃ^*、及び、高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*はゼロである。磁石温度推定部５３は、高調波電圧指令値と高調波電流指令値とを用いて測定したインピーダンスに応じて、永久磁石２５の温度を推定する。

なお、磁石温度推定部５３は、重畳される高調波の周波数に応じた不図示のバンドパスフィルターを有しており、パルセイティング・ベクトル・インジェクション方式で印加された高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*の正または負のいずれかの値を抽出する。磁石温度推定部５３は、入力された高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*と、バンドパスフィルターを経た高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*とを用いて、高調波成分のインピーダンスＺｈを算出することができる。

ここで、高調波成分のインピーダンスＺｈの実部Ｒｄは、固定子１１の永久磁石２５の温度と相関関係があることが知られている。そのため、磁石温度推定部５３は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄと永久磁石２５の温度との相関関係を示すテーブルを予め記憶しておき、算出した高調波インピーダンスの実部Ｒｄと記憶している相関関係を示すテーブルとを用いて、永久磁石２５の温度を推定することができる。

ここで、図６を用いて、磁石温度推定部５３により測定される高調波インピーダンスの実部Ｒｄと、永久磁石２５の温度との相関関係について説明する。

図６は、磁石温度推定装置２にて磁石温度が推定される一般的なモータをモデル化した等価回路を示す図である。図６（ａ）にモータの構成が示されており、図６（ｂ）には図６（ａ）のモータと等価な磁束回路が示されている。この図におけるモータ１の回転子１２には、感温性磁性体２６は設けられていないものとする。

なお、この図においては、図５に示した電力変換部５１５から出力される３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗの高調波成分が高調波電圧Ｖｈとしてコイル２３に印加される。また、コイル２３に印加される電流の高調波成分が高調波電流Ｉｈとして示されている。この高調波電流Ｉｈは、図５の電流検出部５１６にて検出される３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの高調波成分である。

図６を参照すれば、コイル２３に磁石温度推定装置２（図６では不図示）から高調波電圧Ｖｈが印加されると、コイル２３と永久磁石２５との間で高調波成分を有する回転磁界が発生する。一方、永久磁石２５の表面においては、コイル２３により発生する回転磁界の高調波成分に応じて渦電流が発生する。そのため、永久磁石２５は、インダクタンス成分を有することになる。このようにして、モータ１が回転しているときには、固定子１１と回転子１２とにより磁束回路が構成されることになる。

ここで、コイル２３は、抵抗成分がＲｃであり、インダクタンス成分がＬｃであるものとする。

また、永久磁石２５は、抵抗成分がＲｍであり、インダクタンス成分がＬｍであるものとする。永久磁石２５の抵抗成分Ｒｍは、磁石温度Ｔｍに応じて変化するためＲｍ（Ｔｍ）と示すことができる。また、永久磁石２５のインダクタンス成分Ｌｍは、磁石温度Ｔｍ、および、高調波電流値Ｉｈに応じて変化するため、Ｌｍ（Ｔｍ，Ｉｈ）と示すことができる。

ここで、高調波電圧Ｖｈと高調波電流値Ｉｈとから、Ｚｈ＝Ｖｈ／Ｉｈの関係を用いて高調波インピーダンスＺｈを演算する。そのような場合には、高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄは、式（１）で表される。

ただし、Ｍは相互インダクタンス、ωは高調波電圧Ｖｈの角周波数である。なお、相互インダクタンスＭは、磁石温度Ｔｍ、および、高調波電流値Ｉｈに応じて変化するため、Ｍ（Ｔｍ，Ｉｈ）と示される。式（１）によれば、高調波インピーダンスの実部Ｒｄは、永久磁石２５の温度である磁石温度Ｔｍと、図７に示すような相関関係がある。

図７は、図６に示したような、回転子１２に感温性磁性体２６が設けられていないモータにおける、高調波インピーダンスの実部Ｒｄと磁石温度Ｔｍとの相関関係を示すグラフである。横軸は、磁石温度Ｔｍを示し、縦軸は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄを示している。図７には、磁石温度Ｔｍが増加すると高調波インピーダンスの実部Ｒｄが増加するような相関関係が示されている。そのため、磁石温度推定部５３は、求めた高調波インピーダンスの実部Ｒｄと、図７に示したような相関関係とを用いることにより、磁石温度Ｔｍを推定することができる。

次に、本実施形態のように、回転子１２が感温性磁性体２６を備えるモータについて説明する。感温性磁性体２６は、図４に示したように、自身の温度が上昇すると透磁率が低下する。また、感温性磁性体２６は、図２に示したように永久磁石２５と固定子１１のコイル２３との間に設けられている。そのため、永久磁石２５の温度が上昇して、感温性磁性体２６の温度が上昇すると、永久磁石２５と固定子１１のコイル２３との間の磁束が減少するので、永久磁石２５のインダクタンス成分のＬｍは小さくなる。したがって、式（１）により求められる、高調波インピーダンスの実部Ｒｄと磁石温度Ｔｍとの相関関係は、図８のようになる。

図８は、回転子１２に感温性磁性体２６が設けられている場合の高調波インピーダンスの実部Ｒｄと磁石温度Ｔｍとの相関関係を示す図である。横軸は、磁石温度Ｔｍを示し、縦軸は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄを示している。ここで、感温性磁性体２６が設けられている図８と、感温性磁性体２６が設けられていない図７とを比較すると、高調波インピーダンスの実部Ｒｄの単位温度あたりの変化量は、図８に示したような感温性磁性体２６が設けられている場合の方が大きい。これは、式（１）における第２項の分母に含まれる永久磁石２５のインダクタンス成分Ｌｍが、温度の上昇に伴って減少するためである。

したがって、図５の磁石温度推定部５３は、図８の相関関係を用いることにより、永久磁石２５の磁石温度Ｔｍを精度よく推定することができる。

第１実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、磁石温度推定装置２において、重畳部５２は、電力供給部５１からモータ１へ供給される基本波の電力に、高調波の電力を重畳させる。そして、磁石温度推定部５３は、高調波成分のインピーダンスＺｈを測定する。

ここで、高調波インピーダンスの実部Ｒｄは、式（１）に示したように、永久磁石２５の温度と相関関係があることが知られている。そのため、磁石温度推定部５３は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄを測定し、測定した高調波インピーダンスの実部Ｒｄと予め記憶している相関関係を示すテーブルとを用いることで、永久磁石２５の温度を推定することができる。

本実施形態においては、回転子１２が感温性磁性体２６を備えることにより、永久磁石２５と固定子１１のコイル２３との間の磁束量が、感温性磁性体２６の温度に応じて変化する。そのため、永久磁石２５のインダクタンス成分Ｌｍは、感温性磁性体２６の温度特性の影響を受けることになる。そのため、式（１）で示される高調波インピーダンスの実部Ｒｄは、図８に示したように単位温度あたりの変化量が大きくなるため、磁石温度推定部５３による永久磁石２５の磁石温度の推定精度を向上させることができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、感温性磁性体２６は、永久磁石２５と固定子１１のコイル２３との間に設けられている。そのため、感温性磁性体２６の温度が上昇して感温性磁性体２６の透磁率が小さくなると、永久磁石２５と固定子１１のコイル２３との間の磁束量が減少する。

ここで、モータ１の回転速度が速い場合には、固定子１１のコイル２３において永久磁石２５の磁束の交番が頻繁に行われることになるため、コイル２３にて発生する逆起電力が大きくなり過ぎてしまう。そこで、逆起電力を発生させる永久磁石２５の磁界の向きとは逆方向に磁界を発生させるために、固定子１１のコイル２３に弱め界磁電流を印加する必要がある。

しかしながら、モータ１の回転速度が速い場合には、回転子１２の温度が上昇するため、感温性磁性体２６の温度が上昇して透磁率が減少する。このように感温性磁性体２６の透磁率が減少することで、固定子１１のコイル２３にて交番する永久磁石２５の磁束が少なくなる。そのため、逆起電力が小さくなり、大電力の弱め界磁電力を印加しなくても、固定子１１のコイル２３における誘起電力が小さくなるため、固定子１１における発熱が抑制され、モータ１の運転効率を高めることができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、電力制御部５１０は、トルク指令値Ｔｒ^*と、磁石温度推定部５３により推定された永久磁石２５の推定温度Ｔｍとに応じて、モータ１への指令値である基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*を求める。電力制御部５１０におけるモータ１の指令値算出に永久磁石２５の推定温度Ｔｍを用いることにより、感温性磁性体２６の透磁率の変化に応じた弱め界磁電流を考慮してモータ１への指令値を求めることができるため、モータ１の運転効率を向上させることができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、感温性磁性体２６は、回転子１２に設けられた封入可能な流路などに封入されてもよい。このようにすることにより、感温性磁性体２６を隙間なく充填することができるため、固体の感温性磁性体２６と比較すると、磁束抵抗を発生させる空気層などが形成されるおそれを低減できる。そのため、磁気抵抗の増加を抑制することにより、モータ１の回転効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、感温性磁性体２６が永久磁石２５と回転子１２との間に設けられる例について説明したが、第２実施形態においては、感温性磁性体２６が回転子１２の他の場所に設けられる例について説明する。

図９は、第２実施形態のモータ１の一部の断面図である。

図９によれば、回転子１２に設けられた空間２４に永久磁石２５が挿入されている。そして、その空間２４のうちの、永久磁石２５の図３に示した径方向の面と固定子１１との間の空隙に、感温性磁性体２６が配置されている。このような、永久磁石２５の径方向の面と固定子１１との間の空隙は、永久磁石２５のＮ極の面からＳ極の面へと向かう磁束の短絡を防ぐために設けられている。感温性磁性体２６は、このような磁束の短絡を防ぐ空隙に設けられている。

第２実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第２実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、永久磁石２５の磁束の短絡を防ぐ空隙に設けられている。一般に、永久磁石２５は、極低温状態においては、発生させる磁束量が非常に多くなる。そのため、モータ１が極低温状態にて使用される場合においては、永久磁石２５と回転子１２のコイル２３との間の磁束量が非常に多くなってしまい、モータ１の回転に伴って固定子１１のコイル２３にて発生する励起電力が、設計上許容できる上限値を上回るおそれがある。

しかしながら、極低温状態においては、感温性磁性体２６の透磁率が大きくなり磁束を通しやすくなるため、永久磁石２５の磁束の一部が空隙にて短絡されることになる。したがって、永久磁石２５と固定子１１のコイル２３との間の磁束量が少なくなるため、発生する励起電力が小さくなり、モータ１を安全に駆動させることができる。

（第３実施形態）
第１及び第２実施形態においては、感温性磁性体２６が常に同じ場所にある例について説明したが、これに限らない。第３実施形態においては、感温性磁性体２６が回転子１２に設けられた流路を流れるヒートポンプが構成されている例について説明する。

図１０は、第３実施形態のモータ１の一部の上面図である。

本実施形態においては、感温性磁性体２６は流体であるものとする。そして、回転子１２には循環路１００１が構成されており、循環路１００１に、感温性磁性体２６が設けられている。また、永久磁石２５の表面においては、図３に示した径方向の固定子１１側の端面がモータ１の回転時に最も温度が高くなるものとする。なお、このようなモータ１の回転時における回転子１２内の温度分布は、設計によって求めることができる。

図１１は、感温性磁性体２６の循環を説明するための図である。この図に示された永久磁石２５の面ＮはＮ極の面であり、面ＳはＳ極の面である。永久磁石２５は、面Ｎから面Ｓに向かって磁束を発生させるものとする。

ここで、永久磁石２５の表面のうちのモータ１の運転時に最も温度が高くなる径方向の固定子１１側の端面の近傍の領域Ａにおいては、永久磁石２５により矢印で示すようなＮ極からＳ極へと向かう磁束が発生している。

ここで、モータ１の運転時において、循環路１００１の領域Ａに存在する感温性磁性体２６は、温度が高いため透磁率が低く、磁束の影響を受けやすい。そのため、領域Ａの感温性磁性体２６は、図にて矢印で示した永久磁石２５の磁束の方向に沿った力を受け、その方向に動くことになる。一方、循環路１００１の領域Ａ以外に存在する感温性磁性体２６は、温度が低いため透磁率が高く、磁束の影響を受けにくい。そのため、領域Ａ以外の感温性磁性体２６は、領域Ａの感温性磁性体２６と比較すると、永久磁石２５の磁束によって力を受けにくい。このようにして、領域Ａの感温性磁性体２６は永久磁石２５の磁束の方向に沿った力を受け、領域Ａ以外の感温性磁性体２６は永久磁石２５によって力を受けにくいため、感温性磁性体２６は循環路１００１を循環することになる。

なお、本実施形態の循環路１００１の形状は一例であって、他の形状であってもよい。例えば、循環路１００１は、永久磁石２５を回転子１２の軸方向に螺旋状に設けられてもよい。このような場合には、永久磁石２５の周方向端面がモータ１の回転時に最も温度が高くなるものとすれば、永久磁石２５の周方向端面の循環路１００１の複数の場所において、感温性磁性体２６に永久磁石２５の磁束方向の力が働くことになる。

第３実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第３実施形態の磁石温度推定システムによれば、回転子１２に形成された循環路１００１に感温性磁性体２６が設けられている。図１１に示したように、モータ１が運転中において永久磁石２５の表面のうちの温度が最も高くなる場所の近傍の領域Ａにおいては、循環路１００１は、永久磁石２５の磁束の向きに延在するように形成されている。

ここで、循環路１００１における温度が最も高い場所の近傍においては、感温性磁性体２６は温度が高く透磁率が低いため、永久磁石２５の磁束の方向に力を受ける。一方、循環路１００１における他の場所においては、温度が最も高い場所と比較すると、感温性磁性体２６は透磁率が高いため、永久磁石２５の磁束によって力を受けにくい。そのため、循環路１００１において、感温性磁性体２６は、永久磁石２５の温度が最も高くなる領域Ａにおいてのみ、永久磁石２５の磁束の向きに沿った力を受けることになる。

このような力を感温性磁性体２６が受けることにより、感温性磁性体２６が循環路１００１を循環するため、モータ１の運転時に最も温度が高くなる永久磁石２５の径方向の固定子１１側の面を冷却することができる。したがって、モータ１の回転時において永久磁石２５が高温になり磁束量が低下するのが抑制され、モータ１の運転効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 磁石温度推定システム
１ モータ
１１ 固定子
１２ 回転子
２ 磁石温度推定装置
２１ スロット
２２ ティース
２３ コイル
２４ 空間
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ 永久磁石
３１ 磁石部材
５１ 電力供給部
５１１ 減算器
５１２ 電流制御部
５１３ 加算器
５１４ 座標変換部
５１５ 電力変換部
５１６ 電流検出部
５１７ 座標変換部
５１８ バンドストップフィルター
５２ 重畳部
５２１ 減算器
５２２ 共振制御部
５２３ バンドパスフィルター
５３ 磁石温度推定部

Claims (8)

1. コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とからなるモータ、及び、前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置を有する、磁石温度推定システムであって、
   前記回転子は、
   前記永久磁石の近傍に設けられ、自身の温度に応じて透磁率が変化する感温性磁性体を、有し、
   前記磁石温度推定装置は、
   前記回転子を回転駆動させる駆動周波数の交流電力を前記コイルに印加する電力供給部と、
   前記駆動周波数とは周波数が異なる測定周波数の交流電力を前記駆動周波数の交流電力に重畳させる重畳部と、
   前記測定周波数の交流電力に基づいてインピーダンスを測定し、前記測定したインピーダンスに応じて前記永久磁石の温度を推定する温度推定部と、を有する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
2. 請求項１に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記感温性磁性体は、前記永久磁石により生じる磁束の経路に設けられる、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
3. 請求項１に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記回転子には、前記永久磁石の磁束の短絡を防ぐ空隙が設けられており、
   前記感温性磁性体は、前記空隙に設けられる、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記磁石温度推定装置は、前記温度推定部により推定された前記永久磁石の温度に応じて、前記電力供給部により前記コイルに印加される駆動周波数の交流電力を制御する電力制御部を、さらに有する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記感温性磁性体は、流体である、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
6. 請求項１に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記感温性磁性体は、流体であり、
   前記回転子は、前記永久磁石の周囲を前記感温性磁性体が循環する循環路を有し、
   前記循環路の一部は、前記モータが運転中において前記永久磁石の温度が最も高くなる場所の近傍に設けられ、かつ、前記永久磁石の磁束の向きに延在する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
7. コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とを有し、磁石温度推定装置によって、前記回転子を回転駆動させる駆動周波数とは周波数が異なる測定周波数の交流電力が重畳された前記駆動周波数の交流電力が印加され、前記測定周波数の交流電力に基づいて測定されるインピーダンスに応じて前記永久磁石の温度が推定されるモータであって、
   前記回転子は、
   前記永久磁石の近傍に設けられ、自身の温度に応じて透磁率が変化する感温性磁性体を、有する、
   ことを特徴とするモータ。
8. コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とにより構成され、前記回転子は、前記永久磁石の近傍に設けられ、自身の温度に応じて透磁率が変化する感温性磁性体を有するモータにおいて、前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定方法であって、
   前記回転子を回転駆動させる駆動周波数の交流電力を前記コイルに印加する電力供給ステップと、
   前記駆動周波数とは周波数が異なる測定周波数の交流電力を前記駆動周波数の交流電力に重畳させる重畳ステップと、
   前記測定周波数の交流電力に基づいてインピーダンスを測定し、前記測定したインピーダンスに応じて前記永久磁石の温度を推定する温度推定ステップと、を有する、
   ことを特徴とする磁石温度推定方法。

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