JP6793023B2

JP6793023B2 - 温度推定装置

Info

Publication number: JP6793023B2
Application number: JP2016235877A
Authority: JP
Inventors: 善久北条; 孝之小峯
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-12-05
Also published as: JP2018093642A

Description

本発明は電動機のロータの温度推定装置に関する。

永久磁石を用いた電動機は、温度が上昇すると永久磁石の磁束密度が減少してトルクが低下する。電動機が高温状態になると、トルクの低下により電動機が動かす機械装置の性能が低下するおそれがある。そのため、電動機のロータの温度を推定する装置を設けることがある。

例えば、特許文献１は、ロータの損失量と冷媒の温度とに基づいて電動機の磁石温度を推定する温度推定装置を開示する。

特開２０１４−９３８６７号公報

しかし、特許文献１の温度推定装置は、予めトルクおよび回転数を測定して、同じ量の損失量を実線で繋げたマップである損失量マップを用意する必要がある。したがって、電動機毎にトルクおよび回転数を変化させながら損失量を測定する必要があり、汎用性が高いとは言えなかった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、汎用性の高い電動機のロータの温度推定装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る温度推定装置は、トルク計によって検出された、駆動信号に従って動作する電動機の実際のトルクである出力トルクと、トルク演算器が、前記駆動信号と、前記電動機の位置検出信号と、ｄ軸インダクタンスと、ｑ軸インダクタンスと、基準温度における、永久磁石界磁によるｄ軸電機子巻線と鎖交する磁束に基づいて演算した、基準温度における前記電動機のトルクである演算トルクと、を取得して、前記出力トルクと演算トルクとの差分に基づいて、前記電動機のロータの温度を推定する。

また、好ましくは、前記電動機のロータの温度をτ、前記出力トルクをＴ_ｏｕｔ、前記演算トルクをＴ_ｒｅｆ、前記電動機で用いられる永久磁石の残留磁束密度温度係数をｋ、および前記基準温度をｔ_０として、

を演算することによって前記電動機のロータの温度を推定する。

本発明の実施形態に係る温度推定装置によれば汎用性を高めることができる。

本発明の実施形態に係る温度推定装置を用いた電動機の制御システムを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

（電動機の制御システム）
図１は、本実施形態に係る温度推定装置１１を用いた電動機１の制御システム２０の構成例を示す図である。制御システム２０は、例えば自動車用試験システムであるが、これに限らずトルク計が搭載されるあらゆる種類の電動機１の制御システムとして適用可能である。

制御システム２０は、電動機１と、電力変換器２と、負荷５と、トルク計６と、位置センサ７と、電流検出器８と、温度推定装置１１と、電流制御器１２と、トルク演算器１３と、を備える。

図１に示されるように、電動機１は直流交流変換する電力変換器２を用いて給電され、駆動される。本実施形態において電力変換器２は三相ＰＷＭインバータである。三相ＰＷＭインバータは公知の構成を用いることができる。また、電力変換器２は例えば系統と接続されて使用される。

電動機１の出力側には負荷５が接続される。電動機１と負荷５との間には、電動機１の実際のトルクを測定するためのトルク計６が設けられている。トルク計６は電動機１に接続されて、検出した電動機１の出力トルクＴ_ｏｕｔを温度推定装置１１に出力する。トルク計６は例えばフランジ型であってもよいが、これに限定されるものではない。

また、電動機１には位置センサ７が取り付けられている。位置センサ７は、ステータの基準に対してロータの回転位置（回転角θ_ｍ）を検出するものである。位置センサ７に用いられるものとして、例えばエンコーダやレゾルバなどがあるが、これに限定されるものではない。

また、電動機１と電力変換器２との間には電流検出器８が接続されている。電流検出器８は、電動機１から電力変換器２に流れる三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを検出する。

電流制御器１２は、電流指令（ｄ軸電流指令ｉ_ｄｒｅｆおよびｑ軸電流指令ｉ_ｑｒｅｆ）を取得して三相電圧指令ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗを出力する。また、電流制御器１２は、電流検出器８によって検出された三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗと、位置センサ７によって検出された回転角θ_ｍと、を取得する。ここで、三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗは電動機１の駆動信号の一例である。また、回転角θ_ｍは電動機１の位置検出信号の一例である。

電流制御器１２は、二相の電流に変換した三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗが電流指令に一致するように三相電圧指令ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗを生成する。電流制御器１２は、例えば電流指令と、三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗに基づく電流（ｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑ）と、を用いてＰＩ制御を行う。ここで、ｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑは、例えば三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを三相二相変換して得られるαβ軸系での電流ｉ_αおよびｉ_βを、更に回転角θ_ｍを用いて回転座標変換することで得られる。

トルク演算器１３は、d軸インダクタンスＬ_ｄと、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑと、鎖交磁束φ_２０と、を取得する。また、トルク演算器１３は、三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗと、回転角θ_ｍと、を取得する。トルク演算器１３は、温度推定装置１１に演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}を出力する。d軸インダクタンスＬ_ｄ、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑ、および鎖交磁束φ_２０は、電動機１で用いられる磁石の特性によって定まる。トルク演算器１３は、d軸インダクタンスＬ_ｄ、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑ、および鎖交磁束φ_２０を電動機１の特性を記憶した記憶部（例えば半導体メモリ、磁気メモリ等）から取得してもよい。演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}は下記の出力トルクの式（１）によって求められる。

ここで、ｐは電動機１で用いられる永久磁石の極対数である。鎖交磁束φ_２０は、基準温度（本実施形態においては２０℃）における、永久磁石界磁によるｄ軸電機子巻線と鎖交する磁束である。ｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑは、電流制御器１２についての説明で述べた通り、三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗおよび回転角θ_ｍを用いた演算で得られる。式（１）で用いられる係数のうち鎖交磁束φ_２０は温度依存性がある。つまり、２０℃でない温度における鎖交磁束φは、鎖交磁束φ_２０と異なる。一方、d軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑは、温度が変わっても変化しない。

別の実施例として、トルク演算器１３はトルクマップを用いて演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}を演算してもよい。制御システム２０は、電動機１の回転数およびトルク毎の最適なｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑをテーブル化したトルクマップを用いることがある。トルクマップは例えばシミュレーション結果等に基づいて作成される。トルク演算器１３は、上記の式（１）ではなく、三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗおよび回転角θ_ｍから得たｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑと、トルクマップと、を用いて演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}を演算してもよい。

温度推定装置１１は、出力トルクＴ_ｏｕｔと、演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}と、を取得する。また、温度推定装置１１は後述する残留磁束密度温度係数ｋを取得する。温度推定装置１１は、電動機１のロータの温度τを演算で求めて（推定して）、信号Ｗとして出力する。ここで、演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}は、基準温度（本実施形態においては２０℃）における電動機１のトルクの値である。電動機１の温度が２０℃よりも上昇すると、鎖交磁束φが式（１）で用いられた鎖交磁束φ_２０から変化するので、演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}より出力トルクＴ_ｏｕｔが小さくなる。温度推定装置１１は、トルク計６によって検出された出力トルクＴ_ｏｕｔと、演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}との差分に基づいて、電動機１のロータの温度τを演算で求めることができる。ここで、温度推定装置１１は、信号Ｗとして、演算で求めた温度τに代えて電動機１のロータの温度τが所定の温度（例えば１５０℃）を超えたことを示すアラート信号を出力してもよい。例えば、制御システム２０の動作全般を制御するメインコントローラ（図外）が、温度推定装置１１からの信号Ｗを取得してもよい。そして、メインコントローラは、電動機１のロータの温度τが所定の温度を超えたと判断する場合に、電動機１の出力トルクＴ_ｏｕｔを抑えるように電流指令を調整したり、保護のために電動機１を停止させたり、してもよい。

（温度の演算）
温度推定装置１１は、電動機１のロータの温度τを以下に説明する式を用いて演算することができる。電動機１で用いられる永久磁石は、温度特性の一つとして固有の残留磁束密度温度係数ｋ［％／Ｋ］を有する。本実施形態において基準温度は２０℃であるため、残留磁束密度温度係数ｋと、電動機１のロータの温度τと、出力トルクＴ_ｏｕｔと、演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}と、の間に下記の式（２）の関係が成り立つ。

式（２）の左辺は、電動機１のロータの温度τの２０℃からの上昇分（τ−２０）に残留磁束密度温度係数ｋを乗じて得られる磁束の変化率［％］を表す。一方、式（２）の右辺のように、磁束の変化率［％］は、２０℃のトルク（演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}）を基準とする出力トルクＴ_ｏｕｔの変化率としても得られる。よって式（２）が成り立つ。また、式（２）を変形することで下記の式（３）が得られる。

温度推定装置１１は、式（３）で得られた電動機１のロータの温度τ（または温度τに基づく信号）を信号Ｗとして出力する。例えば、電動機１にネオジム磁石が用いられるとする。ネオジム磁石の残留磁束密度温度係数ｋは、一例として−０．１［％／Ｋ］である。また、温度推定装置１１は、演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}＝８０［Ｎｍ］、出力トルクＴ_ｏｕｔ＝６８［Ｎｍ］を取得したとする。このとき、温度推定装置１１は、式（３）を用いて演算することによって、電動機１のロータの温度τが１７０℃であると推定する。そして、温度推定装置１１は、温度τが１７０℃であることを示す信号Ｗを出力する。別の例として、温度推定装置１１は、温度τが所定の温度（例えば１５０℃）を超えたことを示す信号Ｗを出力する。このとき、信号Ｗを取得したメインコントローラは、電動機１の出力トルクＴ_ｏｕｔを抑えるように電流指令を調整してもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係る温度推定装置１１は、トルク計６によって検出された、駆動信号（三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）に従って動作する電動機１の実際のトルクである出力トルクＴ_ｏｕｔを取得する。また、温度推定装置１１は、トルク演算器１３が少なくとも駆動信号（三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）と電動機１の位置検出信号（回転角θ_ｍ）とに基づいて演算した、基準温度における電動機１のトルクである演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}を取得する。温度推定装置１１は、出力トルクＴ_ｏｕｔと演算トルクＴ_{ｒｅｆ２０}との差分に基づいて、電動機１の温度を推定する。この温度の推定には、上記の式（３）が用いられる。

本実施形態に係る温度推定装置１１は、例えば損失量マップを作成するために予めトルクおよび回転数を測定する必要はない。そのため、特段の準備（損失量マップの作成等）をすることなく、様々な用途の電動機１の制御システム２０に適用可能である。つまり、本実施形態に係る温度推定装置１１は汎用性が高い。

本発明を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

上記の実施形態において、基準温度は２０℃であったが、他の温度を基準温度にしてもよい。このとき、基準温度における演算トルクをＴ_ｒｅｆ、基準温度をｔ_０として、温度推定装置１１は、以下の式（４）によって電動機１のロータの温度τを演算（推定）できる。

１電動機
２電力変換器
５負荷
６トルク計
７位置センサ
８電流検出器
１１温度推定装置
１２電流制御器
１３トルク演算器
２０制御システム

Claims

トルク計によって検出された、駆動信号に従って動作する電動機の実際のトルクである出力トルクと、
トルク演算器が、前記駆動信号と、前記電動機の位置検出信号と、ｄ軸インダクタンスと、ｑ軸インダクタンスと、基準温度における、永久磁石界磁によるｄ軸電機子巻線と鎖交する磁束に基づいて演算した、基準温度における前記電動機のトルクである演算トルクと、を取得して、
前記出力トルクと演算トルクとの差分に基づいて、前記電動機のロータの温度を推定する、温度推定装置。
前記電動機のロータの温度をτ、前記出力トルクをＴ_ｏｕｔ、前記演算トルクをＴ_ｒｅｆ、前記電動機で用いられる永久磁石の残留磁束密度温度係数をｋ、および前記基準温度をｔ_０として、

を演算することによって前記電動機のロータの温度を推定する、請求項１に記載の温度推定装置。