JP7202868B2

JP7202868B2 - モータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置

Info

Publication number: JP7202868B2
Application number: JP2018230519A
Authority: JP
Inventors: 佳佑西川; 大介坂藤
Original assignee: Nissei Corp
Current assignee: Nissei Corp
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2038-12-10
Also published as: JP2020096397A

Description

本発明は、モータコイル温度推定方法及びモータ駆動装置に関するものである。

モータの発熱は、モータの損失に比例する関係にある。一方、モータの温度上昇は、放熱の影響を受けるため、発熱に対して一次遅れ関数の関係にある。特許文献１には、モータの損失として電流の自乗値を使用し、２つの一次遅れ関数を使用してモータのコイル温度を推定する方法が開示されている。

特開２００５－２０４３５８号公報

しかしながら、特許文献１の温度推定方法には、推定の精度に課題が残る。特許文献１の図３には、モータのコイル温度の実測値と推定値との比較が示されているが、実測値と推定値とは若干のずれが有り、時間の経過とともにずれ幅が大きくなっている。実際に本発明者らが従来技術の方法を用いて検証したところ、実測値と推定値とがずれてしまうという結果を得た。また、特許文献１には、そもそも一次遅れ関数を２つ使用した理由についての説明がされていない。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、モータコイルの温度をより精度良く推定することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１記載のモータコイル温度推定方法は、所定のタイミングにおけるモータのモータコイルの推定飽和温度と前記所定のタイミングにおける前記モータコイルの温度との差分を第１の一次遅れ関数に入力し、前記第１の一次遅れ関数の出力を第２の一次遅れ関数に入力し、前記第２の一次遅れ関数の出力を第３の一次遅れ関数に入力し、前記第１の一次遅れ関数の出力と、前記第２の一次遅れ関数の出力と、前記第３の一次遅れ関数の出力との加算値を、前記モータコイルの前記所定のタイミングにおける単位時間あたりの温度変化値とすることを特徴とするものである。

また、請求項２記載のモータコイル温度推定方法は、請求項１に記載のモータコイル温度推定方法であって、更に、前記推定飽和温度は、前記所定のタイミングにおける前記モータコイルに流れる電流値及び前記モータの回転速度に基づいて算出されることを特徴とするものである。

また、請求項３記載のモータコイル温度推定方法は、請求項１または２に記載のモータコイル温度推定方法であって、更に、前記モータは、前記モータコイルが巻回されたモータコアと、前記モータコアの外周に設けられ前記モータコアとは異なる素材で形成されたモータケースとを備えていることを特徴とするものである。

また、請求項４記載のモータコイル温度推定方法は、請求項１から３のいずれか１項に記載のモータコイル温度推定方法であって、更に、前記モータの時間定格は、短時間定格または反復定格であることを特徴とするものである。

また、請求項５記載のモータ駆動装置は、所定のタイミングにおけるモータのモータコイルの推定飽和温度と前記所定のタイミングにおける前記モータコイルの温度との差分を入力とする第１の一次遅れ関数手段と、前記第１の一次遅れ関数手段の出力を入力とする第２の一次遅れ関数手段と、前記第２の一次遅れ関数手段の出力を入力とする第３の一次遅れ関数手段と、前記第１の一次遅れ関数手段の出力、前記第２の一次遅れ関数手段の出力、及び前記第３の一次遅れ関数手段の出力を加算する加算手段とを備え、前記加算手段の出力値を前記モータコイルの前記所定のタイミングにおける単位時間あたりの温度変化値と推定することを特徴とするものである。

また、請求項６記載のモータ駆動装置は、請求項５に記載のモータ駆動装置であって、更に、前記推定飽和温度は、前記所定のタイミングにおける前記モータコイルに流れる電流値及び前記モータの回転速度に基づいて算出されることを特徴とするものである。

また、請求項７記載のモータ駆動装置は、請求項５または６に記載のモータ駆動装置であって、更に、前記モータは、前記モータコイルが巻回されたモータコアと、前記モータコアの外周に設けられ前記モータコアとは異なる素材で形成されたモータケースとを備えていることを特徴とするものである。

また、請求項８記載のモータ駆動装置は、請求項５から７のいずれか１項に記載のモータ駆動装置であって、更に、前記モータの時間定格は、短時間定格または反復定格であることを特徴とするものである。

請求項１記載のモータコイル温度推定方法によれば、モータコイルの温度を精度良く推定することができる。

また、請求項２記載のモータコイル温度推定方法によれば、推定飽和温度を電流値と回転速度によって求めることで、モータコイルの温度をより正確に推定することができる。

また、請求項３記載のモータコイル温度推定方法によれば、モータコアとは別素材のモータケースで構成されたモータにおいて、モータコアとモータケースとの熱伝導の影響を考慮できるため、モータコイルの温度推定の精度をより向上させることができる。

また、請求項４記載のモータコイル温度推定方法によれば、短時間定格または反復定格のモータにおいては駆動時間の決定のために温度を正確に推定することがより重要であるが、温度推定の精度が向上することにより、より正確に駆動時間を決定することができる。

また、請求項５記載のモータ駆動装置によれば、モータコイルの温度を精度良く推定することができる。

また、請求項６記載のモータ駆動装置によれば、推定飽和温度を電流値と回転速度によって求めることで、モータコイルの温度をより正確に推定することができる。

また、請求項７記載のモータ駆動装置によれば、モータコアとは別素材のモータケースで構成されたモータにおいて、モータコアとモータケースとの熱伝導の影響を考慮できるため、モータコイルの温度推定の精度をより向上させることができる。

また、請求項８記載のモータ駆動装置によれば、短時間定格または反復定格のモータにおいては駆動時間の決定のために温度を正確に推定することがより重要であるが、温度推定の精度が向上することにより、より正確に駆動時間を決定することができる。

モータ駆動装置の構成を示す図である。本実施形態に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。本実施形態に係るモータの熱伝達経路を示すイメージ図である。本実施形態の温度推定方法による試験結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるモータ駆動装置１の構成を示す図である。モータ駆動装置１は、インバータ部２、電流信号入力部３、回転速度信号入力部４、及び制御部５を有する。

インバータ部２には直流電源６から直流電力が供給され、インバータ部２において可変周波数の三相交流に変換されてモータ７に供給される。インバータ部２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には、それぞれ電流センサ８が配置されている。

電流センサ８で検出された信号は、電流信号入力部３に入力される。具体的には、電流センサ８はシャント抵抗器等であり、電流信号入力部３はシャント抵抗器における電圧降下を検出し、値を増幅して制御部５に入力する。

モータ７は、ロータの磁極の位置を検出するホールセンサ９を備えている。回転速度信号入力部４は、ホールセンサ９の信号を受信し、制御部５で処理可能な形式に変換した上で制御部５に入力する。

制御部５は、制御部５の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）５０を備え、ＣＰＵ５０には、バスを介して、ＲＯＭ５１、ＲＡＭ５２、及びタイマ５３が接続されている。

ＲＯＭ５１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM（登録商標））、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、モータ駆動装置１の運転プログラム５１ａと、本実施の形態に係る温度推定プログラム５１ｂとを記憶している。また、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係る温度推定プログラム５１ｂを取得し、ＲＯＭ５１に記憶させることにしてもよい。

ＲＡＭ５２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM)、ＳＲＡＭ(Static RAM）等のメモリであり、ＣＰＵ５０の演算処理を実行する際にＲＯＭ５１から読み出された運転プログラム５１ａ、温度推定プログラム５１ｂ、及びＣＰＵ５０の演算処理によって生ずる各種データを一時記憶する。タイマ５３は、前回の温度推定からの経過時間を計時する。

制御部５はモータ駆動装置１の各構成部に接続されており、制御部５は各構成部の動作を制御する。なお、制御部５と各構成部との接続は、本実施の形態の説明において必要な部分のみ示している。

以上のように構成されたモータ駆動装置１においては、ＣＰＵ５０が運転プログラム５１ａを読み出して、運転プログラム５１ａに基づいたスイッチング信号を生成し、インバータ部２に入力することで、モータ７が駆動される。尚、本実施形態におけるモータ７は、国際標準規格ＩＥＣ６００３４－１（回転電気機械―第１部：定格及び性能）で定義された短時間使用定格もしくは反復使用定格である。

図２は本発明の実施形態であるモータコイルの温度推定に関するモータ駆動装置１の制御ブロック図である。電流信号入力部３から入力された電流値Ｉ及び回転速度信号入力部４から入力された回転速度Ｎを基に、ＣＰＵ５０は、タイマ５３によって計測される所定の単位時間毎にモータコイルの温度を推定する。

モータの発熱に繋がる損失のうち、大きな割合を占めるのは銅線内の損失（銅損）と鉄心内の損失（鉄損）である。銅損はコイルに流れる電流Ｉの自乗値に比例する。鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損からなるもので、大きさは回転速度Ｎ（周波数）と電圧（磁束密度）の関数である。より詳細に説明すると、ヒステリシス損は周波数に比例し、渦電流損は周波数の自乗値に比例する。つまり鉄損は、モータの駆動電圧を固定値とすると回転速度Ｎに依存する関数で表される。モータコイルの飽和温度は、損失に比例するため、下記式（１）によって求められる。
ｆ（Ｉ，Ｎ）＝Ｉ^２・Ａ＋Ｎ・Ｂ …（１）
ここで、Ａ及びＢは定数であり、モータの形状や放熱性等を考慮し、事前に実験等により定められる。

式（１）によって算出されるモータコイルの推定飽和温度と、現在のモータコイルの温度Ｔとの差は、第１の一次遅れ関数部１１（関数＝（Ｋ_１／（１＋Ｔ_１・ｓ））に入力される。更に、第１の一次遅れ関数部１１の出力は第２の一次遅れ関数部１２（関数＝（Ｋ_２／（１＋Ｔ_２・ｓ））に入力される。また更に、第２の一次遅れ関数部１２の出力は第３の一次遅れ関数部１３（関数＝（Ｋ_３／（１＋Ｔ_３・ｓ））に入力される。これらゲインＫ_１，Ｋ_２，Ｋ_３および一次遅れ時定数Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３の値は、モータの形状や放熱性等を考慮し、事前に実験等により定められる。

次に、第１の一次遅れ関数部１１の出力値と、第２の一次遅れ関数部１２の出力値と、第３の一次遅れ関数部１３の出力値とが、加算部１４及び加算部１５に入力されて加算され、温度変化値ΔＴとして出力される。このΔＴを、現在のモータコイルの推定温度Ｔに加算することで、所定の単位時間（例えば１秒）経過後のモータコイルの温度を推定することができる。

図３は、本実施形態に係るモータの熱伝達経路を示すイメージ図である。モータコイル１６で発生した熱はモータコア１７（電磁鋼板）を介してモータケース１８へと伝達し、大気中に放熱される。ここで、モータコイル１６からモータコア１７への放熱が、１つ目の一次遅れに影響し、モータコア１７からモータケース１８への放熱が、２つ目の一次遅れに影響し、モータケース１８から大気中への放熱が、３つ目の一次遅れに影響している。尚、本実施形態におけるモータケース１８はアルミ製である。

図４は、本実施形態の温度推定方法によってモータコイル１６の温度推定を行った試験結果のグラフであり、横軸はモータ７の駆動開始からの駆動時間であり、縦軸はモータコイル１６の温度上昇値である。Ｎｏ．１の実線が、熱電対により測定したモータコイル１６の温度上昇の実測値である。Ｎｏ．２の点線が、本実施形態の温度推定方法による推定値である。尚、比較のためにＮｏ．３の点線は、特許文献１に記載された従来の方法（一次遅れ関数を２個使用）による推定値である。

図４に示されるように、本実施形態の温度推定方法によれば、実測値とほぼ等しい推定値が得られた。それと比較して従来の方法では誤差があり、特に駆動時間１０分から３０分付近の間で、略５℃の誤差が確認された。

このように、上記形態のモータ駆動装置１によれば、モータコイル１６の温度を精度良く推定することができる。

また、推定飽和温度を電流値と回転速度とによって求めることで、モータコイル１６の温度をより正確に推定することができる。

また、モータコア１７（電磁鋼板）とは異なる材質であるアルミ製のモータケース１８で構成されたモータであっても、モータコア１７とモータケース１８との熱伝導の影響を考慮できるため、モータコイル１６の温度推定の精度をより向上させることができる。

また、短時間定格または反復定格のモータにおいては、温度を正確に推定することがより重要であるが、上記形態のモータ駆動装置１によれば、より正確に駆動時間を決定することができる。

尚、本実施形態においては、ロータの磁極の位置を検出するホールセンサ９を備えているが、ホールセンサの代わりに光学式や磁気式等のエンコーダを備えていても良い。また、本実施形態においてはモータ駆動装置１には直流電源６から直流電力が供給されているが、交流電源から供給された交流電力をモータ駆動装置１内で整流し、インバータ部２において可変周波数の三相交流に変換するように構成されていても良い。

［本発明と実施形態との構成の対応関係］
本実施形態の一次遅れ関数は、本発明の一次遅れ関数手段の一例である。

１モータ駆動装置
２インバータ部
５制御部
７モータ
１１，１２，１３一次遅れ関数部
１６モータコイル
１７モータコア
１８モータケース

Claims

所定のタイミングにおけるモータのモータコイルの推定飽和温度と前記所定のタイミングにおける前記モータコイルの温度との差分を第１の一次遅れ関数に入力し、前記第１の一次遅れ関数の出力を第２の一次遅れ関数に入力し、前記第２の一次遅れ関数の出力を第３の一次遅れ関数に入力し、前記第１の一次遅れ関数の出力と、前記第２の一次遅れ関数の出力と、前記第３の一次遅れ関数の出力との加算値を、前記モータコイルの前記所定のタイミングにおける単位時間あたりの温度変化値とすることを特徴とするモータコイル温度推定方法。
前記推定飽和温度は、前記所定のタイミングにおける前記モータコイルに流れる電流値及び前記モータの回転速度に基づいて算出される
ことを特徴とする請求項１に記載のモータコイル温度推定方法。
前記モータは、前記モータコイルが巻回されたモータコアと、前記モータコアの外周に設けられ前記モータコアとは異なる素材で形成されたモータケースとを備えている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータコイル温度推定方法。
前記モータの時間定格は、短時間定格または反復定格である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモータコイル温度推定方法。
所定のタイミングにおけるモータのモータコイルの推定飽和温度と前記所定のタイミングにおける前記モータコイルの温度との差分を入力とする第１の一次遅れ関数手段と、前記第１の一次遅れ関数手段の出力を入力とする第２の一次遅れ関数手段と、前記第２の一次遅れ関数手段の出力を入力とする第３の一次遅れ関数手段と、前記第１の一次遅れ関数手段の出力、前記第２の一次遅れ関数手段の出力、及び前記第３の一次遅れ関数手段の出力を加算する加算手段とを備え、前記加算手段の出力値を前記モータコイルの前記所定のタイミングにおける単位時間あたりの温度変化値と推定することを特徴とするモータ駆動装置。
前記推定飽和温度は、前記所定のタイミングにおける前記モータコイルに流れる電流値及び前記モータの回転速度に基づいて算出される
ことを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。
前記モータは、前記モータコイルが巻回されたモータコアと、前記モータコアの外周に設けられ前記モータコアとは異なる素材で形成されたモータケースとを備えている
ことを特徴とする請求項５または６に記載のモータ駆動装置。
前記モータの時間定格は、短時間定格または反復定格である
ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。