JP7492022B2 - 電動機のモデルのパラメータを設定するパラメータ設定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機のモデルのパラメータを設定するパラメータ設定装置に関する。

一般的に、電動機は駆動することにより温度が上昇することが知られている。電動機の温度が高くなり過ぎると、電動機が正確に作動しなかったり、構成部材が損傷したりする場合が有る。

電動機を駆動した時の実際の温度は、構成部材に取り付けた温度検出器により検出することができる。または、従来の技術においては、機械の温度を推定するシミュレーション装置が知られている。作業者は、機械のＣＡＤ（Computer Aided Design）モデルを生成し、構成部材に対して材料の特性または熱移動の特性等を設定する。そして、装置の微小な領域毎に計算を行う有限要素法等の計算により、それぞれの構成部材の温度を推定することができる（例えば、特開２０２０－１２６５４号公報を参照）。

ところが、構成部材の材料の特性および熱移動の特性は、構成部材の表面の特性等に依存する。このために、作業者が正確な値を入力することが難しいという問題がある。また、十分な精度にて温度を予測することは難しいという問題がある。また、有限要素法では、温度を推定する精度を向上するために構成部材を分割する領域を小さくすることができる。しかしながら、構成部材を分割する領域を小さくすると、熱移動を計算するための計算量が多くなる。

機械の温度を推定するために、構成部材の熱容量および構成部材同士の間の熱伝達を考慮した熱モデルを使用する方法が知られている（例えば、特開２０１４－３６４７５号公報、特開２０１６－５５６５７号公報、および特表２０１８－５２７０１９号公報）。熱モデルでは、それぞれの構成部材同士の間に熱伝達係数または熱抵抗を設定して、構成部材同士の間の熱伝達を計算することにより、それぞれの構成部材の温度を算出することができる。

電動機においても、ステータコア、コイル、およびロータコアなどを含む熱モデルを用いて、電動機を駆動した時の温度を推定する装置が知られている（例えば、特開２００８－１０９８１６号公報）。

特開２０２０－１２６５４号公報 特開２０１４－３６４７５号公報 特開２０１６－５５６５７号公報 特表２０１８－５２７０１９号公報 特開２００８－１０９８１６号公報

電動機が駆動すると、ステータコア、ステータコアに固定されたコイル、軸受などで発熱する。これらのうち、ステータコアに巻回された巻線により構成されるコイルの温度が最も高くなる場合が有る。電動機の温度を検出するための温度検出器は、例えば、コイルの温度を検出するように配置されることができる。

電動機の制御装置は、温度検出器にて出力される温度が温度判定値を超えると、電動機にオーバーヒートが生じていると判定することができる。この場合に、電動機の運転状態を維持することはできなくなる。制御装置は、電動機を停止したり、電動機の回転速度を低下させたりする制御を実施する。

電動機を含む機械では、所望の運転パターンにて機械を駆動したシミュレーションを実施して、運転パターンが許容されるか否かを推定できることが好ましい。運転パターンに応じて電動機の温度の変化を推定することにより、電動機の運転状態を判定することができる。または、作業者は、電動機の温度が過温になる場合には、機械の運転パターンを変更することができる。作業者は、電動機にオーバーヒートが生じないように機械の運転パターンを生成することができる。このように、作業者は、実際に機械を駆動しなくても、電動機が正常に運転できるか否かを判定できることが好ましい。

本開示の態様のパラメータ設定装置は、電動機を構成する１つの構成部分の温度を検出する温度検出器の温度を推定するための電動機のモデルに含まれるパラメータを設定する。パラメータ設定装置は、電動機を実際に駆動して生成される電動機の動作指令と、温度検出器から出力される温度とを取得する状態取得部を備える。パラメータ設定装置は、電動機のモデルにより算出される温度検出器のモデルの温度の変化が実際の温度の変化に対応するようにパラメータを算出するパラメータ算出部を備える。電動機のモデルは、電動機の構成部分のモデルとして、ロータのモデルと、ステータコアのモデルと、コイルのモデルと、温度検出器のモデルとを含む。温度検出器のモデルは、電動機のモデルに１個のみが定められている。パラメータは、構成部分のモデルに設定される熱容量と、構成部分のモデル同士の間の熱伝達に関する係数とを含む。パラメータ算出部は、動作指令に基づいて、コイルの一次銅損による発熱量およびステータコアの鉄損による発熱量を算出する損失算出部を含む。パラメータ算出部は、コイルの発熱量およびステータコアの発熱量に基づいて、電動機のモデルを用いて温度検出器のモデルの温度を推定する温度算出部を含む。パラメータ算出部は、温度検出器のモデルの温度を状態取得部により取得された温度検出器の温度と比較することにより、温度検出器のモデルの温度を評価する評価部を含む。パラメータ算出部は、評価部の評価結果に基づいてパラメータの値を変更するパラメータ変更部を含む。評価部は、温度検出器のモデルの温度以外の変数を評価せずに、温度検出器のモデルの温度を評価する。パラメータ算出部は、複数の熱容量および複数の熱伝達に関する係数のうち一部のパラメータを、実際の熱容量または実際の熱伝達に関する係数と異なる値に設定し、一部のパラメータ以外の他のパラメータを、実際の熱容量または実際の熱伝達に関する係数に対応する値に設定する。

本開示の態様によれば、電動機の構成部材の温度を推定するための電動機のモデルのパラメータを設定するパラメータ設定装置を提供することができる。

実施の形態における機械および温度推定装置のブロック図である。 実施の形態における第１の電動機の概略断面図である。 実施の形態における第１の電動機のモデルである。 電動機のモデルにおけるパラメータを設定する時の電動機の第１の運転パターンを説明するグラフである。 電動機のモデルにおけるパラメータを設定する時の電動機の第２の運転パターンを説明するグラフである。 実施の形態における第２の電動機のモデルである。 第２の電動機に流れる電流を説明する第１のグラフである。 第２の電動機に流れる電流を説明する第２のグラフである。 パラメータ設定部にて設定したパラメータを用いたシミュレーションの結果のグラフである。 ロータの温度と鉄損を補正するための係数との関係を示すグラフである。 コイルの温度と一次抵抗との関係を示すグラフである。 構成部分同士の間の温度差と熱伝達に関する係数を補正するための定数との関係を示すグラフである。 構成部分の温度と熱容量を補正するための定数との関係を示すグラフである。

図１から図１３を参照して、実施の形態における温度推定装置に使用される電動機のモデルのパラメータを設定するパラメータ設定装置について説明する。電動機が駆動すると、電動機を構成する構成部分の温度が上昇する。本実施の形態の温度推定装置は、電動機に含まれる１つの構成部分に取り付けられた温度検出器が出力する温度を推定する。本実施の形態では、電動機の１つの構成部分であるステータのコイルの温度を検出する温度検出器が出力する温度を推定する例を説明する。この場合に、温度検出器は、ステータコアに固定されたコイルに取り付けられる。

温度推定装置は、電動機のモデルを用いて温度検出器の温度を推定する。本実施の形態の電動機のモデルは、構成部分同士の熱の移動を表現した熱モデルである。本実施の形態のパラメータ設定装置は、電動機のモデルにおける構成部分の熱容量および構成部分同士の間の熱伝達に関する係数等のパラメータを設定する。熱伝達に関する係数としては、熱伝達係数または熱伝達係数に構成部分同士の接触面積を乗じた係数等を採用することができる。

図１は、本実施の形態における機械と、電動機の温度検出器から出力される温度を推定する温度推定装置とのブロック図である。本実施の形態の機械１は、機械１の構成部材を駆動する電動機１０と、電動機１０を制御する制御装置４１とを備える。本実施の形態の制御装置４１は、演算処理装置（コンピュータ）にて構成されている。制御装置４１は、プロセッサとしてのＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。制御装置４１は、ＣＰＵにバスを介して接続されたＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する。

本実施の形態の機械１は、数値制御式の機械である。機械１は、動作プログラム４５に記載された指令文に基づいて駆動する。動作プログラム４５は、作業者にて予め生成されている。制御装置４１は、動作プログラム４５を記憶する記憶部４２と、動作プログラム４５に基づいて電動機１０の動作指令を生成する動作制御部４３とを含む。機械１は、動作制御部４３にて生成された動作指令に基づいて電動機１０に電気を供給する電気回路を含む駆動装置４４を含む。駆動装置４４が電気を供給することにより、電動機１０が駆動する。

記憶部４２は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはハードディスク等の情報を記憶することができる非一時的な記憶媒体にて構成されることができる。動作制御部４３は、動作プログラム４５に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４５を読み込んで、動作プログラム４５に定められた制御を実施することにより、動作制御部４３として機能する。

このような機械１としては、電動機１０を備える任意の機械を採用することができる。例えば、機械１としては、ワークを加工する工作機械を例示することができる。電動機１０としては、工具またはワークを回転させる主軸モータ、または、テーブルまたは主軸ヘッドを予め定められた座標軸に沿って移動するための送り軸モータを例示することができる。

図２は、本実施の形態の第１の電動機の断面図である。図１および図２を参照して、第１の電動機１０は、ロータ１１が磁石１８を有する同期電動機である。電動機１０は、ロータ１１と、ステータ１２とを備える。ステータ１２は、磁性を有する材質にて形成されたステータコア２０と、ステータコア２０に固定されたコイル１６とを含む。ステータコア２０は、例えば、軸方向に積層された複数の磁性鋼板にて形成されている。コイル１６は、例えば、ステータコア２０に巻回された巻線と巻線を固定する樹脂部とを含む。

ロータ１１は、棒状に形成されたシャフト１３に固定されている。ロータ１１は、シャフト１３の外周面に固定され、磁性を有する材質にて形成されたロータコア１７と、ロータコア１７に固定された複数の磁石１８とを含む。本実施の形態の磁石１８は、永久磁石である。

シャフト１３は、回転力を伝達するために他の部材に連結される。シャフト１３は、回転軸ＲＡの周りに回転する。本実施の形態の軸方向とは、シャフト１３の回転軸ＲＡが延びる方向を示す。本実施の形態では、電動機１０において、シャフト１３が他の部材に連結される側を前側と称する。また、前側と反対側を後側と称する。図２に示す例では、矢印８１が電動機１０の前側を示す。

電動機１０は、筐体として、前側のハウジング２１および後側のハウジング２２を含む。ロータ１１は、筐体の内部に配置されている。ステータ１２のステータコア２０は、ハウジング２１，２２に支持されている。ハウジング２１は、ベアリング１４を支持している。ハウジング２２には、ベアリング１５を支持するベアリング支持部材２６が固定されている。ハウジング２１，２２は、ベアリング１４，１５を介してシャフト１３を回転可能に支持する。ハウジング２２の後側の端部には、ハウジング２２の内部の空間を閉止するリヤカバー２３が固定されている。このように、電動機１０の構成部分としては、ロータ１１、ロータコア１７、磁石１８、ステータ１２、ステータコア２０、コイル１６、ハウジング２１，２２、シャフト１３、リヤカバー２３、ベアリング支持部材２６、ベアリング１４，１５、温度検出器３１、および回転位置検出器３２などを例示することができる。電動機１０の構成部分としては、この形態に限られず、電動機１０を構成する任意の部分を採用することができる。例えば、ステータを覆うケースを採用しても構わない。

シャフト１３の後側の端部には、シャフト１３の回転位置または回転速度を検出するための回転位置検出器３２が配置されている。本実施の形態の回転位置検出器３２は、エンコーダにて構成されている。ステータ１２のコイル１６には、コイル１６の温度を検出する温度検出器３１が固定されている。本実施の形態の温度検出器３１は、サーミスタにより構成されている。温度検出器３１および回転位置検出器３２の出力は、制御装置４１に入力される。

制御装置４１は、温度検出器３１にて検出される温度が予め定められた温度判定値よりも高い場合に、電動機１０にオーバーヒートが生じていると判定することができる。この場合に、制御装置４１は、電動機１０に供給する電流値を低下させたり、電動機１０を停止したりすることができる。また、制御装置４１は、回転位置検出器３２の出力に基づいてフィードバック制御を実施することができる。例えば、電動機１０のシャフト１３の回転位置を制御する位置フィードバック制御またはシャフト１３の回転速度を制御する速度フィードバック制御を実施することができる。

本実施の形態の温度推定装置２は、ステータ１２のコイル１６に配置された温度検出器３１が出力する温度を推定する。特に、本実施の形態では、温度推定装置２は、温度検出器３１の温度を推定する。また、温度推定装置２は、時間の経過に対する温度検出器３１の温度の変化を推定する。

温度推定装置２は、プロセッサとしてのＣＰＵを含む演算処理装置（コンピュータ）にて構成されている。温度推定装置２は、電動機１０の温度の推定に関する情報を記憶する記憶部５１を含む。記憶部５１は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはハードディスク等の情報を記憶することができる非一時的な記憶媒体にて構成されることができる。温度推定装置２は、電動機１０の温度に関する情報を表示する表示部５２を含む。表示部５２は、液晶表示パネル等の任意の表示パネルにて構成されることができる。

温度推定装置２は、温度検出器３１の温度を推定する推定部５３を含む。推定部５３は、電動機のモデル（熱モデル）に従って計算を行うことにより、温度検出器３１の温度を推定する。推定部５３は、電動機１０の動作指令に基づいて、コイル１６の一次銅損による発熱量およびステータコア２０の鉄損による発熱量を算出する損失算出部５４を含む。推定部５３は、電動機のモデルにて温度検出器３１の温度を算出する温度算出部５５を含む。温度算出部５５は、一次銅損および鉄損による発熱量、それぞれの構成部分のモデルの熱容量、および構成部分のモデル同士の間の熱伝達に関する係数に基づいて、温度検出器３１の温度を算出する。

本実施の形態における温度推定装置２は、電動機のモデルに含まれるパラメータを設定するパラメータ設定装置の機能を有する。温度推定装置２のパラメータ設定部６１は、パラメータ設定装置として機能する。パラメータ設定部６１は、電動機１０の構成部分における熱容量および構成部分同士の間の熱伝達に関する係数を含むパラメータを設定する。

パラメータ設定部６１は、実際に電動機１０を駆動したときの電動機１０の状態を取得する状態取得部６２を含む。状態取得部６２は、電動機１０を実際に駆動して生成される電動機１０の動作指令と、回転位置検出器３２から出力される回転速度と、温度検出器３１から出力される温度とを取得する。電動機１０の動作指令は、動作制御部４３にて生成されるために、動作制御部４３から取得することができる。また、状態取得部６２は、機械１が配置されている環境の温度を検出する外気温度検出器３３から外気の温度を取得することができる。

パラメータ設定部６１は、電動機のモデルに含まれるパラメータを算出するパラメータ算出部６３を含む。パラメータ算出部６３は、動作制御部４３が生成する動作指令と、回転位置検出器３２にて検出される回転速度とに基づいて、コイル１６およびステータコア２０の発熱量を算出する。更に、パラメータ算出部６３は、コイル１６およびステータコア２０の発熱量に基づいて温度検出器のモデル３１ａの温度を推定する。パラメータ算出部６３は、温度検出器のモデル３１ａの温度と、温度検出器３１から出力される温度とに基づいて、電動機のモデルのパラメータを算出する。

本実施の形態のパラメータ算出部６３は、電動機のモデルにより算出される温度検出器のモデルの温度の変化が実際の温度の変化に対応するようにパラメータを算出する。パラメータ算出部６３は、機械学習により電動機のモデルのパラメータを設定することができる。パラメータ算出部６３は、推定部５３を用いることにより、電動機のモデルを用いて温度検出器の温度を推定する。パラメータ算出部６３は、温度検出器のモデル３１ａの温度を状態取得部６２により取得された温度検出器３１の温度と比較することにより、温度検出器のモデル３１ａの温度を評価する評価部６６を含む。パラメータ算出部６３は、評価部６６の評価結果に基づいてパラメータの値を変更するパラメータ変更部６７を含む。

上記の推定部５３、損失算出部５４、および温度算出部５５のそれぞれのユニットは、プログラムに従って駆動するプロセッサに相当する。パラメータ設定部６１、状態取得部６２、およびパラメータ算出部６３のそれぞれのユニットは、プログラムに従って駆動するプロセッサに相当する。また、パラメータ算出部６３に含まれる評価部６６およびパラメータ変更部６７のそれぞれのユニットは、プログラムに従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサがプログラムに定められた制御を実施することにより、それぞれのユニットとして機能する。

図３に、本実施の形態における第１の電動機の熱の移動をモデル化した電動機のモデルを示す。電動機のモデル１０ａには、第１の電動機１０を構成する主要な構成部分のモデルが含まれる。電動機のモデル１０ａは、ロータのモデル１１ａと、ステータコアのモデル２０ａと、ステータコアに巻回されるコイルのモデル１６ａとを含む。また、電動機のモデル１０ａは、コイル１６の温度を検出するための温度検出器のモデル３１ａを含む。

また、図２を参照して、ロータ１１とステータコア２０との間には、空気層が介在する。更に、ロータ１１とコイル１６との間には、空気層が介在する。本実施の形態における電動機のモデル１０ａは、空気層のモデル３５ａを含む。また、電動機のモデル１０ａは、電動機１０の周りの空気のモデルとして、外気のモデル３６ａを含む。このように、本実施の形態の電動機のモデルでは、空気層および外気が電動機の構成部分のモデルとして生成されている。

温度検出器３１にて検出される温度は、コイル１６の温度とほぼ等しくなる。ところが、発明者は、所定の条件下では、温度検出器３１の小さな熱容量のために、温度検出器３１にて検出される温度がコイル１６の温度と異なる場合があることを見出した。より厳密には、温度検出器３１にて検出される温度は、温度検出器３１の本体部の温度である。このために、本実施の形態では、温度検出器３１についても、構成部分の一つのモデルとして温度検出器のモデル３１ａを生成している。なお、温度検出器３１の熱容量は考慮せずに、温度検出器のモデル３１ａの温度は、温度検出器３１を取り付ける構成部分のモデルの温度と同一であるとして計算しても構わない。ここでの例では、温度検出器のモデル３１ａの温度は、コイルのモデル１６ａの温度と同一であるとして計算しても構わない。

電動機のモデル１０ａでは、熱容量および熱伝達に関する係数を含む複数のパラメータが設定されている。それぞれの構成部分のモデルには、熱容量が設定されている。コイルのモデル１６ａ、ステータコアのモデル２０ａ、空気層のモデル３５ａ、ロータのモデル１１ａ、および温度検出器のモデル３１ａのそれぞれのモデルには、変数としての温度Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄，Ｔ₅および定数としての熱容量Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄，Ｃ₅が設定されている。また、外気のモデル３６ａには、変数としての温度Ｔ_rが設定されている。

電動機１０の一つの構成部分の熱は他の構成部分に伝達される。電動機のモデル１０ａでは構成部分同士の間の熱移動を計算する。電動機１０のそれぞれの構成部分のモデル同士の間には、熱伝達に関する係数が設定されている。ここでの例では、熱伝達係数に接触面積を乗じた係数が定められている。

ステータコアのモデル２０ａとコイルのモデル１６ａとの間には、熱伝達に関する係数ｈａが設定されている。空気層のモデル３５ａとコイルのモデル１６ａとの間には、熱伝達に関する係数ｈｃ１が設定されている。空気層のモデル３５ａとステータコアのモデル２０ａとの間には熱伝達に関する係数ｈｃ２が設定されている。空気層のモデル３５ａとロータのモデル１１ａとの間には、熱伝達に関する係数ｈｃ３が設定されている。コイルのモデル１６ａと温度検出器のモデル３１ａとの間には熱伝達に関する係数ｈｄが設定されている。更に、ステータコア２０から外気への熱の放出を模擬するために、ステータコアのモデル２０ａと外気のモデル３６ａとの間には、熱伝達に関する係数ｈｂが設定されている。

本実施の形態における電動機のモデル１０ａでは、構成部分が発生する熱として、ステータ１２のコイル１６にて発生する一次銅損Ｐ_c1が考慮される。コイルのモデル１６ａには、一次銅損に起因する発熱量が入力される。また、ロータ１１の磁石１８の磁力によって生じるステータコア２０の鉄損Ｐ_iが考慮される。ステータコアのモデル２０ａには、鉄損に起因する発熱量が入力される。

コイルおよびステータコアなどのそれぞれの構成部分同士の間では、熱伝達に関する係数の大きさに依存して熱が移動する。また、それぞれの構成部分は、入熱量と出熱量との差に基づいて温度が上昇したり下降したりする。図３に示される電動機のモデル１０ａのそれぞれの構成部分の温度変化率は、次の式（１）から式（５）にて表すことができる。それぞれの構成部分において、入熱量と出熱量との差を熱容量にて除算することにより、温度変化率を算出することができる。

構成部分の熱容量Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄，Ｃ₅は定数であり、予め定めておくことができる。熱伝達に関する係数ｈａ，ｈｂ，ｈｃ１，ｈｃ２，ｈｃ３，ｈｄは、熱伝達係数に接触面積を乗じた係数である。係数ｈａ，ｈｂ，ｈｃ１，ｈｃ２，ｈｃ３，ｈｄは定数であり、予め定めておくことができる。推定部５３の損失算出部５４は、コイル１６における一次銅損Ｐ_c1と、ステータコアにおける鉄損Ｐ_iとを後述するように算出する。推定部５３の温度算出部５５は、上記の式（１）から（５）の式に基づいて、微小時間ｄｔにおける温度の変化量を算出することができる。

次に、式（１）および式（２）に含まれる一次銅損Ｐ_c1および鉄損Ｐ_iの算出方法について説明する。電動機１０の回転速度および電動機１０の負荷率（最大負荷に対する割合）は、機械が行う作業に応じて作業者が予め設定することができる。推定部５３の損失算出部５４は、一次銅損Ｐ_c1と、鉄損Ｐ_iとを算出する。表１に、損失を算出するための損失マップを示す。

表１には、電動機１０の回転速度（回転数）に対する最大出力時の損失と、無負荷時の損失と、最大出力時の電流とが示されている。最大出力時の損失Ｐ_mは、電動機の負荷率が１００％の時の損失であり、電動機の回転速度により定まる値である。無負荷時の損失Ｐ_nは、電動機の負荷率が零のときの損失であり、電動機の回転速度に依存する。最大出力時の電流Ｉ_mは、それぞれの回転速度において、負荷率が１００％の時の電流値である。表１に示す損失マップは、電動機を実際に駆動して作成することができる。この損失マップは、例えば温度推定装置２の記憶部５１に記憶させておくことができる。

損失算出部５４は、一次銅損Ｐ_c1と鉄損Ｐ_iを含む全損失Ｐ_tを算出する。全損失Ｐ_tは、次の式（６）および式（７）により算出することができる。

全損失Ｐ_tは、最大出力時の損失Ｐ_m、無負荷時の損失Ｐ_n、および電動機の負荷率ＬＦにより算出することができる。電動機の回転速度および負荷率は定められているために、表１から最大出力時の損失Ｐ_mおよび無負荷時の損失Ｐ_nが分かる。定数ｋ１，ｋ２は、作業者が予め定めておくことができる。次に、一次銅損Ｐ_c1は、次の式（８）および式（９）により算出することができる。

一次銅損Ｐ_c1は、コイル１６を流れる電流のジュール熱に相当する。また、コイル１６を流れる電流Ｉは、最大出力時の電流Ｉ_mに電動機の負荷率ＬＦを乗じることにより算出することができる。最大出力時の電流Ｉ_mは、表１から取得することができる。ここで、コイル１６の一次抵抗ｒ１は、予め測定されている。次に、鉄損Ｐ_iは、次の式（１０）により算出することができる。鉄損Ｐ_iは、全損失Ｐ_tから一次銅損Ｐ_c1を減算することにより算出することができる。

作業者は、機械１を駆動するための回転速度および負荷率を含む電動機の動作パターンを入力する。推定部５３の温度算出部５５は、始めに、それぞれの構成部分の温度Ｔ₁～Ｔ₅を任意の温度に設定することができる。例えば、温度算出部５５は、構成部分の温度Ｔ₁～Ｔ₅を通常の外気の温度Ｔ_rに設定する。外気の温度Ｔ_rは、機械１を配置する場所に応じて予め定めておくことができる。

推定部５３の損失算出部５４は、動作パターンにおける回転速度および電動機の負荷率に基づいて、一次銅損および鉄損を算出する。次に、温度算出部５５は、上記の式（１）～（５）を解くことにより、微小時間ｄｔにおける温度検出器３１の温度Ｔ₅の変化量を算出することができる。このように、作業者は、電動機の運転パターンを定めて、電動機を運転パターンにて運転した時の温度検出器の温度の時間の経過に伴う変化を推定することができる。作業者は、温度検出器３１の温度の変化に応じて、回転速度および電動機の負荷率を含む電動機の運転パターンを調整することができる。すなわち、作業者は、電動機を含む機械の運転パターンを調整することができる。

ところで、本実施の形態の電動機のモデル１０ａでは、電動機の複数の構成部分のうち１つの構成部分の温度が精度よく推定できれば良い。一つの構成部分以外の構成部分の温度は、実際の温度から離れていても構わない。すなわち、一つの構成部分以外の構成部分の温度は、実際の温度と異なる温度であり、実際の温度に対応していなくても構わない。ここでの例では、温度検出器のモデル３１ａの温度Ｔ₅が精度良く推定できれば良く、コイルのモデル１６ａの温度Ｔ₁，ステータコアのモデル２０ａの温度Ｔ₂、空気層のモデル３５ａの温度Ｔ₃、およびロータのモデル１１ａの温度Ｔ₄は、実際の温度から大きく離れていても構わない。

更に、電動機のモデル１０ａに設定される熱容量Ｃ₁～Ｃ₅と、構成部分同士の間に設定される熱伝達に関する係数ｈａ，ｈｂ，ｈｃ１～ｈｃ３，ｈｄは、構成部分の材質、形状、および配置等に依存して、固有の値が存在する。しかしながら、本実施の形態における電動機のモデル１０ａでは、複数の熱容量および複数の熱伝達に関する係数のうち、少なくとも一部のパラメータは、実際の熱容量または実際の熱伝達に関する係数から離れた値に設定されている。換言すると、少なくとも一部のパラメータは、実際の熱容量または実際の熱伝達に関する係数とは異なる値に設定されている。

それぞれのパラメータは、温度検出器のモデル３１ａの温度Ｔ₅の変化が実際の温度の変化に対応するように設定されている。本実施の形態の電動機のモデル１０ａでは、構成部分のモデル同士の間の熱伝達の計算を行うことにより、温度検出器３１の温度の変化が実際の温度の変化に対応する。例えば、コイルおよびステータコア等の温度が実際の温度よりも離れていても、温度検出器の温度が実際の温度に近い値を示すように、電動機のモデルのパラメータが設定されている。なお、後述するパラメータ設定装置にて、熱容量および熱伝達に関する係数を設定した結果、構成部分の全ての熱容量および全ての熱伝達に関する係数が、実際の熱容量および実際の熱伝達に関する係数と同じ値になっても構わない。そして、推定部が構成部分の温度を推定した時に、全ての構成部分の温度が実際の構成部分の温度と同じになっても構わない。

このように、本実施の形態における電動機のモデルは、１つの電動機の構成部分としてのステータのコイルに取り付けられた温度検出器にて出力される温度を推定するために生成されている。次に、熱伝達に関する係数および熱容量を含むパラメータを設定するパラメータ設定装置について説明する。

図１を参照して、本実施の形態のパラメータ設定部６１は、電動機のモデル１０ａに含まれる熱容量、熱伝達に関する係数、および式（６），（７）における定数ｋ１，ｋ２を設定する。作業者は、予め定められた運転パターンに従って実際に電動機１０を駆動する。状態取得部６２は、電動機１０の状態として、電動機１０の負荷率、電動機１０の回転速度、および温度検出器３１から出力される温度を取得する。更に、状態取得部６２は、外気温度検出器３３から外気の温度を取得する。

図４に、本実施の形態の電動機のモデルに含まれるパラメータを設定する為に電動機を駆動するときの第１の運転パターンのグラフを示す。図４には、無負荷時の運転パターンが示されている。この運転パターンでは、電動機１０に負荷をかけずに、電動機１０の回転速度を徐々に上昇させている。予め定められた時間間隔ごとに電動機の負荷率を一時的に上昇させることにより、電動機１０の回転速度を増加させている。

温度検出器３１にて検出される温度は、徐々に増加している。時刻ｔ１～ｔ７において、電動機１０の負荷率を一時的に上昇することにより、電動機１０の回転速度を上昇させている。状態取得部６２は、電動機１０の回転速度を徐々に上昇している期間中に電動機１０の運転状態および温度検出器３１から出力される温度を取得する。より詳細には、状態取得部６２は、予め定められた微小時間ごとに、電動機１０の負荷率、電動機１０の回転速度、および温度検出器３１から出力される温度を取得して、記憶部５１に記憶する。本実施の形態では、一定の外気の温度を採用しているが、この形態に限られない。状態取得部６２は、外気温度検出器３３から微小時間ごとに外気の温度を検出しても構わない。

図１を参照して、状態取得部６２は、制御装置４１の動作制御部４３にて生成される動作指令に含まれるトルク指令を取得する。状態取得部６２は、トルク指令から電動機１０の負荷率を算出することができる。例えば、動作制御部４３は、位置制御器、および速度制御器を有する。位置制御器は、動作プログラムに基づく位置指令から速度指令を算出する。速度制御器は、速度指令に基づいてトルク指令を算出する。電動機１０に供給される電流は、トルク指令に基づいて定められる。動作制御部４３は、トルク指令または電流指令を駆動装置４４に送出することにより、電動機１０に電気が供給される。トルク指令は電動機１０の負荷率に対応するために、状態取得部６２は、トルク指令から負荷率を算出することができる。

パラメータ算出部６３は、状態取得部６２にて取得された変数に基づいて、電動機のモデル１０ａのパラメータを算出する。本実施の形態のパラメータ算出部６３は、コイル１６およびステータコア２０における発熱量、温度検出器３１にて検出される温度に基づいて、熱容量Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄，Ｃ₅および熱伝達に関する係数ｈａ，ｈｂ，ｈｃ１，ｈｃ２，ｈｃ３，ｈｄを含むパラメータを算出する。また、パラメータ算出部６３は、式（６）および式（７）における定数ｋ１，ｋ２をパラメータとして算出する。パラメータ算出部６３は、シミュレーションを行った時の温度検出器のモデル３１ａの温度の変化が、実際の温度の変化に近づくようにパラメータを算出する。

パラメータ算出部６３は、それぞれのパラメータの初期値を設定する。パラメータの初期値は、任意の方法にて設定することができる。パラメータ算出部６３は、コイル１６の一次銅損による発熱量およびステータコア２０の鉄損による発熱量を算出する損失算出部を含む。パラメータ算出部６３の損失算出部の機能は、推定部５３の損失算出部５４の機能と同じである。このために、パラメータ算出部６３は、発熱量の算出に推定部５３の損失算出部５４を使用する。損失算出部５４は、状態取得部６２にて取得された電動機１０の回転速度および電動機１０の負荷率に基づいて、表１および式（６）から式（１０）を用いて、一次銅損Ｐ_c1および鉄損Ｐ_iを算出する。一次銅損Ｐ_c1および鉄損Ｐ_iを算出する式（６）および式（７）には、定数ｋ１，ｋ２が含まれる。更に、損失算出部５４は、予め定められた微小時間ｄｔにおける損失、すなわち微小時間における発熱量を算出する。このように、損失算出部５４は、電動機の動作指令（負荷率）および回転位置検出器３２の出力を含む実測値に基づいて、式（１）および式（２）における一次銅損Ｐ_c1および鉄損Ｐ_iを算出する。

パラメータ算出部６３は、電動機のモデルを用いて温度検出器の温度を推定する温度算出部を含む。パラメータ算出部６３の温度算出部の機能は、推定部５３の温度算出部５５の機能と同じである。このために、パラメータ算出部６３は、構成部分の温度の推定に推定部５３の温度算出部５５を使用する。温度算出部５５は、それぞれのパラメータおよび損失算出部５４にて算出された損失を用いて、電動機のモデル１０ａに基づいて、温度検出器３１の温度を推定する。すなわち、シミュレーションにより温度検出器のモデル３１ａの温度を推定する。

温度算出部５５は、仮に設定したパラメータに基づいて、電動機１０の駆動を開始した後における温度検出器３１にて検出される時間の経過に伴う温度の変化を推定することができる。電動機１０のそれぞれの構成部分のモデルの温度は、上記の式（１）から式（５）の微分方程式を用いて算出することができる。それぞれの構成部分のモデルの温度の初期値は、例えば、電動機１０の駆動を開始したときの外気の温度、すなわち室温に設定することができる。

パラメータ算出部６３の評価部６６は、温度算出部５５にて算出された温度検出器のモデル３１ａの温度と、温度検出器３１にて実際に計測された温度とを比較することにより、温度検出器のモデル３１ａの温度の評価を行う。評価部６６は、電動機のモデル１０ａにおいて仮に設定されたパラメータの評価を行う。本実施の形態の評価部６６は、温度検出器のモデル３１ａの温度以外の変数を評価せずに、温度検出器のモデル３１ａの温度のみを評価する。例えば、温度検出器３１に加えて、コイル１６以外の構成部分に更に温度検出器を取り付けて、実際の温度を検出することができる。複数の温度検出器の温度をシミュレーションの温度と比較することが可能である。しかしながら、ここでの例では、温度検出器のモデル３１ａの温度の変化が実際の温度の変化に近ければ良く、他の構成部分の温度のうち少なくとも一部の温度を評価しない。

次に、パラメータ算出部６３のパラメータ変更部６７は、評価部６６の評価の結果に基づいてパラメータを変更する。そして、変更されたパラメータに基づいて、上記と同様の計算により、損失算出部５４による損失の算出、温度算出部５５による温度検出器のモデルの温度の算出、評価部６６による評価、および、パラメータ変更部６７によるパラメータの変更を繰り返す。評価部による評価が予め定められた条件を満たしている時に、最終的なパラメータに定めることができる。

ここで、電動機のモデル１０ａにおける複数のパラメータの組み合わせの個数は、非常に多い。複数のパラメータは、機械学習の方法により定めることができる。例えば、複数のパラメータは、ベイズ最適化の方法により設定することができる。

ベイズ最適化では、入力となるパラメータを含む説明変数に対して、評価の対象となる目的関数を生成する。そして、目的関数が最小または最大と予測されるパラメータを探索して設定する。このパラメータの探索を繰り返すことにより、パラメータの最適な値を設定することができる。また、それぞれのパラメータが設定される範囲は、予め定めておくことができる。

ここでは、温度検出器３１の温度に関して、電動機のモデル１０ａにより推定された温度検出器のモデル３１ａの温度と実際の温度検出器３１にて検出された温度との差分を目的関数に設定する。すなわち、目的関数は、温度検出器３１の温度に関して、仮に設定されたパラメータに基づいて式（１）から式（５）から算出された予測値と、実際に温度検出器３１にて検出された実測値との差を用いることができる。目的関数としては、例えば、微小時間内の差の平均値等を採用することができる。そして、目的関数が小さくなるように、次のパラメータを探索する。

ベイズ最適化では、パラメータの探索およびパラメータの評価を繰り返すことができる。評価部６６は、目的関数が予め定められた判定範囲内であれば、その時のパラメータの値を採用することができる。一方で、目的関数が予め定められた判定範囲を逸脱する場合に、次のパラメータの探索を行うことができる。ベイズ最適化の方法では、解が存在する領域を予測しながら探索を行うために、計算の処理量を抑制することができる。

または、ベイズ最適化によるパラメータの設定の他に、それぞれのパラメータが設定される範囲を予め定めておくことができる。パラメータ算出部６３のパラメータ変更部６７は、パラメータの範囲内でランダムに複数のパラメータを設定する。温度算出部５５は、設定されたパラメータに基づいて温度検出器のモデル３１ａの温度を推定する。評価部６６は、温度検出器３１から取得される温度の実測値に基づいて、設定されたパラメータを評価することができる。このようなパラメータの設定方法は、ランダムサーチ法と称される。

または、パラメータ変更部６７は、パラメータが設定される範囲の内部において、予め定められた間隔ごとにパラメータを設定することができる。温度算出部５５は、設定されたパラメータを用いて温度検出器のモデル３１ａの温度を推定する。評価部６６は、離散的に設定されたパラメータの全ての組み合わせについて評価を行う。この方法は、グリットサーチ法と称される。

ランダムサーチ法またはグリッドサーチ法においても、ベイズ最適化の方法と同様に、評価部６６は、温度検出器３１の温度を評価の対象にすることができる。評価部６６は、目的関数が予め定められた判定範囲内であれば、その時のパラメータの値を採用することができる。または、評価部６６は、目的関数が最も優れたパラメータを採用することができる。評価部６６は、実際の温度検出器３１にて検出される温度に良く一致するパラメータを、電動機のモデル１０ａにおけるパラメータに決定することができる。

本実施の形態においては、仮のパラメータの設定と、電動機のモデルによる温度検出器の温度の推定と、仮のパラメータの評価とを繰り返す制御を実施する。温度検出器３１にて検出される温度の変化が精度よく推定できるようにパラメータを設定する。本実施の形態では、温度検出器以外の温度は実際の温度から離れていても構わないために、パラメータの評価では、コイルの温度を検出する温度検出器の温度のみを評価することができる。このために、少ない計算量で短時間にパラメータを設定することができる。

図４においては、実際に電動機１０を駆動する運転パターンとして、無負荷時の運転を示したが、この形態に限られない。電動機のモデル１０ａのパラメータを定める時には、様々な運転状態にて電動機１０を運転して、電動機１０の運転状態を取得することが好ましい。

図５に、電動機のモデルのパラメータを設定するために、実際に電動機を駆動する第２の運転パターンを示す。第２の運転パターンにおいては、電動機１０の負荷率の上昇および下降を繰り返している。電動機１０の負荷率を大きく変化させて、電動機の回転速度を変化させている。温度検出器３１にて検出される温度は、急激に上昇または下降する。すなわち、第２の運転パターンでは、電動機の急峻な温度変化が含まれる運転パターンである。

図５に示す例では、時刻ｔ１１から時刻ｔ２０までのそれぞれの時刻において、電動機１０の負荷率を０％から１００％まで増加している。電動機の回転速度は増加し、温度検出器３１にて検出される温度は上昇する。所定の時間の経過後に、電動機１０の負荷率を０％まで減少している。電動機１０の回転速度は減少し、温度検出器３１にて検出される温度は下降する。状態取得部６２は、電動機１０の負荷率の上昇および下降を繰り返す運転を実施している期間中に、動作指令、回転速度、および温度検出器３１から出力される温度を取得することができる。

図４に示すような無負荷時の第１の運転パターンまたは図５に示すような急激に温度が変化する第２の運転パターンでは、推定部５３にて推定される温度に誤差が生じやすくなる。第１の運転パターンまたは第２の運転パターンにて電動機を駆動して、電動機のモデルのパラメータを設定することにより、様々な負荷の状況に応じてパラメータの調整を行うことができる。この結果、様々な運転パターンにおいて温度検出器の温度を精度良く推定するパラメータを算出することができる。

上記の実施の形態においては、温度を推定するための電動機の１つの構成部分として、巻線を含むコイルを例に取り上げて説明したが、この形態に限られない。温度を推定する構成部分としては、電動機の任意の構成部分を採用することができる。図３を参照して、例えば、温度を推定する構成部分として、ステータコア、ロータ、または空気層を選定しても構わない。この場合に、温度検出器は、温度推定装置にて温度を推定する構成部分の実際の温度を検出するように配置する。例えば、温度推定装置がステータコアの温度を推定する場合には、ステータコアの温度を検出するように、ステータコアに温度検出器を取り付けることができる。

本実施の形態の温度推定装置では、１つの構成部分の温度が精度よく推定できれば良い。このために、複数の熱容量および複数の熱伝達に関する係数のうち少なくとも一部のパラメータは、実際の熱容量および実際の熱伝達に関する係数とは異なる値に設定しても構わない。作業者は、電動機の１つの構成部分を選定して、この構成部分に温度検出器を取り付ける。パラメータ設定装置は、前述のコイルの温度を検出するためのパラメータの設定と同様の方法により、熱伝達に関する係数等のパラメータを設定することができる。パラメータ算出部の評価部は、温度検出器のモデルの温度を、実際の温度検出器にて取得された温度と比較することにより、温度検出器のモデルの温度を評価する。そして、パラメータ変更部は、評価部の結果に基づいて、パラメータを変更することができる。また、評価部は、パラメータが予め定められた条件を満たしている時に、最終的なパラメータに決定することができる。

上記の実施の形態においては、ロータが永久磁石を有する同期電動機について説明したが、この形態に限られない。ロータが永久磁石を有しない誘導電動機にも、本実施の形態における電動機のモデルを適用することができる。

図６に、本実施の形態における第２の電動機のモデルを示す。第２の電動機は、誘導電動機である。誘導電動機のロータは、ステンレスまたは銅等で形成された籠型の導体を含む。誘導電動機のロータは、永久磁石を含まない。籠型の導体は、シャフトに固定されており、シャフトと一体的に回転する。誘導電動機では、ステータのコイルによって生成される磁力により、籠型の導体の内部に誘導電流が流れる。籠型の導体の周りにて磁界が発生してロータが回転する。

誘導電動機においては、籠型の導体に電流が流れるために、二次損失としての二次銅損Ｐ_c2が生じる。二次損失は籠型の導体に流れる電流によるジュール熱に相当する。第２の電動機のモデル２７ａでは、ロータに二次銅損による発熱が生じる。第２の電動機の構成部分における熱容量および構成部分同士の間の熱伝達に関する係数は、第１の電動機のモデル１０ａと同様である。

第２の電動機のモデル２７ａにおけるそれぞれの構成部分の温度の微分方程式は、ロータの温度を算出する微分方程式が第１の電動機のモデル１０ａと異なる。ロータの温度の変化を表現する微分方程式は、次の式（１１）になる。

式（１１）では、第１の電動機のロータのモデル１１ａの式（４）に、二次銅損Ｐ_c2の発熱量が加算されている。その他のコイル、ステータコア、空気層、温度検出器の温度変化を表す微分方程式は、第１の電動機の熱モデルにおける微分方程式と同一である。

ここで、二次銅損による発熱量の算出方法について説明する。ロータの導体に生じる二次銅損を算出するためには、導体に流れる電流を推定する必要がある。

図７に、誘導電動機のベクトル制御を行うときのｄ軸の電流およびｑ軸の電流のグラフを示す。図７では、ステータに流すｄ軸の電流およびｑ軸の電流を矢印にて示している。ｄ軸は、コイルを励磁する為の電流を示し、ｑ軸は、電動機のトルクを発生する電流を示す。ステータコアに流す全体の電流Ｉは、ｄ軸の電流Ｉ_1dとｑ軸の電流Ｉ_1qをベクトルにて加算することにより算出される。ここで、励磁電流が小さい場合に、電流Ｉとｄ軸の電流Ｉ_1dとの間の角度θは４５°になる。

図８に、励磁電流が大きくなったときのｄ軸の電流およびｑ軸の電流のグラフを示す。図８は、励磁電流が最大電流を超えたときのグラフである。励磁電流が大きくなると、ｄ軸の電流Ｉ_1dに対する電流Ｉの角度θは、４５°よりも大きくなる。本実施の形態では、ｄ軸の電流の大きさに応じて、一次側のコイルのｑ軸の電流を算出する式を変更する。式（１２）および式（１３）に示すように、予め定められた励磁電流Ｉ_eに基づいてｑ軸の電流Ｉ_1qを算出する。

ここで、電流Ｉは、最大出力時の電流Ｉ_mに電動機の負荷率を乗じることにより算出する。次に、二次銅損Ｐ_c2は、１次側のコイルのｑ軸の電流Ｉ_1qに基づいて、次の式（１４）により算出することができる。

ここで、インダクタンスＬ２は籠型の導体のインダクタンスであり、相互インダクタンスＭは、籠型の導体とステータのコイルとの間の相互インダクタンスである。これらのインダクタンスＬ２、相互インダクタンスＭ、および導体の二次抵抗ｒ２は、予め定めておくことができる。誘導電動機における全損失Ｐ_tおよび一次銅損Ｐ_c1は、同期電動機における全損失および一次銅損と同様に算出することができる。そして、鉄損Ｐ_iは、次の式（１５）にて算出することができる。

このように、第２の電動機においても、一次銅損、鉄損、および二次銅損を算出することができる。また、第２の電動機のモデル２７ａを用いて、ステータのコイル等の構成部分の温度を検出するための温度検出器の温度を推定することができる。更に、パラメータ設定部６１は、第２の電動機のモデルに含まれる熱容量等のパラメータの値を、第１の電動機のモデルに含まれるパラメータの値の設定と同様に設定することができる。

図９に、本実施の形態のパラメータ設定部にて設定したパラメータを用いて、推定部にて推定した温度検出器の温度のグラフを示す。図９には、互いに値が異なるパラメータ群Ａおよびパラメータ群Ｂにてシミュレーションを実施したときのグラフが示されている。ここでは、第２の電動機の例を示している。パラメータ群Ａおよびパラメータ群Ｂは、パラメータ設定部６１にて設定されている。パラメータ群Ａおよびパラメータ群Ｂに含まれるパラメータを表２に示す。

パラメータ群Ａおよびパラメータ群Ｂは、互いに異なる運転パターンにて第２の電動機を駆動することにより得られている。表２では、電動機のそれぞれの構成部分同士の間の熱伝達係数に接触面積が乗じられた熱伝達に関する係数が示されている。また、熱容量は、それぞれの構成部分の材料の比熱に質量を乗算して算出される。それぞれの材料の比熱は予め定めることができるので、表２では、熱容量を算出するための構成部分の質量ｍを示している。パラメータ群Ａとパラメータ群Ｂとを比較すると、熱伝達に関する係数ｈｃ２，ｈｄおよびロータの質量ｍ₄等の一部のパラメータは、２つのパラメータ群Ａ，Ｂの間で値が大きく異なっていることが分かる。

一方で、図９を参照すると、パラメータ群Ｂを用いて推定された温度検出器の温度は、パラメータ群Ａを用いて推定された温度検出器の温度と良く一致していることが分かる。特に、温度が上昇する期間中および温度が所定の範囲内で変動している期間中の両方において、温度の変化が良く一致している。更に、推定部５３にて推定された図９に示す温度の変化は、実際に電動機１０を駆動したときに温度検出器３１にて検出される温度の変化と良く一致する。

パラメータ群Ａとパラメータ群Ｂとの間で値が大きく異なるパラメータが存在する。このために、パラメータ群Ａおよびパラメータ群Ｂのうち少なくとも一方のパラメータ群は、実際の電動機におけるパラメータ群と値が異なっていることが分かる。特に、複数の熱容量および複数の熱伝達に関する係数のうち少なくとも一部のパラメータは、実際の熱容量または実際の熱伝達に関する係数と異なる値に設定されていることが分かる。例えば、パラメータ群Ａの係数ｈｃ２およびパラメータ群Ｂの係数ｈｃ２のうち、少なくとも一方の熱伝達に関する係数は、実際の熱伝達に関する係数から離れていることが分かる。

このように、本実施の形態の温度推定装置では、複数のパラメータのうち少なくとも一部のパラメータが実際の値とは異なっていても、精度よく温度検出器の温度を推定することができる。また、本実施の形態のパラメータ設定装置は、このような電動機のモデルのパラメータを設定することができる。なお、前述したように、パラメータ設定装置が熱容量および熱伝達に関する係数を算出した結果、全ての熱容量および全ての熱伝達に関する係数が、実際の熱容量および実際の熱伝達に関する係数と同一になっても構わない。そして、推定部にて構成部分の温度を推定した時に、全ての構成部分の温度が実際の構成部分の温度と精度良く対応しても構わない。

上記の実施の形態における電動機のモデルは、コイルのモデル、ステータコアのモデル、温度検出器のモデル、空気層のモデル、ロータのモデル、および外気のモデルにより構成されているが、この形態に限られない。電動機のモデルは、他の構成部分のモデルを含んでいても構わない。例えば、電動機のモデルは、ステータおよびロータを支持する筐体のモデル、軸受けのモデル、およびロータを支持するシャフトのモデル等を含んでいても構わない。または、電動機のモデルは、一部のモデルを含んでいなくても構わない。例えば、電動機のモデルは、空気層のモデルを含んでいなくても構わない。

電動機のモデルから筐体のモデルおよびシャフトのモデル等を除外することにより、温度検出器の温度を推定するための計算量またはパラメータを設定するための計算量を少なくすることができる。本実施の形態の電動機のモデルは、比較的に熱容量が大きな筐体のモデルおよびシャフトのモデルを含んでいないが、図９に示すように、高い精度で温度検出器の温度のシミュレーションを実施することができる。

ところで、前述の温度推定装置において、推定部が電動機のモデルを用いて温度検出器の温度を推定する時に、銅損、鉄損、熱伝達に関する係数、および熱容量は、電動機の構成部分の温度に依存せずに一定の値が採用されている。ところが、これらの損失およびパラメータは、電動機の構成部分の温度の変化に伴って値が変化する場合がある。次に、電動機の構成部分の温度に基づいて、電動機のモデルにおける銅損、鉄損、熱伝達に関する係数、および熱容量のうち少なくとも一つを補正する実施例について説明する。それぞれのパラメータの補正は、補正値に基づいて行う。ここでは、第１の電動機のモデル１０ａ（図３を参照）および第２の電動機のモデル２７ａ（図６を参照）のうち、第１の電動機のモデル１０ａを例に取り上げて説明する。

始めに、ステータコアに生じる鉄損の補正について説明する。電動機の無負荷時の損失は、ステータコアにおける鉄損に起因して生じる。鉄損は、ステータコアに発生する磁束が変化することにより発生する。ここで、電動機のロータの温度が上昇すると、ロータに含まれる磁石の温度が上昇する。磁石は、温度が上昇すると磁力が弱くなるという特性を有する。このために、磁石の温度が上昇すると、ステータコアに発生する磁束が小さくなる。すなわち、ロータの温度が上昇すると鉄損が小さくなる。

図１０に、ロータの温度に対する無負荷時の損失を補正するための補正値のグラフを示す。鉄損の補正では、ロータの温度が高くなるほど鉄損が小さくなるように補正する。本実施の形態では、ロータの温度に依存して無負荷時の損失を補正する。図１を参照して、推定部５３の損失算出部５４は、ロータの温度が高くなるほどを電動機の無負荷時の損失が小さくなるように補正する。損失算出部５４は、ロータの温度に基づいて係数ｓｎを決定する。そして、損失算出部５４は、係数ｓｎを無負荷時の損失に乗じる。

図１０に示す例では、ロータの温度Ｔ₄が室温である２０℃から最大値である１３０℃まで示されている。ロータの温度が２０℃の時の係数ｓｎは１００％であり、ロータの温度が最大値の時の係数ｓｎはｓｎｘ％である。係数ｓｎｘは、ロータの温度が高くなるほど鉄損が小さくなるように補正するための補正値に相当する。ロータの温度が最大である時の係数ｓｎｘの大きさは、ロータコアおよび磁石において、形状および材質等の特性に依存する。係数ｓｎｘは、作業者が予め定めておくことができる。または、ロータの温度が最大の時の係数ｓｎｘは、後述するように、パラメータ設定装置により設定することができる。

図１、図３、および図１０を参照して、推定部５３の損失算出部５４は、電動機のモデル１０ａにおいて算出されたロータの温度Ｔ₄に基づいて係数ｓｎを算出する。表１は、基準となる損失および電流を示した損失マップである。表１は、例えば、ロータの温度が２０℃であり、係数ｓｎが１００％の時の損失マップである。

損失算出部５４は、表１の損失マップから取得される無負荷時の損失Ｐ_nに係数ｓｎを乗じた値を補正後の無負荷時の損失として算出することができる。損失算出部５４は、補正後の無負荷時の損失を用いて、鉄損を算出する。式（６）により、ロータの温度が上昇すると無負荷時の損失Ｐ_nが小さくなり、全損失Ｐ_tが小さくなる。この結果、式（１０）により、鉄損Ｐ_iが小さくなる。温度算出部５５は、補正された鉄損に基づいて、温度検出器を含む構成部分の温度を算出することができる。このように、ロータの温度に基づいて変化する鉄損の大きさを考慮することができる。

なお、ステータコアに生じる鉄損の補正は、上記の形態に限られない。任意の方法によりロータの温度に基づいて鉄損を補正することができる。例えば、ロータの基準となる温度にて算出した鉄損に、ロータの温度に基づく係数を乗じる補正を行っても構わない。

次に、コイルに生じる一次銅損の補正について説明する。電動機の一次銅損はステータのコイルの巻線に生じるジュール熱に相当する。一次銅損は、式（８）に示されるように、ステータのコイルにおける一次抵抗ｒ１と電流Ｉの２乗との積にて計算される。ここで、コイルの巻線は、温度が上昇すると抵抗が大きくなるという特性を有する。このために、コイルの温度が上昇すると一次銅損が大きくなる。

図１１に、コイルの温度に対する一次抵抗の値のグラフを示す。図１、図３、および図１１を参照して、一次銅損の補正では、コイルの温度が高くなるほど一次銅損が大きくなるように補正する。本実施の形態では、コイルの温度に依存して一次抵抗を補正する。損失算出部５４は、コイルの温度に基づいて一次抵抗ｒ１を定める。そして、損失算出部５４は、一次抵抗に基づいて一次銅損を算出する。

図１１に示す例では、コイルの温度Ｔ₁は、室温である２０℃から最大値である１３０℃まで示されている。コイルの温度が室温の時の一次抵抗ｒ１ａは、予め計測して定めておくことができる。また、コイルの温度が最大値の時の一次抵抗ｒ１ｂは、予め測定して定めておくことができる。一次抵抗ｒ１ａ，ｒ１ｂは、コイルの巻線の材質、形状、および長さ等に依存する。または、一次抵抗ｒ１ａ，ｒ１ｂは、後述するように、パラメータ設定装置により設定することができる。一次抵抗ｒ１ａ，ｒ１ｂは、コイルの温度が高くなるほど一次銅損が大きくなるように補正するための補正値に相当する。

推定部５３の損失算出部５４は、電動機のモデル１０ａにおいて算出されたコイルの温度Ｔ₁に基づいて、補正後の一次抵抗ｒ１を算出する。損失算出部５４は、補正後の一次抵抗ｒ１を用いて、式（８）に基づいて一次銅損を算出する。コイルの温度が上昇すると、一次抵抗ｒ１が大きくなるために、一次銅損が大きくなる。温度算出部５５は、補正された一次銅損に基づいて、温度検出器を含む構成部分の温度を算出することができる。

なお、コイルに生じる一次銅損の補正は、上記の形態に限られない。コイルの温度に基づいて一次銅損を補正する任意の補正方法を採用することができる。例えば、算出した銅損に、コイルの温度に基づく係数を乗じる補正を行っても構わない。

次に、構成部分同士の間に設定される熱伝達に関する係数の補正について説明する。熱伝達係数は、一般的に構成部分同士の間の温度差が大きくなるほど大きくなるという特性を有する。また、構成部分同士の接触面積は一定である。このために、熱伝達に関する係数の補正では、構成部分同士の間の温度差が大きくなるほど、熱伝達に関する係数が大きくなるように補正することができる。

図１２に、電動機の構成部分同士の間の温度差に対して熱伝達に関する係数を補正するための定数のグラフを示す。横軸には、電動機の構成部分同士の間の温度差として最小値の０℃から最大値の１３０℃までが示されている。縦軸には、基準となる熱伝達に関する係数を補正するための定数ｓｈが示されている。基準となる熱伝達に関する係数は、予め定めておくことができる。ここでは、構成部分同士の間の温度差が０℃の時の熱伝達に関する係数を基準の熱伝達に関する係数に定めている。構成部分同士の間の温度差が０℃の時の定数ｓｈは１である。構成部分同士の間の温度差が最大のときには、定数ｓｈは、ｓｈｘである。

図１、図３、および図１２を参照して、推定部５３の温度算出部５５は、次の式（１６）に示すように、基準の熱伝達に関する係数ｈに定数ｓｈに基づく係数を乗じることにより、補正後の熱伝達に関する係数ｈ’を算出する。

式（１６）により、構成部分同士の間の温度差が０℃のときに、補正後の熱伝達に関する係数は基準の熱伝達に関する係数に設定される。構成部分同士の間の温度差が最大の時の定数ｓｈｘは、構成部分同士の間の温度差に応じて熱伝達に関する係数を変化させる補正値に相当する。図１２に示す例では、定数ｓｈｘは１よりも大きく、構成部分同士の間の温度差が大きくなるほど、基準の熱伝達に関する係数に乗じる係数は大きくなる。すなわち、図１２に示す定数ｓｈｘは、構成部分同士の間の温度差が大きくなるほど熱伝達に関する係数が大きくなるように補正するための補正値に相当する。定数ｓｈｘは、例えば、０よりも大きく約３よりも小さい値である。定数ｓｈｘは、予め定めておくことができる。または、定数ｓｈｘは、後述するように、パラメータ設定装置により設定することができる。

推定部５３の温度算出部５５は、それぞれの構成部分同士の温度差を算出する。温度算出部５５は、構成部分同士の間における基準の熱伝達に関する係数を取得する。温度算出部５５は、式（１６）に基づいて補正後の熱伝達に関する係数を算出する。温度算出部５５は、補正後の熱伝達に関する係数を用いて、それぞれの構成部分の温度を算出する。

例えば、温度算出部５５は、電動機のモデル１０ａにおいて、現在のコイルのモデルの温度Ｔ₁とステータコアのモデルの温度Ｔ₂との間の温度差を算出する。コイルとステータコアとの間の基準の熱伝達に関する係数は予め定められている。温度算出部５５は、式（１６）に基づいて、補正後の熱伝達に関する係数を算出する。そして、温度算出部５５は、前述の式（１）および式（２）において、補正後の熱伝達に関する係数を用いて、コイルのモデルの温度Ｔ₁の微小時間における変化量およびステータコアのモデルの温度Ｔ₂の微小時間における変化量を算出する。このように、構成部分同士の間の温度差にて変化する熱伝達に関する係数を考慮して、構成部分の温度を算出することができる。

なお、上記の熱伝達に関する係数を補正する形態では、構成部分同士の間の温度差が大きくなるほど熱伝達に関する係数が大きくなるように補正をしているが、この形態に限られない。後述するパラメータ設定装置にて、補正値としての定数ｓｈｘを算出したときに、構成部分同士の間の温度差が大きくなるほど熱伝達に関する係数が小さくなる場合が有る。すなわち、定数ｓｈｘが１よりも小さくなる場合が有る。この場合に、推定部は、構成部分同士の間の温度差が大きくなるほど熱伝達に関する係数が小さくなるように熱伝達に関する係数を補正することができる。このように、推定部は、構成部分同士の間の温度差に応じて熱伝達に関する係数を変化させる補正を行うことができる。

次に、構成部分の熱容量の補正について説明する。熱容量は、一般的に構成部分の温度が高くなるほど大きくなるという特性を有する。このために、構成部分の熱容量の補正では、構成部分の温度が高くなるほど熱容量が大きくなるように補正することができる。

図１３に、構成部分の温度に対して熱容量を補正するための定数のグラフを示す。横軸には、電動機の構成部分の温度として最小値の０℃から最大値の１３０℃までが示されている。縦軸には、基準となる熱容量を補正するための定数ｓｃが示されている。基準となる熱容量は、予め定めておくことができる。ここでの例では、構成部分の温度が０℃の時の熱容量が基準の熱容量である。構成部分の温度が０℃の時の定数ｓｃは、１である。構成部分の温度が最大の時の定数ｓｃは、ｓｃｘである。

図１、図３、および図１３を参照して、推定部５３の温度算出部５５は、次の式（１７）に示すように、基準の熱容量Ｃに定数ｓｃに基づく係数を乗じることにより、補正後の熱容量Ｃ’を算出する。

式（１７）により、構成部分の温度が０℃のときに、補正後の熱容量は基準の熱容量に設定される。構成部分の温度が最大の時の定数ｓｃｘは、構成部分の温度に応じて熱容量を変化させる補正値に相当する。図１３に示す例では、定数ｓｃｘは１よりも大きく、構成部分の温度が高くなるほど、基準の熱容量に乗じる係数は大きくなる。すなわち、図１３に示す定数ｓｃｘは、構成部分の温度が高くなるほど熱容量が大きくなるように補正するための補正値に相当する。定数ｓｃｘは、例えば、０よりも大きく約３よりも小さい値である。定数ｓｃｘは、予め定めておくことができる。または、定数ｓｃｘは、後述するように、パラメータ設定装置により設定することができる。

推定部５３の温度算出部５５は、構成部分の温度および基準の熱容量を取得する。温度算出部５５は、式（１７）に基づいて、それぞれの構成部分の補正後の熱容量を算出する。温度算出部５５は、補正後の熱容量を用いて、前述の式（１）から（５）を用いて、それぞれの構成部分の温度を算出することができる。このように、構成部分の温度にて変化する熱容量を考慮して、構成部分の温度を推定することができる。

なお、上記の熱容量を補正する形態では、構成部分の温度が高くなるほど熱容量が大きくなるように補正をしているが、この形態に限られない。後述するパラメータ設定装置にて、補正値としての定数ｓｃｘを算出したときに、構成部分の温度が高くなるほど熱容量が小さくなる場合が有る。すなわち、定数ｓｃｘが１よりも小さくなる場合が有る。この場合に、推定部は、構成部分の温度が高くなるほど熱容量が小さくなるように熱容量を補正することができる。このように、推定部は、構成部分の温度に応じて熱容量を変化させる補正を行うことができる。

上記の鉄損の補正、銅損の補正、熱伝達に関する係数の補正、および熱容量の補正は、互いに組み合わせて実施することができる。または、いずれか一つの補正を実施することができる。それぞれの構成部分の温度に応じて、鉄損、一次銅損、熱伝達に関する係数、および熱容量のうち少なくとも一つを補正することができる。この結果、より正確に温度検出器の温度を推定することができる。

なお、図６に示す第２の電動機のモデル２７ａにおける二次銅損の補正については、一次銅損の補正と同様に補正することができる。そして、補正後の二次銅損を用いて、任意の構成部分に取り付けられた温度検出器の温度を算出することができる。

このように、電動機のモデルにおいて、熱容量、熱伝達に関する係数、鉄損、および銅損のうち少なくとも一つを、補正値に基づいて補正することができる。熱容量等の補正を行うための補正値は、熱容量および熱伝達に関する係数等のパラメータの設定と同様に、前述のパラメータ設定装置にて設定することができる。熱容量および熱伝達に関する係数と同様に、補正値を未知のパラメータとして扱うことにより、前述のパラメータ設定装置にて設定することができる。

図１を参照して、温度推定装置２のパラメータ設定部６１は、例えば、ベイズの最適化等の方法により、補正値を設定することができる。パラメータ設定部６１は、熱伝達に関する係数および熱容量の設定と同様に、それぞれの補正値を算出することができる。例えば、パラメータ設定部６１は、熱伝達に関する係数等のパラメータおよび補正値を仮の初期の値に設定する。状態取得部６２は、電動機の駆動状態を取得する。推定部５３の損失算出部５４は、状態取得部６２にて取得された電動機１０の回転速度等の駆動状態に基づいて損失を算出する。推定部５３の温度算出部５５は、損失算出部５４にて算出された損失に基づいて、電動機のモデルを用いて温度検出器のモデル３１ａの温度を推定する。この場合に、補正値に基づいて補正された損失および熱容量等が使用される。

パラメータ算出部６３の評価部６６は、仮に設定されたパラメータおよび補正値にて算出された温度検出器のモデル３１ａの温度の評価を行う。評価部６６は、温度検出器のモデル３１ａの温度以外の変数を評価せずに、温度検出器のモデル３１ａの温度を評価する。パラメータ算出部６３は、温度検出器のモデル３１ａの温度が予め定められた判定範囲内であれば、その時のパラメータおよび補正値を採用することができる。例えば、パラメータ算出部６３は、温度検出器のモデル３１ａの温度と実際の温度検出器３１から出力される温度の差が小さい場合に、その時のパラメータおよび補正値を採用することができる。一方で、温度検出器のモデル３１ａの温度が予め定められた判定範囲を逸脱する場合に、パラメータ変更部６７は、評価部６６の評価結果に基づいてパラメータおよび補正値を変更する。このように、パラメータおよび補正値の設定と、温度検出器のモデルの温度の評価とを繰り返して実施することができる。

パラメータ算出部６３は、複数の熱容量および複数の熱伝達に関する係数を設定すると共に、補正値を設定することができる。パラメータ算出部６３は、熱容量および熱伝達に関する係数の設定方法と同様に、補正値を設定することができる。パラメータ算出部６３にて設定される補正値は、実際の補正値と同じ値が設定されても、実際の補正値と異なる値が設定されても構わない。すなわち、パラメータ算出部６３にて設定される補正値は、実際の補正値から離れた値でも構わない。例えば、図１１を参照して、コイルの温度に依存して変化する一次抵抗を算出するための補正値としての一次抵抗ｒ１ａ，ｒ１ｂは、実際の一次抵抗の値と異なる値が設定されていても、同じ値が設定されていても構わない。補正値についても、温度検出器の温度が精度良く推定できれば良い。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

２ 温度推定装置
１０ 電動機
１０ａ 電動機のモデル
１１ ロータ
１１ａ ロータのモデル
１２ ステータ
１６ コイル
１６ａ コイルのモデル
２０ ステータコア
２０ａ ステータコアのモデル
２７ａ 電動機のモデル
３１ 温度検出器
３１ａ 温度検出器のモデル
３２ 回転位置検出器
３５ａ 空気層のモデル
４３ 動作制御部
５４ 損失算出部
５５ 温度算出部
６１ パラメータ設定部
６２ 状態取得部
６３ パラメータ算出部
６６ 評価部
６７ パラメータ変更部

Claims (5)

1. 電動機を構成する１つの構成部分の温度を検出する温度検出器の温度を推定するための電動機のモデルに含まれるパラメータを設定するパラメータ設定装置であって、
   電動機を実際に駆動して生成される電動機の動作指令と、温度検出器から出力される温度とを取得する状態取得部と、
   電動機のモデルにより算出される温度検出器のモデルの温度の変化が実際の温度の変化に対応するようにパラメータを算出するパラメータ算出部と、を備え、
   電動機のモデルは、電動機の構成部分のモデルとして、ロータのモデルと、ステータコアのモデルと、コイルのモデルと、温度検出器のモデルとを含み、
   温度検出器のモデルは、電動機のモデルに１個のみが定められており、
   パラメータは、前記構成部分のモデルに設定される熱容量と、前記構成部分のモデル同士の間の熱伝達に関する係数とを含み、
   前記パラメータ算出部は、前記動作指令に基づいて、コイルの一次銅損による発熱量およびステータコアの鉄損による発熱量を算出する損失算出部と、
   コイルの発熱量およびステータコアの発熱量に基づいて、電動機のモデルを用いて温度検出器のモデルの温度を算出する温度算出部と、
   温度検出器のモデルの温度を前記状態取得部により取得された温度検出器の温度と比較することにより、温度検出器のモデルの温度を評価する評価部と、
   前記評価部の評価結果に基づいてパラメータの値を変更するパラメータ変更部と、を含み、
   前記評価部は、温度検出器のモデルの温度以外の変数を評価せずに、温度検出器のモデルの温度を評価し、
   前記パラメータ算出部は、複数の熱容量および複数の熱伝達に関する係数のうち一部のパラメータを、実際の熱容量または実際の熱伝達に関する係数と異なる値に設定し、前記一部のパラメータ以外の他のパラメータを、実際の熱容量または実際の熱伝達に関する係数に対応する値に設定する、パラメータ設定装置。
2. 前記状態取得部は、電動機の負荷率の上昇および下降を繰り返す運転を実施している期間中に、前記動作指令および温度検出器から出力される温度を取得する、請求項１に記載のパラメータ設定装置。
3. 前記状態取得部は、無負荷の状態で電動機の回転速度を徐々に上昇させる運転を実施している期間中に、前記動作指令および温度検出器から出力される温度を取得する、請求項１または２に記載のパラメータ設定装置。
4. 前記パラメータ算出部は、電動機のモデルにより推定された温度検出器のモデルの温度と実際の温度検出器にて検出された温度との差分を目的関数に設定した機械学習により、パラメータを算出する、請求項１から３のいずれか一項に記載のパラメータ設定装置。
5. 電動機のモデルは、熱容量、熱伝達に関する係数、ステータコアの鉄損、およびコイルの一次銅損のうち少なくとも一つが、補正値に基づいて補正されるように形成されており、
   補正値は、ロータの温度が高くなるほど鉄損が小さくなるように補正するための補正値、コイルの温度が高くなるほど一次銅損が大きくなるように補正するための補正値、前記構成部分同士の間の温度差に応じて熱伝達に関する係数が変化するように補正するための補正値、前記構成部分の温度に応じて熱容量が変化するように補正するための補正値のうち少なくとも一つを含み、
   パラメータ変更部は、前記評価部の評価結果に基づいて補正値を変更する、請求項１に記載のパラメータ設定装置。

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