JPWO2015170747A1 - 回転電機の磁石温度推定装置および回転電機の磁石温度推定方法 - Google Patents

回転電機の磁石温度推定装置および回転電機の磁石温度推定方法 Download PDF

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Abstract

回転電機の磁石温度推定装置は、磁石を有するロータおよびコイルを有するステータから成る回転電機と、前記ステータから前記ロータに向かい流れる冷媒を供給する冷媒供給部と、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を用いて、前記磁石の温度を算出する磁石温度算出部と、を備える。

Description

この発明は、回転電機の磁石温度推定装置および回転電機の磁石温度推定方法に関する。
本願は、2014年5月9日に出願された日本国特願2014−098125号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、モータ運転時のステータコイル温度、冷却液の液温度、発熱比、および熱抵抗比に基づいて磁石温度を算出するモータ制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このモータ制御装置は、予め、熱抵抗比として、冷却液およびステータコイル間の熱抵抗とステータコイルおよび永久磁石間の熱抵抗との比を取得し、発熱比として、ステータコイルの発熱と永久磁石の発熱との比を取得する。
日本国特許第4572907号公報
しかしながら、上記従来技術に係るモータ制御装置によれば、モータの内部から外部に流出する冷却液の液温度をモータの外部で検出し、予めおこなった実験の結果に基づいて熱抵抗比を取得するだけである。このためモータの内部における冷却液の流通経路および冷却状態などによって磁石温度の算出誤差が増大する虞がある。
本発明の態様は上記事情に鑑みてなされたもので、回転電機の磁石温度の推定精度を向上させることが可能な回転電機の磁石温度推定装置および回転電機の磁石温度推定方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
(1)本発明の一態様に係る回転電機の磁石温度推定装置は、磁石を有するロータおよびコイルを有するステータから成る回転電機と、前記ステータから前記ロータに向かい流れる冷媒を供給する冷媒供給部と、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を用いて、前記磁石の温度を算出する磁石温度算出部と、を備える。
(2)上記(1)の態様において、前記磁石温度算出部は、前記コイルから受熱した前記冷媒と前記磁石との間の少なくとも一部における熱抵抗を算出し、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度と、前記熱抵抗とを用いて、前記磁石からの抜熱量を算出し、前記磁石からの抜熱量を用いて、前記磁石の温度を算出してもよい。
(3)上記(2)の態様において、前記磁石温度算出部は、前記熱抵抗を前記冷媒の流量および前記回転電機の回転数に応じて算出してもよい。
(4)上記(2)または(3)の態様において、前記磁石の損失による発熱量を算出する発熱量算出部を備え、前記磁石温度算出部は、前記磁石の損失による発熱量と、前記磁石からの抜熱量とを用いて、前記磁石の温度を算出してもよい。
(5)上記(1)から(4)の何れか1つの態様において、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を算出する冷媒温度算出部を備え、前記冷媒温度算出部は、前記コイルから受熱した前記冷媒の受熱量および前記冷媒の熱容量を前記冷媒の流量に応じて取得し、前記コイルから受熱した前記冷媒の受熱量および前記冷媒の熱容量を用いて、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を算出してもよい。
(6)上記(5)の態様において、前記冷媒を冷却する冷却部を備え、前記冷媒温度算出部は、前記コイルから受熱した前記冷媒と前記コイルとの間の熱抵抗を前記冷媒の流量に応じて取得し、前記コイルから受熱した前記冷媒と前記コイルとの間の熱抵抗と、前記コイルの温度と、前記冷却部により冷却された前記冷媒の温度とを用いて、前記コイルから受熱した前記冷媒の受熱量を算出してもよい。
(7)本発明の一態様に係る回転電機の磁石温度推定方法は、磁石を有するロータおよびコイルを有するステータから成る回転電機と、前記ステータから前記ロータに向かい流れる冷媒を供給する冷媒供給部と、に対して、制御装置が実行する回転電機の磁石温度推定方法であって、前記制御装置が、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を用いて、前記磁石の温度を算出するステップを含む。
上記(1)に記載の態様に係る回転電機の磁石温度推定装置は、ステータからロータに向かい流れる冷媒がコイルから受熱した後の冷媒の温度を用いて磁石の温度を算出する磁石温度算出部を備える。そのため、磁石の温度の算出精度を向上させることができる。また、上記(1)に記載の態様に係る回転電機の磁石温度推定装置は、コイルから受熱した冷媒が磁石を冷却する熱モデルを用いる磁石温度算出部を備える。そのため、回転電機における冷媒の冷却経路、並びに冷媒によるコイルおよび磁石の冷却の状態に応じて、磁石の温度を精度良く算出することができる。
さらに、上記(2)の態様においては、コイルから受熱した冷媒と磁石との間の少なくとも一部における熱抵抗を算出し、この熱抵抗を用いて磁石からの抜熱量を算出する磁石温度算出部を備えてもよい。そのため、冷媒による磁石からの放熱量を精度良く算出することができる。
さらに、上記(3)の態様においては、コイルから受熱した冷媒と磁石との間の少なくとも一部における熱抵抗を、冷媒の流量および回転電機の回転数に応じて算出する磁石温度算出部を備えてもよい。そのため、ロータでの冷媒の状態に応じて熱抵抗を精度良く算出することができる。
さらに、上記(4)の態様においては、磁石の損失による発熱量と磁石からの抜熱量とを用いて、磁石の温度を算出する磁石温度算出部を備えてもよい。そのため、発熱量と抜熱量との差に応じて磁石の温度変化を精度良く算出することができる。
さらに、上記(5)の態様においては、コイルから受熱した冷媒の受熱量および冷媒の熱容量を冷媒の流量に応じて取得する冷媒温度算出部を備えてもよい。そのため、コイルから受熱した冷媒のロータでの状態(接触状態など)に応じて、冷媒の温度を精度良く算出することができる。
さらに、上記(6)の態様においては、コイルから受熱した冷媒とコイルとの間の熱抵抗を冷媒の流量に応じて取得する冷媒温度算出部を備えてもよい。そのため、コイルでの冷媒の状態に応じて熱抵抗を精度良く算出することができる。
上記(7)に記載の態様に係る回転電機の磁石温度推定方法では、ステータからロータに向かい流れる冷媒がコイルから受熱した後の冷媒の温度を用いて磁石の温度を算出する磁石温度算出部を備える。そのため、磁石の温度の算出精度を向上させることができる。また、上記(7)に記載の態様に係る回転電機の磁石温度推定方法は、コイルから受熱した冷媒が磁石を冷却する熱モデルを用いる磁石温度算出部を備える。そのため、回転電機における冷媒の冷却経路および冷媒によるコイルおよび磁石の冷却の状態に応じて、磁石の温度を精度良く算出することができる。
本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の駆動用モータの一部の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の熱モデルを模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の駆動用モータにおいて、印加電圧、回転数、トルク、およびロータヨークの鉄損の相互関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の駆動用モータにおいて、印加電圧、回転数、トルク、および磁石の渦電流損の相互関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の発電用モータの回転数および冷媒の流量の相互関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の駆動用モータにおいて、滴下冷媒と3相のコイルとの間の熱抵抗および冷媒の流量の相互関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の駆動用モータにおいて、滴下冷媒と端面板との間の熱抵抗、冷媒の流量、および回転数の相互関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置の動作を示すフローチャートである。 図9に示す発熱量算出処理の1つを示すフローチャートである。 図9に示す発熱量算出処理の他の1つを示すフローチャートである。 図9に示す滴下冷媒温度算出処理を示すフローチャートである。 図9に示す熱抵抗算出処理を示すフローチャートである。 図9に示す磁石温度算出処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態に係る回転電機の磁石温度推定装置および回転電機の磁石温度推定方法について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10は、例えばハイブリッド車両または電動車両などの車両1に搭載されている。車両1は、図1に示すように、駆動用モータ(M)11(回転電機)、発電用モータ(G)12、トランスミッション(T/M)13、冷媒循環部14(冷媒供給部)、電力変換部15、バッテリ16、および制御装置17を備えている。
駆動用モータ11および発電用モータ12の各々は、例えば3相交流のブラシレスDCモータなどである。駆動用モータ11および発電用モータ12の各々は、トランスミッション13に接続された回転軸を備えている。発電用モータ12の回転軸は、後述する冷媒循環部14の機械式ポンプに連結されている。
駆動用モータ11は、図2に示すように、コイル21を有するステータ22と、磁石23を有するロータ24とを備えている。駆動用モータ11は、インナーロータ型であり、円筒状のステータ22の内部にロータ24を備えている。
コイル21は、例えばSC(セグメントコンダクタ)巻線などである。コイル21は、ステータコア22aのティース間に形成されるスロットに装着されている。コイル21は、後述する電力変換部15に接続されている。磁石23は、例えば永久磁石などである。
磁石23は、ロータヨーク24aを回転軸24cの軸方向の両側から挟み込む一対の端面板24bとは直接に接触しないように、ロータヨーク24aの内部に保持されている。
発電用モータ12は、例えば、駆動用モータ11と同一の構成を備えている。
トランスミッション13は、例えばAT(オートマチックトランスミッション)などである。トランスミッション13は、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々と駆動輪Wとに接続されている。トランスミッション13は、後述する制御装置17から出力される制御信号に応じて、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々と駆動輪Wとの間の動力伝達を制御する。
冷媒循環部14は、冷媒が循環する冷媒流路14a、および冷媒を冷却する冷却器14b(冷却部)を備えている。冷媒循環部14は、例えばAT(オートマチックトランスミッション)のトランスミッション13において潤滑および動力伝達などを行なう作動油を冷媒として用いている。
冷媒流路14aは、トランスミッション13の内部における作動油の流路、並びに駆動用モータ11および発電用モータ12の各々の内部に接続されている。冷媒流路14aは、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々に冷媒を吐出する吐出口(図示略)と、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々の内部を流通した冷媒を吸入する吸入口(図示略)とを備えている。
冷媒流路14aの吐出口は、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々の鉛直方向上方に配置されている。冷媒流路14aの吸入口は、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々の鉛直方向下方に設けられる冷媒貯留部(図示略)に配置されている。
冷却器14bは、冷媒流路14aに設けられ、発電用モータ12の回転軸に連結された機械式ポンプを備えている。機械式ポンプは、発電用モータ12の駆動によって吸引力を発生し、冷媒流路14aの吸入口から冷媒を吸引するとともに冷媒流路14a内の冷媒を吐出口に向かい流動させる。冷却器14bは、冷媒流路14a内を流通する冷媒を冷却する。
冷媒循環部14は、駆動用モータ11に対して、冷却器14bの機械式ポンプの作動に伴い、冷媒流路14aの吐出口からコイル21のコイルエンド(ステータコア22aのスロットから軸方向外方に突出する部位)に向かい冷媒を吐出する。
冷媒は、重力の作用によってコイル21のコイルエンドおよびステータコア22aの表面上を鉛直方向下方に流動する。冷媒は、重力の作用によってステータ22とロータ24との間の空隙を介して、コイル21のコイルエンドまたはステータコア22aから端面板24bに滴下されるように鉛直方向下方に流動する。端面板24bの表面に滴下された冷媒(滴下冷媒)は、ロータ24の回転による遠心力および重力の作用によって端面板24bの表面上を端面板24bの外部に向かい流動する。滴下冷媒は、重力の作用によって端面板24bの外部から冷媒貯留部に流動する。
冷媒循環部14は、冷媒貯留部に貯留している冷媒を、機械式ポンプの吸引によって吸入口から冷媒流路14aに吸入し、冷却器14bによって冷却する。これにより冷媒循環部14は、図3に示すように、冷媒によってコイル21およびステータコア22aを冷却する。冷媒循環部14は、滴下冷媒によって端面板24bを直接的に冷却するとともに、滴下冷媒によって端面板24bを介して間接的に、順次、ロータヨーク24aと、磁石23とを冷却する。
電力変換部15は、バッテリ16の出力電圧を昇圧する昇圧器31と、駆動用モータ11の通電を制御する第2パワードライブユニット(PDU2)33と、発電用モータ12の通電を制御する第1パワードライブユニット(PDU1)32とを備えている。
昇圧器31は、例えばDC−DCコンバータなどを備えている。昇圧器31は、バッテリ16と、第1および第2パワードライブユニット32,33との間に接続されている。
昇圧器31は、後述する制御装置17から出力される制御信号に応じて、バッテリ16の出力電圧を昇圧することによって、第1および第2パワードライブユニット32,33への印加電圧を生成する。昇圧器31は、バッテリ16の出力電圧の昇圧によって生成した印加電圧を、第1および第2パワードライブユニット32,33に出力する。
第1および第2パワードライブユニット32,33は、例えばインバータ装置などを備えている。第1および第2パワードライブユニット32,33は、インバータ装置として、例えば、スイッチング素子(例えば、MOSFETなど)を複数用いてブリッジ接続して成るブリッジ回路と平滑コンデンサとを備えている。第1および第2パワードライブユニット32,33は、後述する制御装置17から出力される制御信号に応じて、昇圧器31の直流出力電力を3相交流電力に変換する。第1パワードライブユニット32は、発電用モータ12への通電を順次転流させるように、3相の交流電流を3相のコイル21に通電する。また、第2パワードライブユニット33は、駆動用モータ11への通電を順次転流させるように、3相の交流電流を3相のコイル21に通電する。
制御装置17は、CPU(Central Processing Unit)と、RAM(Random Access Memory)などの各種の記憶媒体と、タイマーとなどの電子回路により構成されている。制御装置17は、トランスミッション13および電力変換部15を制御するための制御信号を出力する。制御装置17は、電圧センサ41、第1電流センサ42、第2電流センサ43、第1回転数センサ44、第2回転数センサ45、トルクセンサ46、冷媒温度センサ47、およびコイル温度センサ48に接続されている。
電圧センサ41は、昇圧器31から第1および第2パワードライブユニット32,33の各々に印加される印加電圧を検出する。第1電流センサ42は、第1パワードライブユニット32と発電用モータ12の各コイル21との間に流れる交流電流(相電流)を検出する。第2電流センサ43は、第2パワードライブユニット33と駆動用モータ11の各コイル21との間に流れる交流電流(相電流)を検出する。
第1回転数センサ44は、駆動用モータ11の回転軸の回転角度を逐次検出することによって、駆動用モータ11の回転数を検知する。第2回転数センサ45は、発電用モータ12の回転軸の回転角度を逐次検出することによって、発電用モータ12の回転数を検知する。
トルクセンサ46は、駆動用モータ11のトルクを検出する。冷媒温度センサ47は、冷媒流路14aにおいて冷却器14bから出力される冷媒の温度(冷却器通過後の冷媒温度)を検出する。
コイル温度センサ48は、例えばサーミスタなどであって、駆動用モータ11のコイル21の温度(コイル温度)を検出する。
制御装置17は、図1に示すように、発熱量算出部51と、滴下冷媒温度算出部52と、磁石温度算出部53と、モータ制御部54と、記憶部55とを備えている。
発熱量算出部51は、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々において、各部の損失による発熱量を算出する。発熱量算出部51は、例えば、駆動用モータ11において、3相のコイル21の銅損、ロータヨーク24aの鉄損、および磁石23の渦電流損の各々の発熱量を算出する。
発熱量算出部51は、第2電流センサ43により検出される駆動用モータ11の3相の相電流と、予め記憶部55に記憶している3相のコイル21の抵抗値とに応じて、3相のコイル21の銅損を算出する。
発熱量算出部51は、電圧センサ41により検出される印加電圧と、第1回転数センサ44により検出される駆動用モータ11の回転数と、トルクセンサ46により検出される駆動用モータ11のトルクとに応じて、ロータヨーク24aの鉄損WYOKEを算出する。発熱量算出部51は、図4に示すように、印加電圧、回転数、トルク、およびロータヨーク24aの鉄損WYOKEの相互関係を示すマップなどのデータを、予め記憶部55に記憶している。発熱量算出部51は、各センサ41,44,46により検出される印加電圧、回転数、およびトルクを用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、ロータヨーク24aの鉄損WYOKEを算出する。発熱量算出部51は、例えば、複数の異なる印加電圧(Va<Vb)および回転数(N1<N2<N3)の組み合わせに対してトルクおよび鉄損WYOKEの相互関係を示すマップを用いて、印加電圧および回転数に対する線形補間などを行ないつつ、鉄損WYOKEを算出する。
発熱量算出部51は、電圧センサ41により検出される印加電圧と、第1回転数センサ44により検出される駆動用モータ11の回転数と、トルクセンサ46により検出される駆動用モータ11のトルクとに応じて、磁石23の渦電流損WMAGを算出する。発熱量算出部51は、図5に示すように、印加電圧、回転数、トルク、および磁石23の渦電流損WMAGの相互関係を示すマップなどのデータを、予め記憶部55に記憶している。発熱量算出部51は、各センサ41,44,46により検出される印加電圧、回転数、およびトルクを用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、磁石23の渦電流損WMAGを算出する。発熱量算出部51は、例えば、複数の異なる印加電圧(Va<Vb)および回転数(N1<N2<N3)の組み合わせに対してトルクおよび渦電流損WMAGの相互関係を示すマップを用いて、印加電圧および回転数に対する線形補間などを行ないつつ、渦電流損WMAGを算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、冷媒温度センサ47により検出される冷却器通過後の冷媒温度と、第2回転数センサ45により検出される発電用モータ12の回転数と、コイル温度センサ48により検出されるコイル温度とに応じて、滴下冷媒の温度TDATFを算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、第2回転数センサ45により検出される発電用モータ12の回転数に応じて、冷媒循環部14で循環する冷媒の流量を取得する。滴下冷媒温度算出部52は、図6に示すように、発電用モータ12の回転数および冷媒の流量の相互関係を示すマップなどのデータを、予め記憶部55に記憶している。滴下冷媒温度算出部52は、第2回転数センサ45により検出される回転数を用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、冷媒の流量を算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、冷媒温度センサ47により検出される冷却器通過後の冷媒温度と、コイル温度センサ48により検出されるコイル温度と、冷媒の流量とに応じて、滴下冷媒の3相のコイル21からの受熱量Qco−atfを算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、図7に示すように、滴下冷媒と3相のコイル21との間の熱抵抗Rco−atfおよび冷媒の流量の相互関係を示すマップなどのデータを、予め記憶部55に記憶している。滴下冷媒温度算出部52は、算出した冷媒の流量を用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、滴下冷媒と3相のコイル21との間の熱抵抗Rco−atfを算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、下記数式(1)に示すように、算出した熱抵抗Rco−atf、冷却器通過後の冷媒温度Tatf、およびコイル温度Tcoを用いて、受熱量Qco−atfを算出する。
Figure 2015170747

滴下冷媒温度算出部52は、算出した受熱量Qco−atfと、冷媒の熱容量と、冷却器通過後の冷媒温度Tatfとに応じて、滴下冷媒の温度TDATFを算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、下記数式(2)に示すように、算出した冷媒の流量Fatfと、予め記憶部55に記憶している冷媒の比熱Cおよび所定係数Aとを用いて、冷媒の熱容量Catfを算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、算出した受熱量Qco−atfおよび冷媒の熱容量Catfを用いて、冷媒の温度変化ΔTatfを算出する。
滴下冷媒温度算出部52は、下記数式(3)に示すように、算出した冷媒の温度変化ΔTatfおよび冷却器通過後の冷媒温度Tatfを用いて、滴下冷媒の温度TDATFを算出する。
Figure 2015170747

Figure 2015170747

磁石温度算出部53は、第1回転数センサ44により検出される駆動用モータ11の回転数と、滴下冷媒温度算出部52により算出される冷媒の流量Fatfとに応じて、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFを算出する。磁石温度算出部53は、図8に示すように、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATF、冷媒の流量Fatf、および駆動用モータ11の回転数の相互関係を示すマップなどのデータを、予め記憶部55に記憶している。磁石温度算出部53は、冷媒の流量Fatfおよび駆動用モータ11の回転数を用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFを算出する。磁石温度算出部53は、例えば、複数の異なる冷媒の流量Fatf(F1<F2<F3<F4)に対して回転数および熱抵抗REP−DATFの相互関係を示すマップを用いて、流量Fatfに対する線形補間などを行ないつつ、熱抵抗REP−DATFを算出する。
磁石温度算出部53は、算出した熱抵抗REP−DATFと、滴下冷媒温度算出部52により算出される滴下冷媒の温度TDATFと、発熱量算出部51により算出されるロータヨーク24aの鉄損WYOKEおよび磁石23の渦電流損WMAGとに応じて、磁石23の温度TMAGを算出する。
磁石温度算出部53は、下記数式(4)に示すように、記憶部55に記憶している端面板24bの温度の前回値TEP(pre)と、端面板24bの温度変化ΔTEPとを用いて、端面板24bの温度TEPを算出する。磁石温度算出部53は、端面板24bの温度変化ΔTEPを、例えば適宜の演算などによって推定する。
Figure 2015170747

磁石温度算出部53は、下記数式(5)に示すように、算出した滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFおよび端面板24bの温度TEPと、滴下冷媒の温度TDATFとを用いて、滴下冷媒の端面板24bからの受熱量QEP−DATFを算出する。
磁石温度算出部53は、下記数式(6)に示すように、端面板24bのロータヨーク24aからの受熱量QYOKE−EPを、滴下冷媒の端面板24bからの受熱量QEP−DATFに等しいとする。
Figure 2015170747

Figure 2015170747

磁石温度算出部53は、記憶部55に記憶している磁石23の温度の前回値TMAG(pre)およびロータヨーク24aと磁石23との間の熱抵抗RMAG−YOKEと、ロータヨーク24aの温度の推定値TYOKE(est)とを用いて、ロータヨーク24aの磁石23からの受熱量QMAG−YOKEを算出する。磁石温度算出部53は、推定値TYOKE(est)と前回値TMAG(pre)との差分を熱抵抗RMAG−YOKEで割ることによって、受熱量QMAG−YOKEを算出する。
磁石温度算出部53は、ロータヨーク24aと磁石23との間の熱抵抗RMAG−YOKEとして、例えば、所定の一定値を記憶部55に記憶している。磁石温度算出部53は、ロータヨーク24aの温度の推定値TYOKE(est)を、例えば適宜の演算などによって推定する。
磁石温度算出部53は、下記数式(7)に示すように、算出した端面板24bのロータヨーク24aからの受熱量QYOKE−EPおよびロータヨーク24aの磁石23からの受熱量QMAG−YOKEと、ロータヨーク24aの鉄損WYOKEとを用いて、ロータヨーク24aの受熱量QYOKEを算出する。
Figure 2015170747

磁石温度算出部53は、下記数式(8)に示すように、記憶部55に記憶しているロータヨーク24aの熱容量CYOKEと、算出したロータヨーク24aの受熱量QYOKEとを用いて、ロータヨーク24aの温度変化ΔTYOKEを算出する。
磁石温度算出部53は、下記数式(9)に示すように、記憶部55に記憶しているロータヨーク24aの温度の前回値TYOKE(pre)と、算出したロータヨーク24aの温度変化ΔTYOKEとを用いて、ロータヨーク24aの温度TYOKEを算出する。
Figure 2015170747

Figure 2015170747

磁石温度算出部53は、下記数式(10)に示すように、記憶部55に記憶している磁石23の温度の前回値TMAG(pre)およびロータヨーク24aと磁石23との間の熱抵抗RMAG−YOKEと、算出したロータヨーク24aの温度TYOKEとを用いて、磁石23からの抜熱量(つまり放熱量)QMAGを算出する。
磁石温度算出部53は、下記数式(11)に示すように、記憶部55に記憶している磁石23の熱容量CMAGと、算出した抜熱量QMAGと、磁石23の渦電流損WMAGとを用いて、磁石23の温度変化ΔTMAGを算出する。
磁石温度算出部53は、下記数式(12)に示すように、記憶部55に記憶している磁石23の温度の前回値TMAG(pre)と、算出した磁石23の温度変化ΔTMAGとを用いて、磁石23の温度TMAGを算出する。
Figure 2015170747

Figure 2015170747

Figure 2015170747

モータ制御部54は、磁石温度算出部53により算出された磁石23の温度TMAGに基づいて、トランスミッション13および電力変換部15を制御するための制御信号を出力することによって、駆動用モータ11および発電用モータ12を制御する。
本実施の形態による回転電機の磁石温度推定装置10は上記構成を備えており、次に、この回転電機の磁石温度推定装置10の動作、つまり回転電機の磁石温度推定方法について説明する。
以下に、制御装置17が、駆動用モータ11の磁石23の温度TMAGを算出して、駆動用モータ11を制御する処理について説明する。
先ず、制御装置17は、図9に示すように、駆動用モータ11の各部の損失による発熱量を算出する(ステップS01)。
次に、制御装置17は、滴下冷媒の温度TDATFを算出する(ステップS02)。
次に、制御装置17は、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFを算出する(ステップS03)。
次に、制御装置17は、磁石23の温度TMAGを算出する(ステップS04)。
次に、制御装置17は、算出した磁石23の温度TMAGが所定の出力制限温度未満か否かを判定する(ステップS05)。
この判定結果が「YES」の場合、制御装置17は、駆動用モータ11の出力制限を行なわずに、処理を終了させる(ステップS05のYES)。
一方、この判定結果が「NO」の場合、制御装置17は、処理をステップS06に進める(ステップS05のNO)。
そして、制御装置17は、駆動用モータ11の許容トルク上限を算出する(ステップS06)。
次に、制御装置17は、駆動用モータ11のトルクを許容トルク上限以下にすることを指示する制御信号を電力変換部15に出力する(ステップS07)。そして、制御装置17は、処理を終了させる。
以下に、上述したステップS01の発熱量算出処理について説明する。
先ず、制御装置17は、図10に示すように、第2電流センサ43により検出される駆動用モータ11の3相の相電流(つまり、3相のコイル21の交流電流)を取得する(ステップS11)。
次に、制御装置17は、取得した3相のコイル21の相電流と、予め記憶部55に記憶している3相のコイル21の抵抗値とに応じて、3相のコイル21の銅損を算出する(ステップS12)。そして、制御装置17は、処理を終了させる。
また、制御装置17は、図11に示すように、トルクセンサ46により検出される駆動用モータ11のトルクを取得する(ステップS21)。
次に、制御装置17は、第1回転数センサ44により検出される駆動用モータ11の回転数を取得する(ステップS22)。
次に、制御装置17は、電圧センサ41により検出される印加電圧を取得する(ステップS23)。
次に、制御装置17は、取得したトルク、回転数、および印加電圧を用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、ロータヨーク24aの鉄損WYOKEを算出する。そして、制御装置17は、算出したロータヨーク24aの鉄損WYOKEを記憶部55に記憶する(ステップS24)。
次に、制御装置17は、取得したトルク、回転数、および印加電圧を用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、磁石23の渦電流損WMAGを算出する。そして、制御装置17は、算出した磁石23の渦電流損WMAGを記憶部55に記憶する(ステップS25)。そして、制御装置17は、処理を終了させる。
以下に、上述したステップS02の滴下冷媒温度算出処理について説明する。
先ず、制御装置17は、図12に示すように、冷媒温度センサ47により検出される冷却器通過後の冷媒温度Tatfを取得する(ステップS31)。
次に、制御装置17は、第2回転数センサ45により検出される回転数を用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、冷媒の流量Fatfを算出する、または流量センサなどから冷媒の流量Fatfを取得する(ステップS32)。
次に、制御装置17は、コイル温度センサ48により検出されるコイル温度Tcoを取得する(ステップS33)。
次に、制御装置17は、冷媒の流量Fatfを用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、滴下冷媒と3相のコイル21との間の熱抵抗Rco−atfを算出する。そして、制御装置17は、上記数式(1)に示すように、熱抵抗Rco−atf、冷却器通過後の冷媒温度Tatf、およびコイル温度Tcoを用いて、受熱量Qco−atfを算出する(ステップS34)。
次に、制御装置17は、上記数式(2)に示すように、冷媒の流量Fatfと、予め記憶部55に記憶している冷媒の比熱Cおよび所定係数Aとを用いて、冷媒の熱容量Catfを算出する。そして、制御装置17は、受熱量Qco−atfおよび冷媒の熱容量Catfを用いて、冷媒の温度変化ΔTatfを算出する。そして、制御装置17は、上記数式(3)に示すように、冷媒の温度変化ΔTatfおよび冷却器通過後の冷媒温度Tatfを用いて、滴下冷媒の温度TDATFを算出する。そして、制御装置17は、算出した滴下冷媒の温度TDATFを記憶部55に記憶する(ステップS35)。そして、制御装置17は、処理を終了させる。
以下に、上述したステップS03の熱抵抗算出処理について説明する。
先ず、制御装置17は、図13に示すように、駆動用モータ11の回転数を取得する(ステップS41)。
次に、制御装置17は、冷媒の流量Fatfを算出または取得する(ステップS42)。
次に、制御装置17は、冷媒の流量Fatfおよび駆動用モータ11の回転数を用いて、予め記憶部55に記憶しているデータを参照して、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFを算出する。そして、制御装置17は、算出した熱抵抗REP−DATFを記憶部55に記憶する(ステップS43)。
次に、制御装置17は、予め記憶部55に記憶している所定の一定値であるロータヨーク24aと磁石23との間の熱抵抗RMAG−YOKEを取得する(ステップS44)。
そして、制御装置17は、処理を終了させる。
以下に、上述したステップS04の磁石温度算出処理について説明する。
先ず、制御装置17は、図14に示すように、記憶部55に記憶している磁石23の温度の前回値TMAG(pre)を取得する(ステップS51)。
次に、制御装置17は、滴下冷媒の温度TDATFを取得する(ステップS52)。
次に、制御装置17は、上記数式(4)に示すように、記憶部55に記憶している端面板24bの温度の前回値TEP(pre)と、端面板24bの温度変化ΔTEPとを用いて、端面板24bの温度TEPを算出する。そして、制御装置17は、算出した端面板24bの温度TEPを記憶部55に記憶する。そして、制御装置17は、上記数式(5)に示すように、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFおよび端面板24bの温度TEPと、滴下冷媒の温度TDATFとを用いて、滴下冷媒の端面板24bからの受熱量QEP−DATFを算出する。そして、制御装置17は、上記数式(6)に示すように、端面板24bのロータヨーク24aからの受熱量QYOKE−EPを、滴下冷媒の端面板24bからの受熱量QEP−DATFに等しいとする。そして、制御装置17は、記憶部55に記憶している磁石23の温度の前回値TMAG(pre)およびロータヨーク24aと磁石23との間の熱抵抗RMAG−YOKEと、ロータヨーク24aの温度の推定値TYOKE(est)とを用いて、ロータヨーク24aの磁石23からの受熱量QMAG−YOKEを算出する。そして、制御装置17は、上記数式(7)に示すように、端面板24bのロータヨーク24aからの受熱量QYOKE−EPおよびロータヨーク24aの磁石23からの受熱量QMAG−YOKEと、ロータヨーク24aの鉄損WYOKEとを用いて、ロータヨーク24aの受熱量QYOKEを算出する。そして、制御装置17は、上記数式(8)に示すように、記憶部55に記憶しているロータヨーク24aの熱容量CYOKEと、ロータヨーク24aの受熱量QYOKEとを用いて、ロータヨーク24aの温度変化ΔTYOKEを算出する。そして、制御装置17は、上記数式(9)に示すように、記憶部55に記憶しているロータヨーク24aの温度の前回値TYOKE(pre)と、ロータヨーク24aの温度変化ΔTYOKEとを用いて、ロータヨーク24aの温度TYOKEを算出する。そして、制御装置17は、算出したロータヨーク24aの温度TYOKEを記憶部55に記憶する(ステップS53)。
次に、制御装置17は、上記数式(10)に示すように、記憶部55に記憶している磁石23の温度の前回値TMAG(pre)およびロータヨーク24aと磁石23との間の熱抵抗RMAG−YOKEと、ロータヨーク24aの温度TYOKEとを用いて、磁石23からの抜熱量QMAGを算出する(ステップS54)。
次に、制御装置17は、上記数式(11)に示すように、記憶部55に記憶している磁石23の熱容量CMAGと、抜熱量QMAGと、磁石23の渦電流損WMAGとを用いて、磁石23の温度変化ΔTMAGを算出する(ステップS55)。
次に、制御装置17は、上記数式(12)に示すように、記憶部55に記憶している磁石23の温度の前回値TMAG(pre)と、磁石23の温度変化ΔTMAGとを用いて、磁石23の温度TMAGを算出する(ステップS56)。
次に、制御装置17は、算出した磁石23の温度TMAGを記憶部55に記憶する(ステップS57)。そして、制御装置17は、処理を終了させる。
上述したように、本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10および磁石温度推定方法は、滴下冷媒の温度TDATFを用いて磁石23の温度TMAGを算出する磁石温度算出部53を備える。そのため、磁石23の温度TMAGの算出精度を向上させることができる。
また、本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10および磁石温度推定方法は、コイル21から受熱した滴下冷媒が磁石23を冷却する熱モデルを用いる磁石温度算出部53を備える。そのため、駆動用モータ11における冷媒の冷却経路、並びにコイル21および磁石23の冷却の状態に応じて、磁石23の温度TMAGを精度良く算出することができる。
さらに、本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10および磁石温度推定方法は、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFを算出し、この熱抵抗REP−DATFを用いて磁石23からの抜熱量QMAGを算出する磁石温度算出部53を備える。そのため、滴下冷媒による磁石23からの放熱量を精度良く算出することができる。
さらに、本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10および磁石温度推定方法は、滴下冷媒と端面板24bとの間の熱抵抗REP−DATFを、冷媒の流量Fatf、および駆動用モータ11の回転数に応じて算出する磁石温度算出部53を備える。そのため、ロータ24での滴下冷媒の状態に応じて熱抵抗REP−DATFを精度良く算出することができる。
さらに、本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10および磁石温度推定方法は、磁石23の渦電流損WMAGと磁石23からの抜熱量QMAGとを用いて、磁石23の温度TMAGを算出する磁石温度算出部53を備える。そのため、磁石23の損失による発熱量と放熱量との差に応じて磁石23の温度変化ΔTMAGを精度良く算出することができる。
さらに、本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10および磁石温度推定方法は、滴下冷媒の3相のコイル21からの受熱量Qco−atfおよび冷媒の熱容量Catfを冷媒の流量Fatfに応じて取得する滴下冷媒温度算出部52を備える。そのため、滴下冷媒のロータ24での状態(接触状態など)に応じて、滴下冷媒の温度TDATFを精度良く算出することができる。
さらに、本実施形態による回転電機の磁石温度推定装置10および磁石温度推定方法は、滴下冷媒と3相のコイル21との間の熱抵抗Rco−atfを冷媒の流量Fatfに応じて取得する滴下冷媒温度算出部52を備える。そのため、3相のコイル21での冷媒の状態に応じて熱抵抗Rco−atfを精度良く算出することができる。
なお、上述した実施形態において、制御装置17は、駆動用モータ11において磁石23が端面板24bとは直接に接触しないようにロータヨーク24aの内部に保持されていることに応じて、磁石23からの抜熱量QMAGを算出するとしたが、これに限定されない。例えば、図3に示す熱モデルにおいて、端面板24bもしくはロータヨーク24a、または端面板24bおよびロータヨーク24aが省略される場合の各々に対応して、磁石23からの抜熱量QMAGを算出してもよい。
例えば、駆動用モータ11において磁石23が端面板24bに直接に接触してロータヨーク24aに保持されている場合は、図3に示す熱モデルにおいて、ロータヨーク24aが省略される場合に対応している。
例えば、駆動用モータ11において端面板24bが省略され、滴下冷媒が直接に磁石23に接触する場合は、図3に示す熱モデルにおいて、端面板24bおよびロータヨーク24aが省略される場合に対応している。
例えば、駆動用モータ11において端面板24bが省略され、滴下冷媒が直接に磁石23に接触しない場合は、図3に示す熱モデルにおいて、端面板24bが省略される場合に対応している。
制御装置17は、これらの熱モデルの各々に対応した熱抵抗および授受熱量を用いて、磁石23からの抜熱量QMAGを算出すればよい。
なお、上述した実施形態において、制御装置17は、冷媒循環部14の機械式ポンプが発電用モータ12の回転軸に連結されているので、発電用モータ12の回転数から冷媒の流量を取得するとしたが、これに限定されない。例えば、冷媒循環部14が冷媒流路14aにおける冷媒の流量を検出する流量センサを備えている場合には、流量センサによって検出される冷媒の流量を取得してもよい。さらに、冷媒循環部14は、機械式ポンプの代わりに電動ポンプを備えてもよい。
なお、上述した実施形態において、回転電機の磁石温度推定装置10は、コイル温度センサ48を備えるとしたが、これに限定されず、コイル温度センサ48は省略されてもよい。制御装置17は、駆動用モータ11のコイル21の温度(コイル温度)を、例えば適宜の演算などによって推定してもよい。
なお、上述した実施形態において、回転電機の磁石温度推定装置10は、トルクセンサ46を備えるとしたが、これに限定されず、トルクセンサ46は省略されてもよい。制御装置17は、第2電流センサ43により検出される駆動用モータ11の各コイル21に流れる交流電流および第1回転数センサ44により検出される駆動用モータ11の回転角度に応じてトルク指示値を取得してもよい。
なお、上述した実施形態において、駆動用モータ11および発電用モータ12の各々は、SC(セグメントコンダクタ)巻線のコイル21を備えるとしたが、これに限定されない。駆動用モータ11および発電用モータ12の各々は、例えば集中巻または分布巻などの他の巻線構造を有するモータであってもよい。
上述の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述の新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…回転電機の磁石温度推定装置、11…駆動用モータ(回転電機)、12…発電用モータ、13…トランスミッション、14…冷媒循環部(冷媒供給部)、14b…冷却器(冷却部)、15…電力変換部、16…バッテリ、17…制御装置、21…コイル、22…ステータ、23…磁石、24…ロータ、24a…ロータヨーク、24b…端面板、51…発熱量算出部、52…滴下冷媒温度算出部(冷媒温度算出部)、53…磁石温度算出部、54…モータ制御部、55…記憶部

Claims (8)

  1. 磁石を有するロータおよびコイルを有するステータから成る回転電機と、
    前記ステータから前記ロータに向かい流れる冷媒を供給する冷媒供給部と、
    前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を用いて、前記磁石の温度を算出する磁石温度算出部と、
    を備える、
    ことを特徴とする回転電機の磁石温度推定装置。
  2. 前記磁石温度算出部は、
    前記コイルから受熱した前記冷媒と前記磁石との間の少なくとも一部における熱抵抗を算出し、
    前記コイルから受熱した前記冷媒の温度と、前記熱抵抗とを用いて、前記磁石からの抜熱量を算出し、
    前記磁石からの抜熱量を用いて、前記磁石の温度を算出する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の回転電機の磁石温度推定装置。
  3. 前記磁石温度算出部は、
    前記熱抵抗を前記冷媒の流量および前記回転電機の回転数に応じて算出する、
    ことを特徴とする請求項2に記載の回転電機の磁石温度推定装置。
  4. 前記磁石の損失による発熱量を算出する発熱量算出部を備え、
    前記磁石温度算出部は、
    前記磁石の損失による発熱量と、前記磁石からの抜熱量とを用いて、前記磁石の温度を算出する、
    ことを特徴とする請求項2に記載の回転電機の磁石温度推定装置。
  5. 前記磁石の損失による発熱量を算出する発熱量算出部を備え、
    前記磁石温度算出部は、
    前記磁石の損失による発熱量と、前記磁石からの抜熱量とを用いて、前記磁石の温度を算出する、
    ことを特徴とする請求項3に記載の回転電機の磁石温度推定装置。
  6. 前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を算出する冷媒温度算出部を備え、
    前記冷媒温度算出部は、
    前記コイルから受熱した前記冷媒の受熱量および前記冷媒の熱容量を前記冷媒の流量に応じて取得し、
    前記コイルから受熱した前記冷媒の受熱量および前記冷媒の熱容量を用いて、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を算出する、
    ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1つに記載の回転電機の磁石温度推定装置。
  7. 前記冷媒を冷却する冷却部を備え、
    前記冷媒温度算出部は、
    前記コイルから受熱した前記冷媒と前記コイルとの間の熱抵抗を前記冷媒の流量に応じて取得し、
    前記コイルから受熱した前記冷媒と前記コイルとの間の熱抵抗と、前記コイルの温度と、前記冷却部により冷却された前記冷媒の温度とを用いて、前記コイルから受熱した前記冷媒の受熱量を算出する、
    ことを特徴とする請求項6に記載の回転電機の磁石温度推定装置。
  8. 磁石を有するロータおよびコイルを有するステータから成る回転電機と、
    前記ステータから前記ロータに向かい流れる冷媒を供給する冷媒供給部と、
    に対して、制御装置が実行する回転電機の磁石温度推定方法であって、
    前記制御装置が、前記コイルから受熱した前記冷媒の温度を用いて、前記磁石の温度を算出するステップを含む、
    ことを特徴とする回転電機の磁石温度推定方法。
JP2016517945A 2014-05-09 2015-05-08 回転電機の磁石温度推定装置および回転電機の磁石温度推定方法 Active JP6180625B2 (ja)

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