JP2015106974A - 電動機および電動機システム - Google Patents

Abstract

【課題】搬送波に同期して交流モータの電流を検出することで交流モータの逆起電力を推定する場合、電力変換器や交流モータへの印加電圧を制御する制御装置を構成する回路部品の回路定数や永久磁石の磁束のばらつきにより、磁石温度の精度が悪化する。
【解決手段】電動機は、周方向に沿って配置された複数の永久磁石を有する回転子（１４）と、回転子と対向して配置される固定子（１１）と、を有する。回転子において、複数の永久磁石のうち、特定位相に配置された永久磁石（１３）の磁化の温度特性は、他の位相に配置された永久磁石（１２）の磁化の温度特性と異なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度センサを用いずに永久磁石の温度監視制御が可能な電動機および電動機システムに関する。

永久磁石を用いた同期モータにおいて、モータの作動に伴う磁石温度の上昇、およびモータの巻線温度の急激な上昇に伴い、磁石が発生する磁束の減少や、巻線の焼損が懸念される。特許文献１は、交流モータと、交流モータに電圧を印加する電力変換器と、搬送波に同期したＰＷＭ（パルス幅変調）信号により、交流モータに印加する電圧を制御する制御装置を備え、搬送波に同期して交流モータの電流を検出することで、交流モータの逆起電力を推定し、交流モータの磁石温度を推定する構成を開示する。

特開２００２−１０６７７号公報

搬送波に同期して交流モータの電流を検出することで交流モータの逆起電力を推定する場合、電力変換器や交流モータへの印加電圧を制御する制御装置を構成する回路部品の回路定数や永久磁石の磁束のばらつきにより、磁石温度の精度が悪化する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

電動機は、周方向に沿って配置された複数の永久磁石を有する回転子と、回転子と対向して配置される固定子と、を有する。回転子において、複数の永久磁石のうち、特定位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性は、他の位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性と異なる。

電動機システムは、電動機と、電動機を制御する制御装置と、を備え、電動機は、周方向に沿って配置された複数の永久磁石を有する回転子と、回転子と対向して配置される固定子と、を含む。回転子において、複数の永久磁石のうち、特定位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性は、他の位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性と異なり、制御装置は、制御器、インバータ、電流センサ、および位相検出器を含む。制御器は、電流センサが出力する相電流信号および位相検出器が出力する位相信号に基づき、ｄｑ軸電流補正項の値を算出し、トルク指令に基づき、ｄｑ軸電流目標値を算出し、ｄｑ軸電流補正項の値と、ｄｑ軸電流目標値との比較結果に基づき、回転子の複数の永久磁石の推定温度を算出する。

電動機が備える永久磁石の推定温度を高精度で計測可能な電動機および電動機システムが実現される。

実施の形態１に係る電動機システムの構成を示すブロック図である。 図１の電動機システムが備える電動機の断面図である。 異なる熱減磁特性の一般例な特性を示す特性図である。 図１の電動機システムが備える制御器のブロック図である。 図４のトルク変動抑制制御器のブロック図である。 図５の相関係数算出器の処理フロー図である。 トルク比と磁石の温度との関係を示す特性図である。 実施の形態２に係る電動機システムの構成を示すブロック図である。 図８の電動機システムが備える制御器のブロック図である。 相互相関関数の算出フロー図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載ある場合を除き、必ずしもその個数、量などに限定されない。実施の形態の図面において、同一の参照符号や参照番号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、実施の形態の説明において、同一の参照符号等を付した部分等に対しては、重複する説明は繰り返さない場合がある。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る電動機システムＭＳ１の構成を示すブロック図である。

電動機システムＭＳ１は、制御器３１、インバータ３２、電流センサ３３、および位相検出器３５を有する制御装置と、制御装置で動作が制御される電動機３４と、電動機３４で駆動される接続機器３６と、を備える。インバータ３２は、制御器３１が出力する３相電圧指令値Ｖｕ／Ｖｖ／Ｖｗに基づき、３相電流（Ｉｕ／Ｉｖ／Ｉｗ）を電動機３４へ出力する。電動機３４は、この３相電流を回転力（トルク）に変換し、回転子が回転する。電流センサ３３は、３相電流信号Ｉｕｖｗを検出し、制御器３１へ出力する。位相検出器３５は、回転子の位相を検出し、位相信号θを制御器３１へ出力する。接続機器３６は、電動機３４が駆動する機器である。制御器３１へフィードバックされる電流センサ３３が出力する３相電流信号Ｉｕｖｗと、位相検出器３５が出力する位相信号θは、目標のトルクに合わせるための電流フィードバックループを形成する。

図２は、図１の電動機システムＭＳ１が備える電動機３４の断面図である。
電動機３４は、１０極１２スロットの表面磁石型ブラシレス同期電動機であり、固定子（スロット）１１、回転子１４、回転子の永久磁石１２、および１３を備える。固定子１１は、ｕｖｗ３相が、時計回りに、ｕ相、ｖ相、およびｗ相の順で繰り返し配置されている場合を示す。永久磁石１３は、特定位相として、他の極の永久磁石１２と温度特性が異なる。磁石の温度特性は、例えば、希土類系永久磁石であれば、ジスプロシウムの含有率を変化させるなどして、熱減磁特性を異ならせることで実現される。

図３は、異なる熱減磁特性の一般例な特性を示す特性図である。
横軸は磁石の温度を、縦軸は磁化の強度を示す。素材Ａおよび素材Ｂで形成された永久磁石の磁化の強度は、標準温度では同程度であるが、磁石の温度が上昇するに従い、素材Ｂの永久磁石の磁化の強度は、素材Ａの永久磁石の磁化の強度と比較し、より低い温度で低下する様子が示される。

図７は、トルク比と磁石の温度との関係を示す特性図である。
図７（ａ）は、図３と同様に、異なる熱減磁特性を示す特性図である。図７（ｂ）は、磁石の温度と電動機３４のトルク比との関係を示す特性図である。

図２に戻り、電動機３４の構成について説明する。
電動機システムＭＳ１が備える電動機３４において、固定子１１のｕ相、ｖ相、およびｗ相の各相は、いずれも、機械角９０度の角を成して配置される。そのため、回転子１４の回転に対する４次の成分（スロット数÷相数）で、各相に対する特定位相（上述の、温度特性が異なる永久磁石に対応し、以下、”特定部位”とも記載する。）の影響度が変化する。また、極対数は５であるため、電機子電流は、回転子１４の回転に対する５次成分が基本波となる。

従って、実施の形態１に係る電動機システムＭＳ１において、上述の特定位相による発生トルクへの影響は、４次（特定部位の各相への寄与率変動分）と、５次（各相電流成分）の周波数差となり、その結果、回転子１４の回転と同一の周波数成分となる。

この特定部位の成分によるトルクの全トルクに対する比率、あるいは、このトルク変動を打ち消すように制御した場合の、トルク変動キャンセル用電流成分の全電流に対する比率から、特定位相とそれ以外の位相のトルク比を算出することができる。一般的には、トルクは計測せずに電流を計測する場合が多いため、以下では、図１の電動機システムＭＳ１で、トルク変動を打ち消すように制御する場合を説明する。

図４は、図１の電動機システムＭＳ１が備える制御器３１のブロック図である。
上述の通り、制御器３１へフィードバックされる３相電流信号Ｉｕｖｗと、位相検出器３５が出力する位相信号θは、目標のトルクに合わせるための電流フィードバックループを形成する。図４は、その電流フィードバックループを実現する制御系を示す。

トルク／電流変換器４２は、制御器３１の外部より入力されたトルク指令を、ｄｑ軸電流目標値（ベース）ｉｄｑ＿ｂａｓｅに変換して出力する。さらに、そのトルク／電流変換器４２の動作と並行して、トルク変動抑制制御器４６は、上述のトルク変動を打ち消すためのフィードバック動作を実施する。トルク変動抑制制御器４６には、３相電流信号Ｉｕｖｗ、位相信号θ、角速度ω、および角加速度ω’が入力される。角速度ω、および角加速度ω’は、位相信号θを、それぞれ、１回微分および２回微分して求められる。

図５は、図４のトルク変動抑制制御器４６のブロック図である。
トルク変動抑制制御器４６は、相関係数算出器５１、比例積分フィードバック器５２、トルク寄与率算出器５３、乗算器５４、および座標変換器５５を有する。

相関係数算出器５１は、入力された３相電流信号Ｉｕｖｗ、位相信号θ、および角加速度ω’に基づき、「特定位相トルク影響度ベクトル」と、「角速度ベクトル」との相関係数Ｒ＿ｍｇを、１周期毎に更新する。ここで、１周期とは、本実施の形態１では、回転子１４の１周期である。相関係数算出器５１による１周期の制御ステップ数はｎであり、回転子１４の位相が３６０／ｎ度回転する度に、相関係数算出器５１の処理が実行され、ｎステップ毎（１周期毎）に、相関係数Ｒ＿ｍｇが更新される。実施の形態１に係る電動機システムＭＳ１では、特定位相の磁束によるトルクへの影響は３６０度周期で現れるため、その変化を十分に分解できるようにｎの値を設定する。ここでは、ｎ＝１２（３０度毎に実行）とする。

図６は、図５の相関係数算出器５１の処理フロー図である。
ステップＳ６１において、特定位相でのトルク変動成分を算出するため、各位相に対する角加速度ω’を、角加速度ベクトルｘ（ｉ）として、毎制御周期（回転子１４の３０度回転毎）に記憶する。ここで、”ｉ”は、ベクトル要素番号であり、１〜１２の値をとる。ベクトル要素番号の初期値は、”１”であり、ベクトル要素が全て更新されるまでの間は、１制御周期毎に、ステップＳ６３にてカウントアップされる。また、ベクトル要素が全て更新されて、”ｉ＝１３”となった際には、ステップＳ６２で１周期完了判定され、以下の通り、トルク変動抑制用目標電流補正値を算出する。

ステップＳ６４において、ｕｖｗ各相および位相毎の電流値マトリクスＩｍｔｘ（１２×３）と、各相電機子電流が特定位相に影響する位相毎のトルク寄与率マトリクスＲｍｔｘ（３×１２）の内積を算出し、位相毎の特定位相トルク影響度ベクトルｙとして記憶する。なお、トルク寄与率マトリクスＲｍｔｘは、あらかじめ、制御器３１のＲＯＭ（図示せず）に、設定値として格納されている。

ステップＳ６５において、角加速度ベクトルｘ、および特定位相トルク影響度ベクトルｙの平均値を算出する。ステップＳ６６において、角加速度ベクトルｘ、および特定位相トルク影響度ベクトルｙの相関係数Ｒ＿ｍｇを算出し、ステップＳ６７で、ベクトル要素ｉを初期化して、相関係数算出器５１の１周期の処理フローが終了する。

図５に戻り、トルク変動抑制制御器４６の動作を、さらに、説明する。
比例積分フィードバック器５２は、相関係数＿Ｒｍｇの値を、その目標値である零にするためのフィードバック係数ｋ＿ｃｏｒを算出する。この比例積分フィードバック器５２における比例ゲインおよび積分ゲインは、制御器３１のＲＯＭに記憶されており、オーバーシュートが大き過ぎず、適切な整定時間が得られるように設定する。トルク寄与率算出器５３は、位相に応じて、各相電機子電流の特定位相に対するトルク寄与率マトリクスＲｍｔｘに基づき、変数Ｒ＿ｔｈｅｔａを算出する。変数Ｒ＿ｔｈｅｔａは、現在位相（θ）における、各電機子電流の特定位相に対するトルク寄与率ベクトルである。

座標変換器５５は、フィードバック係数ｋ＿ｃｏｒおよび変数Ｒ＿ｔｈｅｔａの乗算結果を、ｄｑ軸電流補正項ｉｄｑ＿ｃｏｒとして出力する。この座標変換は一般的な手法であり、磁極方向をｄ軸、それと電気的に直交する軸をｑ軸として変換し、指令値通りに制御することにより、任意の要求トルクと一致したトルクを発生させることができる。

図４に戻り、制御器３１の動作を、さらに、説明する。
加算器４９で、トルク／電流変換器４２が出力するｄｑ軸電流目標値（ベース）ｉｄｑ＿ｂａｓｅと、トルク変動抑制制御器４６が出力するｄｑ軸電流補正項ｉｄｑ＿ｃｏｒと、を加算することで、必要なトルクを得ながら、特定位相の温度によるトルク変動を抑制する目標電流値ｉｄｑ＿ｒを算出することができる。

また、電流フィードバック器４４へ、加算器４９が出力する目標電流値ｉｄｑ＿ｒとともに、座標変換器４１にて算出された３相からｄｑ軸に変換された検出電流ｉｄｑ＿ｆｂを入力して、フィードバック制御によりｄｑ軸の目標電圧を算出する。さらに、その算出値に非干渉制御器４３にて算出された回転数に応じた逆起電力ｖｄｅ／ｖｑｅをフィードフォワード的に加算することで、上記フィードバックの応答性を高める非干渉制御も併用して、ｄｑ軸目標電圧ｖｄｑ＿ｒを算出する。

さらに、このｄｑ軸目標電圧ｖｄｑ＿ｒを、位相信号θと併せて座標変換器４５に入力することで、最適な３相目標電圧Ｖｕｖｗを得ることができる。この３相目標電圧Ｖｕｖｗをインバータ３２が有するＰＷＭ回路へ出力し（図１参照）、ＰＷＭ回路に組み込まれた搬送波との比較により、各相のオン／オフを決定する。

電動機システムＭＳ１にて上述の制御アルゴリズムを実行することで、特定位相での減磁によるトルク変動を制御することが可能となる。さらに、図４において、温度推定器４７にて、ｄｑ軸電流補正項ｉｄｑ＿ｃｏｒと、ｄｑ軸電流目標値ｉｄｑ＿ｂａｓｅとの比に、あらかじめ制御器３１のＲＯＭに記憶された係数を乗ずることによりトルク比を算出し、さらに、制御器３１のＲＯＭに、あらかじめ記憶された図７（ｂ）に示されるようなトルク比と温度の関係から、温度を推定することが可能となる。推定温度が閾値を超えた場合、トルク／電流変換器４２への入力トルクに制限を加えることで、電動機３４への入力電流を抑え、電動機３４を保護する。

また、上述のような温度推定アルゴリズムを、トルクや回転数などの時間変化が少ない領域のみに限定して適用するため、ｄｑ軸電流目標値ｉｄｑ＿ｂａｓｅや角速度ωを時間微分することにより時間変化量を算出し、それらが制御器３１のＲＯＭに記憶された閾値となった際に、制御器３１のＲＯＭに記憶された一定時間、比例積分フィードバック器５２を停止することで、温度推定値を、より精密化することが可能となる。即ち、回転子１４の特定位相に配置された永久磁石の温度計測は、電動機３４のトルク、電流、または速度等、電動機３４に係るパラメータの時間変動が一定値以下の定常状態にある期間に実行される。

さらに、個々の製品が有する固体ばらつきの影響を抑制するため、出荷前にそのばらつきを測定し、制御器３１のＲＯＭ（特定の機器を使用することにより書き換え可能なもの）にその測定結果を記憶させることで、よりばらつきの影響を軽減することも可能である。特に、この温度推定アルゴリズムは、一様なばらつきに対しての影響を受けにくいという特徴を有するものの、回転方向のばらつきは、その影響を受ける。そのため、出荷前検査においては、実際に、温度を常温時および高温時の両方で回転させてトルク変動を計測し、各相電機子電流が特定位相に影響する位相毎のトルク寄与率マトリクスＲｍｔｘを、その出荷前検査における測定値に応じて書き換えることで、固体ばらつきによる影響を抑制することが可能となる。

＜実施の形態２＞
図８は、実施の形態２に係る電動機システムＭＳ２の構成を示すブロック図である。

図８において、図１と同一の符号が付されたものは、同一の機能または構成を有し、それらの重複説明は省略する。図８の電動機システムＭＳ２は、図１の電動機システムＭＳ１において、制御器３１を制御器３１Ａに置き換え、さらに、電動機３４と接続機器３６の間に、トルク検出器３７を配置した構成に対応する。

図９は、図８の電動機システムＭＳ２が備える制御器３１Ａのブロック図である。
図９の制御器３１Ａの構成は、図４の制御器３１が備えるトルク変動抑制制御器４６と、そのトルク変動抑制制御器４６の入力信号および出力信号を供給する信号配線と、積分器４８および加算器４９を削除した構成に対応する。即ち、この制御器３１Ａの構成は、トルク検出器３７により、電動機３４が出力する軸トルクを直接検出する形態を備える。また、制御器３１Ａにおいて、制御器３１のトルク変動抑制制御器４６が不要となるため、トルク／電流変換器４２により得られたｄｑ軸電流目標値を目標電流値ｉｄｑ＿ｒとして電流フィードバック器４４へ出力する。

回転子の永久磁石の温度推定は、実施の形態１に係る電動機システムＭＳ１では、温度推定器４７により、軸電流目標値ｉｄｑ＿ｂａｓｅおよび軸電流補正項ｉｄｑ＿ｃｏｒの比率から推定していたのに対し、実施の形態２に係る電動機システムＭＳ２では、ベーストルクと変動成分の比率から推定する。ここで、変動成分の比率は、あらかじめ制御器３１ＡのＲＯＭに記憶された、単位トルク変動が発生する際に発生する１周期分のトルク変動の時系列データ（トルク変動リファレンスベクトル）との相互相関関数により推定する。

図１０は、相互相関関数Ｒ＿ｔｒｑの算出フロー図である。
まず、位相に応じたトルクベクトルＴｒｑ＿ｒｅｌ（ｉ）を記憶する。位相分解能をｍとし、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３で、現在の位相（ベクトル要素番号）を決定する。例えば、６度毎に算出する場合は位相分解能ｍの値は６０となり、ベクトル要素番号ｉは、６度毎にインクリメントされる。ベクトル要素番号ｉが６０となった次の制御周期で、ベクトル要素番号ｉの値は１にリセットされる。

ステップＳ１０４において、トルクベクトルＴｒｑ＿ｒｅｌ（ｉ）に、計測トルクＴｒｑ＿ｒａｗの現在値を入力する。ステップＳ１０５において、トルク変動リファレンスベクトルＴｒｑ＿ｒｅｆ（ｊ）とトルクベクトルＴｒｑ＿ｒｅｌ（ｉ）との相互相関関数Ｒ＿ｔｒｑを算出する。ここで、到達遅れ補正値ｎτの値は、基本的に零で問題無いが、無視できない無駄時間を有する系では、その無駄時間に相当する到達遅れ補正値ｎτの値を、あらかじめＲＯＭに記憶しておく。このステップＳ１０５で算出された相互相関関数Ｒ＿ｔｒｑに単位トルクを乗ずることで、特定位相の温度特性によるトルク低下分を算出することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１ 固定子、１２，１３ 永久磁石、１４ 回転子、３１，３１Ａ 制御器、３２ インバータ、３３ 電流センサ、３４ 電動機、３５ 位相検出器、３６ 接続機器、３７ トルク検出器、４１ 座標変換器、４２ 電流変換器、４３ 非干渉制御器、４４ 電流フィードバック器、４５ 座標変換器、４６ トルク変動抑制制御器、４７ 温度測定器、４８ 積分器、４９ 加算器、５１ 相関係数算出器、５２ 比例積分フィードバック器、５３ トルク寄与率算出器、５４ 乗算器、５５ 座標変換器、ｉ ベクトル要素番号、ｉｄｑ＿ｂａｓｅ ｄｑ軸電流目標値、ｉｄｑ＿ｃｏｒ ｄｑ軸電流補正項、ｉｄｑ＿ｆｂ 検出電流、ｉｄｑ＿ｒ 目標電流値、Ｉｍｔｘ 電流値マトリクス、Ｉｕｖｗ 相電流信号、ｋ＿ｃｏｒ フィードバック係数、ＭＳ１ 電動機システム、ＭＳ２ 電動機システム、ｍ 位相分解能、ｎτ 補正値、Ｒ＿ｍｇ 相関係数、Ｒ＿ｔｈｅｔａ 変数、Ｒ＿ｔｒｑ 相互相関関数、Ｒｍｔｘ トルク寄与率マトリクス、Ｔｒｑ＿ｒｅｆ（ｊ） トルク変動リファレンスベクトル、Ｔｒｑ＿ｒａｗ 計測トルク、Ｔｒｑ＿ｒｅｌ（ｉ） トルクベクトル、ｖｄｅ／ｖｑｅ 逆起電力、ｖｄｑ＿ｒ 軸目標電圧、Ｖｕ／Ｖｖ／Ｖｗ 相電圧指令値、Ｖｕｖｗ 相目標電圧、ｘ 角加速度ベクトル、ｙ 特定位相トルク影響度ベクトル、θ 位相信号、ω’ 角加速度、ω 角速度。

Claims (7)

1. 電動機であって、
   周方向に沿って配置された複数の永久磁石を有する回転子と、
   前記回転子と対向して配置される固定子と、
   を有し、
   前記回転子において、前記複数の永久磁石のうち、特定位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性は、他の位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性と異なる、電動機。
2. 電動機システムであって、
   電動機と、
   前記電動機を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記電動機は、
   周方向に沿って配置された複数の永久磁石を有する回転子と、前記回転子と対向して配置される固定子と、を含み、
   前記回転子において、前記複数の永久磁石のうち、特定位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性は、他の位相に配置された永久磁石の磁化の温度特性と異なり、
   前記制御装置は、制御器、インバータ、電流センサ、および位相検出器を含み、
   前記制御器は、
   前記電流センサが出力する相電流信号および前記位相検出器が出力する位相信号に基づき、ｄｑ軸電流補正項の値を算出し、
   トルク指令に基づき、ｄｑ軸電流目標値を算出し、
   前記ｄｑ軸電流補正項の値と、前記ｄｑ軸電流目標値との比較結果に基づき、前記回転子の複数の永久磁石の推定温度を算出する、電動機システム。
3. 前記制御器は、相関係数算出器を含み、
   前記相関係数算出器は、
   前記回転子の毎制御周期における角加速度ベクトルと、
   前記相電流信号の各相および位相毎の電流値マトリクスと、
   前記回転子の各相の電流が前記特定位相に影響する位相毎のトルク寄与率マトリクスと、の内積を算出し、位相毎の特定位相トルク影響度ベクトルを記憶し、
   前記角加速度ベクトルおよび前記特定位相トルク影響度ベクトルの平均値を算出し、
   前記角加速度ベクトルおよび前記特定位相トルク影響度ベクトルの相関係数を算出し、
   前記相関係数の算出結果に基づき、前記ｄｑ軸電流補正項を出力する、
   請求項２記載の電動機システム。
4. 前記制御器は、さらに、前記ｄｑ軸電流補正項の値と、前記ｄｑ軸電流目標値との比較結果に基づき、前記電動機のトルク変動を打ち消すためのフィードバック動作を実行する、請求項２記載の電動機システム。
5. 前記回転子の特定位相に配置された永久磁石の推定温度の算出は、前記電動機に係るパラメータの時間変動が一定値以下の定常状態にある期間に実行される、請求項２記載の電動機システム。
6. 前記制御器は、記憶部を含み、
   前記記憶部は、所定の温度における前記電動機のトルクおよび電流の関係を格納し、
   前記制御器は、前記ｄｑ軸電流補正項の値、前記ｄｑ軸電流目標値、および前記記憶部の格納値に基づき、前記回転子の複数の永久磁石の推定温度を算出する、請求項２記載の電動機システム。
7. 前記制御器は、前記回転子の複数の永久磁石の推定温度が閾値を超えた場合、前記電動機への入力電流を抑制する、請求項２記載の電動機システム。

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