(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機の３相交流電流の２相以上の交流電流を検出する電流センサと、前記同期電動機の温度を検出する温度センサと、前記同期電動機の温度上昇を抑制する温度保護装置とを備えた同期電動機において、前記温度センサは前記３相の交流電流を供給する巻線のうちの１つの巻線の温度を検出する位置に設けられ、前記温度センサによって検出された温度と前記電流センサによって検出された電流値との関係に基づいて前記温度センサを付設していない他の巻線の温度を該他の巻線の前記電流センサによって検出された電流値から算出する温度推定装置を有し、前記温度保護装置は前記予測された温度に基づいて前記同期電動機へのトルク指令を算出して出力することにより前記温度上昇を抑制するものであることを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
請求項１において、前記温度センサの付設位置が前記巻線の最過熱部であることを特徴とする同期電動機。
【請求項３】
バッテリから電力変換器を通して電力の供給受ける同期電動機を備えた電気車において、前記同期電動機は請求項１又は２から成ることを特徴とする電気車。
【請求項４】
同期電動機の３相交流電流の２相以上の交流電流を検出すると共に、前記同期電動機の３相交流電流を供給する巻線の温度を検出し、該検出された温度に基づいて前記同期電動機の温度上昇を抑制する同期電動機の制御方法において、前記検出する温度は前記３相の交流電流を供給する巻線のうちの１つの巻線の温度を検出するものであり、前記検出された温度と電流値との関係に基づいて他の巻線の温度を該他の巻線で検出された電流値から算出し、該予測された温度に基づいて前記同期電動機の温度上昇を抑制することを特徴とする同期電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な同期電動機とそれを用いた電気車及びその制御方法に係り、好ましくは電気車に搭載される同期電動機を駆動する制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用を初め、広い分野に普及している電動機は温度センサが付設されているものが多く、温度が異常に上昇した際は、通電量を制限したり冷却器を動作させ、機器の破損を回避する構成をとるのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
同期電動機は、特定の回転数以下で通電すると各相毎に発熱量が大きく異なるため、巻線の各相間に温度差が生じる。このため、巻線温度を所定値以下となるように温度保護を掛ける場合、温度センサを各相毎に付設する必要がある。しかし、作業性の制約から温度センサを各相毎に付設すること、その位置も巻線の最過熱部に必ずしも設定できないという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、１個所の温度測定によって巻線の最過熱部の温度を予測し、同期電動機の異常な温度上昇を抑制した同期電動機とそれを用いた電気車及びその制御方法を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同期電動機の３相交流電流の２相以上の交流電流を検出する電流センサと、前記同期電動機の温度を検出する温度センサと、前記同期電動機の温度上昇を抑制する温度保護手段とを備えた同期電動機において、前記温度センサは前記３相の交流電流を供給する巻線のうちの１つの巻線の温度を検出する位置に設けられ、前記温度センサによって検出された温度と前記電流センサによって検出された電流値との関係に基づいて前記温度センサを付設していない他の巻線の温度を該他の巻線の前記電流センサによって検出された電流値から算出する温度推定装置を有し、前記温度保護装置は前記予測された温度に基づいて前記同期電動機へのトルク指令を算出して出力することにより前記温度上昇を抑制するものであることを特徴とする。
【０００６】
前記温度センサの付設位置が前記巻線の最過熱部であることが好ましい。
【０００７】
本発明は、バッテリから電力変換器を通して電力の供給受ける同期電動機を備えた電気車において、前記同期電動機は前述の同期電動機から成ることを特徴とする。
【０００８】
本発明は、同期電動機の３相交流電流の２相以上の交流電流を検出すると共に、前記同期電動機の３相交流電流を供給する巻線の温度を検出し、該検出された温度に基づいて前記同期電動機の温度上昇を抑制する同期電動機の制御方法において、前記検出する温度は前記３相の交流電流を供給する巻線のうちの１つの巻線の温度を検出するものであり、前記検出された温度と電流値との関係に基づいて他の巻線の温度を該他の巻線で検出された電流値から算出し、該予測された温度に基づいて前記同期電動機の温度上昇を抑制することを特徴とする。
【０００９】
即ち、モータ交流電流検出値Iu，Iv，Iwとモータ実温度検出値Tsより、特定の関係式に基づいてV相W相の巻線温度の最過熱部温度を計算により求めることにより、取り付ける温度センサを１つにすることができる。また、温度センサを巻線の最過熱部に付設しなくても、最過熱部と温度のセンシング位置の温度の相関が既知であれば、温度センサの取付け位置を作業の容易な位置にすることができ、高い生産性が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の制御装置を備えた同期電動機を適用した電気車用駆動制御システムの構成図である。同期電動機１は永久磁石型同期電動機でありバッテリ７を電源とし、電力変換器２を逆変換器すなわちインバータをして電力の供給を受ける。永久磁石型同期電動機１には、電力変換器２の直流入力側には、入力電圧を平滑するコンデンサ５と、電力変換器２への直流入力電圧を測定する直流入力電圧センサ６が接続され、直流入力電圧値を制御装置８に伝達する。また、電力変換器２の交流電力出力側には、同期電動機１の交流電流を計測する電流センサ９がU相，V相，W相にそれぞれ設置され、各相の交流電流値をモータ温度推定装置１１に伝達する。また、永久磁石型同期電動機１にはモータ温度センサ４が巻線のU相に付設され、モータ温度センサ４の信号はモータ温度推定装置１１に入力する。制御装置８は、トルク指令Tref１を温度保護装置１０より得て、トルク指令Tref通りのトルクを出力するため、６相PWM信号を電力変換器２に送り、電力変換器２を制御する。温度保護装置１０では、図示されない回路より基準トルク指令Trefを受け、モータ温度推定装置１１の出力するモータ温度最大値に基づいてモータ温度上昇を抑制するトルク指令Tref1を算出して出力する。
【００１１】
図２はモータ巻線の温度モデルを示す図である。R，Cはそれぞれ熱抵抗と熱容量を現し、Wは発熱量、Tｗは冷却水温度を現す。ステータ層とコイル層の区別には、添え字“a”，“ｃ”を付ける。簡略化のため、冷却水層は流路の有無による温度分布は無しとし冷却水の温度分布は均一とする。熱源は巻線のロスのみとし、鉄損及びシャフト等を介して伝わるエンジン系の熱の出入りは無視する。また、コイルはマスとして扱う。コイル層とステータ層間のスロットライナは、通常、熱容量が極めて小さいので時定数を無視し、抵抗分はコイル層とステータ層のどちらかに含めて扱う。温度センサは、U相巻線の最過熱部に付設することとする。
【００１２】
このモータの巻線部の温度上昇は、特に低速回転域において、通電による発熱が主たるもので、UVW相の発熱量は、
発熱量Wu＝ｒ・Iu2，  Wu＝ｒ・Iv2，  Wu＝ｒ・Iw2          式（１）
Wｘ：UVW相巻線の発熱量，ｒ：巻線抵抗，Iｘ：UVW相巻線の通電量
にて定式化できる。UVW相それぞれの巻線温度Tu，Tv，Tｗを図２の物理モデルに従い、数理モデルに展開すると、下記の式（２）〜（５）にて表現される。
【００１３】
【数１】
0003668666.tif 000002
【００１４】
【数２】
0003668666.tif 000003
【００１５】
【数３】
0003668666.tif 000004
【００１６】
【数４】
0003668666.tif 000005
【００１７】
但し、ステータに流入する熱量は数理解
W＝｛（Wu＋Wv＋Ww）−Cc・Ta・ｓ｝/｛１＋τｃ・ｓ｝      式（６）
を使う代わりに、簡略化のため、下記の式（７）とし、簡略する。
W＝（Wu＋Wv＋Ww）                                    式（７）
【００１８】
温度センサはU相に付設されているとしたのでU相巻線温度Tuは直接観測できる。また、U相電流Iuは電流センサから求まり巻線抵抗ｒと熱抵抗Rcと熱時定数τaは予め既知であることから、式（２）を変更した式（８）により、ステータ温度による巻線温度変化分Tｆが求まる。
【００１９】
【数５】
0003668666.tif 000006
【００２０】
又、VW相電流IvIwも電流センサから求められるため、式（１）（３）（４）（８）に基づけばVW相巻線温度Tv，Tｗも計算により算出できる。
【００２１】
ここで、モータ温度推定装置１１は、メモリＲＯＭに記録されたプログラムと、このプログラムを読み出しプログラムの手順に沿って所定の処理を実行するＣＰＵと、前記プログラムや、処理に必要な関数、定数、データ等を記録するメモリＲＡＭを含むコンピュータによって構成する。
【００２２】
図３は、図１のモータ温度推定装置用プログラムの処理フローをフローチャートにより示したものである。このＣＰＵは所定のインターバルでこのプログラムを実行する。
【００２３】
プログラムフローは、図中のステップ▲１▼で、温度センサの出力する実温度データTsを入力し、更に、交流電流センサ出力Iu,Iv,Iwを入力する。次に、図中のステップ▲２▼で、回転数の大きさを判定し、回転数の大きさが所定値以下の場合（図中のYES）、以下ステップ▲３▼以下を実行し、回転数の大きさが所定値より大きい場合（図中のNO）は図中のステップ(10)を実行する。ステップ▲３▼では、交流電流センサ出力Iu,Iv,Iwを使い前述の式（１）に基づき各巻線の発熱量Wu,Wv,Wwを算出する。次にステップ▲４▼にて、TsをU相巻線の最過熱部温度に換算する。例えば、実温度データTsとU相巻線の最過熱部温度Tuの差が通電量の自乗に比例している場合、Tu ＝ Ts ＋ Ｋ・Ｉu2 にて補正すればよい。次にステップ▲５▼では、式（８）により、ステータ温度影響分Tfを求める。次にステップ▲６▼で、IvとTfに基づき式（３）にてTvを求める。次にステップ▲７▼で、IvとTfに基づき式（４）にてTｗを求める。ステップ▲８▼で、Tu，Tv，Tｗの内最大温度を選択し、メモリ上に配置したバッファBufに出力する。一方、ステップ(10)では、温度推定計算を停止し前述のバッファBufには実温度データTsをそのまま出力すると共に、ステップ▲４▼〜▲７▼で使用するフィルタ変数の初期化を行う。ステップ▲９▼では、最大温度の急激に変化させない様に時間当たりの変化を制限する。
【００２４】
図４は温度センサ出力の時間応答補正方法を示す回路図である。ここまでは、温度センサ付設位置をU相巻線の最過熱部としたが、作業の関係で最過熱部に付設できない場合、別の位置に付設し、式（９）の様に補正してTuを換算しても良い。また、温度センサの応答がモータの温度の時定数より遅いときには、図４に示すトラッキングループで実温度を補正する。１例として、図４では温度センサの応答は１次遅れとした。
Tu＝ｆ（温度センサ検出値），ｆ（ ）：温度センサの補正関数  式（９）
【００２５】
従って、以上の実施例はモータ温度センサをU相付設としたが、V相及びW相のいずれかに付設しても同様の計算にて機能を提供できることは明らかである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、モータの巻線３相に各々１つの温度センサを付設する必要がなく、温度センサを１つとすることができるため操作が容易にできる。又、温度センサは必ずしも応答速度の早いものでなくても、高精度で所望のモータの温度データを得られるので、温度センサの付設位置は取り付け容易な位置で、又、最過熱部でなくても良いので、モータ製造における作業性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の同期電動機制御装置を備えた電気車の駆動制御システム構成図。
【図２】モータ巻線の温度モデル。
【図３】図１のモータ温度推定装置の処理フロー図。
【図４】温度センサ出力の時間応答補正方法を示す回路図。
【符号の説明】
１…同期電動機、２…電力変換器、４…モータ温度センサ、５…平滑コンデンサ、７…バッテリ、８…電動機制御装置、９…交流電流センサ、１０…モータ温度保護装置、１１…モータ温度推定装置
【図１】
0003668666.tif 000007
【図２】
0003668666.tif 000008
【図３】
0003668666.tif 000009
【図４】
0003668666.tif 000010