(57)【要約】【課題】汎用性の高い電動機のロータの温度推定装置を提供する。【解決手段】トルク計６によって検出された、駆動信号（三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）に従って動作する電動機１の実際のトルクである出力トルクＴｏｕｔと、トルク演算器１３が、駆動信号（三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）と、電動機１の位置検出信号（回転角θｍ）と、ｄ軸インダクタンスと、ｑ軸インダクタンスと、基準温度における、永久磁石界磁によるｄ軸電機子巻線と鎖交する磁束に基づいて演算した、基準温度における電動機１のトルクである演算トルクＴｒｅｆ２０と、を取得して、出力トルクＴｏｕｔと演算トルクＴｒｅｆ２０との差分に基づいて、電動機１の温度を推定する。【選択図】図１
2018093642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク計によって検出された、駆動信号に従って動作する電動機の実際のトルクである出力トルクと、
トルク演算器が、前記駆動信号と、前記電動機の位置検出信号と、ｄ軸インダクタンスと、ｑ軸インダクタンスと、基準温度における、永久磁石界磁によるｄ軸電機子巻線と鎖交する磁束に基づいて演算した、基準温度における前記電動機のトルクである演算トルクと、を取得して、
前記出力トルクと演算トルクとの差分に基づいて、前記電動機のロータの温度を推定する、温度推定装置。
【請求項２】
前記電動機のロータの温度をτ、前記出力トルクをＴｏｕｔ、前記演算トルクをＴｒｅｆ、前記電動機で用いられる永久磁石の残留磁束密度温度係数をｋ、および前記基準温度をｔ０として、
【数１】
2018093642.tif 000008
を演算することによって前記電動機のロータの温度を推定する、請求項１に記載の温度推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機のロータの温度推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を用いた電動機は、温度が上昇すると永久磁石の磁束密度が減少してトルクが低下する。電動機が高温状態になると、トルクの低下により電動機が動かす機械装置の性能が低下するおそれがある。そのため、電動機のロータの温度を推定する装置を設けることがある。
【０００３】
例えば、特許文献１は、ロータの損失量と冷媒の温度とに基づいて電動機の磁石温度を推定する温度推定装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−９３８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の温度推定装置は、予めトルクおよび回転数を測定して、同じ量の損失量を実線で繋げたマップである損失量マップを用意する必要がある。したがって、電動機毎にトルクおよび回転数を変化させながら損失量を測定する必要があり、汎用性が高いとは言えなかった。
【０００６】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、汎用性の高い電動機のロータの温度推定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る温度推定装置は、トルク計によって検出された、駆動信号に従って動作する電動機の実際のトルクである出力トルクと、トルク演算器が、前記駆動信号と、前記電動機の位置検出信号と、ｄ軸インダクタンスと、ｑ軸インダクタンスと、基準温度における、永久磁石界磁によるｄ軸電機子巻線と鎖交する磁束に基づいて演算した、基準温度における前記電動機のトルクである演算トルクと、を取得して、前記出力トルクと演算トルクとの差分に基づいて、前記電動機のロータの温度を推定する。
【０００８】
また、好ましくは、前記電動機のロータの温度をτ、前記出力トルクをＴｏｕｔ、前記演算トルクをＴｒｅｆ、前記電動機で用いられる永久磁石の残留磁束密度温度係数をｋ、および前記基準温度をｔ０として、
【数１】
2018093642.tif 000003
を演算することによって前記電動機のロータの温度を推定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態に係る温度推定装置によれば汎用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る温度推定装置を用いた電動機の制御システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１２】
（電動機の制御システム）
図１は、本実施形態に係る温度推定装置１１を用いた電動機１の制御システム２０の構成例を示す図である。制御システム２０は、例えば自動車用試験システムであるが、これに限らずトルク計が搭載されるあらゆる種類の電動機１の制御システムとして適用可能である。
【００１３】
制御システム２０は、電動機１と、電力変換器２と、負荷５と、トルク計６と、位置センサ７と、電流検出器８と、温度推定装置１１と、電流制御器１２と、トルク演算器１３と、を備える。
【００１４】
図１に示されるように、電動機１は直流交流変換する電力変換器２を用いて給電され、駆動される。本実施形態において電力変換器２は三相ＰＷＭインバータである。三相ＰＷＭインバータは公知の構成を用いることができる。また、電力変換器２は例えば系統と接続されて使用される。
【００１５】
電動機１の出力側には負荷５が接続される。電動機１と負荷５との間には、電動機１の実際のトルクを測定するためのトルク計６が設けられている。トルク計６は電動機１に接続されて、検出した電動機１の出力トルクＴｏｕｔを温度推定装置１１に出力する。トルク計６は例えばフランジ型であってもよいが、これに限定されるものではない。
【００１６】
また、電動機１には位置センサ７が取り付けられている。位置センサ７は、ステータの基準に対してロータの回転位置（回転角θｍ）を検出するものである。位置センサ７に用いられるものとして、例えばエンコーダやレゾルバなどがあるが、これに限定されるものではない。
【００１７】
また、電動機１と電力変換器２との間には電流検出器８が接続されている。電流検出器８は、電動機１から電力変換器２に流れる三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する。
【００１８】
電流制御器１２は、電流指令（ｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆおよびｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆ）を取得して三相電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを出力する。また、電流制御器１２は、電流検出器８によって検出された三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと、位置センサ７によって検出された回転角θｍと、を取得する。ここで、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは電動機１の駆動信号の一例である。また、回転角θｍは電動機１の位置検出信号の一例である。
【００１９】
電流制御器１２は、二相の電流に変換した三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが電流指令に一致するように三相電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを生成する。電流制御器１２は、例えば電流指令と、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに基づく電流（ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑ）と、を用いてＰＩ制御を行う。ここで、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑは、例えば三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを三相二相変換して得られるαβ軸系での電流ｉαおよびｉβを、更に回転角θｍを用いて回転座標変換することで得られる。
【００２０】
トルク演算器１３は、d軸インダクタンスＬｄと、ｑ軸インダクタンスＬｑと、鎖交磁束φ２０と、を取得する。また、トルク演算器１３は、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと、回転角θｍと、を取得する。トルク演算器１３は、温度推定装置１１に演算トルクＴｒｅｆ２０を出力する。d軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、および鎖交磁束φ２０は、電動機１で用いられる磁石の特性によって定まる。トルク演算器１３は、d軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、および鎖交磁束φ２０を電動機１の特性を記憶した記憶部（例えば半導体メモリ、磁気メモリ等）から取得してもよい。演算トルクＴｒｅｆ２０は下記の出力トルクの式（１）によって求められる。
【００２１】
【数２】
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【００２２】
ここで、ｐは電動機１で用いられる永久磁石の極対数である。鎖交磁束φ２０は、基準温度（本実施形態においては２０℃）における、永久磁石界磁によるｄ軸電機子巻線と鎖交する磁束である。ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑは、電流制御器１２についての説明で述べた通り、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗおよび回転角θｍを用いた演算で得られる。式（１）で用いられる係数のうち鎖交磁束φ２０は温度依存性がある。つまり、２０℃でない温度における鎖交磁束φは、鎖交磁束φ２０と異なる。一方、d軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑは、温度が変わっても変化しない。
【００２３】
別の実施例として、トルク演算器１３はトルクマップを用いて演算トルクＴｒｅｆ２０を演算してもよい。制御システム２０は、電動機１の回転数およびトルク毎の最適なｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑをテーブル化したトルクマップを用いることがある。トルクマップは例えばシミュレーション結果等に基づいて作成される。トルク演算器１３は、上記の式（１）ではなく、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗおよび回転角θｍから得たｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑと、トルクマップと、を用いて演算トルクＴｒｅｆ２０を演算してもよい。
【００２４】
温度推定装置１１は、出力トルクＴｏｕｔと、演算トルクＴｒｅｆ２０と、を取得する。また、温度推定装置１１は後述する残留磁束密度温度係数ｋを取得する。温度推定装置１１は、電動機１のロータの温度τを演算で求めて（推定して）、信号Ｗとして出力する。ここで、演算トルクＴｒｅｆ２０は、基準温度（本実施形態においては２０℃）における電動機１のトルクの値である。電動機１の温度が２０℃よりも上昇すると、鎖交磁束φが式（１）で用いられた鎖交磁束φ２０から変化するので、演算トルクＴｒｅｆ２０より出力トルクＴｏｕｔが小さくなる。温度推定装置１１は、トルク計６によって検出された出力トルクＴｏｕｔと、演算トルクＴｒｅｆ２０との差分に基づいて、電動機１のロータの温度τを演算で求めることができる。ここで、温度推定装置１１は、信号Ｗとして、演算で求めた温度τに代えて電動機１のロータの温度τが所定の温度（例えば１５０℃）を超えたことを示すアラート信号を出力してもよい。例えば、制御システム２０の動作全般を制御するメインコントローラ（図外）が、温度推定装置１１からの信号Ｗを取得してもよい。そして、メインコントローラは、電動機１のロータの温度τが所定の温度を超えたと判断する場合に、電動機１の出力トルクＴｏｕｔを抑えるように電流指令を調整したり、保護のために電動機１を停止させたり、してもよい。
【００２５】
（温度の演算）
温度推定装置１１は、電動機１のロータの温度τを以下に説明する式を用いて演算することができる。電動機１で用いられる永久磁石は、温度特性の一つとして固有の残留磁束密度温度係数ｋ［％／Ｋ］を有する。本実施形態において基準温度は２０℃であるため、残留磁束密度温度係数ｋと、電動機１のロータの温度τと、出力トルクＴｏｕｔと、演算トルクＴｒｅｆ２０と、の間に下記の式（２）の関係が成り立つ。
【００２６】
【数３】
2018093642.tif 000005
【００２７】
式（２）の左辺は、電動機１のロータの温度τの２０℃からの上昇分（τ−２０）に残留磁束密度温度係数ｋを乗じて得られる磁束の変化率［％］を表す。一方、式（２）の右辺のように、磁束の変化率［％］は、２０℃のトルク（演算トルクＴｒｅｆ２０）を基準とする出力トルクＴｏｕｔの変化率としても得られる。よって式（２）が成り立つ。また、式（２）を変形することで下記の式（３）が得られる。
【００２８】
【数４】
2018093642.tif 000006
【００２９】
温度推定装置１１は、式（３）で得られた電動機１のロータの温度τ（または温度τに基づく信号）を信号Ｗとして出力する。例えば、電動機１にネオジム磁石が用いられるとする。ネオジム磁石の残留磁束密度温度係数ｋは、一例として−０．１［％／Ｋ］である。また、温度推定装置１１は、演算トルクＴｒｅｆ２０＝８０［Ｎｍ］、出力トルクＴｏｕｔ＝６８［Ｎｍ］を取得したとする。このとき、温度推定装置１１は、式（３）を用いて演算することによって、電動機１のロータの温度τが１７０℃であると推定する。そして、温度推定装置１１は、温度τが１７０℃であることを示す信号Ｗを出力する。別の例として、温度推定装置１１は、温度τが所定の温度（例えば１５０℃）を超えたことを示す信号Ｗを出力する。このとき、信号Ｗを取得したメインコントローラは、電動機１の出力トルクＴｏｕｔを抑えるように電流指令を調整してもよい。
【００３０】
以上に説明したように、本実施形態に係る温度推定装置１１は、トルク計６によって検出された、駆動信号（三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）に従って動作する電動機１の実際のトルクである出力トルクＴｏｕｔを取得する。また、温度推定装置１１は、トルク演算器１３が少なくとも駆動信号（三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）と電動機１の位置検出信号（回転角θｍ）とに基づいて演算した、基準温度における電動機１のトルクである演算トルクＴｒｅｆ２０を取得する。温度推定装置１１は、出力トルクＴｏｕｔと演算トルクＴｒｅｆ２０との差分に基づいて、電動機１の温度を推定する。この温度の推定には、上記の式（３）が用いられる。
【００３１】
本実施形態に係る温度推定装置１１は、例えば損失量マップを作成するために予めトルクおよび回転数を測定する必要はない。そのため、特段の準備（損失量マップの作成等）をすることなく、様々な用途の電動機１の制御システム２０に適用可能である。つまり、本実施形態に係る温度推定装置１１は汎用性が高い。
【００３２】
本発明を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【００３３】
上記の実施形態において、基準温度は２０℃であったが、他の温度を基準温度にしてもよい。このとき、基準温度における演算トルクをＴｒｅｆ、基準温度をｔ０として、温度推定装置１１は、以下の式（４）によって電動機１のロータの温度τを演算（推定）できる。
【００３４】
【数５】
2018093642.tif 000007
【符号の説明】
【００３５】
１    電動機
２    電力変換器
５    負荷
６    トルク計
７    位置センサ
８    電流検出器
１１    温度推定装置
１２    電流制御器
１３    トルク演算器
２０    制御システム
【図１】
2018093642.tif 000009