(57)【要約】【課題】電動機の磁石に印加される逆磁界のピークを低減する。【解決手段】電動機１８に流れる電流の検出値を受けて、ｄ軸電流値及びｑ軸電流値に変換する３相／ｄｑ変換器２０と、ｄ軸電流値及びｑ軸電流値に応じて、電動機１８の磁石への逆磁界の高調波成分を抑制する高調波電流値を求める高周波電流設定手段２２と、ｄ軸電流値及びｑ軸電流値の少なくとも一方に高調波電流値を重畳させてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令値設定手段２４と、を設ける。【選択図】図１
2015159666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機に流れる電流の検出値を受けて、前記検出値をｄ軸電流値及びｑ軸電流値に変換するｄｑ軸変換手段と、
前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に応じて、前記電動機の磁石への逆磁界の高調波成分を抑制する高調波電流値を求める高調波電流設定手段と、
前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値の少なくとも一方に前記高調波電流値を重畳させてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令値設定手段と、
を備えることを特徴とする電動機コントローラ。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機コントローラであって、
前記高調波電流設定手段は、所定の電動機界磁モデルに基づいて前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に応じた前記高調波電流値を算出する、又は、ｄ軸電流値及びｑ軸電流値に対して前記電動機の磁石への逆磁界の高調波成分を抑制する高調波電流値を対応付けたデータマップに基づいて前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に対応する前記高調波電流値を求めることを特徴する電動機コントローラ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電動機コントローラであって、
前記高調波電流値は、前記電動機の磁石に対する逆磁界を与える高調波電流と逆位相の電流値であることを特徴とする電動機コントローラ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機コントローラであって、
前記高調波電流値は、基本周波数の３Ｎ次高調波（ただし、Ｎは自然数）である電流値であることを特徴とする電動機コントローラ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機コントローラであって、
電流指令値設定手段は、前記高調波電流値を重畳する前と後においてｄ軸電流値及びｑ軸電流値の時間平均が変わらないように前記高調波電流値を重畳させることを特徴とする電動機コントローラ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動機コントローラであって、
前記電流指令値設定手段は、前記磁石の温度に応じて前記高調波電流値を補正することを特徴とする電動機コントローラ。
【請求項７】
電動機と、
前記電動機に流れる電流の検出値を受けて、前記検出値をｄ軸電流値及びｑ軸電流値に変換するｄｑ軸変換手段と、
前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に応じて、前記電動機の磁石への逆磁界の高調波成分を抑制する高調波電流値を求める高調波電流設定手段と、
前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値の少なくとも一方に前記高調波電流値を重畳させてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令値設定手段と、
前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値に応じて電動機に流す電流を制御するインバータと、
を備えることを特徴とする電動機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機コントローラ及びそれを備えた電動機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機では、弱め磁界時に流れる交流電流に起因した磁石への逆磁界によって磁石の減磁を発生させるおそれがある。減磁が発生すると電動機の回転特性を劣化させる。
【０００３】
そこで、減磁界が強い部分の磁石を削る、又は、逆磁界が強い部分の保持力を高めることにより減磁の影響を低減させる技術が開示されている（特許文献１〜３）。また、磁石付近の空隙の構造を工夫して、磁石に印加される逆磁界を低減する技術が開示されている（特許文献４，５）。
【０００４】
また、磁石を分割することにより、磁石渦損による磁石の発熱を抑えることで熱による減磁耐力低減を抑える技術が開示されている（特許文献６，７）。また、磁石温度の上昇に伴う減磁の影響を低減させるために、通電電流自体を抑制する技術が開示されている（特許文献８，９）。さらに、磁石温度の上昇に伴う減磁の影響を低減させるために、電流リプルを減少させ、磁石渦損に伴う発熱による減磁を抑制する技術が開示されている（特許文献１０〜１３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１５８０９８号公報
【特許文献２】特開２０１２−４１４７号公報
【特許文献３】特開２００９−５１６３８２号公報
【特許文献４】特開２００３−１４３７８８号公報
【特許文献５】特開２０１３−１１８７７２号公報
【特許文献６】特開２０００−３２４７３６号公報
【特許文献７】特開２００５−３５４８９９号公報
【特許文献８】特開昭６２−８１９５０号公報
【特許文献９】特開２０１３−１９８２３４号公報
【特許文献１０】特開２０１２−２３９３３０号公報
【特許文献１１】特開２０１０−９３９８２号公報
【特許文献１２】特開２０１２−５２５２８７号公報
【特許文献１３】特開２００３−２８４３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、磁石の形状や磁石付近の空隙構造によって減磁を抑制する方法では、磁石の材質を変更したり、加工したりするためのコストが増加し、電動機システムの製造コストを上げてしまうおそれがある。
【０００７】
また、磁石の温度が上がったときに通電電流自体を抑制する方法では、電動機における有効トルクを発生させる基本波電流（基本周波数の電流）も制限されてしまうので、電動機の出力の低下を招くおそれがある。
【０００８】
さらに、電流リプルを減少させる方法では、磁石の温度上昇を抑制する効果はある程度見込めるが、減磁界の抑制には効果が少なく、電流の調整方法によってはかえって減磁界を強めてしまうおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、電動機に流れる電流の検出値を受けて、前記検出値をｄ軸電流値及びｑ軸電流値に変換するｄｑ軸変換手段と、前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に応じて、前記電動機の磁石への逆磁界の高調波成分を抑制する高調波電流値を求める高調波電流設定手段と、前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値の少なくとも一方に前記高調波電流値を重畳させてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令値設定手段と、を備えることを特徴とする電動機コントローラである。
【００１０】
本発明の別の態様は、電動機と、前記電動機に流れる電流の検出値を受けて、前記検出値をｄ軸電流値及びｑ軸電流値に変換するｄｑ軸変換手段と、前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に応じて、前記電動機の磁石への逆磁界の高調波成分を抑制する高調波電流値を求める高調波電流設定手段と、前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値の少なくとも一方に前記高調波電流値を重畳させてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令値設定手段と、前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値に応じて電動機に流す電流を制御するインバータと、を備えることを特徴とする電動機システムである。
【００１１】
ここで、前記高調波電流設定手段は、所定の電動機界磁モデルに基づいて前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に応じた前記高調波電流値を算出する、又は、ｄ軸電流値及びｑ軸電流値に対して前記電動機の磁石への逆磁界の高調波成分を抑制する高調波電流値を対応付けたデータマップに基づいて前記ｄ軸電流値及び前記ｑ軸電流値に対応する前記高調波電流値を求めることが好適である。
【００１２】
また、前記高調波電流値は、前記電動機の磁石に対する逆磁界を与える高調波電流と逆位相の電流値であることが好適である。
【００１３】
また、前記高調波電流値は、基本周波数の３Ｎ次高調波（ただし、Ｎは自然数）である電流値であることが好適である。
【００１４】
また、電流指令値設定手段は、前記高調波電流値を重畳する前と後においてｄ軸電流値及びｑ軸電流値の時間平均が変わらないように前記高調波電流値を重畳させることが好適である。
【００１５】
また、前記電流指令値設定手段は、前記磁石の温度に応じて前記高調波電流値を補正することが好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、磁石に印加される逆磁界のピークを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態における電動機システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における電動機電流の制御方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態における電動機システムの構成の別例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における減磁界の抑制効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態における電動機システムは、図１に示すように、電動機コントローラ１０、インバータ１２、電流センサ１４、回転センサ１６及び電動機１８を含んで構成される。電動機コントローラ１０は、電動機の回転に同期して回転するｄｑ軸座標系において電動機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを制御する回路である。電動機コントローラ１０は、インバータ１２を制御することによって電動機に流れる電動機電流を制御する。
【００１９】
電流センサ１４ａ、１４ｂは、電動機１８に流れるＵ相交流電流ｉｕとＶ相交流電流ｉｖを検出する。検出されたＵ相交流電流ｉｕとＶ相交流電流ｉｖは電動機コントローラ１０に入力される。なお、Ｗ相交流電流ｉｗはＵ相交流電流ｉｕとＶ相交流電流ｉｖによりｉｗ＝-ｉｕ-ｉｖとして求められる。
【００２０】
回転センサ１６は、電動機１８の出力軸に連結され、電動機１８の回転角を検出する。例えば、回転センサ１６は、電動機１８の回転角に応じたパルス信号を出力する。回転センサ１６の出力は、電動機コントローラ１０に入力される。電動機コントローラ１０は、回転センサ１６の出力を受けて、回転センサ１６からのパルス信号に基づいて電動機１８の回転速度ωを演算する。さらに、電動機コントローラ１０は、３相交流座標系から見たｄｑ軸座標系（基本波電流座標系）の回転角θｅを算出する。
【００２１】
電動機コントローラ１０は、電流センサ１４及び回転センサ１６からの出力を受けて、磁石へ影響を及ぼす減磁界を抑制するように電動機電流を制御する。電動機コントローラ１０は、図１に示すように、３相／ｄｑ変換器２０、高周波電流設定手段２２、電流指令値設定手段２４、電流／電圧変換器２６及びｄｑ／３相変換器２８を含んで構成される。電動機コントローラ１０の各構成は、ロジック回路で構成することもできるし、プログラマブルな処理部（ＣＰＵ等）によって実現することもできる。
【００２２】
３相／ｄｑ変換器２０は、電流センサ１４において検出された３相電流をｄｑ軸電流に変換するｄｑ軸変換手段に相当する。３相／ｄｑ変換器２０は、基本波電流に同期した電気的回転角θｅを用いて電動機電流（３相交流電流）ｉｕ、ｉｖをｄ軸実電流値ｉｄ及びｑ軸実電流値ｉｑへ変換する。
【００２３】
例えば、図２（ａ）に示すように回転角θｅに対して電動機電流（３相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）が流れている場合、図２（ｂ）に示すような回転角θｅに対するｄ軸実電流値ｉｄ及びｑ軸実電流値ｉｑの変化を算出することができる。
【００２４】
高周波電流設定手段２２は、ｄ軸実電流値ｉｄ及びｑ軸実電流値ｉｑに応じて、磁石に対する減磁界を低減させるための高周波電流値を設定する。すなわち、電動機の回転に伴って、永久磁石に対して高周波成分（電動機電流の基本周波数よりも高い周波数成分）を含む減磁界が発生するので、それを相殺するための高周波電流値を設定する。
【００２５】
電動機１８の機械的構造を考慮した磁界モデルに基づいて、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑが流れているときの永久磁石に対する減磁界をシミュレーションすることができる。そこで、予めシミュレーションによって、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑをパラメータとして回転角θｅに対する減磁界の高周波成分を求め、さらに減磁界の高周波成分を相殺するためのｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑの高周波成分を算出する。そして、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑの組み合わせ毎に減磁界の高周波成分を相殺するための高周波電流値（ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈ）をデータマップとして登録する。
【００２６】
なお、この高周波電流値（ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈ）は、電動機１８の磁石に対して逆磁界を与える原因となる高調波電流と逆位相の電流の値となる。換言すれば、高周波電流値（ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈ）は、電動機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの基本波成分の周波数の整数倍の周波数で回転する軸座標系において電動機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに重畳されることによって減磁界を相殺する高調波成分である。また、電動機１８が３相電流によって駆動される場合、高周波電流値（ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈ）は基本周波数の３Ｎ次高調波（ただし、Ｎは自然数）となる。
【００２７】
これによって、高周波電流設定手段２２は、当該データマップを参照する高周波電流値（ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈ）を決定することができる。すなわち、データマップにおいてｄ軸実電流値ｉｄ及びｑ軸実電流値ｉｑに対応して登録されている高周波電流値（ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈ）をｄ軸実電流値ｉｄ及びｑ軸実電流値ｉｑに重畳させることによって減磁界の高調波成分を相殺することができる。
【００２８】
電流指令値設定手段２４は、電動機電流値に高周波電流値を重畳して電流指令値を設定する。電流指令値設定手段２４は、３相／ｄｑ変換器２０で得られたｄ軸実電流値及びｑ軸実電流値に高周波電流設定手段２２で決定されたｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈをそれぞれ加算してｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊を算出する。すなわち、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊は、電動機１８に生ずる減磁界を低減する高調波成分の電流が重畳されたｄ軸実電流及びｑ軸実電流を流すための指令値となる。
【００２９】
このとき、電流指令値設定手段２４は、ｄ軸実電流及びｑ軸実電流の平均値が変化しないようにｄ軸実電流値及びｑ軸実電流値にｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈをそれぞれ加算することが好適である。これにより、電動機１８の出力を実質的に変更することなく減磁界を低減することが可能となる。
【００３０】
また、電動機１８の磁石の温度Ｔｍに応じて、ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈを重畳させる処理を行うようにしてもよい。
【００３１】
一例として、電流指令値設定手段２４は、磁石の温度Ｔｍが所定の温度以上のときのみにｄ軸実電流値及びｑ軸実電流値にｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈをそれぞれ加算することが好適である。磁石は温度Ｔｍが高くなるほど磁力が弱くなる傾向を示す。フェライト磁石では、５０℃で約９０％、１００℃で約８０％、２００℃で約５０％に磁力が低下するので、例えば、１００℃以上となったときにｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈを加算するようにすることが好適である。サマリウムコバルト磁石では、１００℃で約９５％、２００℃で約８５％に磁力が低下するので、例えば、１５０℃以上となったときにｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈを加算するようにすることが好適である。また、ネオジウム磁石では、５０℃で約９５％、１００℃で約９０％に磁力が低下するので、例えば、１００℃以上となったときにｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈを加算するようにすることが好適である。
【００３２】
また、別例では、電流指令値設定手段２４は、磁石の温度Ｔｍが高くなるにしたがって重み付けを大きくしてｄ軸実電流値及びｑ軸実電流値にｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈをそれぞれ加算することが好適である。フェライト磁石では、例えば、５０℃で重み係数０．５とし、１００℃以上で重み係数１．０となるように直線的に重み係数を変えて、ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈにそれぞれ重み係数を乗算してｄ軸実電流値及びｑ軸実電流値に加算する。また、サマリウムコバルト磁石では、例えば、１００℃で重み係数０．５とし、２００℃以上で重み係数１．０となるように直線的に重み係数を変えて、ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈにそれぞれ重み係数を乗算してｄ軸実電流値及びｑ軸実電流値に加算する。また、ネオジウム磁石では、例えば、５０℃で重み係数０．５とし、１００℃以上で重み係数１．０となるように直線的に重み係数を変えて、ｄ軸高周波電流値ｉｄｈ及びｑ軸高周波電流値ｉｑｈにそれぞれ重み係数を乗算してｄ軸実電流値及びｑ軸実電流値に加算する。
【００３３】
この場合、図３に示すように、電動機１８に温度センサ３０を設け、温度センサ３０によって磁石の温度Ｔｍを測定すればよい。温度センサ３０によって検出された温度Ｔｍは電流指令値設定手段２４に入力され、電流指令値設定手段２４では温度Ｔｍに応じて制御を行えばよい。
【００３４】
電流／電圧変換器２６は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊に応じたｄｑ軸電流制御電圧（ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊）を演算する。電圧変換器２６は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑとの差分にそれぞれＰＩ（比例積分）制御を施し、ｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑをそれぞれｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊に一致させるためのｄｑ軸電流制御電圧（ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊）を演算する。
【００３５】
ｄｑ／３相変換器２８は、基本波電流に同期した電気的回転角θｅを用いてｄｑ軸電流制御電圧（ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊）を３相交流の基本波電流制御電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊へ変換する。基本波電流制御電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は、インバータ１２に入力される。
【００３６】
インバータ１２は、バッテリー（不図示）などの直流電源の電力をＩＧＢＴなどのスイッチング素子により交流電力に変換する回路である。インバータ１２は、電動機コントローラ１０から出力される３相交流の基本波電流制御電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に応じた３相交流電圧を生成して電動機１８に印加する。
【００３７】
電動機１８は、本実施の形態では永久磁石同期式電動機である。なお、電動機１８は、永久磁石同期式電動機に限定されるものではなく、他の同期式電動機や誘導式等のあらゆる種類の交流電動機を適用することができる。
【００３８】
このように、電動機１８に生じる減磁界の高周波成分を相殺する高調波電流を重畳させることによって、逆磁界の高調波成分が相殺され、磁石に印加される逆磁界のピークを低減することができる。
【００３９】
図４は、図４（ａ）のような電動機１８のロータ磁石の各位置（１〜４）における減磁界の大きさについてシミュレーションした結果を示す。図４（ｂ）は、本実施の形態における高周波電流の重畳処理をしなかったときの減磁界の大きさを示し、図４（ｃ）は、本実施の形態における高周波電流の重畳処理をしたときの減磁界の大きさを示す。図４（ｂ）と図４（ｃ）を比較すると分かるように、本実施の形態における高周波電流の重畳処理を適用した場合には電動機１８に対する減磁界のピークが低減され、ロータの磁石への減磁界の影響が抑制されている。
【符号の説明】
【００４０】
１０  電動機コントローラ、１２  インバータ、１４  電流センサ、１６  回転センサ、１８  電動機、２０  ３相／ｄｑ変換器、２２  高周波電流設定手段、２４  電流指令値設定手段、２６  電流／電圧変換器、２８  ｄｑ／３相変換器、３０  温度センサ。
【図１】
2015159666.tif 000003
【図２】
2015159666.tif 000004
【図３】
2015159666.tif 000005
【図４】
2015159666.tif 000006