JP2010279084A - 電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭモータ等の電動機が有する永久磁石の発生損失を適切に制限してモータの性能劣化や特性低下を防ぎ、インバータ等の電力変換装置及びモータの損失を総合的に低減してシステムの高効率化を図る。
【解決手段】ＰＭモータ１０等の電動機と、この電動機を駆動するためのインバータ２０等の半導体電力変換装置と、この電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置３０と、からなる電動機駆動システムにおいて、前記電動機は、回転速度が上昇するにつれて負荷であるファン４０等により電動機に対する冷却能力が変化するようになっており、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を、電動機が高速回転していて冷却能力が高い場合には低くし、電動機が低速回転していて冷却能力が低い場合には高くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機駆動用の半導体電力変換装置におけるスイッチング素子のスイッチング周波数を調整することにより、電動機及び半導体電力変換装置の温度上昇を適切に抑制可能とした電動機駆動システムに関するものである。

図５は、ＰＭモータ（永久磁石を有する電動機）の駆動システムの概略構成図であり、１０はＰＭモータ、２０はＰＭモータ１０を駆動するインバータ、３０はインバータ２０の制御装置である。
ＰＭモータ１０の種類は様々であるが、近年、産業用で多用されているのは交流電動機であるため、以下では交流のＰＭモータ１０の駆動システムについて説明する。

ＰＭモータ１０は、インバータ２０等の半導体電力変換装置から交流電力を供給することにより、所定の回転速度及びトルクにて運転される。周知のように、インバータ２０は半導体スイッチング素子により構成され、これらのスイッチング素子は制御装置３０によってオン、オフが制御される。インバータ２０には様々な種類があり、更にはマトリクスコンバータを用いることも可能であるが、何れにしてもスイッチング素子を組み合わせて構成されており、ＰＭモータ１０に交流電力を供給する点では共通しているので、インバータ、マトリクスコンバータ等の半導体電力変換装置はすべて本発明の対象範囲に含まれる。
なお、図５に示したような駆動システムは周知であるため、ここでは構成及び動作の詳細な説明を省略する。

ここで、インバータのスイッチング周波数は、１つの駆動システムにおいて状況に応じて変更することができる。
一般に、インバータの主要な損失は、スイッチング素子におけるスイッチング動作ごとに生じる損失（スイッチング損失）と、スイッチング素子が導通して電流が流れることにより発生する損失（導通損失）の２つである。このうち、スイッチング損失はスイッチング周波数に比例し、また、導通損失は導通電流に対して単調増加する。従って、スイッチング周波数を可変としてインバータの総発生損失を調整することが可能であり、その先行技術としては、特許文献１，同２に記載されたものがある。

すなわち、特許文献１には、電動機の回転速度に応じてＰＷＭ制御のキャリア周波数を変化させ、インバータのスイッチング周波数を変化させてシステムのエネルギー効率を改善することが記載されている。
また、特許文献２にも、電動機の低速運転時にスイッチング周波数を低下させてスイッチング損失及び導通損失を減少させることが記載されている。

特開昭６３−２５７４９７号公報（第５頁左上欄第１６行〜第６頁右上欄第２行、第１図〜第３図等） 特開平１（特開昭６４）−３４１９０号公報（第３頁左上欄第１２行〜右上欄第３行、第１図，第５図等）

さて、ＰＭモータに関して最近問題となっているのが、永久磁石において発生する渦電流損失、及び、これによる永久磁石の温度上昇である。最近のＰＭモータでは、高磁力の希土類磁石が用いられることが多く、その殆どはネオジム磁石である。
ネオジム磁石は、導電率が比較的高いため、内部の磁束密度が時間的に変化するとこれに応じた渦電流が流れる。この渦電流により永久磁石内部ではジュール損が発生し、温度が上昇する。ネオジム磁石は、温度が上昇すると非可逆減磁し易くなるため、温度上昇を適切に制限しなければ、磁石の減磁によって電動機が所定のトルクを発生できなくなる。

そこで、本発明の解決課題は、ＰＭモータの駆動システムにおいて、ＰＭモータが有する永久磁石の発生損失を適切に制限してモータの性能劣化を防ぐと共に、インバータ等の電力変換装置及びＰＭモータの損失を総合的に低減してシステムの高効率化を図った電動機駆動システムを提供することにある。
また、これと併せて、ＰＭモータに限らず電動機一般につき、回転速度に伴って負荷トルクが概ね単調増加する負荷を駆動する場合には、この負荷特性を利用して電力変換装置の総損失を抑制可能とした電動機駆動システムを提供することも解決課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
永久磁石を有する電動機と、この電動機を駆動するための半導体電力変換装置と、この電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置と、からなる電動機駆動システムにおいて、
前記電動機は、その運転状態によって冷却能力が変化するものであり、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を、前記電動機の冷却能力が高い場合には低くし、前記電動機の冷却能力が低い場合には高くするものである。

請求項２に係る発明は、電動機一般を駆動対象とするものであって、電動機と、この電動機を駆動するための半導体電力変換装置と、この電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置と、からなる電動機駆動システムにおいて、
前記電動機は、回転速度に対して負荷トルクが概ね単調増加する負荷を駆動しており、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を、前記電動機の回転速度が低い場合には高くし、前記電動機の回転速度が高い場合には低くするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、前記電動機の回転速度の上昇に応じて前記電動機の冷却能力が高くなる機構を有するものである。

本発明によれば、例えばＰＭモータが有する永久磁石の発生損失を適切に制限してモータの性能劣化を防ぎ、インバータ等の電力変換装置及びＰＭモータを含むシステム全体の損失を総合的に低減して高効率化を図ることができる。
また、回転速度に伴って負荷トルクが概ね単調増加するような負荷を各種の電動機が駆動する場合に、この負荷特性を利用して電力変換装置の総損失を抑制することができる。

インバータのスイッチング周波数とＰＭモータの永久磁石中の渦電流損失との関係を示す概念図である。 電動機の冷却能力とインバータのスイッチング周波数との関係を示す概念図である。 ファンの負荷特性を示す図である。 ＰＭモータの負荷がファンである場合の冷却機構の概略構成図である。 ＰＭモータの駆動システムの概略構成図である。

まず、請求項１に係る発明に対応した実施形態を説明する。
図１は、インバータのスイッチング周波数とＰＭモータの永久磁石中の渦電流損失との関係を示す概念図である。
図１に示すように、永久磁石における渦電流損失は、インバータのスイッチング周波数が低下するにつれて増加する傾向がある。これは、次のような原理による。すなわち、スイッチング周波数が低下すると、一般に知られているように電流のリプル成分が増加する。このリプル成分の振幅に応じてモータ内部の磁束密度の変化の幅が大きくなる。これに伴い、永久磁石内部における磁束密度の変化の幅が増加し、渦電流損失が増加することとなる。なお、インバータのスイッチング周波数の範囲はほぼ数１００〔Ｈｚ〕〜２０〔ｋＨｚ〕程度である。

このことから、永久磁石の内部における渦電流損失を低減するためには、インバータのスイッチング周波数を上昇させればよいことになる。
しかし、スイッチング周波数を上昇させると、前述したようにインバータのスイッチング損失が増加するため、スイッチング素子の温度を上限値以下に収めるという制約上、問題がある。換言すれば、スイッチング周波数については、ＰＭモータにおける永久磁石の渦電流損失とインバータのスイッチング損失との間で、発生損失に関するトレードオフが存在する。

ここで、電動機の負荷としてはファンやポンプ等があり、その中には、電動機の運転状態に応じて負荷による電動機の冷却能力（以下、単に電動機の冷却能力ともいう）が変化する場合がある。例えば、負荷がファンである場合には、ファンが発生する風によって電動機を冷却できる場合があり、ファンの風量が大きいほど、すなわち電動機の回転速度が高いほど、電動機を冷却する能力が高まる。このことは、負荷としてのポンプの流体を電動機の冷却に用いる場合や、電動機冷却用のファンを電動機の負荷と逆側の軸に結合して冷却風を発生させる場合にも同様に成り立つ。
上述したごとく電動機の運転状態に応じて冷却能力が変化することは、ＰＭモータについても勿論、当てはまる。

このように、ＰＭモータの運転状態に応じて冷却能力が変化する場合、特に冷却能力が高くなるような場合には、ＰＭモータの許容温度に対して発生させてよいＰＭモータの内部損失が上昇するため、インバータのスイッチング周波数を低下させることができる。つまり、インバータのスイッチング周波数を低下させると、図１に示したようにＰＭモータの永久磁石中の渦電流損失が増加するが、ＰＭモータに対する冷却能力が高いためＰＭモータの温度を許容範囲内に保つことができる一方、インバータのスイッチング損失を低減させることによってインバータの効率を高めることができる。
逆に、ＰＭモータの冷却能力が低い場合には、インバータのスイッチング周波数を高めることによってＰＭモータ内の永久磁石の渦電流損失を抑制し、ＰＭモータの温度上昇を許容範囲内に収めることができる。

上述した電動機の冷却能力とインバータのスイッチング周波数との関係を概略的に示すと、図２のようになる。両者の関係は、図２に示すように直線的な特性に限らず、条件に応じて曲線的な特性や階段的な特性とすることも可能である。

ここで、電動機の負荷としては、その回転速度に対して負荷トルクが単調増加するものがあり、その代表的なものがファンである。この種の負荷は「二乗低減トルク負荷」と呼ばれており、図３に示すように、ファンの回転速度の二乗に比例して負荷トルクが増加する。
上記のファンのように、回転速度に対して負荷トルクが単調増加する負荷を電動機が駆動する場合には、電動機駆動用のインバータのスイッチング周波数を、回転速度の上昇に応じて連続的または段階的に下げるように制御装置を構成することにより、表１に示すような作用が得られる。

すなわち、ファン等の負荷の回転速度の上昇に応じて負荷トルクが増加し、言い換えれば電動機の電流が増加するため、駆動用のインバータの導通損失も増加する。このとき、負荷の回転速度の上昇に応じてスイッチング周波数を下げ、スイッチング損失を低下させることにより、インバータの総損失における回転速度の依存性を緩和することができる。
このことによって、インバータの冷却能力を発生損失のピークに合わせて高める必要が無くなるため、冷却能力の低減、すなわち冷却装置を含む装置全体の小型化や簡素化が可能である。なお、表１において、インバータをＰＷＭ制御されるインバータのキャリア周波数であり、スイッチング周波数に置き換えて考えてよい。
以上の着想は請求項２に相当しており、この発明はＰＭモータだけでなく種々の電動機をインバータ等の半導体電力変換装置により駆動する駆動システムに適用することができる。

図４は、ＰＭモータ１０の負荷がファン４０である場合の冷却機構の概略構成図である。
ファンのように二乗低減トルク特性を持つ負荷については、表１に示したような作用が得られるが、電動機の回転速度が高くなるに従って電動機の冷却能力が高まる機構を備えれば、更に好適な駆動システムを構成することができる。この着想は、請求項３に係る発明に相当する。
例えば、図４に示すように負荷としてのファン４０が発生する風がＰＭモータ１０の周囲を通過してＰＭモータ１０を冷却する構造とすれば、表２に示す作用を得ることができる。なお、この表２は、前述した表１に、検討項目として電動機の冷却能力と永久磁石の渦電流損失とを追加したものである。

すなわち、ファン４０の回転速度の上昇に応じてインバータ２０のキャリア周波数（スイッチング周波数）を低下させることにより、ＰＭモータ１０内部の永久磁石の渦電流損失は増加する。しかし、回転速度の上昇に伴ってファン４０によるＰＭモータ１０の冷却能力が向上しているため、渦電流損失が増加してもＰＭモータ１０の温度上昇を抑制することができる。
従って、インバータ２０及びＰＭモータ１０のいずれについても、冷却能力を高めるために特別な装置や手段を設けることなく、温度上昇を抑制することができる。

なお、インバータのスイッチング周波数を調整してシステムの損失を最小化する技術は、例えば特開２００２−１０６６８号公報「電気自動車用モータ制御装置」や特開２００７−２８２２９８号公報「モーター制御装置」に開示されている。
すなわち、特開２００２−１０６６８号公報には、モータの低速高トルク時にはスイッチング周波数を低くし、高速時には、高トルク時を除いて原則的にスイッチング周波数を高くすることが記載されており、また、特開２００７−２８２２９８号公報には、モータとＰＷＭ制御インバータとの合計損失が最小となるＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定し、その設定周波数でインバータを運転することが記載されている。
しかし、これらの文献には、いずれもＰＭモータに関しては言及されておらず、上述したような本発明の作用効果を発揮することはできない。特に、両文献とも自動車用のモータ駆動システムを想定しており、この種のシステムでは、基本的にモータの低速時に大トルク、高速時に小トルクが必要とされる点で本発明とは大きく異なっている。

１０：ＰＭモータ
２０：インバータ
３０：制御装置
４０：ファン

Claims (3)

1. 永久磁石を有する電動機と、
   この電動機を駆動するための半導体電力変換装置と、
   この電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置と、
   からなる電動機駆動システムにおいて、
   前記電動機は、その運転状態によって冷却能力が変化するものであり、
   前記スイッチング素子のスイッチング周波数を、前記電動機の冷却能力が高い場合には低くし、前記電動機の冷却能力が低い場合には高くすることを特徴とする電動機駆動システム。
2. 電動機と、
   この電動機を駆動するための半導体電力変換装置と、
   この電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置と、
   からなる電動機駆動システムにおいて、
   前記電動機は、回転速度に対して負荷トルクが概ね単調増加する負荷を駆動しており、
   前記スイッチング素子のスイッチング周波数を、前記電動機の回転速度が低い場合には高くし、前記電動機の回転速度が高い場合には低くすることを特徴とする電動機駆動システム。
3. 請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、
   前記電動機の回転速度の上昇に応じて前記電動機の冷却能力が高くなる機構を有することを特徴とする永久磁石電動機の駆動システム。

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