JP2013509147A - モータートルク定数が較正される電子整流電気モーター - Google Patents

Abstract

本発明は、ステーターと、殊に永久磁石で形成されたローターとを備えた電子整流電気モーターに関する。電子整流電気モーターは制御ユニットも有する。この制御ユニットはステーターと接続されており、ステーターに回転磁界を形成させる。この制御ユニットは、ステーターの少なくとも１つのステーターコイルにおいて誘導された電圧を検出し、ローターのローター回転周波数を表す回転数信号に依存して、得ることができるトルクを表すモータートルク定数を求めるように構成されている。本発明では、冒頭に記載した様式の電子整流電気モーターにおける制御ユニットは、モータートルク定数の周波数成分を検出し、この周波数成分、殊にモータートルク定数の周波数振幅に依存して、ステーターにトルクを生成させるように構成されている。

Description

先行技術
本発明は、ステーターと、殊に永久磁石で形成されたローターとを備えた電子整流電気モーターに関する。電子整流電気モーターは、制御ユニットも有する。この制御ユニットはステーターと接続されており、ステーター、殊にステーターのステーターコイルに回転磁界を形成させる。この制御ユニットは、ステーターの少なくとも１つのステーターコイルにおいて誘導された電圧を検出する、または、誘導された電圧をステーターコイルを通って流れるステーターコイル電流に依存して求め、ローターのローター位置をあらわすローター位置信号に依存して、および／またはローターのローター回転周波数を表す回転数信号に依存して、得ることができるトルクを表すモータートルク定数を求めるように構成されている。この制御ユニットは有利には、ステーターをモータートルク定数に依存して駆動制御するように構成されている。

ＤＥ１０２００７０２００６８Ａ１号から、電気モーターのモータートルク定数を特定するための方法および装置が知られている。ここでは、電気モーターのモータートルク定数は、モーターの作動中に、電気モーターによって生成された誘導電圧に依存して特定される。

発明の概要
本発明では、冒頭に記載した様式の電子整流電気モーターにおける制御ユニットは、有利には電気モーターの作動中に、モータートルク定数の周波数成分を検出し、この周波数成分、殊にモータートルク定数の周波数振幅に依存して、ステーターにトルクを生成させる。

有利には電気モーターはローター位置センサおよび／または回転数センサを有している。ここでローター位置センサは、ローターのローター位置を検出し、このローター位置を表すローター位置信号を形成するように構成されている。回転数センサは有利には、ローターのローター回転周波数を検出し、このローター回転周波数を表す回転数信号を形成するように構成されている。

モータートルク定数の周波数成分を検出することによって、有利には、ローター磁界強度、ひいてはモータートルク定数に影響を与えるファクタも正確に検出することができる。さらに有利には、このようにして形成された電子整流電気モーターは有利には、製造公差、例えばステーターコイルの偏心、部分的にずれている永久磁石、部品、殊にステーターコイルの電気的な公差、永久磁石の相互にずれている磁化、ステーターコイルの相互にずれている磁界強度並びに磁気部品、例えば永久磁石を用いて形成されたローターの、温度に依存した磁界強度が検出される。例えば、フェライト材料は摂氏−４０度の領域の低い温度において、摂氏２０度の場合よりも小さい磁界強度を有している。ネオダイン材料は高い温度、例えば摂氏１２０度のもとで、摂氏２０度の場合よりも小さい磁界強度を有する。電気モーターは例えば作動中に容易に較正される。従って、１回のローター回転にわたって、例えば１°のステップにおいて得ることができるトルクが検出され、このために求められたモータートルク定数がステーターのさらなる駆動制御に使用される、または記憶される。

有利にはこのようにして形成された電子整流電気モーターは、モータートルク定数を１回のローター回転にわたって、さらに有利には１回のローター回転の少なくとも一部にわたって、殊に１つのステーターコイルに対しては電気角１２０°、またはさらに有利には電気角９０°のみにわたって、または３つのステーターコイルに対しては電気角６０°にわたって検出し、モーター作動中に、電気モーターの機械的および／または電気的な効率を、モータートルク定数を求めることを介して検出する。

モータートルク定数はここで、電気モーターの得られるべきトルクと以下のような関係にある。

ここで、
Ｕ_ｉｎｄ＝誘導電圧
Ｐ＝パワー
Ｍ＝トルク
ω＝角周波数
Ｂ＝磁束密度
ｌ＝ステーターコイルの電流が流れる導体の長さ
ｒ＝導体と、ローターのローター長手軸との間隔である。

電気的なパワーと機械的なパワーとを等価すると、誘導電圧Ｕ_ｉｎｄは

となる。

式（５）および（４）においてあらわれる共通のファクタ

はモータートルク定数と称される。

電気モーターの有利な実施形態では、殊に高速フーリエ変換によって、フーリエ変換されたモータートルク定数が生成され、フーリエ変換されたこのモータートルク定数に依存してステーターを駆動制御するように、制御ユニットが構成されている。これによって有利には、少なくとも１つ、または複数の周波数成分、有利にはモータートルク定数の周波数スペクトルからの次数が求められ、ステーターが、少なくとも１つの周波数成分、殊に周波数成分の振幅またはスペクトルパワー密度に依存して駆動制御される。

電気モーターの有利な実施形態では、有利には次数フィルターを用いて、ローター回転周波数をあらわす回転数信号に依存して、フーリエ変換されたモータートルク定数の次数分析を実行し、信号パラメーター、殊にモータートルク定数の周波数成分の少なくとも１つの次数の信号振幅に依存して、ステーターを駆動制御するように、制御ユニットが構成されている。これによって有利には、周波数分析、殊にフーリエ周波数分析、有利にはＦＦＴ分析（ＦＦＴ＝高速フーリエ変換）によって、例示的な温度に依存するトルク損失が検出される。

電気モーターの有利な実施形態では、モータートルク定数の奇数の高調波に依存して、有利にはモータートルク定数の奇数の高調波にのみ依存して、ステーターを駆動制御するように制御ユニットが構成されている。これによって有利には、効果的なモータートルク定数を求めるための計算時間が節約される。

電気モーターの有利な実施形態では、時間に依存したおよび／またはローター位置に依存した、モータートルク定数のプロファイルを、フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換によって形成し、このローター位置に依存したプロファイルに依存してステーターを駆動制御するように、制御ユニットが構成されている。これによって有利にはモーターの動作時に、時間に依存した、ローター回転に関して場所に依存した、モータートルク定数のプロファイルを形成するために、少なくとも１つのマトリクス演算、有利には複数のマトリクス演算が制御ユニットによって実行される。

例えば、時間に依存したおよび／またはローター位置に依存した、モータートルク定数のプロファイルを選択的な次数フィルタリング、フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換によって形成し、時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルに依存してステーターを駆動制御するように、制御ユニットが構成されている。

電気モーターの有利な実施形態では、モータートルク定数の設定されたローター角度領域、有利には電気角１２０°、さらに有利には電気角９０°、特に有利には電気角６０°に依存してステーターを駆動制御するように、制御ユニットが構成されている。６０°のローター角度領域の場合には有利には、ステーターコイルに対する誘導電圧の周期が、３つのステーターコイルの誘導電圧の信号経過から合成される。従って、６０°のローター角度領域にわたって、３つのステーターコイルの誘導電圧だけが検出されればよく、３つのステーターコイルの信号経過を加算することによって、平均的なステーターコイル特性に対する誘導電圧が合成される。

これによって有利には計算時間および／または測定時間が短くなり、有利には、誘導されたモーター電圧の信号の鏡対称性、ひいてはモータートルク定数が利用される。

制御ユニットは例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラまたはＦＰＧＡ（ＦＰＧＡ＝Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ−Ｇａｔｅ−Ａｒｒａｙ）によって形成される。

電気モーターの別の実施形態では、フーリエ変換を用いた上述の方法とは無関係に、またはこれに対して付加的に、制御ユニットはモーター定数を、殊に位相ずれなくローパスフィルターによって求めることができる。このために制御ユニットは例えば、同一のまたは同じフィルターを二回、時間的に連続して、モータートルク定数の時間信号または誘導電圧に使用し、有利にはまずは前方方向で、次に後方方向で用いる。これによって有利には、周波数スペクトルにおいてのみ、周波数成分の振幅が整合される。ローパスフィルターは例えば、ＦＩＲフィルター（ＦＩＲ＝Ｆｉｎｉｔｅ−Ｉｍｐｕｌｓｅ−Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）である。

本発明は、電子整流電気モーター、殊に上述の電気モーターを駆動制御する方法にも関する。ここでこの電気モーターは、ステーターと、殊に永久磁石で形成されたローターとを有している。この方法では、有利には電気モーターの動作中に、電気モーターの生成可能なトルクをあらわすモータートルク定数が、殊に、ローターの回転運動時に誘導された電圧に依存して検出される。ここでこのモータートルク定数の周波数成分が検出され、この周波数成分、殊にモータートルク定数の周波数振幅に依存して、トルクを形成するようにステーターが駆動制御される。

有利にはこの方法では殊に、ＦＦＴ分析によって、フーリエ変換されたモータートルク定数が生成され、ステーターは、フーリエ変換されたこのモータートルク定数に依存して駆動制御される。

さらに有利には、この方法では殊に次数フィルターによって、フーリエ変換されたモータートルク定数の次数分析が実行され、ステーターは信号パラメーター、殊にモータートルク定数の少なくとも１つの次数の信号振幅に依存して駆動制御される。次数はここで、基本周波数の高調波周波数である。

この方法の有利な実施形態では、ステーターは、モータートルク定数の奇数の高調波にのみ依存して駆動制御される。

有利にはこの方法では、モータートルク定数の時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルが、フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換によって形成され、ステーターはこのローター位置に依存したプロファイルに依存して駆動制御される。

この方法の有利な実施形態では、モータートルク定数の時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルが、フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換を選択的に次数フィルタリングすることによって形成され、ステーターは時間に依存した、および／またはローター位置に依存したプロファイルに依存して駆動制御される。

本発明を以下で、図面および他の実施例に基づいて説明する。別の有利な実施形態は、従属請求項に挙げられた特徴、および／または図の説明において挙げられた特徴から実現される。

電気モーターの実施例 ステーターコイルの領域におけるローター回転の一部にわたって場所に依存したモータートルク定数 図２に示されたモータートルク定数の周波数成分を有するスペクトル 電気モーターを作動させるための方法の実施例

図１は電気モーター１の実施例を示している。この電気モーター１は、ステーター１０を有している。ステーター１０は３つのステーターコイル、すなわちステーターコイル１４、ステーターコイル１６およびステーターコイル１８を有している。これらのステーターコイルはまとめて配置されており、これによって、電気モーターのローター１２が回転磁界によって回転運動を行う。電気モーター１のローター１２はこの実施例では、永久磁石を用いて形成されている。電気モーター１はパワー出力段２２も有している。これは、出力側で接続部３０を介して、ステーター１０用の端子２０と接続されている。端子２０は、接続線路３３を介して、ステーターコイル１４の第１の端子と接続されている。端子２０は接続線路３４を介してステーターコイル１８の第１の端子と接続されており、接続線路３１を介してステーターコイル１６の第１の端子と接続されている。ステーターコイル１４、１６および１８の第２の端子はそれぞれ、共通のスター端子１５と接続されている。このスター端子１５は、接続線路３５を介して端子２０と接続されている。この端子２０は、接続部３２を介して、電気モーター１の制御ユニット２４とも接続されている。制御ユニット２４は接続部３２、端子２０およびステーターコイル１４、１６、１８の接続線路３１、３３、３４および例えば付加的に接続線路３５を介して、ステーターコイル１４、１６および１８内で誘導された電圧をそれぞれ検出する。スター端子１５を介して例えば、３次または３次の倍数、例えば６次または９次が検出される。ステーターコイル１４、１６、１８はそれぞれ端子２０および接続部３０を介してパワー出力段２２から、回転磁界を形成するために通電される。制御ユニット２４は出力側で接続部３４を介してパワー出力段２２と接続されており、かつ、パワー出力段２２にステーターコイル１４、１６および１８を通電させて、ステーターコイル１４、１６および１８によって、ローター１２を回転させる回転磁界が形成されるように構成されている。

制御ユニット２４は、接続部３２および端子２０を介して、ステーターコイル１４、１６および１８から、それぞれ誘導された電圧を検出し、これをアナログからデジタルに変換する。制御ユニット２４は、さらなるステップにおいて、事前にアナログからデジタルに変換された誘導電圧をそれぞれローター１２のローター回転周波数によって除算し、このようにしてモータートルク定数を各ストランドに対して、すなわちステーターコイル１４、１６および１８の各ステーターコイルに対して求める。モータートルク定数のこの算出、殊に計算は以下のように行われる：

ここで、
ａ_ｋ、ｂ_ｋ＝フーリエ係数
Ｋ_ｕ＝ストランドＵのステーターコイルに対するモータートルク定数
ｋ＝波数、

、λ＝波長
ｎ＝１つの周期にわたったサンプルの数である。

ベクトルであらわすと、モーター定数の周波数ベクトルは有利にはマトリクス［Ｆ］として計算される：

ここで、
［Ｋ］＝モーター定数ベクトル
［ＦＦＴ］＝時間離散したフーリエ変換の演算子である。

スキャンされるローター角度領域を例えば９０°または有利には６０°に低減することによって、低減されたモータートルク定数Ｋｒがベクトルとして以下のように使用される：

ここで、
Ｋ_ｕ＝ステーターコイルストランドＵの領域におけるモータートルク定数
Ｋ_ｖ＝ステーターコイルストランドＶの領域におけるモータートルク定数
Ｋ_ｗ＝ステーターコイルストランドＷの領域におけるモータートルク定数である。

ここでｎ_２はローター角度領域のサンプリングの数であり、ローター角度領域は例えば電気角６０°または電気角９０°にわたっている。

周波数ベクトル［Ｆ］は次に、相応に等価の乗算［ＦＥＴｒ］・［Ｋｒ］によって置換される。

制御ユニット２４は、さらなるステップにおいて、モータートルク定数をフーリエ変換で求め、次数フィルター２６によって、ローター１２の回転数に対する基本波および高調波を求めるように構成されている。この算出は有利にはＦＦＴ分析によって行われる。制御ユニット２４は例えばさらなるステップにおいて、モータートルク定数の時間的ないしは場所的なプロファイルを、事前に求められた周波数成分、殊に少なくとも１つ、有利には２つ、さらに有利には多数の次数の周波数成分によって再構築するように構成されている。モータートルク定数のプロファイル２９は例えば、メモリ２８内に格納される。このメモリ２８は制御ユニット２４の構成部分であり得る、またはこれと接続される。

次数を求めるために、制御ユニット２４はローターの回転数、すなわちローター回転周波数を、図示されていない回転数センサによって形成された回転数信号に依存して求める、またはローター回転周波数を、少なくとも１つ、有利には２つまたは３つの、ステーターコイル１４、１６および１８内で誘導された電圧に依存して求める。

制御ユニット２４は例えば、モータートルク定数、以降では場所領域、殊にローター角度領域におけるステーターコイルＵのための定数Ｋｕｍを求めるために、マトリクス計算を実行する。ここで例えば選択的に、時間領域および／または場所領域における予期されるべき次数のみが逆変換される。マトリクス計算は例えば、制御ユニット２４によって以下のように実行される：

ここで、
［Ｋｕｍ］＝場所領域、殊にローター角度領域におけるストランドＵ用のモータートルク定数のベクトルである。

モータートルク定数の検出領域または計算されるべき領域は例えば電気角６０°に制限される。制御ユニットは有利にはこのように構成されている。なぜなら、モータートルク定数を場所的に表す、モータートルク定数信号の信号経過が対称に形成されており、モータートルク定数のプロファイルが偶数の高調波を有していないことが想定されるからである。これによって有利には信号の鏡対称性、殊に、事前に検出されたモータートルク定数信号の鏡対称性を利用することができる。モータートルク定数のベクトルはこの場合には、ベクトル（９）のように形成される。

制御ユニット２４は例えば、モータートルク定数の再構築をローター回転にわたった時間領域ないしは場所領域において、式（１０）に従って実行する。

有利には制御ユニットは高速フーリエ変換をサブマトリックスにおいて実行する。これによって有利には、制御ユニットに均一に負荷を与えることができる。

図２は、ステーターコイルの領域におけるローター回転の一部にわたって場所に依存したモータートルク定数を表している、信号経過に対する実施例を示している。この信号経過は例えば、ステーターコイル、例えば図１に示されているステーターコイル１４のために、制御ユニット１によって求められたものである。

図２はこのためにダイヤグラム３５を示している。このダイヤグラムは、横軸３７と縦軸３９を有している。横軸３７は、図１におけるローター１２のローター回転角度を表しており、縦軸はモータートルク定数の振幅を表している。

ダイヤグラム３５は、第１の部分曲線４０と第２の部分曲線４２とを備えた曲線も示している。部分曲線４０は誘導電圧の信号経過の第１の半波を表しており、部分曲線４２は誘導電圧の信号経過の第２の半波を表しており、それぞれ、誘導電圧を形成するローター１２のローター回転周波数によって除算されている。

部分曲線４０および４２がそれぞれ正弦形状の基本曲線を表しており、付加的に奇数の高調波を表していることが読み取れる。

図３はスペクトル４５を示している。このスペクトルは、図２に示されたモータートルク定数の周波数成分を有している。スペクトル４５はダイヤグラムにおいて、周波数軸４７と振幅軸４９によって示されている。

周波数軸４７上には、次数、すなわち図２に示されたモータートルク定数の基本周波数に対する高調波が示されている。スペクトル４５は第１の次数６０、すなわちローター回転周波数に相応する、振幅５０を伴った基本周波数と、振幅５６を伴った第３の次数６２と、振幅５４を伴った第５の次数６４と、振幅５２を伴った第７の次数６６を示している。振幅５２は振幅５０よりも小さく、振幅５４は振幅５２よりも小さく、振幅５６は振幅５４よりも小さい。

図１に示された制御ユニット２４は次数フィルター２６によって、例えば図２に示されたモータートルク定数信号の高調波の振幅５０、５２、５４および５６を検出する。

図４は、電子整流電気モーター、例えば永久磁石を用いて形成されているローター１２を備えた、図１に示された電気モーター１を作動させるための方法の実施例を示している。

この方法では、ステップ７０において、電気モーターの作動中に、電気モーターの形成可能なトルクを表すモータートルク定数が、殊に、ローター回転時の誘導電圧に依存して検出される。

ステップ７２では、ＦＦＴ分析によって、フーリエ変換されたモータートルク定数が生成され、さらなるステップ７４において次数フィルターによって、フーリエ変換されたモータートルク定数の次数分析が実行され、少なくとも１つの信号パラメーター、殊にモータートルク定数の少なくとも１つの次数の信号振幅が求められ、格納される。

ステップ７６において、モータートルク定数の次数に依存して、例えばモータートルク定数の奇数の次数にのみ依存してステーターが駆動制御される。

Claims (13)

1. ステーター（１０）と、殊に永久磁石を用いて形成されているローター（１２）と、制御ユニット（２４）とを備えている電子整流電気モーター（１）であって、
   当該制御ユニット（２４）は前記ステーター（１０）と接続されており、かつ、前記ステーター（１０）に回転磁界を形成させ、
   前記制御ユニット（２４）は、前記ステーターの少なくとも１つのステーターコイル（１４、１６、１８）において誘導された電圧を検出し、前記ローターのローター回転周波数を表す回転数信号に依存して、得ることができるトルクを表すモータートルク定数を求めるように構成されている電子整流電気モーターにおいて、
   前記制御ユニット（２４）は、当該モータートルク定数の周波数成分（４５、６０、６２、６４、６６）を検出し、前記モータートルク定数の周波数成分（４５、６０、６２、６４、６６）に依存して、殊に周波数振幅（６０、６２、６４、６６）に依存して、前記ステーター（１０）にトルクを生成させる、
   ことを特徴とする電子整流電気モーター。
2. 殊に高速フーリエ変換によって、フーリエ変換されたモータートルク定数（４５）を生成し、当該フーリエ変換されたモータートルク定数に依存して前記ステーター（１０）を駆動制御するように、前記制御ユニットが構成されている、請求項１記載の電気モーター（１）。
3. 前記フーリエ変換されたモータートルク定数の次数分析を実行し、信号パラメーター、殊に、前記モータートルク定数の周波数成分（４５）の少なくとも１つの次数（６０、６２、６４、６６）の信号振幅に依存して前記ステーターを駆動制御するように、前記制御ユニット（２４）が構成されている、請求項２記載の電気モーター（１）。
4. 前記モータートルク定数の奇数の次数（６０、６２、６４、６６）のみに依存して前記ステーターを駆動制御するように、前記制御ユニット（２４）が構成されている、請求項２または３記載の電気モーター（１）。
5. 前記モータートルク定数の、時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルを、前記フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換によって形成し、かつ、当該時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルに依存して前記ステーター（１０）を駆動制御するように、前記制御ユニット（２４）が構成されている、請求項３または４記載の電気モーター（１）。
6. 前記モータートルク定数の、時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルを、前記フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換の選択的な次数フィルタリングによって形成し、かつ、当該時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルに依存して前記ステーター（１０）を駆動制御するように、前記制御ユニット（２４）が構成されている、請求項３または４記載の電気モーター（１）。
7. 殊に電気角９０°または電気角６０°の、前記モータートルク定数の所定のローター角度領域に依存して前記ステーター（１０）を駆動制御するように、前記制御ユニット（２４）が構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気モーター（１）。
8. ステーター（１０）と、殊に永久磁石を用いて形成されているローター（１２）と備えている電子整流電気モーター（１）を駆動制御する方法（７０、７２、７４、７６）であって、
   前記電気モーターの生成可能なトルクを表すモータートルク定数を、殊に前記ローター（１２）の回転時の誘導電圧に依存して検出し、
   前記モータートルク定数の周波数成分（４５）を検出し、当該モータートルク定数の周波数成分、殊に周波数振幅に依存して、前記ステーター（１０）にトルクを生成させる、
   ことを特徴とする、電子整流電気モーターを駆動制御する方法。
9. 殊にＦＦＴ分析によって、フーリエ変換されたモータートルク定数（４５）を生成し、当該フーリエ変換されたモータートルク定数に依存して前記ステーターを駆動制御する、請求項８記載の方法。
10. 前記フーリエ変換されたモータートルク定数を次数分析し、前記モータートルク定数の少なくとも１つの次数（６０、６２、６４、６６）の少なくとも１つの信号パラメーター、殊に信号振幅に依存して前記ステーターを駆動制御する、請求項８または９記載の方法。
11. 前記モータートルク定数の奇数の次数（６０、６２、６４、６６）にのみ依存して前記ステーターを駆動制御する、請求項８から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 前記モータートルク定数の時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルを、前記フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換によって形成し、当該ローター位置に依存したプロファイルに依存して前記ステーターを駆動制御する、請求項８から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記モータートルク定数の時間に依存したおよび／またはローター位置に依存したプロファイルを、前記フーリエ変換されたモータートルク定数のフーリエ逆変換の選択的な次数フィルタリングによって形成し、当該時間および／またはローター位置に依存したプロファイルに依存して前記ステーターを駆動制御する、請求項８から１１までのいずれか１項記載の方法。

Images