JP2017028805A - 磁石温度推定システム、モータ、及び、磁石温度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の磁束量の温度依存性によらず永久磁石の温度を推定することができる。【解決手段】磁石温度推定システムは、固定子コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とからなるモータ、及び、永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置を有し、回転子は、永久磁石の磁束の少なくとも一部と鎖交する磁石コイルと、磁石コイルと接続されるとともに、永久磁石と接触するように設けられ、自身の温度に応じて発振周波数が変化する水晶発振器と、を有し、磁石温度推定装置は、駆動周波数の交流電力を固定子コイルに印加する電力供給部と、駆動周波数とは周波数が異なる測定周波数の交流電力を駆動周波数の交流電力に重畳させる重畳部と、固定子コイルに流れる交流電力から水晶発振器の発振周波数成分を特定し、特定した発振周波数成分の周波数に応じて永久磁石の温度を推定する温度推定部と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、磁石温度推定システム、モータ、及び、磁石温度推定方法に関する。

同期電動機の一つとして、回転子に永久磁石を備える永久磁石型のモータが知られている。このような永久磁石型のモータにおいては、固定子に設けられた固定子コイルは電力が印加されると回転磁界が発生し、回転磁界が永久磁石に作用することにより、回転子が固定子内にて回転する。

一般に、モータの回転速度が速くなるほど、回転子に設けられた永久磁石の温度が上昇する。また、永久磁石は、ある上限温度を超えると不可逆に消磁してしまい磁力を失ってしまうことが知られている。そのため、永久磁石の温度を測定し、永久磁石が上限温度に達しないようにモータの回転速度を制限する必要がある。

しかしながら、永久磁石の温度を測定するために温度センサを用いると、温度センサを回転子に組み込む必要があるため、モータの小型化が困難になる。そこで、温度センサを用いずに永久磁石の温度を推定する方法が検討されている。例えば、特許文献１には、モータに印加される電流と、固定子にて発生する誘起電圧とを用いて、永久磁石の温度を推定する方法が開示されている。

特開２００７−６６１３号公報

特許文献１に開示された方法では、永久磁石の磁束量が温度に応じて変化することに着目して永久磁石の温度の推定が行われている。しかしながら、単位温度あたりの磁束量の変化が少ない永久磁石が用いられている場合には、永久磁石の温度の推定精度が悪くなるという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、永久磁石の磁束量の温度依存性によらず、永久磁石の温度を推定する、磁石温度推定システム、モータ、及び、磁石温度推定方法を提供することである。

本発明の磁石温度推定システムは、固定子コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とからなるモータ、及び、永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置を有する。回転子は、永久磁石の磁束の少なくとも一部と鎖交する磁石コイルと、磁石コイルと接続されるとともに、磁石コイルと接触して設けられ、自身の温度に応じて発振周波数が変化する水晶発振器と、を有する。磁石温度推定装置は、回転子を回転駆動させる駆動周波数の交流電力を固定子コイルに印加する電力供給部と、固定子コイルに流れる交流電力から水晶発振器の発振周波数成分を特定し、特定した発振周波数成分の周波数に応じて永久磁石の温度を推定する温度推定部と、を有する。

本発明によれば、モータの回転時には、固定子コイルの回転磁界の磁束量の変化に応じて磁石コイルに誘起電力が発生し、磁石コイルに電流が流れる。磁石コイルに電流が流れると、磁石コイルと接続された水晶発振器が発振周波数にて発振するため、磁石コイルに流れる電流には発振周波数成分が含まれることになる。そして、磁石コイルの電流における発振周波数成分に起因する電流の変化に応じて、固定子コイルに誘起電力が発生するため、固定子コイルの電流にも水晶発振器の発振周波数成分が含まれることになる。

磁石温度推定装置においては、温度推定部が、固定子コイルに流れる電力を測定し、測定した電力に含まれる駆動周波数とは異なる周波数成分を水晶発振器の発振周波数成分として特定し、特定した発振周波数成分の周波数に応じて、水晶発振器の温度を推定する。水晶発振器と永久磁石とは隣接しているため、永久磁石の温度を水晶発振器の温度とみなすことができる。したがって、温度推定部は、推定した水晶発振器の温度を永久磁石の温度として推定することができる。このように、水晶発振器を用いることにより、永久磁石の単位温度あたりの磁束の変化量によらず、永久磁石の温度を推定することができる。

図１は、第１実施形態による磁石温度推定システムの概略構成図である。 図２は、モータの断面図である。 図３は、永久磁石の近傍の構成の概略構成図である。 図４は、水晶発振器の発振周波数の温度特性を示す図である。 図５は、磁石温度推定装置のシステム構成図である。 図６は、第２実施形態の水晶発振器の発振周波数の温度特性を示す図である。 図７は、磁石温度推定装置のシステム構成図である。 図８は、一般的なモータをモデル化した等価回路を示す図である。 図９は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄと磁石温度Ｔｍとの相関関係を示すグラフである。 図１０Ａは、第３実施形態のモータの断面図の一部である。 図１０Ｂは、図１０Ａに示した永久磁石の近傍の構成の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁石温度推定システムについて説明する。

図１は、第１実施形態による磁石温度推定システムの概略構成図である。

磁石温度推定システム１００は、モータ１と、磁石温度推定装置２とにより構成される。

モータ１は、３相で動作する永久磁石型の回転同期機（ＰＭＳＭ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）である。モータ１は、中空円柱状の固定子１１と、固定子１１の中空部に回転可能に設けられた回転子１２とにより構成されている。

固定子１１は、固定子コイルを備えており、所定の駆動周波数の交流電力が固定子コイルに供給されると所定のタイミングで回転磁界を発生する。

回転子１２は、永久磁石を備えている。固定子１１の固定子コイルにより発生する回転磁界が永久磁石に作用することにより、固定子コイルと永久磁石とが誘引または反発することで回転駆動力が発生する。このようにして、回転子１２が固定子１１内で回転する。

磁石温度推定装置２は、モータ１に駆動周波数の交流電力を供給するとともに、モータ１の回転子１２が備える永久磁石の温度を推定する。

次に、図２を参照して、モータ１の詳細な構成について説明する。

図２は、モータ１の断面図である。

モータ１の固定子１１には、固定子１１の軸方向に貫通するスロット２１が、固定子１１の周方向に等間隔に複数形成されている。このように固定子１１にスロット２１を複数形成することにより、隣接するスロット２１の間にティース２２が構成される。そして、ティース２２を巻き回すように、固定子コイル２３が設けられている。

回転子１２においては、軸方向に延在する空隙２４が形成されており、空隙２４に永久磁石２５が挿入されている。永久磁石２５は、略対向するように対をなしている。また、対をなした永久磁石２５が、周方向に等間隔に設けられる。略対向する永久磁石２５は、対向面が同じ極性となるように配置される。また、略対向する永久磁石２５と、その隣にて略対向する永久磁石２５とは、互いの対向面の極性が異なるように配置される。具体的には、図２に示すように、略対向する永久磁石２５Ａ及び永久磁石２５Ｂの隣に略対向する永久磁石２５Ｃ及び永久磁石２５Ｄが設けられている場合には、永久磁石２５Ａ及び永久磁石２５Ｂの対向面がＮ極であれば、永久磁石２５Ｃ及び永久磁石２５Ｄの対向面がＳ極となる。

固定子コイル２３は、磁石温度推定装置２から交流電力が印加されると回転磁界を発生させる。固定子コイル２３による回転磁界の方向は印加される交流電力の位相に応じて変化するため、固定子コイル２３と回転子１２の永久磁石２５とが誘引と反発とを交互に繰り返すことで回転駆動力が発生し、固定子１１内で回転子１２が回転する。

次に、図３を参照して、永久磁石２５の詳細な構成について説明する。

図３は、永久磁石２５の近傍の構成の概略構成図である。図３における上下方向は、回転子１２の軸方向、すなわち、図２における紙面に向かう方向を示している。

永久磁石２５は、回転子１２の軸方向に積層された複数の磁石部材３１により構成されている。例えば、モータ１が高効率の運転が求められる電動自動車などに用いられる場合には、永久磁石２５は、複数の磁石部材３１により構成されることが多い。磁石温度推定装置２から印加される交流電流に応じて固定子コイル２３が回転磁界を発生させると、回転子１２の永久磁石２５の表面において渦電流が発生してしまい、モータ１において印加される交流電流の全てが回転に用いられないことになり、回転効率が低下してしまう。そこで、永久磁石２５を複数の磁石部材３１により構成することにより、永久磁石２５を１つの永久磁石により構成する場合と比較すると、表面積を小さくすることができる。このようにすることで、渦電流の経路が短くなり、渦電流によるモータ１の回転効率の低下を抑制することができる。

また、永久磁石２５においては、磁石部材３１の磁束の少なくとも一部と鎖交するように磁石コイル３２が巻き回されている。また、磁石部材３１と隣接するように水晶発振器３３が設けられており、水晶発振器３３は磁石コイル３２に接続されている。なお、磁石部材３１と水晶発振器３３とは、熱伝導性が高い接着部材３４を用いて互いに接合されている。なお、接着部材３４は、例えば、アルミナや、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの熱伝導性に優れた材料がフィラーとして含有された接着剤である。

水晶発振器３３は、電流が流れると所定の周波数で発振する性質を有する電子部材である。水晶発振器３３の発振周波数ｆｑは水晶発振器３３の温度に応じて変化するが、その温度特性は、水晶発振器３３が備える水晶のカット方法に応じて異なる。本実施形態で用いられる水晶発振器３３の発振周波数の温度特性について、図４を用いて説明する。

図４は、第１実施形態の水晶発振器３３の発振周波数ｆｑの温度特性を示す図である。横軸に温度が示されており、縦軸に発振周波数ｆｑが示されている。図４を参照すると、本実施形態では、温度が上昇すると発振周波数ｆｑが単調に増加するような温度特性を有する水晶発振器３３が用いられていることが示されている。

次に、図５を用いて、磁石温度推定装置２について説明する。

図５は、磁石温度推定装置２のシステム構成図である。なお、各構成の入出力の線に付された２本斜線および３本斜線は、それぞれ、各構成にて入出力される値が２次元、３次元のベクトルであることを示している。

図５に示すように、磁石温度推定装置２は、電力供給部５１と、磁石温度推定部５２とを有する。

電力供給部５１は、不図示のモータコントローラなどからリミッタ５２５を経て入力される基本波電流指令値ｉｄｓｆ^**、ｉｑｓｆ^**に応じて、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをモータ１に出力する。これにより、モータ１を回転駆動することができる。

磁石温度推定部５２は、電力供給部５１の座標変換部５１６から出力された検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓに含まれる水晶発振器３３の発振周波数ｆｑの信号を特定し、特定した信号の発振周波数ｆｑを用いて永久磁石２５の磁石温度Ｔｍを推定する。そして、磁石温度推定部５２は、推定した磁石温度Ｔｍに応じて、リミッタ５２５を用いて電力供給部５１に入力される基本波電流指令値ｉｄｓｆ^**、ｉｑｓｆ^**を制限し、モータ１の回転速度を制限する。

なお、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*の周波数は、モータ１を回転させる回転速度に応じて変化する。また、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*は、回転座標軸（ｄｑ軸）を用いて表されている。

以下では、電力供給部５１、及び、磁石温度推定部５２の詳細な構成について説明する。

電力供給部５１は、減算器５１１、電流制御部５１２、座標変換部５１３、電力変換部５１４、電流検出部５１５、座標変換部５１６、及び、バンドストップフィルター５１７を備える。

また、電力供給部５１においては、磁石温度推定部５２のリミッタ５２５を経た基本波電流指令値ｉｄｓｆ^**、ｉｑｓｆ^**が、減算器５１１に入力される。そして、電力変換部５１４が、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをモータ１に出力する。

減算器５１１は、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^**、ｉｑｓｆ^**から、それぞれ基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆを減算し、これらの減算結果を電流制御部５１２に出力する。なお、基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆは、モータ１に印加される電流の検出値の基本波成分である。

電流制御部５１２は、減算器５１１の減算結果がそれぞれゼロに近づくように、すなわち、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^**、ｉｑｓｆ^**と、基本波電流検出値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆとの偏差がなくなるように比例積分制御を行い、電圧指令値ｖｄ^*、ｖｑ^*を座標変換部５１３に出力する。

座標変換部５１３は、電流制御部５１２から出力された電圧指令値ｖｄ^*、ｖｑ^*に対して、回転座標（ｄｑ軸）から３相座標（ｕｖｗ相）への変換を行い、３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を算出する。そして、座標変換部５１３は、算出した３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を、電力変換部５１４に出力する。

電力変換部５１４は、例えばコンバータとインバータで構成される電力変換回路を備えている。また、電力変換部５１４には、不図示のバッテリーから直流電力が供給されている。電力変換部５１４は、３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*によりインバータが制御されることで、バッテリーからの直流電力を交流である３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに変換して、モータ１に出力する。なお、インバータとしては、電圧型インバータまたは電流型インバータを用いることができる。

電流検出部５１５は、例えばホール素子などを用いて構成され、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗがモータ１に印加される際に、磁石温度推定装置２からモータ１へと流れる３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。電流検出部５１５は、検出した３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを座標変換部５１６に出力する。

座標変換部５１６は、電流検出部５１５により検出された３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに対して、３相座標から回転座標への座標変換を行い、検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓを求める。そして、座標変換部５１６は、求めた検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓを、バンドストップフィルター５１７、および、磁石温度推定部５２のバンドパスフィルター５２１に出力する。

バンドストップフィルター５１７は、水晶発振器３３の発振周波数を含む高調波の周波数帯の信号をカットする。これにより、バンドストップフィルター５１７は、検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓの高調波成分をカットして求めた基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆを減算器５１１に出力する。

磁石温度推定部５２は、バンドパスフィルター５２１、ＰＬＬ部５２２、温度推定部５２３、磁石保護部５２４、及び、リミッタ５２５を備える。リミッタ５２５には、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*が入力される。また、上述のように、バンドパスフィルター５２１には、座標変換部５１６からの検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓが入力される。

バンドパスフィルター５２１は、水晶発振器３３の発振周波数を含む高調波の信号のみを通過させる。これにより、バンドパスフィルター５２１は、座標変換部５１６から出力される検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓの高調波成分である高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃをＰＬＬ部５２２に出力する。

ＰＬＬ部５２２は、ＰＬＬ（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）回路を備え、入力信号に含まれる基本波とは異なる周波数の信号を特定することができる。ＰＬＬ部５２２は、高調波検出電流値ｉｄｓｑ、ｉｑｓｑに含まれる基本波とは異なる周波数成分の信号を特定し、特定した周波数成分の信号の周波数を、水晶発振器３３の発振周波数ｆｑとして温度推定部５２３に出力する。

温度推定部５２３は、図４のような水晶発振器３３の発振周波数ｆｑの温度特性を示すテーブルを予め記憶しておき、ＰＬＬ部５２２から出力される発振周波数ｆｑと、記憶しているテーブルとを用いて、水晶発振器３３の温度を推定する。水晶発振器３３は、永久磁石２５に隣接して設けられているため、水晶発振器３３と永久磁石２５とは同じ温度とみなすことができる。したがって、温度推定部５２３は、推定した水晶発振器３３の温度を永久磁石２５の温度Ｔｍとして推定し、外部のモニタなどに出力するとともに、磁石保護部５２４にも出力する。

また、水晶発振器３３に力が加わると、水晶発振器３３の発振周波数ｆｑが変化することが知られている。そのため、モータ１が回転すると、水晶発振器３３に遠心力が加わり、発振周波数ｆｑが変化することになる。そこで、例えば、温度推定部５２３は、予め、モータ１の回転速度と発振周波数ｆｑの変化量との関係を示す式やテーブルなどを記憶しておく。そして、温度推定部５２３は、特定した発振周波数ｆｑを当該式やテーブルなどを用いて補正する。温度推定部５２３が補正後の発振周波数ｆｑを用いて永久磁石２５の温度を推定することにより、永久磁石２５の温度の推定精度を向上させることができる。

磁石保護部５２４は、温度推定部５２３により推定された永久磁石２５の磁石温度Ｔｍに応じて、モータ１への供給電力の上限指令値である最大電流指令値ｉｄｓｆ＿ｍａｘ^*、ｉｑｓｆ＿ｍａｘ^*を出力する。また、磁石保護部５２４は、永久磁石２５が不可逆消磁してしまう温度よりも低い温度を、モータ１の回転を停止する停止温度Ｔｓｔｏｐとして記憶している。

磁石保護部５２４は、磁石温度Ｔｍと停止温度Ｔｓｔｏｐとを比較し、比較結果に応じて最大電流指令値ｉｄｓｆ＿ｍａｘ^*、ｉｑｓｆ＿ｍａｘ^*を出力する。磁石温度Ｔｍが停止温度Ｔｓｔｏｐ以下である場合には（Ｔｍ≦Ｔｓｔｏｐ）、磁石保護部５２４は、モータ１を停止する必要はないと判断し、設計上の最大の電流指令値を最大電流指令値ｉｄｓｆ＿ｍａｘ^*、ｉｑｓｆ＿ｍａｘ^*として出力する。一方、磁石温度Ｔｍが停止温度Ｔｓｔｏｐより大きい場合には（Ｔｍ＞Ｔｓｔｏｐ）、磁石保護部５２４は、モータ１を停止する必要があると判断し、最大電流指令値ｉｄｓｆ＿ｍａｘ^*、ｉｑｓｆ＿ｍａｘ^*としてゼロを出力する。

リミッタ５２５には、モータコントローラなどから基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*が入力されるとともに、磁石保護部５２４から最大電流指令値ｉｄｓｆ＿ｍａｘ^*、ｉｑｓｆ＿ｍａｘ^*が入力される。リミッタ５２５は、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*と、最大電流指令値ｉｄｓｆ＿ｍａｘ^*、ｉｑｓｆ＿ｍａｘ^*とのうちの小さい方の指令値を、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^**、ｉｑｓｆ^**として出力する。このようにすることで、例えば、磁石保護部５２４が最大電流指令値としてゼロをリミッタ５２５に出力した場合には、リミッタ５２５から出力される基本波電流指令値がゼロになるため、モータ１を停止することができる。

なお、本実施形態では、温度が上昇すると発振周波数ｆｑが単調に増加する水晶発振器３３を用いたが、これに限らない。温度が上昇すると発振周波数ｆｑが単調に減少する水晶発振器３３を用いても、温度推定部５２３は、永久磁石２５の温度を推定することができる。

第１実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、モータ１が回転している場合には、固定子コイル２３の回転磁界が磁石コイル３２を交番することにより、磁石コイル３２において誘起電力が発生して電流が流れる。磁石コイル３２に電流が流れると、磁石コイル３２と接続された水晶発振器３３に電流が印加され、水晶発振器３３は発振して発振周波数ｆｑの信号を出力する。

水晶発振器３３から出力される発振周波数ｆｑの信号は、磁石コイル３２に流れる電流に重畳されることになるため、磁石コイル３２が発生させる磁束は、発振周波数ｆｑの信号に応じて変化することになる。したがって、固定子コイル２３には磁石コイル３２の磁束の変化に応じた誘起電力が発生することになり、固定子コイル２３に流れる電流は、水晶発振器３３の発振周波数ｆｑの信号を含むことになる。

このような固定子コイル２３に流れる電流に含まれる発振周波数ｆｑの信号は、磁石温度推定部５２のＰＬＬ部５２２により特定することができる。そして、温度推定部５２３は、ＰＬＬ部５２２により特定された水晶発振器３３の発振周波数ｆｑと、予め記憶している発振周波数ｆｑの温度特性を示すテーブルとを用いて、水晶発振器３３の温度を推定する。水晶発振器３３は永久磁石２５と隣接しているため、永久磁石２５を水晶発振器３３とみなすことができるので、温度推定部５２３は、水晶発振器３３の推定温度を永久磁石２５の温度として推定することができる。このようにして、永久磁石２５の磁束量の温度依存性によらずに、永久磁石２５の温度を推定することができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、水晶発振器３３は、温度が上昇すると、発振周波数ｆｑが単調に増加する。すなわち、水晶発振器３３の温度と、水晶発振器３３の発振周波数ｆｑとは、１対１の対応となることになる。そのため、温度推定部５２３は、ＰＬＬ部５２２により特定される水晶発振器３３の発振周波数ｆｑを用いて、永久磁石２５の温度を一意に推定することができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、磁石保護部５２４は、永久磁石２５が不可逆消磁してしまう温度Ｔｅよりも低い温度を、モータ１の回転を停止させるか否かの判定に用いる停止温度Ｔｓｔｏｐとして記憶しておく。

磁石保護部５２４は、温度推定部５２３による永久磁石２５の推定温度Ｔｍと停止温度Ｔｓｔｏｐとを比較し、永久磁石２５が停止温度Ｔｓｔｏｐに達したと判断すると、リミッタ５２５を用いてモータ１の回転を停止させる。このようにすることにより、永久磁石２５が不可逆消磁してしまう温度Ｔｅに達することを防ぎ、永久磁石２５を保護することができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、温度推定部５２３は、予め、モータ１の回転速度と、モータ１がその回転速度で回転した場合の遠心力に起因して変化する水晶発振器３３の発振周波数ｆｑとの関係を、式やテーブルなどで記憶しておく。温度推定部５２３は、求めた水晶発振器３３の発振周波数ｆｑを、このような記憶している関係を用いて補正することにより、永久磁石２５の温度をより正確に推定することができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、良好な熱伝導性を有する接着部材３４によって、永久磁石２５と水晶発振器３３とは接合されているため、永久磁石２５と水晶発振器３３との間の温度差を小さくすることができる。したがって、温度推定部５３１は、水晶発振器３３の発振周波数ｆｑを用いて、永久磁石２５の温度をより正確に推定することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、温度が上昇すると、発振周波数ｆｑが単調に増加、又は、減少する水晶発振器３３を用いる例について説明したが、これに限らない。第２実施形態においては、発振周波数ｆｑが所定の温度で最大となる水晶発振器３３を用いる例について説明する。

本実施形態においては、第１実施形態と比較すると、水晶発振器３３の発振周波数ｆｑの温度特性が異なる点と、磁石温度推定装置２において、さらに、測定周波数とは異なる測定周波数の電力をモータ１への印加電力に重畳し、測定周波数の電力にて求めたインピーダンスを用いて永久磁石２５の温度を推定する点とが異なる。

図６は、第２実施形態の水晶発振器３３の発振周波数ｆｑの温度特性を示す図である。横軸に温度が示されており、縦軸に発振周波数ｆｑが示されている。図６によれば、発振周波数ｆｑが所定の温度Ｔｍａｘにて最大となることが示されている。また、この発振周波数が最大となる温度Ｔｍａｘは、永久磁石２５が不可逆消磁してしまう温度Ｔｅよりも低いものとする。

図７は、第２実施形態の磁石温度推定装置２のシステム構成図である。

第２実施形態の磁石温度推定装置２は、図５に示した第１実施形態の磁石温度推定装置２と比較すると、重畳部７０が追加されている点と、電力供給部５１において加算器７１１が追加されている点と、磁石温度推定部５２において第２推定部７２１が追加されている点と、が異なる。

重畳部７０には、永久磁石２５の温度を推定するために、基本波の駆動周波数よりも周波数が高い高調波である測定周波数の高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力される。そして、重畳部７０は、入力に応じた高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を電力供給部５１の加算器７１１に出力することで、電力供給部５１がモータ１に供給する交流電力に高調波成分の電力を重畳することができる。

高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*は、上述のように、永久磁石２５の温度の推定に用いる高調波の電力をモータ１に供給するための指令値である。高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*の周波数は、モータ１の回転中には変更されず一定であるものとする。また、本実施形態では、高調波成分の指令値によってモータ１に回転トルクを発生させないように、ｑ軸成分の高調波電流指令値ｉｑｓｃ^*をゼロとし、ｄ軸成分の高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*だけが変更されて磁石温度推定装置２に入力されるものとする。また、高調波電流指令値の振幅は、モータ１への影響を小さくするために、基本波電流指令値の振幅よりも小さいものとする。

ここで、重畳部７０の詳細な構成について説明する。

重畳部７０は、減算器７０１、及び、共振制御部７０２を備える。

減算器７０１には、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力されるとともに、磁石温度推定部５２のバンドパスフィルター５２１からの高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃがフィードバック入力される。減算器７０１は、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*から高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃを減算し、その減算結果を共振制御部７０２に出力する。

共振制御部７０２は、減算器７０１からの出力がゼロに近づくように、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を生成する。そして、共振制御部７０２は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を、電力供給部５１の加算器７１１、及び、磁石温度推定部５２の温度推定部５２３に出力する。

なお、共振制御部７０２は、高調波電圧指令値の振幅や、高調波電圧指令値の出力間隔を任意に設定することができる。なお、ｑ軸成分の高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*は、モータ１の回転トルクの制御に用いられる。そのため、モータ１の回転トルクに影響を与えないように、共振制御部７０２は、ｑ軸成分の高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*としてゼロを出力し、ｄ軸成分の高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*のみを変化させて出力する。

本実施形態では、共振制御部７０２は、パルセイティング・ベクトル・インジェクション（Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式によって高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*を出力するものとする。具体的には、共振制御部７０２は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*に正負の符号を交互に付して出力する。このようにすることにより、モータ１への指令値として電力供給部５１の加算器７１１から出力される第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*においては、ｄ軸方向に高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*の進みと遅れとが交互に生じることになる。

次に、電力供給部５１の詳細な構成について説明する。

電力供給部５１においては、第1実施形態と比較すると、電流制御部５１２と座標変換部５１３との間に、加算器７１１がさらに設けられている。

加算器７１１は、電流制御部５１２から出力された電圧指令値ｖｄ^*、ｖｑ^*に、重畳部７０の共振制御部７０２から出力された高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を加算（重畳）する。そして、加算器７１１は、高調波成分が重畳された第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*を座標変換部５１３へ出力する。

次に、磁石温度推定部５２の詳細な構成について説明する。

磁石温度推定部５２においては、第２推定部７２１が設けられており、第２推定部７２１にて推定された永久磁石２５の温度である第２推定温度Ｔｍ２が温度推定部５２３に入力される。

第２推定部７２１には、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力されるとともに、重畳部７０の共振制御部７０２から高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*が入力される。なお、上述のように、ｑ軸成分の高調波電流指令値ｉｑｓｃ^*、及び、高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*はゼロである。第２推定部７２１は、このようなｄ軸成分の高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*と高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*の入力からインピーダンスを算出し、算出したインピーダンスに応じて永久磁石２５の温度を推定する。

詳細には、第２推定部７２１は、重畳部７０により重畳される高調波の周波数に応じた不図示のバンドパスフィルターを有しており、パルセイティング・ベクトル・インジェクション方式で印加された高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*の正または負のいずれかの値を抽出する。第２推定部７２１は、入力された高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*と、バンドパスフィルターを経た高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*とを用いて、高調波成分のインピーダンスＺｈを算出することができる。

ここで、高調波成分のインピーダンスＺｈの実部Ｒｄは、固定子１１の永久磁石２５の温度と相関関係があることが知られている。なお、この相関関係については、後に、図８、及び、図９を用いて説明する。

そのため、第２推定部７２１は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄと永久磁石２５の温度との相関関係を示すテーブルを予め記憶しておき、算出した高調波インピーダンスの実部Ｒｄと予め記憶している相関関係を示すテーブルとを用いて、永久磁石２５の温度を推定することができる。そして、第２推定部７２１は、推定した永久磁石２５の温度を、第２推定温度Ｔｍ２として、温度推定部５２３に出力する。

温度推定部５２３は、第２推定部７２１から出力される第２推定温度Ｔｍ２を、ＰＬＬ部５２２から出力される共振周波数ｆｑを用いて補正する。本実施形態では、図７に示したように、温度Ｔｍａｘにて共振周波数ｆｑが最大となるような水晶発振器３３が用いられている。ここで、モータ１の回転速度が増加している間においては、モータ１の温度が上昇している。そのため、温度推定部５２３は、共振周波数ｆｑの変化率を求め、共振周波数ｆｑの変化率が増加から減少へと変わるタイミングにおいて、永久磁石２５が温度Ｔｍａｘに達したと判定することができる。このようにして、第２推定温度Ｔｍ２に測定誤差が生じていたとしても、温度推定部５２３は、永久磁石２５が温度Ｔｍａｘに達したか否かを確実に判定することができる。

ここで、図８を用いて、温度推定部５２３により測定される高調波インピーダンスの実部Ｒｄと、永久磁石２５の温度との相関関係について説明する。

図８は、磁石温度推定装置２にて磁石温度が推定される一般的なモータをモデル化した等価回路を示す図である。図８（ａ）においては、モータの構成が示されており、図８（ａ）に図８（ａ）のモータと等価な磁束回路が示されている。

なお、この図においては、図５に示した電力変換部５１４から出力される３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗの高調波成分が高調波電圧Ｖｈとして固定子コイル２３に印加される。また、固定子コイル２３に印加される電流の高調波成分が高調波電流Ｉｈとして示されている。この高調波電流Ｉｈは、図５の電流検出部５１５にて検出される３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの高調波成分である。

図８を参照すれば、固定子コイル２３に磁石温度推定装置２（図８では不図示）から高調波電圧Ｖｈが印加されると、固定子コイル２３と永久磁石２５との間で高調波成分を有する回転磁界が発生する。一方、永久磁石２５の表面においては、固定子コイル２３により発生する回転磁界の高調波成分に応じて渦電流が発生する。そのため、永久磁石２５は、インダクタンス成分を有することになる。このようにして、モータ１が回転しているときには、固定子１１と回転子１２とにより磁束回路が構成されることになる。

ここで、固定子コイル２３は、抵抗成分がＲｃであり、インダクタンス成分がＬｃであるものとする。

また、永久磁石２５は、抵抗成分がＲｍであり、インダクタンス成分がＬｍであるものとする。永久磁石２５の抵抗成分Ｒｍは、磁石部材３１、及び、磁石コイル３２の抵抗値を合成した値となる。また、永久磁石２５の抵抗成分Ｒｍは、磁石温度Ｔｍに応じて変化するためＲｍ（Ｔｍ）と示すことができる。永久磁石２５のインダクタンス成分Ｌｍは、磁石部材３１、及び、磁石コイル３２のインダクタンス成分を合成した値となる。また、永久磁石２５のインダクタンス成分Ｌｍは、磁石温度Ｔｍ、および、高調波電流値Ｉｈに応じて変化するため、Ｌｍ（Ｔｍ，Ｉｈ）と示すことができる。

ここで、高調波電圧Ｖｈと高調波電流値Ｉｈとから、Ｚｈ＝Ｖｈ／Ｉｈの関係を用いて高調波インピーダンスＺｈを演算する。そのような場合には、高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄは、式（１）で表される。

ただし、Ｍは相互インダクタンス、ωは高調波電圧Ｖｈの角周波数である。なお、相互インダクタンスＭは、磁石温度Ｔｍ、および、高調波電流値Ｉｈに応じて変化するため、Ｍ（Ｔｍ，Ｉｈ）と示される。式（１）によれば、高調波インピーダンスの実部Ｒｄは、永久磁石２５の温度である磁石温度Ｔｍと、図９に示すような相関関係がある。

図９は、図８に示したようなモータにおける、高調波インピーダンスの実部Ｒｄと磁石温度Ｔｍとの相関関係を示すグラフである。横軸は、磁石温度Ｔｍを示し、縦軸は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄを示している。この図においては、磁石温度Ｔｍが増加すると高調波インピーダンスの実部Ｒｄが増加するような相関関係が示されている。そのため、第２推定部７２１は、求めた高調波インピーダンスの実部Ｒｄと、図９に示したような相関関係とを用いることにより、磁石温度Ｔｍを推定することができる。

第２実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第２実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、共振周波数ｆｑが所定の温度Ｔｍａｘで最大となる水晶発振器３３が用いられている。モータ１の回転速度が増加して温度が上昇している間において、温度推定部５２３は、共振周波数ｆｑの変化率が増加から減少へと変わること検出することにより、永久磁石２５が温度Ｔｍａｘに達したと判定することができる。

ここで、水晶発振器３３にて発振周波数ｆｑが最大となる温度Ｔｍａｘは、永久磁石２５の不可逆消磁温度Ｔｅよりも低い。また、この温度Ｔｍａｘは、磁石保護部５２４において、モータ１の停止制御を行う停止温度Ｔｓｔｏｐとして記憶されている。そのため、温度推定部５２３が、永久磁石２５が温度Ｔｍａｘに達したことを検出すると、磁石保護部５２４は、リミッタ５２５を用いてモータ１を停止させる。

そのため、モータ１の回転速度が増加している間において、温度推定部５２３は、発振周波数ｆｑの変化率が増加から減少へと変わるタイミングを検出することにより、永久磁石２５が、水晶発振器３３の発振周波数ｆｑが最大となる温度Ｔｍａｘ、すなわち、停止温度Ｔｓｔｏｐに達したと確実に判定することができる。したがって、永久磁石２５が不可逆消磁温度Ｔｅに達する前にモータ１を確実に停止することができるため、永久磁石２５を保護することができる。

また、第２実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、磁石温度推定装置２において、重畳部７０は、電力供給部５１から出力されてモータ１へ供給される基本波の電力に、高調波の電力を重畳させる。そして、温度推定部５２３は、高調波電圧Ｖｈを高調波電流Ｉｈにて除することにより、高調波成分のインピーダンスを求める。

ここで、高調波インピーダンスの実部Ｒｄは、永久磁石２５の磁石温度Ｔｍと、図９に示したような相関関係がある。そのため、第２推定部７２１は、求めた高調波インピーダンスの実部Ｒｄと、予め記憶している図９のような相関関係とを用いて、永久磁石２５の第２推定温度Ｔｍ２を推定することができる。このようにして、温度推定部５２３は、第２推定部７２１により推定された第２推定温度Ｔｍ２を用いることで、永久磁石２５の温度を推定することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態においては、永久磁石２５の構成の他の例について説明する。

図１０Ａは、本実施形態のモータ１の断面図の一部である。

また、図１０Ｂによれば、樹脂１００１の内部の構成が、点線にて示されている。

モータ１の回転時においては、永久磁石２５の表面のうちの固定子１１に最も近い径方向端面が、最も温度が高くなる面であるものとする。本実施形態では、この永久磁石２５の径方向端面に、水晶発振器３３が設けられている。なお、このような永久磁石２５の表面のうちの最も温度が高くなる場所は、設計において求めることができる。

また、図１０Ａに示されたモータ１の断面図を、図２に示した第１実子形態のモータ１の断面図と比較すると、空隙２４に設けられた永久磁石２５が熱伝導性の高い樹脂１００１にて封入されている。樹脂１００１は、例えば、シリコン系の樹脂や、マイクロ銀ペーストなどがある。また、樹脂１００１は、例えば、アルミナや、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの熱伝導性に優れた材料がフィラーとして含有されたエポキシ樹脂などであってもよい。なお、永久磁石２５と水晶発振器３３とを熱伝導性が高い接着部材３４により接合した後に、樹脂１００１にて封入されているものとする。接着部材３４を用いずに樹脂１００１のみで永久磁石２５と水晶発振器３３とを固定してもよい。

第３実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第３実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、永久磁石２５が、熱伝導性が高い樹脂１００１によりモールドされている。そのため、永久磁石２５において、永久磁石２５と水晶発振器３３との温度差をさらに低減することができる。したがって、温度推定部５３１により推定される水晶発振器３３の温度は、永久磁石２５の磁石温度Ｔｍとより一致することになるため、磁石温度Ｔｍの推定精度を向上させることができる。

また、第３実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、永久磁石２５の表面のうちの最も高温になる場所に水晶発振器３３が設けられている。そのため、永久磁石２５の表面において温度が均一でなく偏りがある場合であっても、永久磁石２５の表面において、水晶発振器３３の温度を上回る箇所はないことになる。そのため、温度推定部５２３が推定した磁石温度Ｔｍに応じて磁石保護部５３２がモータ１の回転を制限することによって、永久磁石２５の一部が不可逆消磁温度Ｔｅに達してしまうことが回避され、永久磁石２５を確実に保護することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 磁石温度推定システム
１ モータ
１１ 固定子
１２ 回転子
２ 磁石温度推定装置
２１ スロット
２２ ティース
２３ 固定子コイル
２４ 空隙
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ 永久磁石
３１ 磁石部材
３２ コイル
３３ 水晶発振器
３４ 接着部材
５１ 電力供給部
５１１ 減算器
５１２ 電流制御部
５１３ 座標変換部
５１４ 電力変換部
５１５ 電流検出部
５１６ 座標変換部
５１７ バンドストップフィルター
５２ 磁石温度推定部
５２１ バンドパスフィルター
５２２ ＰＬＬ部
５２３ 温度推定部
５２４ 磁石保護部
５２５ リミッタ
７０ 重畳部
７０１ 減算器
７０２ 共振制御部
７１１ 加算器
７２１ 第２推定部
１００１ 樹脂

Claims (11)

1. 固定子コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とからなるモータ、及び、前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置を有する、磁石温度推定システムであって、
   前記回転子は、
   前記永久磁石の磁束の少なくとも一部と鎖交する磁石コイルと、
   前記磁石コイルと接続されるとともに、前記磁石コイルと接触して設けられ、自身の温度に応じて発振周波数が変化する水晶発振器と、を有し、
   前記磁石温度推定装置は、
   前記回転子を回転駆動させる駆動周波数の交流電力を前記固定子コイルに印加する電力供給部と、
   前記固定子コイルを流れる交流電力から前記水晶発振器の発振周波数成分を特定し、前記特定した発振周波数成分の周波数に応じて前記永久磁石の温度を推定する温度推定部と、を有する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
2. 請求項１に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記水晶発振器の発振周波数の特性は、水晶の温度が上昇する場合には単調に増加又は減少する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
3. 請求項１に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記水晶発振器の発振周波数の特性は、所定の温度で最大となる、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記磁石温度推定装置は、前記温度推定部により推定される前記永久磁石の温度に応じて、前記電力供給部により前記固定子コイルに印加される交流電力を制限する磁石保護部を、さらに有する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記磁石温度推定装置は、前記駆動周波数とは周波数が異なる測定周波数の交流電力を前記駆動周波数の交流電力に重畳させる重畳部を、さらに有し、
   前記温度推定部は、前記測定周波数の交流電力に基づいてインピーダンスを測定し、前記測定したインピーダンス、及び、前記特定した前記水晶発振器の発振周波数成分の周波数に応じて、前記永久磁石の温度を推定する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記温度推定部は、前記モータの回転速度に応じて前記特定した発振周波数成分を補正し、前記補正した発振周波数成分の周波数に応じて前記永久磁石の温度を推定する、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記水晶発振器と前記永久磁石とは、熱伝導部材により接合される、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記固定子には、前記永久磁石を配置するための空隙が形成され、
   前記永久磁石は、前記空隙において熱伝導樹脂によりモールドされる、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記水晶発振器は、前記永久磁石の表面のうち前記モータの回転時に温度が最も高くなる場所に設けられる、
   ことを特徴とする磁石温度推定システム。
10. 固定子コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とを有し、磁石温度推定装置によって、前記回転子を回転駆動させる駆動周波数とは異なる周波数を特定し、前記特定した周波数に応じて前記永久磁石の温度が推定されるモータであって、
    前記回転子は、
    前記永久磁石の磁束の少なくとも一部と鎖交する磁石コイルと、
    前記磁石コイルと接続されるとともに、前記磁石コイルと接触して設けられ、自身の温度に応じて発振周波数が変化する水晶発振器と、を有する、
    ことを特徴とするモータ。
11. 固定子コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とにより構成され、前記回転子は、前記永久磁石の磁束の少なくとも一部と鎖交する磁石コイルと、前記磁石コイルと接続されるとともに、前記磁石コイルと接触して設けられ、自身の温度に応じて発振周波数が変化する水晶発振器と、を有するモータにおいて、前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定方法であって、
    前記回転子を回転駆動させる駆動周波数の交流電力を前記固定子コイルに印加する電力供給ステップと、
    前記固定子コイルを流れる交流電力から前記水晶発振器の発振周波数成分を特定する発振周波数特定ステップと、
    前記特定した発振周波数成分の周波数に応じて前記永久磁石の温度を推定する温度推定ステップと、を有する、
    ことを特徴とする磁石温度推定方法。

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