JP2018102102A - モータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ロータに組み込まれた永久磁石の温度の推定精度を向上させ、過剰な出力制限を抑制する。【解決手段】永久磁石１５が取り付けられたロータ１４とコイル１３が巻回されたステータ１２とを有するモータ１０と、コイル温度センサ１７と、モータ１０を冷却する冷却液２１の温度を検出する冷却液温度センサ２５と、ロータ１４の回転数を検出するレゾルバ１８と、入力されたトルク指令値Ｔｒ*に基づいてモータ１０の出力を調整するコントローラ５０と、を備えるモータシステム１００であって、コントローラ５０は、コイル温度Ｔｃと、冷却液２１の温度Ｔｏと、ロータ１４の回転数Ｒとトルク指令値Ｔｒ*とによって定まるモータ１０の目標動作点と、に基づいて永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを算出し、算出した推定磁石温度Ｔｍに基づいてモータ１０の出力を制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータに永久磁石を取り付けたモータを用いたモータシステムの制御に関する。

近年、ロータに永久磁石を組み込んだモータが電動車両の駆動用モータとして多く用いられている。ロータに組み込んだ永久磁石は、所定の温度以上の高温状態となると減磁が発生し、運転効率（回転効率、発電効率）が低下することが知られている。

このため、ステータコイルの近傍に設けたサーミスタによって検出したステータ温度と、モータの冷却油の温度に基づいてロータの永久磁石温度を推定し、推定磁石温度が予め定めた閾値を超えた場合に、インバータのキャリア周波数を高くしてリプル電流を低減して永久磁石の温度上昇を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、サーミスタによって検出したステータ温度と、モータの冷却油の温度に基づいて電動車両の駆動用モータの出力を制限し、ロータに組み込まれた永久磁石の減磁を抑制する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−９３９８２号公報 特開２０１４−４２４００号公報

ところで、ロータに組み込まれた永久磁石の温度は、モータのトルク、回転数等の影響を受けるため、特許文献１に記載されたようなステータの温度と冷却油の温度から磁石温度を推定する方法では磁石温度の推定精度が低くなってしまう。このため、このような方法で推定した磁石温度に基づいてモータの出力を制限する場合、過剰にモータの出力を制限してしまう場合があった。

そこで、本発明は、ロータに組み込まれた永久磁石の温度の推定精度を向上させ、過剰な出力制限を抑制することを目的とする。

本発明のモータシステムは、永久磁石が取り付けられたロータとコイルが巻回されたステータとを有するモータと、前記コイルの温度を検出するコイル温度センサと、前記モータを冷却する冷却液の温度を検出する冷却液温度センサと、前記ロータの回転数を検出する回転数センサと、入力されたトルク指令値に基づいて前記モータの出力を調整するコントローラと、を備えるモータシステムであって、前記コントローラは、前記コイル温度センサで検出したコイル温度と、前記冷却液温度センサで検出した冷却液の温度と、前記回転数センサで検出した前記ロータの回転数と前記トルク指令値とによって定まる前記モータの目標動作点と、に基づいて前記永久磁石の推定温度を算出する磁石温度推定部と、前記磁石温度推定部が算出した前記永久磁石の前記推定温度に基づいて前記モータの出力を制限する出力制限部と、を有することを特徴とする。

本発明は、ロータに組み込まれた永久磁石の温度の推定精度を向上させ、過剰な出力制限を抑制することができる。

本発明の実施形態におけるモータシステムの構成を示す系統図である。 本発明の実施形態のモータシステムにおけるコントローラの機能ブロック図である。 冷却液の温度と永久磁石の実温度との相関と、コイル温度と永久磁石の実温度との相関を示す説明図である。 ロータ回転数とロータの鉄損の相関と、モータの出力トルクとロータの鉄損との相関を示す説明図である。 ロータの回転数とトルク指令値とによって定まるモータの目標動作点に基づいて推定磁石温度算出部が推定磁石温度を算出する際に用いる計算式またはマップを選択する選択チャートである。 図５に示す領域２に対応するマップ２と図５に示す領域３に対応するマップ３とを示す説明図である。 推定磁石温度に対する許容トルクを示す許容トルクマップである。 本発明のモータシステムの動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態のモータシステムにおけるコントローラの機能ブロック図である。 モータの実逆起電圧とモータ設計上の基準逆起電圧との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態のモータシステムにおける許容トルク補正係数を算出する動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態のモータシステムにおける繰り返し動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態のモータシステム１００について説明する。以下の説明では、モータシステム１００は電動車両２００に搭載されていることとして説明するが、他の機器に搭載されていてもよい。

最初にモータシステム１００が搭載される電動車両２００について説明する。図１に示すように、電動車両２００は、車両駆動用のモータ１０と、バッテリ３０と、バッテリ３０の直流電力を交流電力に変換してモータ１０に供給するインバータ３４と、モータ１０によって車輪４４を駆動する駆動機構４０と、モータ１０を冷却する冷却装置２０と、モータ１０の出力を調整するコントローラ５０とを含んでいる。

図１に示すように、モータ１０は、ケーシング１１と、ケーシング１１の内部に取り付けられたステータ１２と、ステータ１２の内周に配置されたロータ１４と、ロータ１４に一体に固定された回転軸１６とを有している。ステータ１２にはコイル１３が巻回されている。コイル１３にはコイル温度Ｔｃを検出するコイル温度センサ１７が取り付けられている。ロータ１４は電磁鋼板を積層した円柱状で外周近傍の内部に永久磁石１５が組み込まれている。回転軸１６の一端には、ロータ１４の回転角θ及び回転数Ｒを検出する回転数センサであるレゾルバ１８が取り付けられている。

バッテリ３０は、充放電可能な二次電池であり、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等で構成されていてもよい。バッテリ３０の正極と負極とはそれぞれ高圧電路３１、グランド電路３２を通してインバータ３４に接続されている。高圧電路３１とグランド電路３２との間には、バッテリ３０の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ３３が取り付けられている。

インバータ３４は、内部に複数のＦＥＴ等のスイッチング素子を含み、コントローラ５０から入力されるＰＷＭ信号によってスイッチング素子をオン・オフ動作させ、高圧電路３１とグランド電路３２とから入力されたバッテリ３０からの直流電力を交流電力に変換して交流電路３５からモータ１０に供給する。また、インバータ３４は、コントローラ５０から入力されるＰＷＭ信号によってスイッチング素子をオン・オフ動作させ、交流電路３５から入力されるモータ１０の交流の回生電力を直流電力に変換して高圧電路３１とグランド電路３２を通してバッテリ３０に充電する。ここで、交流電路３５は、Ｕ相電路３５ｕ、Ｖ相電路３５ｖ、Ｗ相電路３５ｗの３本の電路で構成されている。Ｖ相電路３５ｖ、Ｗ相電路３５ｗには、それぞれＶ相電流Ｉｖを検出する電流センサ３６とＷ相電流Ｉｗを検出する電流センサ３７とが取り付けられている。

モータ１０を冷却する冷却装置２０は、モータ１０の下部に設けられて冷却油等の冷却液２１を貯留するオイルパン２２と、オイルパン２２に貯留された冷却液２１を加圧するオイルポンプ２３と、加圧された冷却液２１をモータ１０のケーシング１１の中に循環させる冷却液循環管２４と、オイルパン２２に貯留された冷却液２１の温度Ｔｏを検出する冷却液温度センサ２５とを含んでいる。図１に示すように、冷却液循環管２４を通ってモータ１０のケーシング１１の上部から内部に流入した冷却液２１は、ステータ１２のコイル１３を冷却してケーシング１１の下部からオイルパン２２に戻る。また、ケーシング１１の下部には冷却液２１が溜まっており、ステータ１２の下部及びロータ１４の下部はケーシング１１の中に溜まった冷却液２１の中に没している。

駆動機構４０は、モータ１０の回転軸１６に接続されてモータ１０の駆動力が伝達される駆動軸４１と、駆動軸４１の回転を車軸４３の回転に伝達するディファレンシャルギヤ４２と、車軸４３に取り付けられた車輪４４を含んでいる。

ここで、モータ１０と、コイル温度センサ１７と、冷却液温度センサ２５と、回転数センサであるレゾルバ１８と、コントローラ５０とはモータシステム１００を構成する。

コントローラ５０は、図１に示すように、機器やセンサが接続させる機器・センサインターフェース５３と、制御データや動作プログラム等を格納する記憶部５２と、演算処理を行うＣＰＵ５１とを備えるコンピュータである。ＣＰＵ５１と、記憶部５２と機器・センサインターフェース５３とはデータバス６０で接続されている。機器・センサインターフェース５３には、レゾルバ１８、電圧センサ３３、電流センサ３６、３７、コイル温度センサ１７、冷却液温度センサ２５が接続されている。レゾルバ１８及び各センサ３３、３６、３７、１７、２５が検出した、ロータ１４の回転角θ及び回転数Ｒ、バッテリ３０の電圧Ｖｂ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、コイル温度Ｔｃ、冷却液２１の温度Ｔｏは、機器・センサインターフェース５３を通してコントローラ５０に入力される。また、機器・センサインターフェース５３はインバータ３４に接続されている。コントローラ５０は、機器・センサインターフェース５３を通してＣＰＵ５１が演算したＰＷＭ信号をインバータ３４に出力する。また、コントローラ５０には、図示しない他の制御装置によって算出されたモータ１０のトルク指令値Ｔｒ^*が入力される。

記憶部５２には、モータ１０の制御を実行するための制御データ、プログラム及び、図５に示す選択チャート、図６に示すマップ、図７に示す許容トルクマップが格納されている。

次に、図２を参照しながらコントローラ５０の機能ブロックについて説明する。図２に示すように、コントローラ５０は、磁石温度推定部５４と出力制限部５７とを含んでいる。また、図２に示すように、磁石温度推定部５４は、計算式選択部５５と推定磁石温度算出部５６とで構成されている。また、出力制限部５７は、トルク指令値再設定部５８とＰＷＭ制御部５９とで構成されている。

計算式選択部５５には、モータ１０の回転数Ｒと、図示しない他の制御装置から入力されたモータ１０のトルク指令値Ｔｒ^*とが入力される。計算式選択部５５は、入力された回転数Ｒとトルク指令値Ｔｒ^*とによって定まるモータ１０の目標動作点と、図５に示す選択チャート、図６に示すマップを用いて推定磁石温度算出部５６が永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍの算出を行う際に使用する計算式あるいはマップを選択する。

推定磁石温度算出部５６には、計算式選択部５５によって選択された計算式あるいはマップと、コイル温度センサ１７が検出したコイル温度Ｔｃと、冷却液温度センサ２５が検出した冷却液２１の温度Ｔｏとが入力される。推定磁石温度算出部５６は、入力された計算式またはマップとコイル温度Ｔｃと冷却液２１の温度Ｔｏとを用いて推定磁石温度Ｔｍの算出を行い、算出した推定磁石温度Ｔｍを出力する。

以上のように、計算式選択部５５と推定磁石温度算出部５６とで構成される磁石温度推定部５４は、コイル温度センサ１７で検出したコイル温度Ｔｃと、冷却液温度センサ２５で検出した冷却液２１の温度Ｔｏと、レゾルバ１８で検出したロータ１４の回転数Ｒとトルク指令値Ｔｒ^*とによって定まるモータ１０の目標動作点と、に基づいて永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを算出する。

トルク指令値再設定部５８には、推定磁石温度算出部５６が出力した推定磁石温度Ｔｍと、レゾルバ１８によって検出されたロータ１４の回転数Ｒと、他の制御装置から入力されたトルク指令値Ｔｒ^*とが入力される。トルク指令値再設定部５８は、入力された回転数Ｒと推定磁石温度Ｔｍに基づいて、図７に示す許容トルクマップを参照してモータ１０の許容トルクＴｒａの算出を行い、算出した許容トルクＴｒａとトルク指令値Ｔｒ^*とを比較してトルク指令値Ｔｒ^*が許容トルクＴｒａを超える場合には許容トルクＴｒａをトルク指令値Ｔｒ２^*として再設定して出力する。また、トルク指令値Ｔｒ^*が許容トルクＴｒａ以下の場合にはトルク指令値Ｔｒ^*をトルク指令値Ｔｒ２^*として再設定して出力する。このように、トルク指令値再設定部５８は、推定磁石温度Ｔｍに基づいてトルク指令値Ｔｒ２^*を許容トルクＴｒａ以下に制限する。

ＰＷＭ制御部５９には、トルク指令値再設定部５８が再設定したトルク指令値Ｔｒ２^*と、電圧センサ３３で検出したバッテリ３０の電圧Ｖｂと、電流センサ３６、３７で検出したＶ相電流ＩｖとＷ相電流Ｉｗと、レゾルバ１８で検出したロータ１４の回転角θとが入力される。ＰＷＭ制御部５９は、入力されたトルク指令値Ｔｒ２^*と電圧ＶｂとＶ相電流ＩｖとＷ相電流Ｉｗと回転角θとに基づいて、インバータ３４のスイッチング素子をオン・オフ駆動するＰＷＭ信号を出力する。このように、ＰＷＭ制御部５９は、制限されたトルク指令値Ｔｒ２^*に基づいてモータ１０の出力を調整する。

以上のように、トルク指令値再設定部５８とＰＷＭ制御部５９とで構成される出力制限部５７は、磁石温度推定部５４が算出した永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍに基づいてトルク指令値Ｔｒ２^*を許容トルクＴｒａ以下に制限することによりモータ１０の出力を制限するものである。

以上説明した図２に示すコントローラ５０の機能ブロックは、コントローラ５０に含まれるＣＰＵ５１および記憶部５２と、記憶部５２から読み出されてＣＰＵ５１で実行されるプログラムとを主体としたソフトウェアで実現される。

次に、図３から図６を参照しながら記憶部５２に格納されている選択チャート（図５）及びマップ（図６）について説明する。図５に示す選択チャートは、推定磁石温度算出部５６が永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍの算出を行う際に使用する計算式あるいはマップを選択する際に参照するチャートである。

最初に図３を参照しながら、永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍの基本的な算出式について説明する。なお、図３から図６に示すように、永久磁石１５の実温度Ｔｍａ、推定磁石温度Ｔｍ、冷却液２１の温度Ｔｏ、コイル温度Ｔｃの単位は（℃）、鉄損Ｌｆの単位は（Ｗ／ｋｇ）、ロータ１４の回転数Ｒの単位は（ｒｐｍ）、モータ１０の出力トルクＴｒ、トルク指令値Ｔｒ^*の単位は（Ｎ＊ｍ）である。

図３（ａ）は、モータ１０の冷却液温度センサ２５で検出した冷却液２１の温度Ｔｏとロータ１４に組み込まれた永久磁石１５の実温度Ｔｍａとの相関を示すグラフである。先に説明したように、モータ１０のケーシング１１の下部には冷却液２１が溜まっており、ロータ１４の下部は冷却液２１の中に没している。このため、図３（ａ）の実線７１に示すように、ロータ１４に組み込まれた永久磁石１５の実温度Ｔｍａは冷却液２１の温度Ｔｏに略比例し、冷却液２１の温度Ｔｏが高くなるに従って上昇する。

図３（ｂ）は、コイル温度センサ１７で検出したコイル温度Ｔｃとロータ１４に組み込まれた永久磁石１５の実温度Ｔｍａとの相関を示すグラフである。コイル１３の温度Ｔｃと永久磁石１５の実温度Ｔｍａとは、共にモータ１０の出力が大きくなると高くなる特性を有している。このため、図３（ｂ）の実線７２に示すように、永久磁石１５の実温度Ｔｍａはコイル温度Ｔｃの上昇に比例して上昇する。

以上のような永久磁石１５の実温度Ｔｍａと冷却液２１の温度Ｔｏ、コイル温度Ｔｃとの相関関係から、冷却液２１の温度Ｔｏとコイル温度Ｔｃに基づいて永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを推定する以下のような計算式が導かれる。

推定磁石温度Ｔｍ（℃） ＝ Ａ×Ｔｏ＋Ｂ×Ｔｃ＋Ｃ
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは定数である。

次に、図４を参照しながら、ロータ１４の鉄損Ｌｆとロータ１４の回転数Ｒの相関、ロータ１４の鉄損Ｌｆとモータ１０の出力トルクＴｒとの相関について説明する。図４（ａ）の実線７３に示すように、ロータ１４の鉄損Ｌｆは、ロータ１４の回転数Ｒに略比例して大きくなる。また、図４（ｂ）の実線７４に示すように、ロータ１４の鉄損Ｌｆはモータ１０の出力トルクＴｒが大きくなると増大し、モータの出力トルクＴｒが大きくなるにつれて鉄損Ｌｆの増加割合は小さくなってくる。

ロータ１４の鉄損Ｌｆと永久磁石１５の実温度Ｔｍａとは略比例関係にある。従って、モータ１０の回転数Ｒ、出力トルクＴｒがともに大きいほどロータ１４の永久磁石１５の実温度Ｔｍａは高くなり、モータ１０の回転数Ｒ、出力トルクＴｒがともに小さいほど永久磁石１５の実温度Ｔｍａは低くなる。また、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、回転数Ｒの方が鉄損Ｌｆへの影響が大きいので、ロータ１４の回転数Ｒが大きい場合の方がモータの出力トルクＴｒが大きい場合よりも永久磁石１５の温度が高くなる傾向がある。

そこで、本実施形態のモータシステム１００では、図５に示すように、最大トルク線７５と、最大等出力線７６と、最大回転数線７７とで囲まれるモータ１０の運転領域を領域１から領域４の４つの領域に区分し、各領域にそれぞれ推定磁石温度Ｔｍの算出に用いる計算式あるいはマップを関連づけた選択チャートを記憶部５２に格納している。

図５に示す選択チャート中の領域２は、回転数区分線７８とトルク指令値区分線７９と最大トルク線７５と最大等出力線７６とで囲まれ、ロータ１４の回転数Ｒがαよりも大きく、且つ、トルク指令値Ｔｒ^*がβよりも大きい領域である。領域２は、他の領域よりも永久磁石１５の実温度Ｔｍａが高くなると推定される領域である。

図５に示す選択チャート中の領域３は、回転数区分線７８とトルク指令値区分線７９とで囲まれ、ロータ１４の回転数Ｒがαよりも小さく、且つ、トルク指令値Ｔｒ^*がβよりも小さい領域である。領域３は、他の領域よりも永久磁石１５の実温度Ｔｍａが低くなると推定される領域である。

図５に示す選択チャート中の領域１は、最大トルク線７５と回転数区分線７８とトルク指令値区分線７９とで囲まれ、ロータ１４の回転数Ｒがαよりも小さく、且つ、トルク指令値Ｔｒ^*がβよりも大きい領域である。また、図５に示す選択チャート中の領域４は、最大回転数線７７と回転数区分線７８とトルク指令値区分線７９とで囲まれ、ロータ１４の回転数Ｒがαよりも大きく、且つ、トルク指令値Ｔｒ^*がβよりも小さい領域である。領域１と領域４は、永久磁石１５の実温度Ｔｍａが領域２と領域３との中間となると推定される領域である。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、ロータ１４の回転数Ｒの方がトルク指令値Ｔｒ^*よりも鉄損Ｌｆへの影響が大きく、永久磁石１５の実温度Ｔｍａへの影響が大きい。このため、図５に示す選択チャート中の領域４の永久磁石１５の実温度Ｔｍａと領域１の永久磁石１５の実温度Ｔｍａとでは、領域４の永久磁石１５の実温度Ｔｍａの方が領域１の永久磁石１５の実温度Ｔｍａよりも高くなると推定される。

本実施形態のモータシステム１００では、図５に示す選択チャート中の領域１から領域４において冷却液２１の温度Ｔｏとコイル温度Ｔｃから永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを計算する計算式を以下及び図５に示す（式１）から（式４）のように規定している。

領域１：推定磁石温度Ｔｍ ＝ Ａ１×Ｔｏ＋Ｂ１×Ｔｃ＋Ｃ１ ・・・ （式１）
領域２：推定磁石温度Ｔｍ ＝ Ａ２×Ｔｏ＋Ｂ２×Ｔｃ＋Ｃ２ ・・・ （式２）
領域３：推定磁石温度Ｔｍ ＝ Ａ３×Ｔｏ＋Ｂ３×Ｔｃ＋Ｃ３ ・・・ （式３）
領域４：推定磁石温度Ｔｍ ＝ Ａ４×Ｔｏ＋Ｂ４×Ｔｃ＋Ｃ４ ・・・ （式４）

（式１）から（式４）において、Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４は定数である。

そして、（式１）から（式４）で計算した図５に示す選択チャート中の領域１から領域４の各推定磁石温度Ｔｍが、領域２の推定磁石温度Ｔｍ＞領域４の推定磁石温度Ｔｍ＞領域１の推定磁石温度Ｔｍ＞領域３の推定磁石温度Ｔｍとなるように、定数Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４は、例えば、以下のように設定されている。

Ａ２＞Ａ４＞Ａ１＞Ａ３
Ｂ２＞Ｂ４＞Ｂ１＞Ｂ３
Ｃ２＞Ｃ４＞Ｃ１＞Ｃ３

なお、図５に示す選択チャート中の領域１から領域４の各推定磁石温度Ｔｍが、領域２の推定磁石温度Ｔｍ＞領域４の推定磁石温度Ｔｍ＞領域１の推定磁石温度Ｔｍ＞領域３の推定磁石温度Ｔｍとなれば、定数Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４は、上記に限らず、例えば、以下のように設定してもよい。

Ａ２＞Ａ１＞Ａ４＞Ａ３
Ｂ２＞Ｂ１＞Ｂ４＞Ｂ３
Ｃ２＞Ｃ１＞Ｃ４＞Ｃ３

また、本実施形態のモータシステム１００では、図５に示す選択チャート中の領域１から領域４における永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを計算する場合に使用するマップ１かにマップ４を記憶部５２に格納している。図６を参照しながら、このうちの領域２における永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを計算するマップ２と、領域３における永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを計算するマップ３について説明する。

図６（ａ）に示すように、マップ２は、先に説明した（式２）のコイル温度Ｔｃに複数の所定値を順次代入し、コイル温度Ｔｃが所定値の場合の冷却液２１の温度Ｔｏに対する推定磁石温度Ｔｍとの関係を複数の実線８１から８３の組みとしてマップとしたものである。図６（ａ）の実線８１から８３に示すように、冷却液２１の温度Ｔｏ、コイル温度Ｔｃが高くなるにつれて推定磁石温度Ｔｍは高くなっていく。

図６（ｂ）に示すマップ３も図６（ａ）に示すマップ２と同様、先に説明した（式３）のコイル温度Ｔｃに複数の所定値を順次代入し、コイル温度Ｔｃが所定値の場合の冷却液２１の温度Ｔｏに対する推定磁石温度Ｔｍとの関係を複数の一点鎖線８４から８６の組みとしてマップとしたものである。

先に説明したように、定数Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４は、領域２の推定磁石温度Ｔｍ＞領域４の推定磁石温度Ｔｍ＞領域１の推定磁石温度Ｔｍ＞領域３の推定磁石温度Ｔｍとなるように、例えば、Ａ２＞Ａ４＞Ａ１＞Ａ３、Ｂ２＞Ｂ４＞Ｂ１＞Ｂ３、Ｃ２＞Ｃ４＞Ｃ１＞Ｃ３のように設定されている。このため、冷却液２１の温度Ｔｏが同一のＴｏ１で、コイル温度Ｔｃが同一のＴｃ１の場合、マップ２では推定磁石温度ＴｍはＴｍ２となるのに対し、マップ３では、推定磁石温度ＴｍはＴｍ２よりも低いＴｍ３となる。領域１に対応するマップ１、領域４に対応するマップ４もマップ２、マップ３と同様の構成である。そして、冷却液２１の温度Ｔｏ、コイル温度Ｔｃが同一の場合、マップ１、マップ４を用いて推定した推定磁石温度Ｔｍは、マップ２を用いて推定した推定磁石温度Ｔｍとマップ３を用いて推定した推定磁石温度Ｔｍの中間の値となり、マップ４を用いて推定した推定磁石温度Ｔｍは、マップ１を用いて推定した推定磁石温度Ｔｍよりも高くなる。

次に、図７に示す推定磁石温度Ｔｍに対する許容トルクＴｒａを示す許容トルクマップについて説明する。図７に示す許容トルクマップは、記憶部５２に格納されている。図７の実線９１は、推定磁石温度Ｔｍが低く、ロータ１４の回転数Ｒに対するトルク制限がない場合の回転数Ｒに対する許容トルクＴｒａの変化を示している。推定磁石温度Ｔｍが高くなって来ると、実線９２、９３に示すように、最大トルクＴｒ０を出力できる回転数Ｒが下がってくる。これにより、高回転領域において、トルクが制限され、モータ１０の出力が制限される。そして、更に推定磁石温度Ｔｍが高くなってくると、実線９４から９６に示すように、出力可能な最大トルクがＴｒ０からＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３と低減される。これにより、ロータ１４の回転数Ｒの全域においてモータ１０のトルク、出力が制限される。

次に、図８を参照しながらコントローラ５０の動作について説明する。コントローラ５０は、図８に示すステップＳ１０１からＳ１１３を予め決められた周期Δｔ（例えば、０．１秒）毎に繰り返して実行する。図８に示すステップＳ１０１からＳ１０３は計算式選択部５５によって実行され、図８に示すステップＳ１０４、Ｓ１０５は推定磁石温度算出部５６で実行される。また、図８に示すステップＳ１０６からＳ１０８、Ｓ１１１はトルク指令値再設定部５８で実行され、図８に示すステップＳ１０９、Ｓ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１３はＰＷＭ制御部５９で実行される。また、図示しない他の制御装置は、例えば、電動車両２００の車速、シフトレバーの位置、アクセル開度あるいはブレーキ開度等に基づいてモータ１０のトルク指令値Ｔｒ^*を算出して出力している。

図８のステップＳ１０１に示すように、計算式選択部５５は、図示しない他の制御装置からモータ１０のトルク指令値Ｔｒ^*を取得する。次に、計算式選択部５５は、図８のステップＳ１０２に示すように、レゾルバ１８からロータ１４の回転数Ｒを検出する。トルク指令値Ｔｒ^*と、ロータ１４の回転数Ｒとを取得したら、計算式選択部５５は、取得したトルク指令値Ｔｒ^*、回転数Ｒを記憶部５２に格納して図８のステップＳ１０３に進む。計算式選択部５５は、図８のステップＳ１０３においてトルク指令値Ｔｒ^*とロータ１４の回転数Ｒとから定まるモータ１０の目標動作点を確認する。そして、計算式選択部５５は、記憶部５２に格納されている図５に示す選択チャートを参照し、モータ１０の目標動作点が図５に示す選択チャートの領域１から領域４のどの領域にあるかを確認する。そして、計算式選択部５５は、例えば、モータ１０の目標動作点が領域１にある場合には、（式１）あるいは（マップ１）を選択する。このように、計算式選択部５５は、モータ１０の目標動作点が領域Ｎ（Ｎは１から４の整数）にある場合には、（式Ｎ）あるいは（マップＮ）を選択する。

推定磁石温度算出部５６は、図８のステップＳ１０４において、コイル温度センサ１７、冷却液温度センサ２５とからコイル温度Ｔｃ、冷却液２１の温度Ｔｏを取得する。推定磁石温度算出部５６は、取得したコイル温度Ｔｃ、冷却液２１の温度Ｔｏを記憶部５２に格納して図８のステップＳ１０５に進む。推定磁石温度算出部５６は、図８のステップＳ１０５において、計算式選択部５５が選択した計算式あるいはマップと、コイル温度Ｔｃ、冷却液２１の温度Ｔｏとを用いて推定磁石温度Ｔｍを算出し、推定磁石温度Ｔｍを出力する。

トルク指令値再設定部５８は、図８に示すステップＳ１０６において、記憶部５２に格納された図７に示す許容トルクマップと、推定磁石温度算出部５６が出力した推定磁石温度Ｔｍと、記憶部５２から読み出したロータ１４の回転数Ｒとに基づいて、モータ１０の許容トルクＴｒａを算出する。トルク指令値再設定部５８は、モータ１０の許容トルクＴｒａを算出したら、図８のステップＳ１０７に進み、他の制御装置から入力されたモータ１０のトルク指令値Ｔｒ^*が算出した許容トルクＴｒａを超えるかどうか判断する。そして、トルク指令値Ｔｒ^*が算出した許容トルクＴｒａを超える場合には、図８のステップＳ１０８に進んで、ＰＷＭ制御部５９に出力するトルク指令値Ｔｒ２^*に許容トルクＴｒａを再設定する。

図８のステップＳ１０９においてＰＷＭ制御部５９は、電圧センサ３３、電流センサ３６、３７、レゾルバ１８からそれぞれバッテリ３０の電圧Ｖｂと、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、ロータ１４の回転角θを取得する。ＰＷＭ制御部５９は、取得した電圧Ｖｂ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、ロータ１４の回転角θを記憶部５２に格納して図８のステップＳ１１０に進む。ＰＷＭ制御部５９は、図８のステップＳ１１０において、トルク指令値再設定部５８において許容トルクＴｒａに再設定されたトルク指令値Ｔｒ２^*と、バッテリ３０の電圧Ｖｂと、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、ロータ１４の回転角θとに基づいて、インバータ３４のスイッチング素子をオン・オフ動作させるＰＷＭ信号を出力する。このＰＷＭ信号は、モータ１０の出力トルクを許容トルクＴｒａ以下に制限してモータ１０を駆動する信号である。このように、モータ１０は、永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍにより出力が制限される。

一方、トルク指令値再設定部５８は、トルク指令値Ｔｒ^*が算出した許容トルクＴｒａ以下で、図８のステップＳ１０７においてＮＯと判断した場合には、図８のステップＳ１１１に進んで、ＰＷＭ制御部５９に出力するトルク指令値Ｔｒ２^*に他の制御装置から取得したトルク指令値Ｔｒ^*を再設定する。そして、図８のステップＳ１１２において、ＰＷＭ制御部５９は、ステップＳ１０９と同様、電圧センサ３３、電流センサ３６、３７、レゾルバ１８からそれぞれバッテリ３０の電圧Ｖｂと、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、ロータ１４の回転角θを取得し、図８のステップＳ１１３に進む。ＰＷＭ制御部５９は、図８のステップＳ１１３において、トルク指令値再設定部５８においてトルク指令値Ｔｒ^*に再設定されたトルク指令値Ｔｒ２^*と、バッテリ３０の電圧Ｖｂと、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、ロータ１４の回転角θとに基づいて、インバータ３４のスイッチング素子をオン・オフ動作させるＰＷＭ信号を出力する。このＰＷＭ信号は、モータ１０の出力トルクをトルク指令値Ｔｒ^*から制限せずにモータ１０を駆動する信号である。したがって、この場合、モータ１０は、永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍによって出力が制限されない。

以上説明したように、本実施形態のモータシステム１００は、ロータ１４の回転数Ｒとトルク指令値Ｔｒ^*とによって定まるモータ１０の目標動作点に基づいて図５に示す選択チャートから永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを精度よく算出できる計算式あるいはマップを選択し、その選択した計算式あるいはマップを用いて永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを算出するので、永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを精度よく推定することができる。そして、精度よく算出した推定磁石温度Ｔｍを用いてモータ１０の出力を制限するので、モータ１０の出力を過剰に制限することを抑制できる。本実施形態のモータシステム１００を電動車両２００に搭載した場合、車両駆動用のモータ１０の永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍを精度よく推定することによってモータ１０の過剰な出力制限を抑制して車両性能が低下することを抑制することができる。

次に、図９から図１１を参照しながら、本実施形態のモータシステム１００の他の実施形態について説明する。先に図１から図８を参照して説明した実施形態と同様の部分には、同様の符号を付して説明は省略する。

図９は、他の実施形態のモータシステム１００のコントローラ５０の機能ブロック図である。本実施形態のモータシステム１００のコントローラ５０は、先に図２を参照して説明した実施形態のコントローラ５０にトルク補正係数算出部６１を追加したものである。また、本実施形態のコントローラ５０は記憶部５２に図１０に実線９９で示すモータ設計上の基準逆起電圧の時間変化カーブを格納している。

トルク補正係数算出部６１は、モータ１０の逆起電圧を検出し、検出した逆起電圧の最大値のモータ設計上の基準逆起電圧の最大値に対する比率から許容トルク補正係数Ｋを算出するものである。

先に説明した実施形態と同様、図９に示すコントローラ５０の機能ブロックは、コントローラ５０に含まれるＣＰＵ５１および記憶部５２と記憶部５２から読み出されてＣＰＵ５１で実行されるプログラムとを主体としたソフトウェアで実現される。

以下、図１１、図１２を参照しながら本実施形態のコントローラ５０の動作について説明する。コントローラ５０は、図１１に示すステップＳ２０１、Ｓ２０２を実行した後、図１１に示すステップＳ１０１からＳ１０５、Ｓ２０３、Ｓ１０７からＳ１１３を予め決められた周期Δｔ（例えば、０．１秒）毎に繰り返して実行する。

図１１に示すステップＳ２０１、Ｓ２０２はトルク補正係数算出部６１で実行される。図１２に示すステップＳ１０１からＳ１０３は計算式選択部５５によって実行され、図１２に示すステップＳ１０４、Ｓ１０５は推定磁石温度算出部５６で実行される。また、図１２に示すステップＳ１０６、Ｓ２０３、Ｓ２０４、Ｓ２０５、Ｓ１１１はトルク指令値再設定部５８で実行され、図１２に示すステップＳ１０９、Ｓ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１３はＰＷＭ制御部５９で実行される。また、図示しない他の制御装置は、例えば、電動車両２００の車速、シフトレバーの位置、アクセル開度あるいはブレーキ開度等に基づいてモータ１０のトルク指令値Ｔｒ^*を算出して出力している。以下の説明では、図８を参照して説明したのと同様のステップには同様の符号を付して説明は省略する。

図１１のステップＳ２０１に示すように、トルク補正係数算出部６１は、モータ１０の逆起電圧波形を検出して記憶部５２に格納する。モータ１０の逆起電圧波形の検出は、例えば、インバータ３４のスイッチング素子を全て開とし、車輪４４、車軸４３の回転によりモータ１０が回転させられている状態で図２に示す交流電路３５に取り付けた図示しない電圧センサによって交流電路３５の交流電圧を検出することによって行ってもよい。このような状態は、例えば、インバータ３４のスイッチング素子を全て開として電動車両２００を惰性で走行させることによって実現することができる。トルク補正係数算出部６１は、モータ１０の逆起電圧波形を図１０の破線９８に示すような時間変化する交流電圧波形として検出する。図１０の破線９８に示すように、モータ１０の逆起電圧波形の最大値は、Ｖ１である。トルク補正係数算出部６１は、モータ１０の逆起電圧波形を検出したら図１１のステップＳ２０２に進む。

図１１のステップＳ２０２において、トルク補正係数算出部６１は、記憶部５２から図１０に実線９９で示すモータ設計上の基準逆起電圧波形を読みだす。図１０の実線９９に示すように、この基準逆起電圧波形の最大値はＶ２である。そして、トルク補正係数算出部６１は、下記のように、許容トルク補正係数Ｋを算出し、記憶部５２に格納する。

許容トルク補正係数Ｋ ＝ Ｖ１／Ｖ２

モータ１０は逆起電圧が基準逆起電圧よりも大きくなるように設計されている。したがって、個々のモータ１０の実際の逆起電圧は、この基準逆起電圧よりも大きくなっているので許容トルク補正係数Ｋ＝Ｖ１／Ｖ２は、１よりも大きな値となる。逆起電圧が設計上の基準逆起電圧よりも大きいモータ１０の場合、設計通りの電圧、電流を流した場合に設計上のトルクよりも大きなトルクを出力することができる。このため、本実施形態のモータシステム１００は、許容トルクＴｒａの値に許容トルク補正係数Ｋをかけたトルクまでモータの許容トルクＴｒａを拡大することによって、より、モータ１０の出力制限を抑制するものである。

図１０示すステップＳ２０１、Ｓ２０２の実行が終了したら、先に図８を参照して説明したと同様、計算式選択部５５、推定磁石温度算出部５６が図１２のステップＳ１０１からＳ１０５を実行して推定磁石温度Ｔｍを算出する。

トルク指令値再設定部５８は、図１２に示すステップＳ２０３において、先に説明した図８のステップＳ１０６と同様、記憶部５２に格納された図７に示す許容トルクマップと、推定磁石温度算出部５６が出力した推定磁石温度Ｔｍと、記憶部５２から読み出したロータ１４の回転数Ｒとに基づいて、モータ１０の許容トルクＴｒａを算出する。次に、トルク指令値再設定部５８は、算出した許容トルクＴｒａに許容トルク補正係数Ｋを掛けて、拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａを算出する。トルク指令値再設定部５８は、モータ１０の拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａを算出したら、図１２のステップＳ２０４に進み、他の制御装置から入力されたモータ１０のトルク指令値Ｔｒ^*が算出した拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａを超えるかどうか判断する。そして、トルク指令値Ｔｒ^*が拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａを超える場合には、図１２のステップＳ２０５に進んで、ＰＷＭ制御部５９に出力するトルク指令値Ｔｒ２^*に拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａを再設定する。

図８を参照して説明したと同様、図１２のステップＳ１０９においてＰＷＭ制御部５９は、電圧センサ３３、電流センサ３６、３７、レゾルバ１８からそれぞれバッテリ３０の電圧Ｖｂと、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、ロータ１４の回転角θを取得し、トルク指令値再設定部５８において拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａに再設定されたトルク指令値Ｔｒ２^*と、バッテリ３０の電圧Ｖｂと、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、ロータ１４の回転角θとに基づいて、インバータ３４のスイッチング素子をオン・オフ動作させるＰＷＭ信号を出力する。このＰＷＭ信号は、モータ１０の出力トルクを拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａ以下に制限してモータ１０を駆動する信号である。このように、モータ１０は、永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍにより出力が制限される。

一方、トルク指令値再設定部５８は、トルク指令値Ｔｒ^*が拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａ以下で、図１２のステップＳ２０４においてＮＯと判断した場合には、図１２のステップＳ１１１に進んで、先に図８を参照して説明したと同様、ＰＷＭ制御部５９に出力するトルク指令値Ｔｒ２^*に他の制御装置から取得したトルク指令値Ｔｒ^*を再設定する。ＰＷＭ制御部５９は、モータ１０の出力トルクをトルク指令値Ｔｒ^*から制限せずにモータ１０を駆動するＰＷＭ信号を出力する。したがって、この場合、モータ１０は、永久磁石１５の推定磁石温度Ｔｍによって出力が制限されない。

以上説明したように、本実施形態のモータシステム１００は、先は図１から図８を参照して説明した実施形態と同様の効果に加え、個々のモータ１０の特性に基づいて拡大した拡大許容トルクＫ＊Ｔｒａまでモータ１０の出力トルクの制限を行わないので、モータ１０の過剰な出力制限をより好適に抑制して車両性能が低下することを抑制することができる。

１０ モータ、１１ ケーシング、１２ ステータ、１３ コイル、１４ ロータ、１５ 永久磁石、１６ 回転軸、１７ コイル温度センサ、１８ レゾルバ、２０ 冷却装置、２１ 冷却液、２２ オイルパン、２３ オイルポンプ、２４ 冷却液循環管、２５ 冷却液温度センサ、３０ バッテリ、３１ 高圧電路、３２ グランド電路、３３ 電圧センサ、３４ インバータ、３５ 交流電路、３５ｕ Ｕ相電路、３５ｖ Ｖ相電路、３５ｗ Ｗ相電路、３６、３７ 電流センサ、４０ 駆動機構、４１ 駆動軸、４２ ディファレンシャルギヤ、４３ 車軸、４４ 車輪、５０ コントローラ、５１ ＣＰＵ、５２ 記憶部、５３ センサインターフェース、５４ 磁石温度推定部、５５ 計算式選択部、５６ 推定磁石温度算出部、５７ 出力制限部、５８ トルク指令値再設定部、５９ ＰＷＭ制御部、６０ データバス、６１ トルク補正係数算出部、７５ 最大トルク線、７６ 最大等出力線、７７ 最大回転数線、７８ 回転数区分線、７９ トルク指令値区分線、１００ モータシステム、２００ 電動車両、Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｃ４、Ｃ１〜Ｃ４ 定数、Ｉｖ Ｖ相電流、Ｉｗ Ｗ相電流、Ｋ 許容トルク補正係数、Ｌｆ 鉄損
、Ｒ 回転数、Ｔｃ コイル温度、Ｔｍ 推定磁石温度、Ｔｍａ 実温度、Ｔｏ 冷却液温度、Ｔｒ 出力トルク、Ｔｒ^*、Ｔｒ２^* トルク指令値 、Ｔｒａ 許容トルク、Ｋ＊Ｔｒａ 拡大許容トルク、Ｖｂ 電圧、Δｔ 周期、θ 回転角。

Claims (1)

1. 永久磁石が取り付けられたロータとコイルが巻回されたステータとを有するモータと、
   前記コイルの温度を検出するコイル温度センサと、
   前記モータを冷却する冷却液の温度を検出する冷却液温度センサと、
   前記ロータの回転数を検出する回転数センサと、
   入力されたトルク指令値に基づいて前記モータの出力を調整するコントローラと、を備えるモータシステムであって、
   前記コントローラは、
   前記コイル温度センサで検出したコイル温度と、前記冷却液温度センサで検出した冷却液の温度と、前記回転数センサで検出した前記ロータの回転数と前記トルク指令値とによって定まる前記モータの目標動作点と、に基づいて前記永久磁石の推定温度を算出する磁石温度推定部と、
   前記磁石温度推定部が算出した前記永久磁石の前記推定温度に基づいて前記モータの出力を制限する出力制限部と、
   を有するモータシステム。