JP2019537412A

JP2019537412A - 同期リラクタンスモータの磁気特性を適合させる方法及び装置

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Publication number: JP2019537412A
Application number: JP2019522792A
Authority: JP
Inventors: ディ・サント，フェデリコ; マロディン，エンリコ
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: EP3533143B1; CN110168917B; IT201600109364A1; BR112019008532A2; JP7084919B2; EP3533143C0; WO2018077718A1; EP3533143A1; CN110168917A

Abstract

内部に回転子４を収容し、最小磁気リラクタンス軸Ｄ及び最大磁気リラクタンス軸Ｑの少なくとも１つの対を規定する固定子３と、モータの電力供給を制御する制御ユニット５とを備えるタイプの同期リラクタンスモータ２の磁気特性を自動的に適合させる方法であって、モータは台上試験で実験的に得られた所定の定格電流値Ｉ及び定格電圧値Ｖを有し、供給電流は最小リラクタンス軸及び最大リラクタンス軸に沿った成分ｉｄ及びｉｑを有しており、所定の数の電圧変動ｄＶ及び電流変動ｄＩを所定の周波数ｆで固定子に印加するステップと、電圧変動及び電流変動に応じて微分インダクタンスＬｄｉｆｆを求めるステップと、Ｌｄｉｆｆを積分してモータの束曲線λｄ及びλｑを計算するステップと、台上試験の精度と同じ精度でモータの磁気特性を自動的に適合させるために制御ユニットで上記束曲線をマッピングするステップとを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、包括的には、電子機器の分野に用途を見出し、詳細には、同期リラクタンスモータの磁気特性を求めて、最大効率状態に自動的にモータを適合させる方法に関する。

第２の態様では、本発明は、同期リラクタンスモータについての上述の方法を実施する装置に関する。

リラクタンスモータにおいて、トルクが磁気異方性によって生成されることが既知であり、この特性の最大化は、主要な設計仕様のうちの１つであることが既知である。それにもかかわらず、機器の異方性挙動は、極めて複雑であり、多大な数の因子に依存する。

固定子に印加される起磁力は、最大リラクタンス軸及び最小リラクタンス軸と整列し、結果として得られる束特性λｄｏ及びλｑｏは、図１に示すように台上試験の測定値（bench measurements）によって実験的に得られる特性である。

それにもかかわらず、これらの束曲線は、モータの磁気挙動を完全には記述しない。したがって、双方の成分ｉｄ及びｉｑが０ではない場合、追加の情報が必要とされる。概して、束λｄ及びλｑは、双方の電流の関数であり、一方で、関数λｄｏ及びλｑｏは、単に、一般関数の２つの特定の場合を表す。
ここで、λｄｏ＝λｄ（ｉｄ，０）及びλｑｏ＝λｑ（０，ｉｑ）である。

同期リラクタンスモータの磁気特性の実験室測定のためのいくつかの方法が既知である。これらの方法は、通常、試験システムを必要とし、この試験システムは、被試験モータを駆動するための定速駆動モータを備え、一方で、被試験モータに電流ステップが適用され、これらの電流ステップにより、適切な測定機器を用いて測定することができる電磁力（ＥＭＦ）が生成される。

同期リラクタンスモータの磁気特性の実験室測定のための１つの方法は、例えば、特許文献１から既知である。

この既知の方法の主な欠点は、モータに対して台上試験を実行する実験室及び機器は、常に利用可能であるというわけではないということである。

さらに、束特性が適切な精度を用いてマッピングされるために、非常に多数の電流ステップが駆動モータに印加される必要がある場合があり、これにより、試験のコストが大幅に増加し、モータコストの劇的な増加がもたらされる。

特許文献２は、同期永久磁石モータのインダクタンスを測定する方法を開示しており、この方法は、固定子に試験電圧を印加するステップと、モータが静止している間に固定子における応答電流を測定するステップと、デジタルフィルターを用いて応答電流の微分値を求めるステップとを含む。

当該技術分野において、台上試験を用いることなく同期リラクタンスモータの磁気特性を適合させる方法は知られていない。

イタリア国特許第１３５４１２９号米国特許出願公開第２０１５／０２２６７７６号

従来技術の観点において、本発明によって対処される技術的課題は、実験室試験を実行することなく同期リラクタンスモータの磁気特性の適合を可能にすることと、求められることになる特性の数を最小化する一方で、実験試験によって得られるであろう精度と同程度の精度を維持することとにあるとみなされる。

本発明の全体的な目的は、高効率でかつ比較的に費用効果的である同期リラクタンスモータの磁気特性を適合させる方法を提供することによって、上述の技術的課題を解決して上記欠点を軽減することである。

或る特定の目的は、高価な実験室試験を必要とすることなく、モータの特性をマッピングすることを可能にする、上記で規定した方法を提供することである。

更なる目的は、システムによって得られる物理量の測定値の数を削減して、方法の複雑度及びコストを低減することである。

更に別の目的は、インバータ及び電子モータ制御システムを用いてモータの磁気特性の完全自動適合を確実にすることである。

これらの目的及び他の目的は、以降でより十分に説明されるように、請求項１において規定される同期リラクタンスモータの磁気特性を自動的に適合させる方法によって満たされる。

別の態様によれば、本発明は、独立請求項１５において規定される、上述の方法を実行する装置を提供する。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項に従って規定される。

本発明の更なる特徴及び利点は、本発明による同期リラクタンスモータの磁気特性を適合させる方法及び装置の１つの好ましい非排他的な実施形態の詳細な説明からより明らかになる。これらの特徴及び利点は、添付図面を援用して非限定的な例として記載される。

従来技術による、実験室において実験的に測定されたモータの束曲線を示す図である。本発明の同期リラクタンスモータの磁気特性を適合させる装置を概略的に示す図である。最大リラクタンス及び最小リラクタンスの軸が概略的に配置されている、同期リラクタンスモータの断面図である。図２の装置の機能図である。本発明の方法のフローチャートである。実験的に測定された電流曲線及び電圧曲線を部分的に示す図である。実験試験から推測することができる対応する図と比較した、本発明の方法を用いて検出された微分インダクタンス（differential inductances）の図である。実験試験から推測された対応する束曲線とも比較した、図６に示す微分インダクタンスの図から求められた束曲線を示す図である。

上述の図面は、参照符号１によって指定される、本発明の同期リラクタンスモータの磁気特性を適合させる装置を示している。

詳細には、装置１は、内部回転子４が収容された固定子、すなわち静止部分３を有する同期リラクタンスモータ２を備える。

モータ２は、図３に示すように、それぞれ最小磁気リラクタンス及び最大磁気リラクタンスの軸Ｄ、Ｑの少なくとも１つの対と、モータ、好ましくはインバータへの電源を制御する制御ユニット５とを有し、制御ユニット５は、三相電源網６に接続されるとともに、ディスプレイ７及びキーパッド８又は図示されていないコンピュータ等の、適切なデジタルインターフェースが場合によっては制御ユニット５に関連付けられる。

モータ２は、設計中に設定され、台上試験で（on the bench）実験的に検証することができる定格電流Ｉ値及び定格電圧Ｖ値を有する。供給電流Ｉは、最小リラクタンス及び最大軸抵抗の軸に沿って成分ｉｄ、ｉｑを有する。

全体的に、本方法は、所定の周波数で固定子に、所定の数の電圧変動ｄＶ及び電流変動ｄＩを印加するステップと、電圧変動及び電流変動に応じて微分インダクタンス（Ｌｄｉｆｆ）を求めるステップと、微分インダクタンスＬｄｉｆｆを積分することによってモータの束曲線λｄ、λｑを計算するステップと、実験試験の精度と実質的に同じ精度を用いてモータの磁気特性を自動的に適合させるために制御ユニット５において曲線をマッピングするステップとを含む。

利便的には、電圧変動及び電流変動の数は、方法がより迅速かつより費用効果的なものとなるように、台上試験で実験的に得られた測定値と比較して、相対的に低いレベルに保つことができる。

詳細には、図５に示すように、ステップａ）が最初に提供され、このステップにおいて、回転子は、最小リラクタンスの軸Ｄと整列する。

そのような整列は、以下のモードのうちのいずれかによって達成することができる。
ａ’）固定子に所定の振幅の電流パルスを印加して、回転子を、最小リラクタンスの軸Ｄと整列する静止位置に所定の角度αを通じて回転させることであって、そのような振幅は、定格電流Ｉとほぼ等しいこと、又は、
ａ’’）電圧注入又は電流注入後の角度位置αを識別して、回転子の回転を回避する一方で、軸Ｄ及びＱにおける後の処理のためのランドマークとしてそのような位置αを用いることである。

回転子が角度的に整列するステップａには、ステップｂが後続し、このステップｂにおいて、第１の数ｍの第１の電流変動ΔＩｄが最小リラクタンスの軸に沿って注入され、各々の変動は、約Ｉｄｍａｘ／ｍの値を有する。

変動ΔＩｄは、定格電流Ｉ超である第１の最大値Ｉｄｍａｘを有する段階的増加平均値を有することで、最小リラクタンスの軸Ｄに沿った固定子の飽和を引き起こす一方で、最大リラクタンスの軸Ｑに沿った０電流成分ｉｑを維持する。

一例として、上述の第１の最大電流値Ｉｄｍａｘは、定格電流Ｉの約１５０％である。

電流注入ステップｂは、段階的増加電流値に応じて最小リラクタンスの軸Ｄに沿った電圧Ｖｄ及び電流Ｉｄを測定して、第１の検出された振幅Ｖｄ１、Ｉｄ１を得るステップｃに対応する。

原理的に、所与の電流（Ｉ）及び周波数（ｆ）において、モータに印加される電圧変動（ｄＶ）は、以下の関数を用いて微分インダクタンスを計算することを可能にする変動（ｄＩ）及び平均値（Ｖ）をもたらす。

第２の注入ステップｄが後続し、この第２の注入ステップｄにおいて、第２の電流値Ｉｑｍａｘ／ｎを有する、第２の数ｎの電流変動ΔＩｑが最大リラクタンスの軸Ｑに沿って注入され、ここで、変動Ｉｑは、定格電流Ｉよりも小さな第２の所定の最大値Ｉｑｍａｘを有する段階的増加平均値ΔＩｑを有することで、回転子を初期静止整列位置において維持するとともに、最小リラクタンスの軸Ｄに沿った０電流成分ｉｄを維持する。

一例として、上述の第２の最大電流値Ｉｄｍａｘは、定格電流Ｉの約１５％である。

そして、第２の測定ステップｅが後続し、この第２の測定ステップｅにおいて、ステップｄで注入された第２の段階的増加電流変動値に応じて、最大リラクタンスの軸Ｑに沿って電圧Ｖｑ及び電流Ｉｑが測定されて、第２の検出された振幅Ｖｑ２、Ｉｑ２が得られる。

第１の検出された振幅Ｖｄ１、Ｉｄ１及び第２の検出された振幅Ｖｑ２、Ｉｑ２は、処理ステップｆを受け、この処理ステップｆは、適切なモータ固有パラメータＬｄ０、ＩｄＳａｔ、Ｌｑ０、ＩｑＳａｔ、ＬＳａｔ、ＸＣｒｏｓｓを求めるように設計される。

ここで、方法は、ステップｇを含み、このステップｇにおいて、微分値Ｌｄｉｆｆが固有パラメータＬｄ０、ＩｄＳａｔ、Ｌｑ０、ＩｑＳａｔ、ＬＳａｔ、ＸＣｒｏｓｓから求められ、これらの固有パラメータの意味は、以下で説明される。

Ｌｄ０は、理想値Ｉｄが０である軸Ｄに沿った微分インダクタンスを表す。

ＩｄＳａｔは、軸Ｄに沿った０微分インダクタンスに理想的に対応する電流を表す。

Ｌｑ０は、理想値Ｉｑが０である軸Ｑに沿った微分インダクタンスを表す。

ＩｑＳａｔは、軸Ｑに沿った０微分インダクタンスに理想的に対応する電流を表す。

ＬＳａｔは、軸Ｄ及びＱに沿った、飽和における微分インダクタンスを表す。

ＸＣｒｏｓｓは、交差飽和率を説明するパーセント値を表す。

Ｌｄｉｆｆｄの導関数が、特性勾配の変化を検出するために計算される。そして、第１の直線部において傾向線が、１次方程式
としてプロットされ、
結果として、
がもたらされる。

上述した手順は、Ｌｄｉｆｆｑを用いて繰り返される。

ＬｑＳａｔは、ＬｄＳａｔと等しいものとみなすことができる。

ＬＳａｔは、最大電流注入点において得られたＬｄｉｆｆｄ値に等しい飽和値から求められる。

ＸＣｒｏｓｓは、異方性が軸Ｄに沿った微分インダクタンスにいかに影響を及ぼすのかを規定する。

このパラメータは、以下のように近似することができ、
限界値
にまで飽和される。

上述の微分インダクタンス値は、以下の関数［１］、［２］、［３］及び［４］を用いて得られる。

微分インダクタンスの使用は、特性の線形化を与え、これにより、固有パラメータを少数、例えば限定するものではないが６個に制限することが可能になる。

ステップａ〜ｇは、適切なアルゴリズムによって制御され、このアルゴリズムは、微分インダクタンスを処理するとともに、モータの束曲線λｄ、λｑを、実験的に得られた精度に近い精度でマッピングするために、インバータ５において初期化される。

最後に、束曲線λｄ、λｑのマップが、モータの磁気特性の自動適合のためのアルゴリズムにおいて用いられる。

本発明によって得られるマップは、センサレスモータ制御を可能にするような精度を有するものの、本方法は、センサーを用いるモータ制御にも適用される。

本方法は、モータに通常関連付けられるインバータに加えて、更なるハードウェアを必要としない。

方法及び装置が、添付図面を仔細に参照して記載されてきたが、参照符号は、単に本発明をより明瞭にするために用いられており、特許請求の範囲を制限することを意図していない。

本発明は、産業における用途を見出すことができる。なぜならば、本発明は、三相同期リラクタンスモータのドライブを製造する工場において産業規模で生産することができるためである。

Claims

内部に回転子（４）を収容するとともに、それぞれ最小磁気リラクタンスの軸（Ｄ）及び最大磁気リラクタンスの軸（Ｑ）の少なくとも１つの対を規定する固定子（３）、モータの電気供給を制御する制御ユニット（５）を備えるタイプの同期リラクタンスモータ（２）の磁気特性を自動的に適合させる方法であって、前記モータは、台上試験で得られた所定の定格電流（Ｉ）値及び定格電圧（Ｖ）値を有し、供給電流は、前記最小リラクタンスの軸及び前記最大リラクタンスの軸に沿った成分（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）を有し、該方法は、所定の数（ｍ、ｎ）の電圧変動（ｄＶ）及び電流変動（ｄＩ）を、所定の周波数（ｆ）で固定子に印加するステップと、前記電圧変動及び前記電流変動に応じて微分インダクタンス（Ｌ_ｄｉｆｆ）を求めるステップと、前記微分インダクタンス（Ｌ_ｄｉｆｆ）を積分することによってモータの束曲線（λ_ｄ、λ_ｑ）を計算するステップと、台上試験の精度と実質的に同じ精度を用いて前記モータの前記磁気特性を自動的に適合させるために前記制御ユニットにおいて前記曲線をマッピングするステップとを含み、前記電圧変動及び電流変動の所定の数（ｍ、ｎ）は、台上試験で実験的に得られた測定値の数と比較して相対的に小さいものである、方法。
前記軸（Ｄ）に対して整列した静止位置を確立するために、前記最小リラクタンス軸（Ｄ）に対する角度回転位置（α）を検出する第１のステップ（ａ）を提供することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記第１のステップ（ａ）は、前記公称電流（Ｉ）に等しい所定の値の電流パルスを前記固定子（３）に印加して、前記回転子の回転を所定の角度（α）だけ促し、前記回転子（４）の、前記最小リラクタンス軸（Ｄ）への前記整列を得ることによって実行されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
前記ステップ（ａ）は、電圧注入又は電流注入による前記角度位置（α）の識別、及び前記回転子（４）の回転が無い場合に軸（Ｄ及びＱ）に沿った更なる計算のための参照としてのそのような位置（α）の使用によって得られることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
前記回転子角度整列ステップ（ａ）が行われると、前記最小リラクタンス軸に沿った第１の値（Ｉ_ｄｍａｘ／ｍ）の第１の数（ｍ）の電流変動（ΔＩ_ｄ）を前記固定子に注入する注入ステップ（ｂ）が実行され、前記変動は、前記公称電流（Ｉ）よりも高い第１の最大値（Ｉ_ｄｍａｘ）を有する、徐々に増加する段階的平均値を有することで、前記最小リラクタンス軸（Ｄ）に沿った前記固定子の飽和を提供する一方で、前記最大リラクタンス軸（Ｑ）に沿った電流成分（ｉ_ｑ）を０に等しく保つことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
前記第１の最大電流値（Ｉ_ｄｍａｘ）は、前記公称電流（Ｉ）の１５０％に等しいことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
前記第１の電流値が段階的に増加することに応じて、前記最小リラクタンス軸に沿った前記電圧（Ｖ_ｄ）及び前記電流（Ｉ_ｄ）を測定して、第１の測定された値（Ｖ_ｄ、Ｉ_ｄ）を得る、測定ステップ（ｃ）を提供することを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
前記最大リラクタンス軸に沿った第２の電流値（Ｉ_ｑｍａｘ／ｎ）の第２の数（ｎ）の電流変動（Ｉ_ｑ）を注入する第２の注入ステップ（ｄ）であって、前記変動は、前記公称電流（Ｉ）よりも低い第２の所定の最大値（Ｉ_ｑｍａｘ）を有する、徐々に増加する段階的平均値を有することで、前記回転子を前記静止整列位置内に保つとともに、前記最小リラクタンス軸（Ｄ）に沿った電流成分（ｉ_ｄ）を０に等しく保つ、ステップを提供することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
前記第２の最大電流値（Ｉ_ｑｍａｘ）は、前記公称電流（Ｉ）の１５％に等しいことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
ステップ（ｄ）において注入された前記第２の増加する段階的変動に応じて、前記最大リラクタンス軸（Ｑ）に沿って電圧（Ｖ_ｑ）及び電流（Ｉ_ｑ）を測定して、第２の測定された値（Ｖ_ｑ、Ｉ_ｑ）を得る、測定ステップ（ｅ）を提供することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
前記第１の測定された値（Ｖ_ｄ、Ｉ_ｄ）及び前記第２の測定された値（Ｖ_ｑ、Ｉ_ｑ）を計算して、適切なモータパラメータ（Ｌ_ｄ０、Ｉ_ｄＳａｔ、Ｌ_ｑ０、Ｉ_ｑＳａｔ、Ｌ_Ｓａｔ、Ｘ_{Ｃｒｏｓｓ}）を求める、計算ステップ（ｆ）を含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
以下の関数［１］、［２］、［３］及び［４］
に従って、前記固有パラメータ（Ｌ_ｄ０、Ｉ_ｄＳａｔ、Ｌ_ｑ０、Ｉ_ｑＳａｔ、Ｌ_Ｓａｔ、Ｘ_{Ｃｒｏｓｓ}）から開始して前記微分値（Ｌ_ｄｉｆｆ）を求める求解ステップ（ｇ）を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
前記ステップａ）〜ｇ）は、前記微分インダクタンス（λ_ｄ、λ_ｑ）を計算するとともに、前記モータの前記束曲線を、試験実験室において得ることができる精度に相当する精度を用いてマッピングするために、前記制御ユニットにおいて初期化されるアルゴリズムによって制御されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
前記束曲線（λ_ｄ、λ_ｑ）の前記マッピングは、前記モータの前記磁気特性を最良モードに自動的に適合させるために前記アルゴリズムにおいて適用されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
内部に回転子（４）を収容するとともに、最小磁気リラクタンスの軸（Ｄ）及び最大磁気リラクタンスの軸（Ｑ）の少なくとも１つの対を規定する固定子（３）、モータを電気供給する手段を備える同期リラクタンスモータ（２）の磁気特性を自動的に適合させる装置（１）であって、公称電流（Ｉ）及び公称電圧（Ｖ）は、台上試験によって事前に測定されたラベルデータであり、
所定の角度だけの前記回転子の回転と、該回転子の、前記最小リラクタンス軸（Ｄ）への整列を提供するように構成された電気インパルスアプリケータと、
所定の最小数の電圧変動（ｄＶ）及び電流変動（ｄＩ）を所定の周波数（ｆ）で固定子に印加するように構成された電気注入器と、
所定の周波数（ｆ）での前記電圧変動（ｄＶ）及び前記電流変動（ｄＩ）に応じて、前記固定子微分インダクタンス（Ｌ_ｄｉｆｆ）を求める電圧及び電流測定デバイスと、
前記変動に応じて微分インダクタンス（Ｌ_ｄｉｆｆ）を求めるフィルタリング手段と、
前記微分インダクタンス（Ｌ_ｄｉｆｆ）の積分によってモータ束曲線（λ_ｄ、λ_ｑ）を計算し、該モータ束曲線をマッピングして、台上試験によって取得可能である精度に実質的に等しい精度を用いて前記モータの前記磁気特性を自動的に適合させるように構成された制御ユニット（５）と
を備えることを特徴とする、装置。