JP4854993B2

JP4854993B2 - 永久磁石式回転電機の制御装置および永久磁石式回転電機の温度推定方法

Info

Publication number: JP4854993B2
Application number: JP2005183535A
Authority: JP
Inventors: 啓二野間; 公平石井; 正治妹尾
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: JP2007006613A

Description

本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機を制御する技術に関する。

一般に、永久磁石式回転電機では、ステータの巻線に電流が流れることによって、熱が発生し、その発生した熱がロータの磁石に伝わることによって、磁石の温度も上昇することが知られている。この点では、ステータの巻線が熱源であるともいえる。永久磁石式回転電機、例えば、電動機の動作によって、磁石温度が上昇し過ぎると磁石の減磁現象によって磁束が減少する。また、巻線の温度が上昇した場合には巻線の焼損を引き起こす恐れがある。したがって、永久磁石式回転電機では、磁石および／または巻線の温度を常に監視し、磁石および／または巻線の温度の異常な上昇時にはそれに対応した処理を行う必要がある。

磁石および／または巻線の温度を検出するには、磁石や巻線の温度を検出する温度センサを設けなければならず、電動機の小型化の制約となる。このような観点から、温度センサを用いずに電動機の磁石や巻線の温度を推定することが必要となる。

永久磁石式回転電機の温度を推定する手法として、電動機からの逆起電力を取得し、逆起電力と磁石温度の関係に基づいて磁石温度そして巻線温度を推定することが提案されている。すなわち、永久磁石式交流電動機に電圧を印加する電力変換器と、搬送波に同期したＰＷＭ信号により印加電圧を制御する制御装置であって、制御装置のＰＷＭ信号発生用搬送波に同期して交流電動機の電流を検出する電流検出手段と、半周期ごとの電流差分ベクトルを求めることにより逆起電力を求める逆起電力演算手段と、逆起電力と磁石温度の関係に基づいて磁石温度そして巻線温度を推定する温度推定手段とを設け、電動機の温度監視制御を行うことが、提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１０６７７号公報

ところで、永久磁石式電動機においては、ステータとロータとの間に冷媒等を循環させる構成をとる形式がある。この場合には、ステータの巻線からロータの磁石へ上記のように熱が伝わり難いことがあり、ステータの巻線とロータの磁石との温度に、ある関係が見出されない場合には、巻線の温度を推定してから磁石の温度を推定することも困難となることが予想され問題となる。

すなわち、図５に示すような冷凍サイクルに用いる電動圧縮機４は、ケース４１内に、永久磁石式回転電機２と、スクロール圧縮機と呼ばれる圧縮部４２が配置されている。ケース４１には、冷媒を吸い込む吸入パイプ４３と、圧縮された冷媒を吐出する吐出パイプ４４が設けられ、吸入パイプ４３から吸い込んだ冷媒をスクロール圧縮機４２で圧縮して内部空間４５に流し、磁石電動機２の固定子２１の巻線２１１を冷却するとともに、回転子（磁石）２２および固定子２１と回転子２２の空隙あるいは固定子２１とケース４１との空隙を通し電動機２の冷却を行った後、吐出パイプ４３から圧縮冷媒が吐出される。このような強制的な冷却を行う場合は、固定子巻線２１１の温度と回転子磁石２２の温度との間に所定の関係を求めることは難しい。

本発明は、上記問題を解決するもので、永久磁石式回転電機の磁石と巻線の温度を推定する手法として、磁石の温度と巻線の温度をそれぞれ独自に推定する手法を得ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、供給された電力を直流に変換する順変換部と、前記順変換部の出力を平滑する平滑部と、前記平滑部出力を交流に変換する逆変換部と、前記逆変換部を制御する制御部とを有する永久磁石式電動機の制御装置に、前記逆変換部から電動機に向けて出力される電流を検出する電流検出部と、前記電動機の誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、前記電動機の磁石温度または巻線温度を推定する温度推定部とを設けた。

また、本発明は、上記永久磁石式電動機の制御装置において、前記温度推定部には、前記誘起電圧検出部からの出力信号（誘起電圧）が入力され、下記の特性式（１）に基づき、前記電動機の磁石温度を推定する。

また、本発明は、上記永久磁石式電動機の制御装置において、前記温度推定部は、前記電流検出部からの出力信号が入力され、下記の特性式（２）に基づき、前記電動機の巻線温度を推定する。

本発明は、上記永久磁石式電動機の制御装置において、前記温度推定部は、前記制御部によって制御される。

また、本発明は、制御する電動機の磁石温度または巻線温度を推定する永久磁石式電動機の温度推定方法であって、電動機の誘起電圧値または電動機に流れる電流値を用いて、磁石温度または巻線温度を推定する。

本発明は、上記永久磁石式電動機の温度推定方法において、ある規定温度ｔｋ度で電動機の規定誘起電圧値Ｅｔｋを予め測定しておき、任意の回転速度Ｎ１で運転時に測定された誘起電圧値Ｅｍとから前記特性式（１）を用いて、前記電動機の磁石温度を推定する。

本発明は、上記永久磁石式電動機の温度推定方法において、ある規定温度ｔ０度で予め測定された巻線抵抗Ｒｔ０と、任意の運転条件で得られた前記電流検出部で測定された運転電流と電動機印加電圧Ｖ１とから前記特性式（２）を用いて前記電動機の巻線温度を推定する。

上記課題を解決する為に、本発明の永久磁石式回転電機を制御する永久磁石式回転電機制御装置は、下記の（Ａ）および／または（Ｂ）の処理を行う。
（Ａ）ロータの磁石の磁束密度が温度係数を含む特性式（１）に基づいて変化することに着目し、ある規定温度で予め測定しておいた規定誘起電圧と、任意の運転条件にて測定された誘起電圧とから上記特性式（１）を用いて、前記任意の運転条件でのロータの磁石温度を求める。
（Ｂ）ステータの巻線抵抗値が温度定数を含む特性式（２）に基づいて変化することに着目し、ある規定温度で予め測定しておいた巻線抵抗値と、任意の運転条件にて測定された誘起電圧、印加電圧、巻線に流れる電流値とから上記特性式（２）を用いて、前記任意の運転条件でのステータの巻線の温度を求める。

なお、上記の解決手段は、上記課題で述べたステータとロータとの間に冷媒等を循環させたりすることで、ステータ（巻線）からロータ（磁石）に熱が伝わり難い場合に限られるものではなく、巻線と磁石との間に熱的な結合が存在する場合にも適用される。

例えば、負荷が頻繁に変動する永久磁石式電動機に対して、電動機を駆動する電流の変化が大きな場合には、ステータの巻線に流れる電流の変化も大きくなるので、それによる巻線での単位時間あたりの発熱量の変化も大きい場合がある。上述したようにステータ巻線からの熱がロータの磁石に伝わるには、ある程度の時間遅れを含むものであるから、この時間遅れよりも、速い発熱量の変化が生じた場合には、必ずしもステータ巻線とロータの磁石との間での温度には相関関係が見出されるとは限らず、温度推定が困難な場合がある。このような場合には、上記にて説明した手段による温度推定が有効となる。

上述のように、本発明によれば、永久磁石回転電機の制御装置において、ロータの磁石温度とステータの巻線温度の推定について、従来よりも改善された装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例を図１〜図４を用いて詳細に説明する。各図中において、共通する符号は同一物を示す。

図１を用いて、本発明にかかる永久磁石式回転電機の制御装置の構成を説明する。図１において、永久磁石式回転電機の制御装置１は、順変換部（コンバータ）１１と、順変換部１１の出力を平滑する平滑コンデンサ１２１を有する平滑部１２と、逆変換部（インバータ）１３と、電流検出部１４と、逆変換部１３を制御するとともに永久磁石式電動機２の磁石と巻線の温度を推定する制御部１５とを有して構成される。

順変換部１１は、交流電源２からの交流を直流に順変換する手段である。

平滑部１２は、順変換部１１の出力端子に直列に接続された平滑コンデンサ１２１を有しており順変換部１１の出力を平滑する手段である。

逆変換部１３は、直流を交流に変換する手段であり、永久磁石式電動機２の誘起電圧Ｅｍを検出して制御部１５へ通知する誘起電圧検出部を有するとともに、制御部１５からの指定回転速度Ｎに相当する周波数ｆとから発生トルク効率の最も良くなるタイミングで永久磁石式電動機２の印加電圧Ｖ１を制御する。

電流検出部１４は、永久磁石式電動機２の相電流を検出し、制御部１５へ通知する手段である。

制御部１５は、逆変換部１３からの誘起電圧検出値Ｅｍと、電流検出部１４からの相電流値Ｉ１を用いて永久磁石式電動機２の指定回転数Ｎに相当する周波数ｆおよび印加電圧Ｖ１を計算し、逆変換部１３へ出力する手段である。

さらに、制御部１５は、誘起電圧を測定したある規定の温度ｔｋ、任意の回転速度Ｎ１で運転時に測定された誘起電圧値Ｅｍ、ある規定温度ｔｋ度である規定回転速度Ｎのときに測定された規定誘起電圧値Ｅｔｋ、ある規定の回転速度Ｎ、温度推定を行う任意の回転速度Ｎ１、電動機の磁石の温度係数Ｋを用いて、前記特性式（１）により永久磁石式電動機２の磁石の推定温度値ｔを演算し、推定する。

また、制御部１５は、温度推定を行う任意の運転条件による電動機印加電圧Ｖ１、任意の回転速度Ｎ１で運転時に測定された誘起電圧値Ｅｍ、温度推定を行う任意の運転条件による電動機運転電流Ｉ１、ある規定温度ｔ０で測定した巻線抵抗値Ｒｔ０、巻線材質によって決まる定数Ｔ、巻線抵抗を測定したある規定の温度ｔ０を用いて、前記特性式（２）により永久磁石式電動機２の巻線の推定温度値ｔ１を演算する。制御部１５は推定した磁石の推定温度および／または巻線の推定温度を制御部１５外に出力する。

特性式（２）においては、図２の電圧ベクトル図を用いて、温度推定を行う任意の運転条件による電動機印加電圧Ｖ１を、起電圧Ｅｍ、電動機電流Ｉ１（トルク発生に寄与しないｑ軸電流Ｉｑ成分、トルク発生に寄与するｄ軸電流Ｉｄ成分）、磁石の温度推定を行った時の巻線抵抗測定値Ｒｔ１、同期リアクタンスｊωＬから求める。図３において、δは誘起電圧Ｅｍと電動機印加電圧Ｖ１の位相角であり、Φは永久磁石の界磁束である。

すなわち、電動機印加電圧Ｖ１は、誘起電圧Ｅｍと、トルク発生ｄ軸電流Ｉｄと磁石の温度推定を行った時の巻線抵抗測定値Ｒｔ１の積と、トルク発生に寄与しないｑ軸電流と同期リアクタンスＪωＬと、の積の和の下記（３）式で表される。

一般的には、位相角δを最小にするように電動起因か電圧Ｖ１を制御するために、上記式は、下記（４）式としても扱うことができる。

上記特性式（１）を用いて永久磁石式電動機２の磁石の推定温度値ｔを、特性式（２）を用いて特性式（２）により永久磁石式電動機２の巻線の推定温度値ｔ１を推定するに当たっては、ある規定温度ｔｋ度である規定回転速度Ｎのときに測定された規定誘起電圧値Ｅｔｋ、永久磁石材質固有の温度係数Ｋ、ある規定温度ｔ０で測定した巻線抵抗値Ｒｔ０、巻線材質によって決まる定数Ｔを制御部１５にあらかじめ入力しておく。

上記特性式（１）で用いる電動機の磁石の残留磁束密度の温度係数Ｋの例を、図３を用いて説明する。この温度係数Ｋは、信越化学工業（株）の磁石カタログの抜粋である。例えば、メーカー品種名Ｎ４８の残留磁束密度の温度係数Ｋは−０．１０％／℃、Ｎ４５の残留磁束密度の温度係数Ｋは−０．１０％／℃、Ｎ４２の残留磁束密度の温度係数Ｋは−０．１０％／℃、Ｎ３６ＳＨの残留磁束密度の温度係数Ｋは−０．１１％／℃である。

磁石および巻線の温度の推定手順の例を、図４のフローチャートを用いて説明する。制御部１５の温度推定部は、逆変換部１３の誘起電圧検出部が検出した誘起電圧Ｅｍを取得する（Ｓ１）。次いで、制御部１５の温度推定部は、予め入力されている永久磁石式電動機２の磁石の残留磁束密度の温度係数Ｋを取得するとともに（Ｓ２）、逆変換部（インバータ）１３の出力周波数ｆから永久磁石式電動機２の現在の回転速度Ｎ１を、Ｎ１＝１２０×ｆ／Ｐ（Ｐ＝電動機の極数）の式から取得する。次いで、制御部１５の温度推定部は、予め入力されたある規定温度ｔｋでの規定の回転数Ｎで測定された規定誘起電圧Ｅｔｋを取得する（Ｓ４）。以上の情報を取得した後、上述の特性式（１）を用いて永久磁石式電動機２の磁石の温度ｔを推定する（Ｓ５）。

次に、制御部１５の温度推定部は、予め入力されたある温度ｔ０で測定した巻線抵抗Ｒｔ０を所得する（Ｓ６）。次いで、電流検出部１４から取得した実際の運転電流である相電流Ｉ１および誘起電圧Ｅｍから温度推定を行う任意の運転条件による電動機印加電圧Ｖ１を取得するとともに（Ｓ６）、巻線材質によって決まる巻線の温度依存性を表す定数Ｔを取得し（Ｓ８）、前述の特性式（２）を用いて巻線温度ｔ１を推定する（Ｓ９）。

このようにして、温度センサを用いずに永久磁石式電動機の磁石温度及び巻線温度を、相関関係に関係なく容易に推定することができる。

本発明にかかる永久磁石式回転電機の制御装置の構成を説明する図。本発明による温度推定の手段となる磁石電動機の電圧ベクトルを説明する図。本発明の磁石の温度係数の一例を示す表。本発明の温度推定の手順を示すフローチャート。磁石式電動機を用いた冷媒圧縮機の構成を説明する図。

符号の説明

１…磁石式回転電機制御装置、１１…順変換部（コンバータ）、１２…平滑部、１２１…平滑コンデンサ、１３…逆変換部（インバータ）、１４…、電流検出部、１５…制御部、２…永久磁石電動機、２１…固定子、２１１…巻線、２２…回転子（永久磁石）、３電源、４…電動圧縮機、４１ケース、４２…圧縮要素、４３…吸入パイプ、４４…吐出パイプ、４５…内部空間。

Claims

供給された電力を直流に変換する順変換部と、
前記順変換部の出力を平滑する平滑部と、
前記平滑部出力を交流に変換する逆変換部と、
前記逆変換部を制御する制御部と、
前記永久磁石式電動機の誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、
前記逆変換部から前記永久磁石式電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記永久磁石式電動機が備えた永久磁石の温度と、前記永久磁石式電動機が備えた巻線の温度とを、前記永久磁石式電動機の誘起電圧と前記永久磁石電動機に流れる電流値とを用いて、それぞれ独自に推定する温度推定部を有する永久磁石式電動機の制御装置において、
前記温度推定部は、下記特性式（１）に基づき、前記永久磁石式電動機が備えた永久磁石の温度を推定することを特徴とする永久磁石式電動機の制御装置。
ｔ＝ｔｋ＋（Ｅｍ／（（Ｅｔｋ／Ｎ）×Ｎ１）−１）／Ｋ…特性式（１）
ここで、
ｔ：前記永久磁石の推定温度、
ｔｋ：前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧Ｅｔｋを測定したときの前記永久磁石の規定の温度、
Ｅｍ：前記永久磁石式電動機が任意の回転速度Ｎ１で運転しているときに前記誘起電圧検出部が検出した前記永久磁石式電動機の誘起電圧、
Ｅｔｋ：前記永久磁石の温度が前記温度ｔｋで、前記永久磁石式電動機が規定の回転速度Ｎで運転しているときに測定した前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧、
Ｎ：前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧Ｅｔｋを測定したときの前記永久磁石電動機の規定の回転速度、
Ｎ１：前記永久磁石の温度の推定を行うときの前記永久磁石式電動機の任意の回転速度、
Ｋ：前記永久磁石の残留磁束密度の温度係数、
である。
請求項１に記載の永久磁石式電動機の制御装置において、
前記温度推定部は、下記特性式（２）に基づき、前記永久磁石式電動機が備えた巻線の温度を推定することを特徴とする永久磁石式電動機の制御装置。
ｔ１＝（（Ｖ１−Ｅｍ）／ｌ１）／Ｒｔ０×（Ｔ＋ｔ０）−Ｔ…特性式（２）
ここで、
ｔ１：前記巻線の推定温度、
Ｖ１：前記巻線の温度の推定を行うときの前記永久磁石式電動機に印加する任意の印加電圧、
Ｅｍ：前記巻線の温度の推定を行うときであり、前記永久磁石式電動機が任意の回転速度Ｎ１で運転している場合に、前記誘起電圧検出部が検出した前記永久磁石式電動機の誘起電圧、
ｌ１：前記巻線の温度の推定を行うときの前記電流検出部が検出した電流、
Ｒｔ０：前記巻線の温度が規定の温度ｔ０のときに測定した前記巻線の規定の抵抗値、
Ｔ：前記巻線の材質によって決まる定数、
ｔ０：前記巻線の規定の抵抗値Ｒｔ０を測定したときの前記巻線の規定の温度、
である。
供給された電力を直流に変換する順変換部と、
前記順変換部の出力を平滑する平滑部と、
前記平滑部出力を交流に変換する逆変換部と、
前記逆変換部を制御する制御部と、
前記永久磁石式電動機が備えた永久磁石の温度と、前記永久磁石式電動機が備えた巻線の温度とを、それぞれ独自に推定する温度推定部を設けた永久磁石式電動機の制御装置において、
前記永久磁石式電動機の誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、
前記逆変換部から前記永久磁石式電動機に流れる電流を検出する電流検出部とをさらに備え、
前記温度推定部は、下記特性式（２）に基づき、前記永久磁石式電動機が備えた巻線の温度を推定し、前記温度推定部は、さらに、下記特性式（１）に基づき、前記永久磁石式電動機が備えた永久磁石の温度を推定することを特徴とする永久磁石式電動機の制御装置。
ｔ１＝（（Ｖ１−Ｅｍ）／ｌ１）／Ｒｔ０×（Ｔ＋ｔ０）−Ｔ…特性式（２）
ここで、
ｔ１：前記巻線の推定温度、
Ｖ１：前記巻線の温度の推定を行うときの前記永久磁石式電動機に印加する任意の印加電圧、
Ｅｍ：前記巻線の温度の推定を行うときであり、前記永久磁石式電動機が任意の回転速度Ｎ１で運転している場合に、前記誘起電圧検出部が検出した前記永久磁石式電動機の誘起電圧、
ｌ１：前記巻線の温度の推定を行うときの前記電流検出部が検出した電流、
Ｒｔ０：前記巻線の温度が規定の温度ｔ０のときに測定した前記巻線の規定の抵抗値、
Ｔ：前記巻線の材質によって決まる定数、
ｔ０：前記巻線の規定の抵抗値Ｒｔ０を測定したときの前記巻線の規定の温度、
である。
ｔ＝ｔｋ＋（Ｅｍ／（（Ｅｔｋ／Ｎ）×Ｎ１）−１）／Ｋ…特性式（１）
ここで、
ｔ：前記永久磁石の推定温度、
ｔｋ：前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧Ｅｔｋを測定したときの前記永久磁石の規定の温度、
Ｅｍ：前記永久磁石式電動機が任意の回転速度Ｎ１で運転しているときに前記誘起電圧検出部が検出した前記永久磁石式電動機の誘起電圧、
Ｅｔｋ：前記永久磁石の温度が前記温度ｔｋで、前記永久磁石式電動機が規定の回転速度Ｎで運転しているときに測定した前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧、
Ｎ：前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧Ｅｔｋを測定したときの前記永久磁石電動機の規定の回転速度、
Ｎ１：前記永久磁石の温度の推定を行うときの前記永久磁石式電動機の任意の回転速度、
Ｋ：前記永久磁石の残留磁束密度の温度係数、
である。
永久磁石式電動機が備えた永久磁石の温度と、前記永久磁石式電動機が備えた巻線の温度とを、前記永久磁石式電動機の誘起電圧と前記永久磁石電動機に流れる電流値とを用いて、それぞれ独自に推定する温度推定方法において、
下記特性式（１）に基づき、前記永久磁石式電動機が備えた永久磁石の温度を推定することを特徴とする温度推定方法。
ｔ＝ｔｋ＋（Ｅｍ／（（Ｅｔｋ／Ｎ）×Ｎ１）−１）／Ｋ…特性式（１）
ここで、
ｔ：前記永久磁石の推定温度、
ｔｋ：前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧Ｅｔｋを測定したときの前記永久磁石の規定の温度、
Ｅｍ：前記永久磁石式電動機が任意の回転速度Ｎ１で運転しているときの前記永久磁石式電動機の誘起電圧、
Ｅｔｋ：前記永久磁石の温度が前記温度ｔｋで、前記永久磁石式電動機が規定の回転速度Ｎで運転しているときに測定した前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧、
Ｎ：前記永久磁石式電動機の規定の誘起電圧Ｅｔｋを測定したときの前記永久磁石電動機の規定の回転速度、
Ｎ１：前記永久磁石の温度の推定を行うときの前記永久磁石式電動機の任意の回転速度、
Ｋ：前記永久磁石の残留磁束密度の温度係数、
である。
請求項４に記載の温度推定方法において、
下記特性式（２）に基づき、前記永久磁石式電動機が備えた巻線の温度を推定することを特徴とする温度推定方法。
ｔ１＝（（Ｖ１−Ｅｍ）／ｌ１）／Ｒｔ０×（Ｔ＋ｔ０）−Ｔ…特性式（２）
ここで、
ｔ１：前記巻線の推定温度、
Ｖ１：前記巻線の温度の推定を行うときの前記永久磁石式電動機に印加する任意の印加電圧、
Ｅｍ：前記巻線の温度の推定を行うときであり、前記永久磁石式電動機が任意の回転速度Ｎ１で運転している場合に、前記永久磁石式電動機の誘起電圧、
ｌ１：前記巻線の温度の推定を行うときの前記永久磁石式電動機の制御装置から前記永久磁石式電動機に流れる電流、
Ｒｔ０：前記巻線の温度が規定の温度ｔ０のときに測定した前記巻線の規定の抵抗値、
Ｔ：前記巻線の材質によって決まる定数、
ｔ０：前記巻線の規定の抵抗値Ｒｔ０を測定したときの前記巻線の規定の温度、
である。