JP4915206B2 - モータの温度保護制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータの温度保護制御を行う装置および方法に関する。

従来、モータのステータ巻線の近傍温度を検出し、検出した温度が所定温度以上になると、モータの運転を停止することによって、モータの温度上昇を抑制する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−１７４２７６号公報

しかしながら、従来の技術では、ステータ巻線の近傍温度が所定温度以上になると、モータの運転が必要な場合でも、モータの運転を停止してしまうという問題があった。

本発明によるモータの温度保護制御装置および温度保護制御方法は、モータの温度が第１の所定温度を超えると、モータの最大出力トルクをモータ温度に応じて制限するとともに、モータ温度が第１の所定温度より高い第２の所定温度を超えると、モータの最大出力トルクを、モータ温度に依存せず、０より大きい所定トルクに設定し、モータの出力トルクが最大出力トルク以下となるように、モータの駆動を制御することを特徴とする。

本発明によるモータの温度保護制御装置および温度保護制御方法によれば、モータの温度が上昇した場合でも、モータの運転を継続して行うことができる。

−第１の実施の形態−
図１は、第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置の構成を示す図である。第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置は、３相交流モータ１（以下では、交流モータ１、または、単にモータ１と呼ぶ）と、コントローラ２と、インバータ３と、バッテリ４と、コイル温度センサ５と、冷媒温度センサ６と、回転数センサ７とを備える。このモータの温度保護制御装置は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車に搭載されて使用される。

交流モータ１は、集中巻モータである。図２は、交流モータ１の構成を示す図である。交流モータ１は、ステータ１１と、ステータ１の内側に設けられたロータ１２とを備える。ステータ１１を構成するステータコア１３は、内周方向に突出した複数のティース１４を有する。各ティースは、同一円周上に等間隔に配置されており、巻線が巻き付けられることによって、ステータコイル１５が構成されている。ステータ１１の外側は、モータケース１６により覆われている。

図３は、図２に示す交流モータ１をＡ−Ａの位置で切断した場合の断面図である。モータケース１６内には、モータ１を冷却するための冷媒（例えば、水）を流す冷媒流路１７が設けられている。ステータコイル１５で発せられる熱は、図３に示すように、モータケース１６を介して、冷媒流路１７内を流れる冷媒に抜けていく。

コイル温度センサ５は、複数のステータコイル１５のうち、いずれか１つのステータコイル１５の温度を検出して、コントローラ２に出力する。冷媒温度センサ６は、冷媒流路１７内を流れる冷媒の温度を検出して、コントローラ２に出力する。回転数センサ７は、モータ１の回転数を検出して、コントローラ２に出力する。

バッテリ４の直流電力は、インバータ３で交流電力に変換されて、モータ１に供給される。コントローラ２は、後述するように、コイル温度センサ５によって検出されるコイル温度、冷媒温度センサ６によって検出される冷媒温度、および、回転数センサ７によって検出されるモータ回転数に基づいて、モータ１の出力トルクの上限値（最大出力トルク）を設定し、モータ１の出力トルクが出力トルクの上限値以下となるように、インバータ３を制御する。

従来のモータ制御技術では、モータ１の回転数に応じて、モータ１の最大出力トルク、すなわち、モータ１が出力可能な最大トルクを決定していた。第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置でも、モータ１の温度が高くない領域においては、モータ１の回転数に応じて、モータ１の最大出力トルクを決定する。

図４は、モータ１の回転数と、モータ１の最大出力トルクとの関係を示す図である。コントローラ３は、図４に示すようなモータ１の回転数と最大出力トルクとの関係を示すデータを保有しており、コイル温度センサ５によって検出されるコイル温度が後述する第１の所定温度Ｔemp1以下の場合には、回転数センサ７によって検出されるモータ回転数に応じて、モータ１の最大出力トルクを決定する。

第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置では、ステータコイル１５（モータ１）の温度が上昇すると、さらなる温度上昇を抑制するために、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイル１５の温度に応じて、モータ１の回転数に応じて定まる最大出力トルクの値を制限する（小さくする）。図５は、ステータコイル１５の温度と、モータ１の最大出力トルクとの関係を示す図である。ただし、図５の縦軸は、モータ１の回転数に応じて定まる最大出力トルクに対して、制限時の最大出力トルクの割合（％）を示している。従って、制限が無い場合には、値が１００％となる。

図５に示すように、ステータコイル１５の温度が第１の所定温度Ｔemp1（例えば、１５０℃）以下の場合には、モータ１の回転数に応じて定まる最大出力トルクを制限しない。ステータコイル１５の温度が第１の所定温度Ｔemp1を超えると、ステータコイル１５の温度に応じて、最大出力トルクの制限を行い、ステータコイル１５の温度が第２の所定温度Ｔemp2（例えば、１７０℃）を超えると、制限の割合を一定にする。制限の割合を一定にしたときの値をＣ（０＜Ｃ＜１００）（％）とする。この場合、モータ１の最大出力トルクは、モータ１の回転数に応じて定まる最大出力トルクをＴrq0とすると、Ｔrq0×Ｃとなる。換言すると、ステータコイル１５の温度が第２の所定温度Ｔemp2を超えると、モータ１の最大出力トルクを、ステータコイルの温度に依存せず、０より大きい所定トルク（Ｔrq0×Ｃ）に設定する。

所定トルク（Ｔrq0×Ｃ）、すなわち、一定値Ｃは、ステータコイル１５の温度が第２の所定温度Ｔemp2と等しい状態でモータ１を駆動した時に、ステータコイル１５の発熱量が、ステータコイル１５から冷媒流路１７内を流れる冷媒へ抜ける熱量（抜熱量）を下回るような値を予め実験等によって求めて、決定しておく。これにより、モータ１（ステータコイル）が高温になった場合でも、モータ１の出力がTrq0×Ｃ以下の範囲で運転を行う限り、ステータコイル１５のさらなる温度上昇を抑制しつつ、モータ１の運転を継続して行うことができる。

なお、ステータコイル１５から冷媒への抜熱量は、ステータコイル１５の温度と冷媒の温度との差が大きいほど大きくなる。すなわち、ステータコイル１５が高温になるほど、冷媒への抜熱量は大きくなる。従って、ステータコイル１５の温度が第２の所定温度Ｔemp2と等しい状態でモータ１を駆動した時に、ステータコイル１５の発熱量が冷媒への抜熱量より小さくなるように、一定値Ｃを決定しておけば、モータ１の出力がTrq0×Ｃ以下の範囲で運転を行う限り、ステータコイル１５の温度は低下していく。

ここで、ステータコイル１５から冷媒への抜熱量は、冷媒の温度が低いほど大きくなり、冷媒の温度が高いほど小さくなる。従って、一定値Ｃは、冷媒の温度に応じて設定する。図６は、冷媒の温度に応じて設定される一定値Ｃの一例を示す図である。図６に示すように、一定値Ｃを、冷媒の温度が高い場合に比べて、冷媒の温度が低い場合の値を大きくして、モータ１の回転数に応じて定まる最大出力トルクを制限する量を小さくする。これにより、冷媒の温度が低い場合には、モータ１の運転領域が拡大される。

なお、図６では、一定値Ｃの値として、冷媒の温度が低い場合と高い場合の２つしか示していないが、冷媒の温度が低いほど、一定値Ｃの値は大きくなるように、また、冷媒の温度が高いほど、一定値Ｃの値は小さくなるように設定する。冷媒の温度に対する適切な一定値Ｃの値は、実験などによって予め求めておく。

一定値Ｃはまた、モータ１の回転数に応じても設定する。図７は、モータ１の回転数と、モータ１の最大出力トルクとの関係を示す図である。図７において、点線は制限が無い場合の最大出力トルク曲線（図４参照）を表し、実線は、ステータコイルの温度が第２の所定温度Ｔemp2を超えた場合の最大出力トルク曲線（制限時の最大出力トルク曲線）を表している。図８は、モータ１の回転数と、一定値Ｃとの関係を示す図である。図８に示すように、モータ１の運転領域が中速域において、一定値Ｃは高い値となっている。これは、モータの効率は中速・中トルク領域で最も高いため（図４参照）、発熱に対する出力の比が大きくとれるからである。

なお、図７では、冷媒の温度に応じた制限時の最大出力トルク曲線も表している。図７に示すように、制限時の最大出力トルクは、冷媒の温度が高い場合に比べて、冷媒の温度が低い方が大きい値となる。従って、図８に示すように、冷媒の温度が高い場合に比べて、低い場合の一定値Ｃも大きい値となる。

すなわち、第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置では、ステータコイル１５の温度が第１の所定温度Ｔemp1以下の場合には、モータ１の回転数に応じて、モータ１の最大出力トルクを決定し、ステータコイル１５の温度が第１の所定温度Ｔemp1を超えると、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイルの温度、冷媒温度センサ６によって検出される冷媒温度、および、回転数センサ７によって検出される回転数に基づいて、モータ１の最大出力トルクを設定する。ただし、ステータコイル１５の温度が第２の所定温度Ｔemp2を超えると、モータ１の最大出力トルクは、ステータコイルの温度に依存しない値とする。

ここでは、ステータコイル１５の温度が第１の所定温度Ｔemp1より高い条件下において、ステータコイルの温度、冷媒温度、および、モータ回転数と、モータ１の最大出力トルクとの関係を示すデータを予め実験等を行うことにより求めておき、求めたデータをコントローラ２のメモリ（不図示）に格納しておく。コントローラ２は、メモリに格納されているデータと、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイルの温度、冷媒温度センサ６によって検出される冷媒温度、および、回転数センサ７によって検出される回転数とに基づいて、モータ１の最大出力トルク（制限時の最大出力トルク）を設定する。

図９は、第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置によって行われる処理内容を示すフローチャートである。コントローラ２は、モータ１の駆動制御時に、ステップＳ１０から始まる処理を繰り返し行う。

ステップＳ１０では、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイル１５の温度が第１の所定温度Ｔemp1より高いか否かを判定する。ステータコイル１５の温度が第１の所定温度Ｔemp1以下であると判定するとステップＳ１０で待機する。この場合、モータ１の最大出力トルクは、回転数センサ７によって検出されるモータ回転数に基づいて決定される。一方、ステータコイルの温度が第１の所定温度Ｔemp1より高いと判定すると、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、モータ１の最大出力トルクの制限を開始する。上述したように、制限時の最大出力トルクは、図示しないメモリに格納されているデータと、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイルの温度、冷媒温度センサ６によって検出される冷媒温度、および、回転数センサ７によって検出される回転数に基づいて設定する。また、モータ１の出力トルクが設定した最大出力トルク以下となるように、モータ１の駆動を制御する。

ステップＳ２０に続くステップＳ３０では、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイルの温度が第２の所定温度Ｔemp2より高いか否かを判定する。ステータコイルの温度が第２の所定温度Ｔemp2以下であると判定するとステップＳ７０に進み、第２の所定温度Ｔemp2より高いと判定すると、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、モータ１の最大出力トルクを、ステータコイル１５の温度に依存しない所定トルクに設定する。この所定トルクは、上述したように、冷媒温度センサ６によって検出される冷媒温度、および、回転数センサ７によって検出される回転数に基づいて定まる値である。

ステップＳ４０に続くステップＳ５０では、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイルの温度が第２の所定温度Ｔemp2以下であるか否かを判定する。ステータコイルの温度が第２の所定温度Ｔemp2以下であると判定するとステップＳ６０に進み、第２の所定温度Ｔemp2より高いと判定すると、ステップＳ４０に戻る。

ステップＳ６０では、図示しないメモリに格納されているデータと、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイルの温度、冷媒温度センサ６によって検出される冷媒温度、および、回転数センサ７によって検出される回転数とに基づいて、モータ１の最大出力トルクを設定して、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、コイル温度センサ５によって検出されるステータコイルの温度が第１の所定温度Ｔemp1以下であるか否かを判定する。ステータコイルの温度が第１の所定温度Ｔemp1以下であると判定するとステップＳ８０に進み、第１の所定温度Ｔemp1より高いと判定すると、ステップＳ３０に戻る。ステップＳ８０では、モータ１の最大出力トルクの制限を終了して、ステップＳ１０に戻る。

第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置によれば、モータ１の温度が第１の所定温度Ｔemp1を超えると、モータ１の最大出力トルクを、モータ温度に応じて制限するとともに、モータ温度が第１の所定温度Ｔemp1より高い第２の所定温度Ｔemp2を超えると、モータ１の最大出力トルクを、モータ温度に依存せず、０より大きい所定トルクに設定し、モータ１の出力トルクが設定した最大出力トルク以下となるように、モータ１の駆動を制御する。これにより、モータ１の温度が上昇した場合でも、モータ１の運転を停止させずに、モータ１の出力トルクが最大出力トルク以下の範囲でモータ１の運転を継続して行うことができる。

また、モータ温度が第２の所定温度Ｔemp2を超えた場合の最大出力トルクを０とせずに、所定トルクとすることにより、モータ温度が第１の所定温度Ｔemp1を超えてからの最大出力トルクが急激に変化することを防ぐことができる。これにより、第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置を搭載したハイブリッド車や電気自動車の車両挙動が急に変化するのを防ぐことができる。

また、第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置によれば、モータ１の回転数、および、モータを冷却する冷媒の温度に基づいて、所定トルクを設定するので、モータ１の状態およびモータ１を冷却する冷媒の状態に応じて、適切な最大出力トルクを設定することができる。特に、冷媒の温度が低いほど、所定トルクを大きくするので、冷媒の温度が低い場合には、モータ１の使用領域を拡大することができる。

さらに、第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置によれば、モータ駆動時の発熱量が冷媒へ抜ける抜熱量以下となるように、所定トルクを設定するので、モータ１のさらなる温度上昇を抑制しつつ、モータ１の運転を継続して行うことができる。

−第２の実施の形態−
第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置では、ステータコイル１５（モータ１）の温度に応じて、モータ１の最大出力トルクを制限するようにした。第２の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置では、ステータコイル１５の温度を検出するコイル温度センサ５が故障した場合に、モータ１の出力トルクが所定トルク以下の範囲内で、モータ１の運転を継続して行う。なお、コイル温度センサ５の故障は、既知の方法により検出することができる。

コイル温度センサ５が故障した場合には、ステータコイルの温度を検出することができないので、第１の実施の形態のように、ステータコイルの温度に応じて、モータ１の最大出力トルクを制限することができない。従って、コイル温度センサ５が故障した場合には、モータ１の最大出力トルクを所定トルクに設定し、モータ１の出力トルクが所定トルク以下の範囲内で、モータ１の運転を継続して行う。この所定トルクは、第１の実施の形態と同様に、モータ駆動時の発熱量が冷媒へ抜ける抜熱量以下となる値であり、冷媒の温度、および、モータ１の回転数に基づいて設定する。

第２の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置によれば、モータ１の温度を検出するセンサが故障した場合に、モータの最大出力トルクを所定トルクに設定し、モータ１の出力トルクが所定トルク以下の範囲内で、モータ１の運転を継続して行う。これにより、モータ１の温度を検出する温度センサが故障した場合でも、モータ１の運転を継続して行うことができる。特に、モータ駆動時の発熱量が冷媒へ抜ける抜熱量以下となるように所定トルクを設定するので、モータ１の温度上昇を抑制しつつ、モータ１の運転を継続して行うことができる。

本発明は、上述した第１および第２の実施の形態に限定されることはない。例えば、第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置では、一定値Ｃの値を、冷媒流路１７内を流れる冷媒の温度、および、モータ１の回転数に基づいて設定したが、冷媒の温度、および、モータ１の回転数のいずれか一方に基づいて設定することもできる。

図５に示すステータコイル温度と、モータ１の最大出力トルク（％）との関係において、コイル温度が第１の所定温度Ｔemp1と第２の所定温度Ｔemp2との間の線を直線とせずに、滑らかな曲線にすることもできる。

上述した実施の形態では、モータ１の温度として、熱を発するステータコイル１５の温度を検出したが、モータ１の他の部位を検出するようにしてもよいし、モータ１の周囲温度を検出して、代用するようにしてもよい。

温度保護の対象となるモータを、３相交流集中巻モータとして説明したが、他の種類のモータにも適用することができる。また、上述した実施の形態では、モータの温度保護制御装置を、ハイブリッド車や電気自動車に搭載して使用する例を挙げて説明したが、燃料電池車に適用することもできるし、車両以外のシステムに適用することもできる。

特許請求の範囲の構成要素と第１および第２の実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、コイル温度センサ５がモータ温度検出手段を、コントローラ２が最大出力トルク制限手段および故障検出手段を、冷媒温度センサ６が冷媒温度検出手段を、回転数センサ７が回転数検出手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置の構成を示す図 交流モータの構成を示す図 図２に示す交流モータをＡ−Ａの位置で切断した場合の断面図 モータの回転数と、モータの最大出力トルクとの関係を示す図 ステータコイルの温度と、モータの最大出力トルクとの関係を示す図 冷媒の温度に応じて設定される一定値Ｃの一例を示す図 モータの回転数と、モータの最大出力トルクとの関係を示す図 モータの回転数と、一定値Ｃとの関係を示す図 第１の実施の形態におけるモータの温度保護制御装置によって行われる処理内容を示すフローチャート

符号の説明

１…モータ、２…コントローラ、３…インバータ、４…バッテリ、５…コイル温度センサ、６…冷媒温度センサ、７…回転数センサ、１１…ステータ、１２…ロータ、１３…ステータコア、１４…ティース、１５…ステータコイル、１６…モータケース

Claims (5)

1. モータの温度（以下、モータ温度）を検出するモータ温度検出手段と、
   前記モータ温度検出手段によって検出されるモータ温度が第１の所定温度を超えると、前記モータの最大出力トルクを、前記モータ温度に応じて制限する最大出力トルク制限手段と、
   前記モータの出力トルクが前記最大出力トルク制限手段によって制限された最大出力トルク以下となるように、前記モータの駆動を制御するモータ制御手段と、
   前記モータを冷却する冷媒の温度（以下、冷媒温度）を検出する冷媒温度検出手段とを備え、
   前記最大出力トルク制限手段は、
   前記モータ温度検出手段によって検出されるモータ温度が前記第１の所定温度より高い第２の所定温度を超えると、前記モータの最大出力トルクを、前記モータ温度に依存せず、０より大きい所定トルクに設定し、
   前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒温度に基づいて、前記所定トルクを設定する際に、前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒温度が低いほど、前記所定トルクを大きくすることを特徴とするモータの温度保護制御装置。
2. 請求項１に記載のモータの温度保護制御装置において、
   前記モータの回転数を検出する回転数検出手段をさらに備え、
   前記最大出力トルク制限手段は、前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒温度、および、前記回転数検出手段によって検出される回転数に基づいて、前記所定トルクを設定することを特徴とするモータの温度保護制御装置。
3. 請求項１又は２に記載のモータの温度保護制御装置において、
   前記モータ温度検出手段の故障を検出する故障検出手段をさらに備え、
   前記最大出力トルク制限手段は、前記故障検出手段によって、前記モータ温度検出手段の故障が検出されると、前記モータの最大出力トルクを、前記所定トルクに設定することを特徴とするモータの温度保護制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータの温度保護制御装置において、
   前記所定トルクは、前記モータ駆動時の発熱量が抜熱量未満となる値であることを特徴とするモータの温度保護制御装置。
5. モータの温度（以下、モータ温度）が第１の所定温度を超えると、前記モータの最大出力トルクを、前記モータ温度に応じて制限するとともに、前記モータ温度が前記第１の所定温度より高い第２の所定温度を超えると、前記モータの最大出力トルクを、前記モータ温度に依存せず、０より大きい所定トルクに設定し、
   前記モータの出力トルクが前記最大出力トルク以下となるように、前記モータの駆動を制御し、
   前記モータを冷却する冷媒の温度（以下、冷媒温度）に基づいて前記所定トルクを設定する際に、前記冷媒温度が低いほど、前記所定トルクを大きくすることを特徴とするモータの温度保護制御方法。

Images