JP4946118B2

JP4946118B2 - 回転機制御装置及び回転機制御方法

Info

Publication number: JP4946118B2
Application number: JP2006080977A
Authority: JP
Inventors: 裕司佐々木; 祐明会田; 和隆道家; 隆司真島; 成文遠嶋
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007259586A

Description

本発明は、永久磁石を用いたモータ及び発電機などの回転機の性能喪失につながる、永久磁石の高温減磁を保護する回転制御装置及び回転制御方法に関する。

モータ及び発電機などの回転機では温度の過度の上昇から回転機を保護する必要がある。下記特許文献１には、モータの巻き線温度を、モータ停止時に巻き線抵抗を計測することで測定する方法が提案されている。この特許文献１の方法は、サーミスタなどの温度検出器を使用せず、モータ巻線の過熱保護を行うことを目的としている。電流制御を有するモータ制御システムにおいて、制御開始時のみモータに電力を供給する電力線を通じてモータ温度を測定し、これとモータ電流指令値から推定した温度上昇値から現在の温度を算出する。この運転中のモータ温度が所定の上限値を超えた場合に、モータへの電力供給を停止する。

また、下記特許文献２には、ロータに配設された永久磁石の低温減磁を防止するために、モータコイル温度から永久磁石温度を推定する方法が開示されている。この方法は、電流制限器は、温度検出器が検出する温度に基いてモータジェネレータの永久磁石の温度を推定演算するというものである。その温度が設定温度を下回って減磁する虞が生じた場合に、永久磁石の温度低下による保磁力の大きさの低減割合と同等以上の割合で指令電流を低減させる。
特開平９−２６１８５０号公報特開２００４−１８７３３９号公報

ところで、上記特許文献１に記載のモータ停止時に巻線抵抗測定する方法は、モータ運転中にモータ温度を計測できない問題点がある。また、この方法では永久磁石モータの磁石温度を計測することはできない。

また、上記特許文献２のモータコイル温度から永久磁石温度を推定する方法は、永久磁石温度を直接計測していないため、磁石温度推定手段として不充分である。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、モータ運転中に、ロータの永久磁石温度を推定し、推定結果に基いて回転機を制御することができる回転機制御装置及び回転機制御方法の提供を目的とする。

本発明に係る回転制御装置は、前記課題を解決するために、永久磁石を回転子に用いた回転機を高温減磁から保護するために制御する回転機制御装置において、前記回転機動作時に当該回転機の定数を取得する定数取得手段と、前記定数取得手段により測定された定数から前記永久磁石の温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を防ぐ保護手段とを備える。

この回転制御装置にあって、定数取得手段は、トルク定数を計算にて測定して取得し、前記温度推定手段は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定するのが好ましい。

また、間欠的に誘起電圧定数を計算にて測定して取得し、前記温度推定手段は前記誘起電圧定数から前記永久磁石の温度を推定することが好ましい。

また、前記定数取得手段は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時の各種定数を計算する定数計算手段を有してなり、前記温度推定手段は前記定数計算手段により計算された定数から前記永久磁石の温度を推定し、前記保護手段は前記温度推定手段により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を保護するのが好ましい。

また、前記定数計算手段は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時のトルク定数を計算し、前記温度推定手段は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定するのが好ましい。

本発明に係る回転機制御方法は、前記課題を解決するために、永久磁石を回転子に用いた回転機を高温減磁から保護するために制御する回転機制御方法において、前記回転機動作時の各種定数を取得する定数取得工程と、前記定数取得工程により測定された定数から前記永久磁石の温度を推定する温度推定工程と、前記温度推定工程により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を保護する保護工程とを備える。

この回転機制御方法にあって、前記定数取得工程は、トルク定数を計算にて測定して取得し、前記温度推定工程は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定することが好ましい。

また、前記定数取得工程は、間欠的に誘起電圧定数を計算にて測定して取得し、前記温度推定手段は前記誘起電圧定数から前記永久磁石の温度を推定することが好ましい。

また、前記定数取得工程は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時の各種定数を計算する定数計算工程を有してなり、前記温度推定工程は前記定数計算工程により計算された定数から前記永久磁石の温度を推定し、前記保護工程は前記温度推定工程により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を保護することが好ましい。

また、前記定数計算工程は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時のトルク定数を計算し、前記温度推定工程は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定するのが好ましい。

永久磁石は温度上昇に対して、一定の割合で磁場が減少するため、磁石温度によってモータの誘起電圧定数あるいはトルク定数が一意に定まる。逆に言えばモータの誘起電圧定数あるいはトルク定数からモータ内の磁石温度を求めることができる。

本発明は、モータ運転中に、モータドライバにて電圧、電流、モータ回転数などの計測値からモータトルクを計算し、トルク定数の温度依存性と照らし合わせることで永久磁石温度を推定する。推定された永久磁石温度が高温消磁する温度に近い場合には、モータ停止あるいはモータトルクを制限することで、永久磁石温度の更なる上昇を抑え、モータの保護を図る。

本発明に係る回転機制御装置及び回転機制御方法によれば、モータ運転中に、ロータの永久磁石温度を推定し、推定結果に基いて回転機を制御することができる。また、モータ内部に温度センサを取り付けることなく、永久磁石同期機の温度保護を行うことができるため、モータ内部の温度センサおよびモータドライバ側の温度センサのインターフェースが不要となる。

モータ巻線温度ではなく、モータ回転子の永久磁石温度を直接推定するため、巻線温度と永久磁石温度の相関性や温度時定数に影響されることなく、永久磁石の高温消磁を回避することができる。

モータドライバが通常計測している電圧、電流、回転数などの信号から磁石温度を推定するため、センサを追加することなく、モータの過熱保護が可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態となる、回転機制御装置１の概略的な構成を示す図である。この例では、回転機はモータであるが、発電機に本発明を適用できることを制限するものではない。

図１にあって、回転機制御装置１は、永久磁石を回転子に用いた回転機を高温減磁から保護するために制御する回転機制御装置であり、モータ２動作時の当該回転機の定数を取得する定数取得部３と、定数取得部３により測定された定数から前記永久磁石の温度を推定する温度推定部４と、温度推定部４により推定された永久磁石の温度に基いて永久磁石の消磁を保護する保護部５とを備える。定数取得部３と温度推定部４と保護部５は、モータドライバ６の内部に含まれて機能する。

定数取得部３は、トルク定数を測定して取得し、温度推定部４は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定する。

また、定数取得部３は、間欠的に誘起電圧定数を測定して取得し、温度推定部４は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定するようにしてもよい。

定数取得部３はモータ２に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時の各種定数を計算する定数計算部３ａを有してなり、温度推定部４は前記定数計算部３ａにより計算された定数から前記永久磁石の温度を推定し、保護部５は温度推定部４により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を防ぐ。

また、定数計算部３ａはモータ２機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時のトルク定数を計算し、温度推定部４は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定する。

モータ２の回転子に用いる永久磁石は温度上昇に対して、一定の割合で磁場が減少する。このため、磁石温度によってモータ２のトルク定数が一意に定まる。温度推定部４は、トルク定数からモータ２内の磁石温度を求めることができる。

特に、モータドライバ６は、モータ２運転中に、モータドライバ６の定数取得部３にて電圧、電流、モータ回転数などの計測値からモータトルクを計算し、トルク定数の温度依存性と照らし合わせることで温度推定部４にて永久磁石温度を推定する。推定された永久磁石温度が高温消磁する温度に近い場合には、保護部５がモータ停止あるいはモータトルクを制限することで、永久磁石温度の更なる上昇を抑え、モータの保護を図る。

これにより、モータ２運転中に、ロータの永久磁石温度を推定し、推定結果に基いて回転機を制御することができる。また、モータ内部に温度センサを取り付けることなく、永久磁石同期機の温度保護を行うことができるため、モータ内部の温度センサおよびモータドライバ側の温度センサのインターフェースが不要となる。

モータドライバ６内の定数取得部３が定数計算部３ａを用いて、通常計測している電圧、電流、回転数などの信号から、温度推定部４が磁石温度を推定するため、センサを追加することなく、保護部５にてモータの過熱保護が可能である。

図２は、モータドライバ６内部の定数取得部３、温度推定部４、保護部５の詳細な構成を示した図である。図２にあって、出力計算部３ａは定数取得部３の定数計算部３ａの具体例であり、モータ２の電流、電圧から出力を計算する。

トルク計算部３ｂは、定数取得部３に含まれるものであり、モータ２のトルクを計算する。また、トルク定数計算部３ｃは、トルク定数を計算する。このトルク定数計算部３ｃで計算されたトルク定数は、演算増幅器よりなる比較器４にてトルク定数下限値３ｄと比較される。比較器４は、温度推定部４を構成するものであり、比較結果を保護部５の具体例であるスイッチング部５に供給する。

スイッチング部５は、比較器４からなる温度推定部にて推定した磁石温度が高温消磁する温度に近い場合には、モータ停止あるいはモータトルクを低減するようにスイッチを切り替え、磁石の消磁を保護する。

図３は、磁石の温度による消磁特性を示す図である。磁石温度が２０℃から例えば２００℃の範囲にある可逆領域では、磁石の磁束密度Ｂ［Ｗｂ／ｍ^２］は例えばある永久磁石の種類では−０．０９（％／℃）でリニアに減少する。Ｔｅという臨界点を過ぎると、不可逆領域となり、磁束密度は急激に減少し０となる。

図１及び図２に示した回転機制御装置１は、モータ２に用いる永久磁石が前記可逆領域内にて使用されるように、モータ２のトルク定数を計算しながら永久磁石の温度を推定し、モータを保護する。

もちろん、モータ２のトルク定数を直接測定できる構成であれば、定数取得部３は不要である。

また、上述したように、定数取得部３は、間欠的に誘起電圧定数を測定して取得し、温度推定部４は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定するようにしてもよい。

図４は電源又はインバータ１０により固定子巻き線に励磁電流が供給されて永久磁石からなる回転子を回転するモータ２の結線状態を示す。このときのモータ定数はｋT［Nm/A］である。

一方、図５に示すように、負荷である駆動源１１に電力を供給する発電機１２が、図６に示すように永久磁石の回転子１２を、三相のコイル１２ｂ中で、回転することにより、発生する誘起電圧定数は、電圧計１３によって測定された交流波形（正弦波）の電圧（図７）を、回転周波数rpmで割った値ＫE［Ｖ／rpm］としてあらわされる。

回転機制御装置１の概略的な構成を示す図である。モータドライバ内部の定数取得部、温度推定部、保護部の詳細な構成を示した図である。磁石の温度による消磁特性を示す図である。電源又はインバータにより固定子巻き線に励磁電流が供給されて永久磁石からなる回転子を回転するモータの結線状態を示す図である。発電機の接続状態を示す図である。永久磁石の回転子と、三相コイルの構造図である。交流電圧波形（正弦波）図である。

符号の説明

１・・・回転機制御装置
２・・・モータ
３・・・定数取得部
３ａ・・・定数計算部
４・・・温度推定部
５・・・保護部

Claims

永久磁石を回転子に用いた回転機を高温減磁から保護するために制御する回転機制御装置において、
前記回転機動作時に当該回転機の定数を取得する定数取得手段と、
前記定数取得手段により測定された定数から前記永久磁石の温度を推定する温度推定手段と、
前記温度推定手段により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を防ぐ保護手段と
を備え、
前記定数取得手段は、トルク定数を計算にて測定して取得し、前記温度推定手段は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定し、
前記定数取得手段は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時の各種定数を計算する定数計算手段を有してなり、前記温度推定手段は前記定数計算手段により計算された定数から前記永久磁石の温度を推定し、前記保護手段は前記温度推定手段により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を保護し、
前記定数計算手段は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時のトルク定数を計算し、前記温度推定手段は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定することを特徴とする回転機制御装置。
前記定数取得手段は、間欠的に誘起電圧定数を測定して取得し、前記温度推定手段は前記誘起電圧定数から前記永久磁石の温度を推定することを特徴とする請求項１記載の回転機制御装置。
永久磁石を回転子に用いた回転機を高温減磁から保護するために制御する回転機制御方法において、
前記回転機動作時の各種定数を取得する定数取得工程と、
前記定数取得工程により測定された定数から前記永久磁石の温度を推定する温度推定工程と、
前記温度推定工程により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を保護する保護工程と
を備え、
前記定数取得工程は、トルク定数を測定して取得し、前記温度推定工程は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定し、
前記定数取得工程は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時の各種定数を計算する定数計算工程を有してなり、前記温度推定工程は前記定数計算工程により計算された定数から前記永久磁石の温度を推定し、前記保護工程は前記温度推定工程により推定された前記永久磁石の温度に基いて前記永久磁石の消磁を保護し、
前記定数計算工程は前記回転機に通電されている電圧、電流及び回転数から回転機動作時のトルク定数を計算し、前記温度推定工程は前記トルク定数から前記永久磁石の温度を推定することを特徴とする回転機制御方法。
前記定数取得工程は、間欠的に誘起電圧定数を測定して取得し、前記温度推定手段は前記誘起電圧定数から前記永久磁石の温度を推定することを特徴とする請求項３記載の回転機制御方法。