JP5414206B2 - 遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法に関する。

最新技術に属するものの１つとして、遠心力ポンプ、特に、小型及び中型構造の加熱循環ポンプについて、送出された流体の温度に応じてポンプ回転速度を制御することが挙げられる。これは、特に、現在の暖房装置では、ポンプ制御が、供給電圧の設定及びオン／オフの切替えを除く残りの制御から分離、独立しているという点を考慮してなされている。前記ポンプ制御は、送出流体の温度を取得することにより暖房装置の所要熱量を確認し、その結果に応じてポンプ速度を制御し、所要熱量の増大時、即ち、供給送出流体が高温の場合、ポンプ回転速度を増大させてポンプ能力を増大させ、他方、供給送出流体が低温の場合、ポンプ回転速度を下げてポンプ能力を低下させる。送出流体温度の取得は、別の理由からも有用で、道理にかなっており、又は、必要があると考えられている。これは、当該技術分野においては、温度センサによって達成される。

しかしながら、そのような温度センサは、構成要素の追加を意味し、これにより別の電気的評価が要求され、その上、更にコストを生む。更に、温度センサは、その熱伝達方式から送出流体に接触させる必要があるので、温度センサの設置により潜在的に強度の弱い場所が生じる。

この技術背景に対して、本発明は、温度センサを使用することなく、更に、安価で、且つ、取扱いが容易で、即ち、標準的に現在の循環ポンプで使用可能なハードウエアで実現し得る、遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、この目的は、請求項１で特定された特徴によって達成される。遠心力ポンプの送出流体の温度を取得するための本発明方法は、現在の技術水準に照らして、永久磁石モータを備える遠心力ポンプ、即ち、一般的に小型及び中型の遠心力ポンプに適用してもよい。本発明方法は、モータ、即ち、モータのロータが送出流体で満たされた容器、特に、送出流体が通流する容器内で回転する遠心力モータに対して想定される。本発明によれば、モータの電気変数に基づいてロータ温度が決定され、ロータ温度に基づいて送出媒体の温度が得られることを想定している。

本発明方法の基本的概念及び温度センサを持たず本発明方法で動作されるポンプアセンブリの基本的概念は、いずれも、通常入手可能なモータの電気変数から送出流体温度を取得することである。本発明方法は、本質的にロータ温度が送出流体温度に依存するという仮定に基づいている。現在の小型及び中型構造の永久磁石モータでは、ロータで生じる損失は非常に少なく、ロータ自体は実質的にどのような廃熱も発生させない。従って、ロータの温度は、一般的には、送出流体の温度と一致するか、又は、少なくとも送出流体の温度と依存関係にある。本発明方法は、この関係を利用し、ロータ温度の評価から計算のみによりセンサを用いずに温度の取得を実現するものである。

送出流体の温度とロータの温度とを同等と見なすことができるようにするために、送出流体とロータとの間の熱交換が適正である必要がある。代表的には、流体の詰め込まれたポンプにおいては、送出流体が容器を通流する。しかしながら、実際には、容器における通流は必要不可欠ではなく、むしろ、流体で満たされた容器、例えば、流体の詰まったポットで十分である。その容器のフランジは、大きな表面積で送出流体と接触し、従って、送出流体とロータとの間の適正な熱伝達を保証する。

本発明によれば、送出流体の温度の評価は、回転速度を制御するためにモータに電力を供給する周波数変換器の電子技術によって効果的に達成される。そのような周波数変換器では、一般的には、上記計算処理がソフトウエアにより実行可能となるデジタル制御が行われる。更に、これに起因して追加的な相乗効果が得られる。即ち、当該技術分野において知られているように周波数変換器はエネルギに関してだけでなくノイズに関しても最適となるように駆動されるため、関連するモータの電気変数は全て、周波数変換器制御が行われるあらゆる場合において存在し、簡単な方法で決定可能である。ポンプアセンブリは、加熱遠心力ポンプの分野で公知であり、永久磁石同期モータを備える。この永久磁石同期モータは、電子的周波数変換器によって電力が供給され、これによりモータの回転速度が増加され、又は、異なる規定回転速度で駆動されるであろう。従って、送出流体の温度の評価は、設計変更なしに、又は、必要とされるハードウエアの変更なしに、ソフトウエアの実行によってそのようなモータだけで達成されるであろう。

送出流体の温度を最終的に決定するロータ温度の代表的な計算評価は、本発明の種々の方法により行ってもよく、それは、特に、ロータの磁束によってロータ温度を決定するのに有効である。知られているように、これらは互いに数１に示す式（１）のような数学的関係がある。

ここで、
λ_mは、ロータの磁束
λ_m0は、温度Ｔ_m0でのロータの磁束
β_mは、磁石の温度係数
Ｔ_mは、ロータの温度
である。

この式（１）をロータ温度について解けば、数２に示す式（１′）のようになる。

従って、この式（１′）によれば、ロータ温度も、ロータの磁束と残りの材料定数が分かれば計算によって決定できる。

数３に示す式（２）に、ステータに誘導される電圧（逆起電力）とロータの磁束との関係を示す。

ここで、
ｖ_BEMFは、ステータに誘導される電圧
ω_reは、ロータの電気的回転速度
である。

本発明によるロータの磁束の評価は、種々の方法で達成してもよい。本発明の第１の方法を、図１のブロック図に示す。ロータの磁束を取得するために、モータを初めに動作させ、その後、スタータに誘導される電圧又は電流を取得するために、更に、ロータの磁束を決定するために、動作中にモータを一時的に主電源から切り離す。

図１によれば、ブロックＡにおいて、初めに、一定時間経過後に回転中のモータを主電源から切り離すと、外部電圧によって流入する電流は減少するが、モータは回転し続け、電流がステータに誘導され、電圧がステータに発生する。これは逆起電力であり、図１にＢＥＭＦで示されている。

モータを、測定のために電源から切り離さなければならないが、モータの通常動作をできるだけ乱さないようにするために、この切り離しは可能な限り短時間にしなければならない。本発明によれば、ステータの誘導電流を効果的には少なくとも一周期以内で、従って、モータの１電気的回転以内で決定するので、モータは少なくともこれと同じ時間、主電源から切り離されなければならない。

本質的に、３つの問題がその後の計測で生じる。即ち、１つはロータ速度が測定中一定である必要があること、もう１つは、単振動が逆起電力ＢＥＭＦに重畳するということ、そして、更には、その測定精度である。これは、動作中に生じる逆起電力ＢＥＭＦのピーク値が小さな電圧値を有するためである。更に、１００℃のロータの温度差での逆起電力ＢＥＭＦの差が、約２０％にしか達しない。従って、その測定は、通常動作での電圧ピークにも対応しなければならないため、一方で広い測定範囲を包含しなければならず、また他方では極めて正確でなければならない。

本発明の別の実施形態によれば、これは、全期間、即ち、３つの零クロス点上で行われる測定によって達成される。本発明によれば、そのような全期間内で測定を複数回、好ましくは１０測定以上を実行することが、これら測定値から平均値を求めるために、更には以降の計算をこの平均値による電圧値に基づいて行うために特に有効であることが見出された。しかしながら、当該技術分野において知られる方法で、３相システムを２相システムに変換する変換処理を予め実行しなければならない。更に、この期間に基づいてロータの平均速度を得て、これらの値からロータの磁束を計算する。図１において、逆起電力ＢＥＭＦの統計的評価をブロックＢで示す。そこから得られるロータの磁束λ_mは、ブロックＮにより、式（１′）からロータ温度Ｔ_mに変換される。

前述の本発明による方法は、評価技術に関して比較的簡単である。しかし、一瞬の間だけでもモータを主電源から切り離さなければならないという不都合があり、それは、いくつかのケースでは望ましくない。

これを避けるために、本発明方法の別の実施形態によれば、モータの動作中にロータの磁束を決定することが想定される。それによって、本発明によれば、２つの解決方法が想定され、即ち、１つは、パラメータ同定による磁束の評価であり、他の１つは、適切な観測者による磁束の評価である。そのようなパラメータ同定は、永久磁石同期モータに関してそれ自体は公知である。これに関連して、下記の文献に詳述されている。

１．Flavia Khatounian,Sandrine Moreau,Eric Monmasson,Alexandre Janot,and Francois Louveau.Simultaneous identification of the initial rotor position and electrical parameters of a PMSM for Hapic interface.EPE-PEMC 2006,Portoroz,Slovenia
２．Shinji Ichikawa,Muntuwo Tomita,Shinji Doki,and Shigeru Okuma.Sensorless control of permanent-magnet synchronus motors using online parameter identification based on system identification theory.IEEE Transactions on industrial electronics,Vol.52.No.2.April 2006

パラメータ同定に関して、一般的には、高周波信号を供給電圧に重畳して、これにより、それ自体公知の方法でパラメータを決定する。パラメータを決定すると直ちに、パラメータとロータ温度又はステータ温度との間の関係が分かる。それから、ロータ温度に加えて、数４に示す式（３）によって更にステータ抵抗Ｒ _s も決定する。

ここで、
Ｒ_s0は、温度Ｔ_s0でのステータ抵抗
Ｔ_s0は、抵抗Ｒ_s0の時のステータ温度
Ｔ_sは、ステータ温度
α_wは、ステータ抵抗の温度係数
である。

この結果から、数５に示す式（３′）でステータ温度Ｔ_sを特定する。

前述の方法を、図２によって図式的に示す。ブロックＣでは、ステータ電圧Ｖ_sa，Ｖ_sb，Ｖ_sc、ステータ電流ｉ_sa，ｉ_sb，ｉ_sc、電気的回転速度ω_re及びロータとステータとの間の電気角θ_reを、入力変数として取得し、パラメータ評価によって磁束λ_m及びステータ抵抗Ｒ_sを決定する。図１による方法で既に述べたように、ブロックＮにおいて、ロータ温度Ｔ_mと送出流体の温度を、ロータの磁束λ_mから決定する。更に、ステータ温度Ｔ_sを、上述の式（３′）によりステータ抵抗Ｒ_sからブロックＯで決定する。

上述の、ロータの磁束を適切な観測者によって動作中に決定する場合の方法に関して、文献ＥＰ１３８３２３１Ａ１は、特にそのような観測者について言及している。それについて、ステータの電流と電圧を、数学的モータモデルに基づいてモデル化する一方、測定によっても評価する。それから、決定された電流を互いに比較し、その比較結果に基づいてロータの磁束を決定する。文献ＥＰ１３８３２３１Ａ１では、磁束、ロータ位置及びロータ速度を、観測者によって決定する。従って、この方法では、ロータ温度を決定するためにロータの磁束を観測者によって決定し、そして、送出流体の温度を決定する。

図３は、これを実際に達成する方法を示す。ブロックＤにより、ステータ電圧Ｖ_sa，Ｖ_sb，Ｖ_sc及びステータ電流ｉ_sa，ｉ_sb，ｉ_scを取得し、ロータの磁束λ_m及びステータ抵抗Ｒ_sを、観測者によって前記ステータ電圧及びステータ電流から評価する。その後、ブロックＮにより前述した方法で、ロータ温度Ｔ_mを評価し、ブロックＯにより前述した方法でステータ温度Ｔ_sを評価する。

本発明方法の更に別の実施形態によれば、ロータ温度の評価は、ロータの磁束の評価によって達成されるだけなく、モータの熱バランス及び／又は電力バランスによっても達成される。これは、効果的にモータの動作中に達成され、モータで消費される電力、相電流、好ましくは、そのＲＭＳ値（実効値）、及びモータで使われている電圧の周波数が決定される。一般的に小型及び中型の出力の永久磁石同期モータでは、それら電力は、周波数変換器によって供給される。消費される電力は、周波数変換器の中間回路電流及び中間回路電圧に基づいて決定される。これらの値は、どのような場合でも周波数変換器制御においても取得可能である。それにより、ロータの温度Ｔ_mは、数６に示す式（４）〜（６）によって決定できる。

ここで、
Ｔ_Mは、モータモーメント
λ_m0は、温度Ｔ_m0でのロータの磁束
β_mは、磁石の温度係数
Ｔ_m0は、ロータの磁束がλ_m0での温度
Ｉ_rmsは、相電流の実効値
Ｐ₁は、モータの消費電力
Ｒ_s0は、温度Ｔ_s0でのステータ抵抗
α_sは、ステータ抵抗の温度係数
Ｔ_sは、ステータ温度
Ｔ_s0は、ステータ抵抗がＲ_s0でのステータ温度
ｋ_Fは、ロータの固有損失
ｆは、モータの供給電流の周波数
ｋ_Ironは、ステータの鉄損
Ｐ_l0は、周波数変換器の損失
Ｂ_mは、ステータと流体との間の熱伝達抵抗
である。

式（４）は、ステータ電流の実効値とロータ温度の関数としてモータモーメントを表している。式（５）は、モータの消費電力、相電流の実効値、モータで使われている電圧の周波数、及び、ステータ温度の関数としてモータモーメントを表している。式（６）は、ステータ電流の実効値とロータ温度の関数としてステータ温度を表している。図４に示されているように、ブロックＥによりこれら３つの式からロータ温度、ステータ温度及びモータモーメントを計算できる。入力変数は、消費電力Ｐ₁、相電流の実効値Ｉ_rms及びモータで使用されている電圧の周波数ｆである。これらの式は、相電流の実効値が対応する情報を含む別の電流変数に置き換えられるならば、それに応じて変形可能である。

式（４）、（５）及び（６）は、簡易化した式を表しており、とりわけ、周囲温度による損失を考慮していない。しかしながら、ここで述べられている構造タイプの加熱循環ポンプに関する場合、意外にもこれらの損失を無視してよいということがわかった。しかしながら、場合によっては、これらの損失も考慮してよい。

前述した方法は、特に、小型及び中型の出力を持つ、周波数変換器によって電力が供給される永久磁石同期モータに効果的に適用できる。しかし、その方法の適用は、これに限定されるものではない。

今日の市場で入手でき、上述のモータのロータに適用可能な磁石は、磁気特性に関して比較的大きな許容値に影響される。もし、そのような磁石を永久磁石同期モータに組込むならば、本発明の別の実施形態によれば、図５のブロック図によって示されているように、これら許容値をロータの温度を決定する時に考慮に入れることが可能である。ブロックＤにより表された観測者は、図３のブロックＤに対応している。しかし、図２によって述べたように特定ブロックＣにおいてパラメータ同定によって達成することも可能である。従って、それぞれブロックＤとＣによれば、ロータの磁束λ_mとステータ抵抗Ｒ_sは、前述した方法で決定される。しかしながら、前述の方法と異なり、材料定数λ_m0、即ち、温度Ｔ_m0でのロータの磁束、同様に温度Ｔ_s0でのステータ抵抗Ｒ_s0が決定される。これは、図５のブロックＦ内で達成され、特に、熱モデルとパラメータ同定により達成される。それによって、ロータの磁束、ステータ抵抗及びステータ内の損失の時間的進行が決定され、これにより温度の評価と関連する磁石及び／又はステータの材料定数が決定される。これらは一般的に大きく変動する傾向にないので、後者は表形式でも取得される。

これら材料定数の評価は、数７に示す式（７）〜（１１）に基づいて達成される。

ここで、
ｖ_sa，ｖ_sb，ｖ_scは、モータの３つの相の動作中の電圧
ｉ_sa，ｉ_sb，ｉ_scは、モータの３つの相の動作中の電流
λ_mは、ロータの磁束
Ｒ_sは、ステータ抵抗
λ_m0は、温度Ｔ_m0でのロータの磁束
Ｒ_s0は、温度Ｔ_s0でのステータ抵抗
Ｔ_mは、ロータ温度
Ｔ_sは、ステータ温度
Ｐ_lossは、ステータでの損失
ａ₁，ａ₂，ａ₃，ａ₄は、ステータ抵抗、ロータの磁束、及びステータでの損失との間の動的関係を表現した定数
Ｓは、ステータの熱容量
Ｂ_mは、ステータと流体との間の熱伝達抵抗
α_sは、ステータ抵抗の温度係数
β_mは、磁石の温度係数
である。

この方法で評価された定数λ_m0とＲ_s0は、図２及び図３に基づいて予め述べたブロックＮとＯで達成されると同様の方法で、ブロックＮとＯによるロータ温度Ｔ_mとステータ温度Ｔ_sの計算に適用される。

本発明の第１の方法を説明するためのブロック図である。 本発明の別の方法を説明するためのブロック図である。 本発明の更に別の方法を説明するためのブロック図である。 本発明の更に別の方法を説明するためのブロック図である。 本発明の更に別の方法を説明するためのブロック図である。

Claims (17)

1. 送出流体が通流する流体で満たされ容器内でロータが回転する永久磁石モータによって駆動される遠心力ポンプの前記送出流体の温度取得方法であって、
   ロータ温度を、前記永久磁石モータの電気的変数に基づいて評価し、前記送出流体の温度を、前記ロータ温度に基づいて決定することを特徴とする遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
2. 前記ロータ温度を、前記送出流体の温度と等しいと見なすことを特徴とする請求項１に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
3. 前記永久磁石モータを、周波数変換器によって駆動し、前記ロータ温度の評価を、周波数変換器の電子技術、特に、デジタル周波数変換器制御によって達成することを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
4. 前記ロータの磁束を、前記ロータ温度の取得のために決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
5. 前記永久磁石モータを動作中に主電源から切り離し、前記ロータの磁束を評価するために、ステータに誘導された電圧を取得することを特徴とする請求項４に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
6. 前記ステータに誘導された電圧を、少なくとも１周期内（前記永久磁石モータの電気的周期）に決定することを特徴とする請求項５に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
7. １周期内で少なくとも１０回の計測を行い、これに基づいて電磁束の評価を行うことを特徴とする請求項６に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
8. 前記ロータの磁束の評価を、前記永久磁石モータの動作中に達成することを特徴とする請求項４に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
9. 前記ロータの磁束を、前記永久磁石モータの動作中にパラメータ同定によって決定し、動作中の電圧値と電流値に基づいて評価することを特徴とする請求項４又は８に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
10. 前記ロータの磁束を、前記永久磁石モータの動作中に観測者によって決定し、動作中の電圧値と電流値によって評価することを特徴とする請求項４又は８に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
11. 前記観測者により、前記永久磁石モータの電流を、数学的モデルと測定とによってそれぞれ決定し、それぞれで評価された各電流を互いに比較し、前記ロータの磁束をその比較結果に基づいて決定することを特徴とする請求項１０に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
12. ステータの抵抗を追加的に取得することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
13. 前記永久磁石モータの熱バランス及び／又は電力バランスを、前記永久磁石モータの動作中に作り出し、前記ロータ温度を前記バランスに基づいて決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
14. 前記ロータ温度を、前記永久磁石モータで消費される電力、相電流、望ましくは、相電流の実効値（ＲＭＳ値）、及び、前記永久磁石モータで使用されている電圧の周波数に基づいて、動作中に決定することを特徴とする請求項１〜３又は１３のいずれか１つに記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
15. 前記消費される電力を、前記永久磁石モータに供給する周波数変換器の中間回路電流及び中間回路電圧に基づいて決定することを特徴とする請求項１４に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
16. 前記ロータ温度Ｔｍを、下記の式
    によって決定することを特徴とする請求項１４に記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。
17. 前記ロータ温度の評価と関連する前記永久磁石に組込む磁石及び／又はステータの材料定数を、前記ロータの磁束、ステータ抵抗及び前記ステータでの損失の時間的進行に基づいて決定することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の遠心力ポンプの送出流体の温度取得方法。