JP5435262B2 - 電動機駆動システム - Google Patents
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Description
PMモータ10の種類は様々であるが、近年、産業用で多用されているのは交流電動機であるため、以下では交流のPMモータ10の駆動システムについて説明する。
なお、図5に示したような駆動システムは周知であるため、ここでは構成及び動作の詳細な説明を省略する。
一般に、インバータの主要な損失は、スイッチング素子におけるスイッチング動作ごとに生じる損失(スイッチング損失)と、スイッチング素子が導通して電流が流れることにより発生する損失(導通損失)の2つである。このうち、スイッチング損失はスイッチング周波数に比例し、また、導通損失は導通電流に対して単調増加する。従って、スイッチング周波数を可変としてインバータの総発生損失を調整することが可能であり、その先行技術としては、特許文献1,同2に記載されたものがある。
また、特許文献2にも、電動機の低速運転時にスイッチング周波数を低下させてスイッチング損失及び導通損失を減少させることが記載されている。
ネオジム磁石は、導電率が比較的高いため、内部の磁束密度が時間的に変化するとこれに応じた渦電流が流れる。この渦電流により永久磁石内部ではジュール損が発生し、温度が上昇する。ネオジム磁石は、温度が上昇すると非可逆減磁し易くなるため、温度上昇を適切に制限しなければ、磁石の減磁によって電動機が所定のトルクを発生できなくなる。
また、これと併せて、PMモータに限らず電動機一般につき、回転速度に伴って負荷トルクが概ね単調増加する負荷を駆動する場合には、この負荷特性を利用して電力変換装置の総損失を抑制可能とした電動機駆動システムを提供することも解決課題とする。
前記電動機を駆動するための半導体電力変換装置と、
前記電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置と、
からなる電動機駆動システムであって、
前記電動機の回転速度に応じて、負荷による前記電動機の冷却能力が変化する電動機駆動システムにおいて、
前記スイッチング素子のスイッチング周波数を、前記電動機の回転速度が高いため前記冷却能力が高い場合には低くし、前記電動機の回転速度が低いため前記冷却能力が低い場合には高くするものである。
また、回転速度に伴って負荷トルクが概ね単調増加するような負荷を各種の電動機が駆動する場合に、この負荷特性を利用して電力変換装置の総損失を抑制することができる。
図1は、インバータのスイッチング周波数とPMモータの永久磁石中の渦電流損失との関係を示す概念図である。
図1に示すように、永久磁石における渦電流損失は、インバータのスイッチング周波数が低下するにつれて増加する傾向がある。これは、次のような原理による。すなわち、スイッチング周波数が低下すると、一般に知られているように電流のリプル成分が増加する。このリプル成分の振幅に応じてモータ内部の磁束密度の変化の幅が大きくなる。これに伴い、永久磁石内部における磁束密度の変化の幅が増加し、渦電流損失が増加することとなる。なお、インバータのスイッチング周波数の範囲はほぼ数100〔Hz〕〜20〔kHz〕程度である。
しかし、スイッチング周波数を上昇させると、前述したようにインバータのスイッチング損失が増加するため、スイッチング素子の温度を上限値以下に収めるという制約上、問題がある。換言すれば、スイッチング周波数については、PMモータにおける永久磁石の渦電流損失とインバータのスイッチング損失との間で、発生損失に関するトレードオフが存在する。
上述したごとく電動機の運転状態に応じて冷却能力が変化することは、PMモータについても勿論、当てはまる。
逆に、PMモータの冷却能力が低い場合には、インバータのスイッチング周波数を高めることによってPMモータ内の永久磁石の渦電流損失を抑制し、PMモータの温度上昇を許容範囲内に収めることができる。
上記のファンのように、回転速度に対して負荷トルクが単調増加する負荷を電動機が駆動する場合には、電動機駆動用のインバータのスイッチング周波数を、回転速度の上昇に応じて連続的または段階的に下げるように制御装置を構成することにより、表1に示すような作用が得られる。
このことによって、インバータの冷却能力を発生損失のピークに合わせて高める必要が無くなるため、冷却能力の低減、すなわち冷却装置を含む装置全体の小型化や簡素化が可能である。なお、表1において、インバータをPWM制御されるインバータのキャリア周波数であり、スイッチング周波数に置き換えて考えてよい。
この発明はPMモータだけでなく種々の電動機をインバータ等の半導体電力変換装置により駆動する駆動システムに適用することができる。
ファンのように二乗低減トルク特性を持つ負荷については、表1に示したような作用が得られるが、電動機の回転速度が高くなるに従って電動機の冷却能力が高まる機構を備えれば、更に好適な駆動システムを構成することができる。この着想は、請求項2に係る発明に相当する。
例えば、図4に示すように負荷としてのファン40が発生する風がPMモータ10の周囲を通過してPMモータ10を冷却する構造とすれば、表2に示す作用を得ることができる。なお、この表2は、前述した表1に、検討項目として電動機の冷却能力と永久磁石の渦電流損失とを追加したものである。
従って、インバータ20及びPMモータ10のいずれについても、冷却能力を高めるために特別な装置や手段を設けることなく、温度上昇を抑制することができる。
すなわち、特開2002−10668号公報には、モータの低速高トルク時にはスイッチング周波数を低くし、高速時には、高トルク時を除いて原則的にスイッチング周波数を高くすることが記載されており、また、特開2007−282298号公報には、モータとPWM制御インバータとの合計損失が最小となるPWM制御のキャリア周波数を設定し、その設定周波数でインバータを運転することが記載されている。
しかし、これらの文献には、いずれもPMモータに関しては言及されておらず、上述したような本発明の作用効果を発揮することはできない。特に、両文献とも自動車用のモータ駆動システムを想定しており、この種のシステムでは、基本的にモータの低速時に大トルク、高速時に小トルクが必要とされる点で本発明とは大きく異なっている。
20:インバータ
30:制御装置
40:ファン
Claims (2)
- 永久磁石を有する電動機と、
前記電動機を駆動するための半導体電力変換装置と、
前記電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のオン、オフを制御する制御装置と、
からなる電動機駆動システムであって、
前記電動機の回転速度に応じて、負荷による前記電動機の冷却能力が変化する電動機駆動システムにおいて、
前記スイッチング素子のスイッチング周波数を、前記電動機の回転速度が高いため前記冷却能力が高い場合には低くし、前記電動機の回転速度が低いため前記冷却能力が低い場合には高くすることを特徴とする電動機駆動システム。 - 請求項1に記載した電動機駆動システムにおいて、
前記電動機の回転速度の上昇に応じて前記電動機の冷却能力が高くなる機構を有することを特徴とする電動機駆動システム。
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