JP6576513B2 - 永久磁石ロータを有する同期機械を動作させる方法、同期機械、コンピュータプログラム、および、機械可読記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石ロータを有する同期機械（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ）を動作させる方法に関する。本発明はさらに、対応する同期機械、対応するコンピュータプログラム、および対応する記憶媒体に関する。

パワーエレクトロニクスおよび電気工学において、電圧または電流などの正弦波交流変量、またはほぼ正弦波と考えられる交流変量が、それらの瞬間時間値に対して直接制御されるのではなくて、むしろ、周期内の位相角によって補正される瞬間値に対して直接制御され得る制御概念は、要約して磁界方向制御またはベクトル制御と呼ばれる。このために、検出された交流変量は、交流変量の周波数で回転する座標系にそれぞれ座標変換される。次いで、制御工学の通常の方法のすべてが関係し得る同一変量が、この回転座標系内の交流変量から生成される。

特に、同期機械の磁界方向制御を行うために、実用的な理由から、互いに直交する２つの軸ｄ、ｑを含む直交座標系が通常選択される。したがって、３相４象限アクチュエータに向けた駆動信号は、対応する電流成分用の適切な基準値に基づき、空間ベクトル変調（空間ベクトルパルス幅変調、ＳＶＰＷＭ）によって形成される。

必要トルクを得るために、２つの相電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑの様々な組み合わせが通常検討される。この場合に、最も小さい相電流との組み合わせ、したがって、アンペア当たりの最大トルク（ＭＴＰＡ）が実際に選択されることが多い。このようにして、主にステータで発生する機械の銅損がほぼ最小化される。

（特許文献１）および（特許文献２）は、電気機械、特に、電気車両およびハイブリッド車両用の永久磁石同期機械の制御方法を開示しており、その方法では、電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑが解析され、渦電流損失およびヒステリシス損失が最小化される。

（特許文献３）は、電気機械の制御方法を開示しており、その方法では、鉄損が概略的に計算される。

（特許文献４）、（特許文献５）、（特許文献６）、（特許文献７）、（特許文献８）、および（特許文献９）は、さらなる制御方法を開示しており、その方法では、磁気ノイズが部分的に低減され、トルクリップルが補償される。

中国特許出願公開第１０４３１９９６９号明細書 米国特許出願公開第２０１３／２０７５８９号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００５０３４４号明細書 米国特許出願公開第２００５／０７３２８０号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００６５９３号明細書 米国特許出願公開第２０１３／１１９９００号明細書 国際公開第０４／０７３１５６号パンフレット 米国特許出願公開第２０１６／０２８３４３号明細書 米国特許第６６０５９１２号明細書

本発明は、独立請求項で主張した、永久磁石ロータを有する同期機械を動作させる方法、対応する同期機械、対応するコンピュータプログラム、および対応する記憶媒体を提供する。

この場合に、本発明による方法は、きわめて強力な機械において、一定の出力に対してロータがしばしば高温になりすぎるという発見に基づく。永久磁石同期機械では、この種のロータは、金属薄板（鉄）および磁石を含み、したがって、ロータ損失は、実質的に鉄損および磁気損失で構成される。

したがって、ロータの負荷を軽減するために、必ずしも銅損を最小化しないで、むしろヒステリシス損失を最小化する２つの相電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑの組み合わせが、必要トルクを得るために選択される。

したがって、２次元または３次元有限要素法（ＦＥＭ）により、ｉ_ｄ、ｉ_ｑおよび回転速度による磁気損失および鉄損を計算することが提案される。その理由は、ロータが、放熱、ひいては同期機械の連続出力に対して重要な構成要素であり、損失を最小化するｉ_ｄおよびｉ_ｑの組み合わせを見つけることができるからである。ＭＴＰＡ手法という意味での最小相電流のオーバシュートは、プロセスにおいて認められなければならない。

したがって、提案する問題解決策の１つの利点は、本発明に従って駆動される機械の定出力化が改善されることである。本発明のさらに有益な改良形態が、従属特許請求項に明示される。

本発明の例示的な実施形態が図面に示され、下記にさらに詳細に説明される。

本発明による方法の流れ図を示している。 本発明に従って制御されるモータを概略的に示している。

図１は、永久磁石ロータを有する同期機械の連続動作中に、熱の発生を抑制する、本発明による方法の基本的な考え方を示している。このために、同期機械の２Ｄまたは３Ｄシミュレーションが、先行開発ステップで最初に実施される。

基本的に磁界方向制御の一部として使用される２相系モデルを使用する（プロセス１１）と、ロータで発生する鉄損および磁気損失は、シミュレーションの結果に基づいて、同期機械の第１の相電流と、第２の相電流と、特定の回転速度との関数として数値近似する（プロセス１２）ことができる。このようにして得られた関数は、特定の回転速度および必要トルクに対して、２つの相電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑの最適な組み合わせを選択することで、ロータ損失を最小限にしようとする最適化問題の一部としての評価関数として機能することができる。最適化問題を解決することで判明した組み合わせは、このとき、例えば、図２に示す電気モータ（２０）を制御する（プロセス１３）ための基準値として、従来の態様で使用することができる。

この方法（１０）は、例えば、モータコントローラにおいて、例えば、ソフトウェアまたはハードウェアを使用して、あるいはソフトウェアおよびハードウェアを含む混合形態で実施することができる。

１０ 方法
１１ プロセス
１２ プロセス
１３ プロセス
２０ 同期機械

Claims (7)

1. ロータを有する同期機械（２０）を動作させる方法（１０）であって、
   以下の特徴事項、すなわち、
   − 前記同期機械（２０）は、前記ロータとの関連で、直軸電流および横軸電流を含む２相系としてモデル化される（１１）ことと、
   − 前記ロータで発生する鉄損および磁気損失を含む、前記同期機械（２０）のロータ損失は、前記同期機械（２０）の前記直軸電流、前記横軸電流、および特定の回転速度からなる評価関数によって数値的に記述される（１２）ことと、
   − 前記評価関数に基づき、前記直軸電流および前記横軸電流は、前記同期機械（２０）が必要トルクを出力し、前記ロータ損失が小さくなるように、前記特定の回転速度および必要トルクに対して制御される（１３）ことと、
   を特徴とする方法（１０）。
2. 以下の特徴事項、すなわち、
   − 前記評価関数を求めるための前記同期機械（２０）の数値シミュレーションが、有限要素を用いて実施されること、
   − 前記評価関数は、前記同期機械（２０）の動作中に、ディレーティングによって計算されること、または
   − 前記評価関数は、前もって定められること、
   のうちの１つを特徴とする、請求項１に記載の方法（１０）。
3. 以下の特徴事項、すなわち、
   − 前記シミュレーションは、２次元の態様で行われること、
   − 前記シミュレーションは、３次元の態様で行われること、または
   − 前記シミュレーションは、解析的態様で行われること、
   のうちの１つを特徴とする、請求項２に記載の方法（１０）。
4. 以下の特徴事項、すなわち、
   − 前記ロータの鉄損および磁気損失と、ステータの銅損および鉄損が、前記シミュレーションに基づいて計算されることと、
   − 前記評価関数は、前記鉄損、前記銅損、および前記磁気損失に基づいて求められることと、
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法（１０）。
5. 以下の特徴事項、すなわち、
   − 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法（１０）に従って動作するように設計されること、
   を特徴する同期機械（２０）。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法（１０）のステップのすべてを実行するように設計されたコンピュータプログラム。
7. 請求項６に記載のコンピュータプログラムが格納された機械可読記憶媒体。

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