JP6629017B2 - Electric motor device and electric linear actuator - Google Patents
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Description
この発明は、電動モータ装置および電動式直動アクチュエータに関し、温度分布を考慮して電動モータにおける励磁コイルの領域毎に温度推定を行う技術に関する。 The present invention relates to an electric motor device and an electric linear actuator, and relates to a technology for estimating a temperature for each excitation coil region in an electric motor in consideration of a temperature distribution.
電動モータを用いた電動アクチュエータとして、以下の技術が提案されている。
1.ブレーキペダルを踏み込むことで、電動モータの回転運動を直動機構を介して直線運動に変換して、ブレーキパッドをブレーキディスクに押圧接触させて制動力を付加する電動アクチュエータ(特許文献1)。
2.遊星ローラねじ機構を使用した電動式直動アクチュエータ(特許文献2)。
3.電動モータにおける各相コイルの中性点ターミナルにサーミスタを設け、このサーミスタにより、各相コイルの平均温度を測定する技術(特許文献3)。
4.電動モータが停止状態にある際の、電圧と電流および銅抵抗の温度特性から、コイル温度を推定する技術(特許文献4)。
The following technology has been proposed as an electric actuator using an electric motor.
1. An electric actuator that converts the rotational motion of an electric motor into a linear motion via a linear motion mechanism by depressing a brake pedal, and presses a brake pad against a brake disc to apply a braking force (Patent Document 1).
2. An electric linear motion actuator using a planetary roller screw mechanism (Patent Document 2).
3. A technology in which a thermistor is provided at a neutral terminal of each phase coil in an electric motor, and the average temperature of each phase coil is measured by the thermistor (Patent Document 3).
4. A technique for estimating a coil temperature from voltage and current and temperature characteristics of copper resistance when an electric motor is stopped (Patent Document 4).
特許文献1,2のような電動アクチュエータにおいて、電動モータのコイルに異常が発生するとブレーキ機能が低下する等の恐れがある。この電動モータは車両に対する搭載スペースが非常に限られており、また電動モータのサイズが増加することによる車両のバネ下重量の増加が乗員の乗り心地の悪化を招く問題がある。このため、モータコイルの銅損を下げて発熱量を下げる設計は困難となる場合がある。
In the electric actuators disclosed in
上記の事態を回避するために、モータコイルの温度管理が求められ、そのためにモータコイル温度を精度良く推定する必要がある。例えば、特許文献4に示されるような、銅の抵抗値の温度依存特性を用いてモータコイル温度を推定する手法がある。
しかしながら、上記の場合において、抵抗値はコイルだけでなく接点抵抗やFET等の制御素子を含むため、温度依存性の厳密なモデル化は困難な場合がある。また、例えば、電動ブレーキのように、任意の入力に対しての追従動作が求められるとき、インダクタンス等の過渡応答に影響を受けない静的な条件を確実に設けられる保証が困難な場合がある。
In order to avoid the above situation, it is necessary to control the temperature of the motor coil, and therefore, it is necessary to accurately estimate the motor coil temperature. For example, there is a method of estimating the motor coil temperature using the temperature dependence of the resistance value of copper as disclosed in
However, in the above case, since the resistance value includes not only the coil but also a contact resistance and a control element such as an FET, it may be difficult to precisely model the temperature dependence. Further, for example, when a follow-up operation to an arbitrary input is required as in the case of an electric brake, it may be difficult to guarantee that a static condition that is not affected by transient response such as inductance is reliably provided. .
上記の過渡応答に影響を受けない手法として、例えば、特許文献3に示すような、モータコイルにサーミスタ等の感温素子を配置する対策が一般的に用いられる。
しかしながら、例えば、急激に大きなトルクを発揮する場合などの発熱が熱伝達より比較的早いような場合において、励磁コイル中の放熱し難い部分などが局所的に発熱する温度分布が生じる場合がある。このとき、特許文献3のようなコイル端部、あるいはコイル表層などに感温素子を配設する場合、コイルが熱負荷により異常を生じたり、前記の温度分布を考慮して熱負荷に余裕のある状態でシステムが停止してしまう可能性がある。しかしながら、前記の対策としてコイル全体の温度を観測できるよう感温抵抗を設けることは困難であり、コストや実装スペースの面で問題が発生する可能性がある。
As a method that is not affected by the above transient response, for example, a countermeasure such as that disclosed in
However, for example, when heat generation is relatively quicker than heat transfer, such as when a suddenly large torque is exerted, a temperature distribution may occur in which a portion of the excitation coil that is difficult to dissipate heat locally. At this time, when the temperature sensing element is disposed at the coil end portion or the coil surface layer as in
この発明の目的は、コスト低減を図り実装スペースの問題を解消できると共に、励磁コイルの温度分布を考慮した温度推定を精度良く行うことができる電動モータ装置および電動式直動アクチュエータを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electric motor device and an electric linear actuator which can reduce the cost and solve the problem of the mounting space, and can accurately perform temperature estimation in consideration of the temperature distribution of the exciting coil. is there.
この発明の電動モータ装置Msは、電動モータ4と、この電動モータ4を制御する制御装置2とを備える電動モータ装置において、
前記電動モータ4における励磁コイル4aに、この励磁コイル4aの温度を検出する温度検出素子26が設けられ、
前記制御装置2は、
前記励磁コイル4aに流す電流を求める電流検出手段22と、
前記励磁コイル4aにおける複数の領域に対して、前記電流検出手段22で求められる前記励磁コイル4aの電流と、この励磁コイル4aにおける発熱および放熱特性を含む情報とから、前記励磁コイル4aにおける複数の領域の推定温度をそれぞれ算出するコイル温度推定手段19と、
前記温度検出素子26で検出される前記励磁コイル4aの温度と、前記コイル温度推定手段19で推定された前記複数の領域の推定温度のうち前記温度検出素子26に位置が最も近い領域の推定温度との比較結果に基づいて、前記励磁コイル4aにおける複数の領域の温度分布または局所的な最大温度を推定する温度分布等推定手段20と、を有することを特徴とする。
前記「複数の領域」とは、温度検出素子26が設けられる、定められたティース28aに複数層に巻回された励磁コイル4aにつき、この巻回された励磁コイル4aをモータ中心軸に垂直な平面で切断して視た断面において、例えば、前記ティース28aの外表面に対して相対的に距離が異なる複数層のコイル領域を指す。その他、複数の領域の分け方は、コイル巻線等の各仕様に応じて、設計者が適宜設定するものとする。
An electric motor device Ms of the present invention is an electric motor device including an
A
The
Current detection means 22 for obtaining a current flowing through the
For a plurality of regions in the
The temperature of the
The “plurality of regions” refers to the
この構成によると、電流検出手段22は励磁コイル4aに流す電流を求める。コイル温度推定手段19は、求められる励磁コイル4aの電流と、この励磁コイル4aにおける発熱および放熱特性を含む情報とから、前記励磁コイル4aにおける複数の領域の推定温度を算出する。温度分布等推定手段20は、温度検出素子26で検出される励磁コイル4aの温度と、コイル温度推定手段19で推定された前記複数の領域の推定温度のうち温度検出素子26に位置が最も近い領域の推定温度とを比較する。温度分布等推定手段20は、この比較結果に基づいて、励磁コイル4aにおける複数の領域の温度分布または局所的な最大温度を推定する。
According to this configuration, the current detecting means 22 obtains a current flowing through the
ところで、急激に大きなトルクを発揮する場合などの発熱が熱伝達より比較的早いような場合において、励磁コイル中の放熱し難い部分などが局所的に発熱する温度分布が生じ得る。このような場合においても、温度分布等推定手段20は、コイル全体の温度を観測することなく、前記比較結果に基づいて、励磁コイル4aにおける複数の領域の温度分布および局所的な最大温度を推定することができる。したがって、コイル全体の温度を観測するような技術に対し、この構成は温度検出素子26を少なくとも一つの励磁コイル4aに設ければ足りるため、コスト低減を図り実装スペースの問題を解消することができる。また励磁コイル4aの温度分布を考慮した温度推定を精度良く行うことができる。
By the way, when the heat generation is relatively quicker than the heat transfer, such as when a suddenly large torque is exerted, a temperature distribution may occur in which a portion of the excitation coil that is difficult to dissipate heat locally. Even in such a case, the temperature distribution or the like estimating means 20 estimates the temperature distribution and the local maximum temperature of a plurality of regions in the
前記電動モータ4におけるモータステータ27は、リング状のステータコア部28と、このステータコア部28の周面に複数並んで形成され径方向に突出する各ティース28aに巻回される前記励磁コイル4aとを有し、
前記励磁コイル4aにおける複数の領域は、
前記温度検出素子26が設けられる、定められたティース28aに複数層に巻回された前記励磁コイル4aにつき、前記定められたティース28aを基準として、
前記ティース28aの外表面に最も近い層の近接領域Kaと、
前記ティース28aの外表面から最も離隔した層の離隔領域Raと、
これら近接領域Kaと離隔領域Raとの間の中間領域Taと、を含むものであっても良い。
前記定められたティース28aは、例えば、励磁コイル4aに温度検出素子26を設ける組立工数等を考慮して適宜に定められる。
The
The plurality of regions in the
With respect to the
A proximity region Ka of a layer closest to the outer surface of the
A separation region Ra of a layer most separated from the outer surface of the
An intermediate region Ta between the proximity region Ka and the separation region Ra may be included.
The
この場合、ティース28aの外表面に最も近い層の近接領域Kaにある励磁コイル4aから、ステーコア部28への放熱が主要な放熱となる。また各接触領域同士で温度差に応じた熱伝導が発生する。その他、最も離隔した層の離隔領域Raにある励磁コイル4aから、例えば空気中に放熱する。ティース28aの外表面に対して内外周の関係で温度分布が発生しやすいため、前記複数の領域を、前記のようにティース28aの外表面に対し近接領域Kaと離隔領域Raと中間領域Taとに分けることが好適となる。
In this case, heat radiation from the
前記コイル温度推定手段19は、前記電流検出手段22で求められる前記励磁コイル4aの電流の二乗に比例する値を操作量とし、状態量及び観測量を各領域の励磁コイル4aの推定温度とし、状態遷移行列を各領域の励磁コイル4aの熱容量および熱伝導率とし、前記制御装置2は、前記コイル温度推定手段19および前記温度分布等推定手段20を含む状態推定オブザーバ29を含むものとしても良い。
前記定められたゲインは、例えば、試験やシミュレーション等の結果により定められる。このゲインは、固定の値としても可変の値として良い。
The coil
The determined gain is determined by, for example, a result of a test, a simulation, or the like. This gain may be a fixed value or a variable value.
前記状態推定オブザーバ29は、前記操作量における変化に対して定められた相関をもってフィードバックのゲインが変化する機能を有するものとしても良い。
前記定められた相関は、例えば、試験やシミュレーション等の結果により定められる。
一般にゲインLが大きい方が収束速度に優れるため、例えば、コイル温度が急峻に変化しやすい大電流印加時にゲインLを大きくするような処理を入れても良い。このようにゲインLを変化させることで、励磁コイル4aの推定温度を木目細かく早期に補正することができる。
It said
The determined correlation is determined by, for example, a result of a test, a simulation, or the like.
In general, the larger the gain L, the better the convergence speed. Therefore, for example, a process for increasing the gain L when a large current is applied where the coil temperature tends to change sharply may be inserted. By changing the gain L in this way, the estimated temperature of the
前記制御装置2は、前記温度分布等推定手段20で推定された前記最大温度、および、その微分値のうち少なくとも一つ以上を用いた値に対し、この値が定められた値以上となったとき、前記最大温度が推定された前記励磁コイル4aの相電流を制限する相電流制限手段24を有するものとしても良い。
前記定められた値は、例えば、試験やシミュレーション等の結果により定められる。
The
The determined value is determined based on a result of a test, a simulation, or the like, for example.
この構成によると、相電流制限手段24は、温度分布等推定手段20で推定された前記最大温度、および、その微分値のうち少なくとも一つ以上を用いた値に対し、この値が定められた値以上となったか否かを判定する。定められた値以上となったとの判定で、最大温度が推定された励磁コイル4aの相電流を制限する。したがって、所定の励磁コイル4aに負荷が集中した際にこの励磁コイル4aの相電流を制限することで、励磁コイル4aの熱劣化を確実に防止することができる。
According to this configuration, the phase current limiting
この発明の電動式直動アクチュエータ1は、この発明のいずれかの電動モータ装置Msと、電動モータ装置Msの前記電動モータ4の回転運動を直進運動に変換する直動機構6とを備え、前記制御装置2が、前記電動モータを制御する。制御装置2が、直動機構6の軸力を例えば一定に保持するように制御するとき、モータ相電流は常に一定に印加され続ける。このため各励磁コイル4aの損失がばらつき、各励磁コイル4aは互いに温度差が生じる。このように各励磁コイル4aに温度差が生じる場合であっても、全ての励磁コイル4aの温度検出精度を向上していることで、励磁コイル4aの熱劣化を確実に防止する対策を講じることができる。
The electric
この発明の電動モータ装置は、電動モータと、この電動モータを制御する制御装置とを備える電動モータ装置において、前記電動モータにおける励磁コイルに、この励磁コイルの温度を検出する温度検出素子が設けられ、前記制御装置は、前記励磁コイルに流す電流を求める電流検出手段と、前記励磁コイルにおける複数の領域に対して、前記電流検出手段で求められる前記励磁コイルの電流と、この励磁コイルにおける発熱および放熱特性を含む情報とから、前記励磁コイルにおける複数の領域の推定温度をそれぞれ算出するコイル温度推定手段と、前記温度検出素子で検出される前記励磁コイルの温度と、前記コイル温度推定手段で推定された前記複数の領域の推定温度のうち前記温度検出素子に位置が最も近い領域の推定温度との比較結果に基づいて、前記励磁コイルにおける複数の領域の温度分布または局所的な最大温度を推定する温度分布等推定手段と、を有する。このため、コスト低減を図り実装スペースの問題を解消できると共に、励磁コイルの温度分布を考慮した温度推定を精度良く行うことができる。 An electric motor device according to the present invention is an electric motor device including an electric motor and a control device that controls the electric motor, wherein an exciting coil of the electric motor is provided with a temperature detecting element that detects a temperature of the exciting coil. The control device includes: a current detection unit that obtains a current flowing through the excitation coil; a plurality of regions in the excitation coil; a current of the excitation coil obtained by the current detection unit; Coil temperature estimating means for calculating estimated temperatures of a plurality of regions in the exciting coil from information including heat radiation characteristics, the temperature of the exciting coil detected by the temperature detecting element, and the coil temperature estimating means Comparison between the estimated temperature of the plurality of regions and the estimated temperature of the region closest to the temperature detecting element Based on the results, having a temperature distribution such as estimating means for estimating the temperature distribution or local maximum temperatures of a plurality of regions in the exciting coil. Therefore, it is possible to reduce the cost and solve the problem of the mounting space, and it is possible to accurately perform the temperature estimation in consideration of the temperature distribution of the exciting coil.
この発明の実施形態に係る電動モータ装置を含む電動モータシステムを図1ないし図6と共に説明する。この実施形態では、電動モータ装置を、車両用の電動式直動アクチュエータに適用した例を示すが、この例に限定されるものではない。
図1に示すように、この電動モータシステムは、車両の車輪毎に設けられる複数の電動式直動アクチュエータ1と、電源装置3と、上位ECU17とを有する。各電動式直動アクチュエータ1は、電動モータ装置Msと、減速機構5と、直動機構6とを備えている。電動モータ装置Msは、電動モータ4と、制御装置2とを有する。この実施形態では、電動モータ4と、減速機構5と、直動機構6とを備えた電動ブレーキアクチュエータDaが構成される。先ず、電動ブレーキアクチュエータDaについて説明する。
An electric motor system including an electric motor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, an example is shown in which the electric motor device is applied to an electric linear motion actuator for a vehicle, but the present invention is not limited to this example.
As shown in FIG. 1, this electric motor system includes a plurality of electric
図2に示すように、電動ブレーキアクチュエータDaは、電動モータ4と、この電動モータ4の回転を減速する減速機構5と、直動機構6と、駐車ブレーキであるパーキングブレーキ機構7と、ブレーキロータ8と、摩擦部材9とを有する。電動モータ4、減速機構5、および直動機構6は、例えば、図示外のハウジング等に組み込まれる。電動モータ4は3相の同期モータ等からなる。
As shown in FIG. 2, the electric brake actuator Da includes an
減速機構5は、電動モータ4の回転を、回転軸10に固定された3次歯車11に減速して伝える機構であり、1次歯車12、中間歯車13、および3次歯車11を含む。この例では、減速機構5は、電動モータ4のロータ軸4aに取り付けられた1次歯車12の回転を、中間歯車13により減速して、回転軸10の端部に固定された3次歯車11に伝達可能としている。
The
摩擦部材操作手段である直動機構6は、減速機構5で出力される回転運動を送りねじ機構により直動部14の直線運動に変換して、ブレーキロータ8に対して摩擦部材9を当接離隔させる機構である。直動部14は、回り止めされ且つ矢符A1にて表記する軸方向に移動自在に支持されている。直動部14のアウトボード側端に摩擦部材9が設けられる。電動モータ4の回転を減速機構5を介して直動機構6に伝達することで、回転運動が直線運動に変換され、それが摩擦部材9の押圧力に変換されることにより、直動機構6の軸力であるブレーキ力を発生させる。なおこの電動ブレーキアクチュエータDaを車両に搭載した状態で、車両の外側をアウトボード側といい、車両の中央側をインボード側という。
The
パーキングブレーキ機構7のアクチュエータ16として、例えば、リニアソレノイドが適用される。アクチュエータ16によりロック部材(ソレノイドピン)15を進出させて中間歯車13に形成された係止孔(図示せず)に嵌まり込ませることで係止し、中間歯車13の回転を禁止することで、パーキングロック状態にする。ロック部材15を前記係止孔から離脱させることで中間歯車13の回転を許容し、アンロック状態にする。
As the
図1に示すように、各電動モータ装置Msの制御装置2に、電源装置3と、各制御装置2の上位制御手段である上位ECU17とが接続されている。なお図1では、一つの電動式直動アクチュエータ1のみ示し、その他の電動式直動アクチュエータについては図示を省略している。上位ECU17として、例えば、車両全般を制御する電気制御ユニットが適用される。また上位ECU17は、各電動モータ装置Msの統合制御機能を有する。上位ECU17から例えばモータ角速度、モータ角度、トルク、およびその他所定負荷、等の目標値指令が、制御装置2の制御演算器18に入力される。
As shown in FIG. 1, the
電源装置3は、各電動モータ装置Msにおける電動モータ4および制御装置2にそれぞれ電力を供給する。
制御装置2は、制御演算器18、コイル温度推定手段であるコイル温度推定器19、温度分布等推定手段である推定誤差補正器20、モータドライバ21、および、電流検出手段である電流センサ22等を有する。制御演算器18、コイル温度推定器19、推定誤差補正器20は、例えば、マイクロコンピュータ等のプロセッサ、またはASIC,FPGA,DSP等のハードウェアモジュールで実装しても良い。
The
The
制御演算器18は、制御演算機能部23と、相電流制限手段24とを有する。制御演算機能部23は、各種センサの値から、上位ECU17からの制御目標を達成するよう、モータドライバ21の制御信号を生成する。このとき、相電流制限手段24は、コイル温度推定器19の推定結果を参照し、この推定結果に応じて励磁コイル4aを発熱から保護する処理を実行する(後述する)。
The
モータドライバ21は、電源装置3の直流電力を電動モータ4の駆動に用いる三相の交流電力に変換する。このモータドライバ21は、例えば、MOSFETのようなスイッチ素子を用いたハーフブリッジ回路等を構成しても良い。またモータドライバ21は、前記スイッチ素子を瞬時に駆動するようなプリドライバを含んでも良い。
The
電流センサ22は、三相の励磁コイル4aに流す電流をそれぞれ求める電流検出手段である。電流センサ22は、前記各種センサの一つであって、例えば、送電経路の周囲に発生する磁界を検出する電流センサを用いても良く、シャント抵抗と作動アンプを用いて電圧降下量を検出する電流センサを用いても良い。前記磁界を検出する電流センサを用いた場合、高効率・高精度で、前記電圧降下量を検出する電流センサを用いた場合、低コストで実装できる。また、三相電流を測定するうえで、例えば、三相のうちいずれか二相のみ電流を計測し、残り一相は三相電流の総和は零となる特性を用いて求めても良い。
The
電動モータ4は、励磁コイル4a、ロータ角度センサ25、温度センサ26、永久磁石を有するロータ(図示せず)を備えたブラシレスDCモータが、高速、小型、および高精度を両立する電動サーボシステムには好適である。但し、電動モータ4として、機能的にはブラシ付DCモータやステッピングモータを用いることもできる。励磁コイル4aは、一つのティースに集中して巻く集中巻でも良く、複数のティースにまたがる分布巻でも良い。両者を比較すると、集中巻は小型化が可能で、分布巻は高効率、高出力とすることが可能である。
The
図3は、この電動モータ4のモータステータ27の断面図である。このモータステータ27は、例えば、軟質磁性材料からなるステータコア部28と、励磁コイル4aとを有する。ステータコア部28は、外周面が断面円形とされたリング状で、その内周面に内径側に突出する複数のティース28aが円周方向に並んで形成されている。励磁コイル4aは、ステータコア部28の各ティース28aに巻回される。
FIG. 3 is a sectional view of the
図4は、図3のA部を拡大して示す部分拡大図である。図3および図4(a)に示すように、温度検出素子である温度センサ26は、励磁コイル4aの温度を検出する。電動モータ4における三相の励磁コイル4aのうちいずれか一つの励磁コイル4aに、この励磁コイル4aの温度を検出する温度センサ26を設けている。温度センサ26としては、感温抵抗を用いたサーミスタ、および分圧回路を用いるとシンプルかつ低コストで好適である。
FIG. 4 is a partially enlarged view showing a portion A in FIG. 3 in an enlarged manner. As shown in FIGS. 3 and 4A, the
また、この例では、円周方向に互いに隣り合うティース28a,28a間における、円周方向に互いに隣り合う励磁コイル4a,4aの間の隙間δに、温度センサ26を配置している。この温度センサ26は、いずれか一方の励磁コイル4aにおける複数の領域(後述する)のうち、ティース28aの外表面から最も離隔した層の離隔領域Raの外周面に接するように配置されている。なお互いに隣り合う励磁コイル4a,4aは、温度センサ26と共にモールド材(図示せず)で覆われていても良い。
In this example, the
図1に示すように、ロータ角度センサ25として、例えば、レゾルバや磁気エンコーダ等のようなセンサを電動モータ4に搭載しても良く、回転中のコイル電圧を用いてロータ角度をいわゆるセンサレスで推定しても良い。磁気エンコーダ等のセンサを用いる場合、低速〜停止状態まで高精度にロータ角度を検出することが可能であり、ロータ角度をセンサレスで推定する場合、省スペース化を図るうえで有利となる。
As shown in FIG. 1, for example, a sensor such as a resolver or a magnetic encoder may be mounted on the
この実施形態では、特に、制御装置2に、コイル温度推定器19と、推定誤差補正器20とを設けている。また制御演算器18に相電流制限手段24を設けている。コイル温度推定器19は、励磁コイル4aを複数の領域に分割し、それぞれの領域に対して温度推定を行う。図4(a)は、励磁コイル4aを複数の領域Ra,Ka,Taに分割した一例を示す。後述の理由から、ステータコア部28のティース28aに対して内外周の関係で温度分布が発生しやすいため、本図4(a)のような領域分けが好適と考えられる。
In this embodiment, in particular, the
前記複数の領域は、近接領域Kaと離隔領域Raと中間領域Taとを含む。
近接領域Kaは、温度センサ26が設けられる複数層に巻回された励磁コイル4aにつき、この励磁コイル4aが巻回されるティース28aを基準として、このティース28aの外表面に最も近い層から成る環状領域である。離隔領域Raは、前記ティース28aから最も離隔した層から成る環状領域である。中間領域Taは、これら近接領域Kaと離隔領域Raとの間の層から成る環状領域である。
The plurality of regions include a proximity region Ka, a separation region Ra, and an intermediate region Ta.
The proximity region Ka is formed of a layer closest to the outer surface of the
図4(b)は、励磁コイル4aが発熱した際の放熱経路の一例を示す。この例では、ティース28aの外表面に最も近い近接領域Kaのコイル4aaからステータコア28への放熱が主要な放熱となり、各接触領域同士で温度差に応じた熱伝導が発生し、最外周に位置する離隔領域Raから空気中に放熱する。なお、その他の例として、例えば、励磁コイル4aを図示外のモールド材でモールドするような場合は、前記モールド材との接触部が放熱要素となる。その他、複数の領域の分け方は、コイル巻線等の各仕様に応じて、設計者が適宜設定するものとする。
FIG. 4B shows an example of a heat radiation path when the
図5は、この電動式直動アクチュエータで所定のモータトルクを発揮した際の各領域の温度上昇の概念図である。所定のモータトルクを発揮している任意の時間において、前述の放熱および熱伝導により、励磁コイル4a(図4)の中間領域Taは近接領域Kaよりも温度が高く、且つ、離隔領域Raは中間領域Taよりも温度が高くなる。
FIG. 5 is a conceptual diagram of a temperature rise in each region when a predetermined motor torque is exerted by the electric linear actuator. At an arbitrary time during which a predetermined motor torque is exerted, the intermediate region Ta of the
図1に示すように、コイル温度推定器19は、励磁コイル4aにおける前記複数の領域に対して、電流センサ26で求められる励磁コイル4aの電流と、この励磁コイル4aにおける発熱および放熱特性を含む情報とから、励磁コイル4aにおける前記複数の領域の推定温度をそれぞれ算出する。このコイル温度推定器19は複数の部分領域推定器19aを備え、これら部分領域推定器19aが前記複数の領域の推定温度をそれぞれ算出する。
As shown in FIG. 1, the
ここで図6は、この電動式直動アクチュエータのコイル温度推定器19および推定誤差補正器20の一構成例を示す図である。図1および図6に示すように、制御装置2は、コイル温度推定器19および推定誤差補正器20を含む線形の状態推定オブザーバ29を含む。
コイル温度推定器19は、例えば、一般的な伝熱特性式として、次の発熱および放熱特性に基づいて与えられる。
[温度変化量]=[熱量]÷[熱容量]
=([周辺部との温度差]×[伝熱係数]+[発熱])÷[熱容量]
Here, FIG. 6 is a diagram showing one configuration example of the
The
[Temperature change amount] = [Heat amount] / [Heat capacity]
= ([Temperature difference from peripheral part] x [Heat transfer coefficient] + [Heat generation]) ÷ [Heat capacity]
上記式において、熱容量は主に物質の比熱および体積からなる。伝熱係数は、物質の熱伝導率、接触部の熱伝達率、伝熱面積、および伝熱距離等からなる。発熱は主にコイル銅損からなる。放熱は、例えば、ステータコア部やインシュレータ(図示せず)等との温度差や接触部の熱伝達率からなる。 In the above formula, the heat capacity mainly consists of the specific heat and the volume of the substance. The heat transfer coefficient includes the heat conductivity of the substance, the heat transfer coefficient of the contact portion, the heat transfer area, the heat transfer distance, and the like. Heat generation mainly consists of coil copper loss. The heat radiation includes, for example, a temperature difference between the stator core and an insulator (not shown) and a heat transfer coefficient of a contact portion.
以上により、コイル温度推定器19において、状態量を各領域Ra,Ka,Taの励磁コイル4aの推定温度とし、入力である操作量を電流の二乗に比例する各領域Ra,Ka,Taの発熱量とし、状態遷移行列を各領域Ra,Ka,Taの励磁コイル4aの熱容量および伝熱係数としている。前記電流は電流センサ22から与えられる。前記伝熱係数は、離隔領域Raと中間領域Taとの間の伝熱係数と、中間領域Taと近接領域Kaとの間の伝熱係数とを含む。
As described above, in the
ところで温度センサ26を設けた領域Raのコイル温度は、同温度センサ26で直接検出しているため、コイル温度推定器19により推定する必要はない。しかしながら、感温抵抗と分割回路からなる簡潔な測定系を構築する場合など、ノイズの影響を受けやすい場合がある。このような場合には、本実施形態のコイル温度推定器19がフィルタの役割を果たすため、他の領域Ta,Kaと同様にコイル温度推定器19による推定を行うことが好ましい。
Meanwhile coil temperature of a region Ra in which a
状態推定オブザーバ29のオブザーバゲインLについて、固定の値としても良く、前記操作量(各領域の発熱量)における変化に対して定められた相関をもって変化する可変の値としても良い。一般にゲインが大きい方が収束速度に優れるため、例えば、コイル温度が急峻に変化しやすい大電流印加時にゲインLを大きくするような処理を入れても良い。このようにゲインLを変化させることで、励磁コイル4aの推定温度を木目細かく早期に補正し得る。
The observer gain L of the
推定誤差補正器20は、温度センサ26で検出される励磁コイル4aの温度と、コイル温度推定器19で推定された各領域Ra,Ka,Taの推定温度のうち温度センサ26に最も近い領域(この例では離隔領域Ra)の推定温度との比較結果に基づいて、コイル温度推定器19で推定された各領域Ra,Ka,Taの推定温度を補正する。推定誤差補正器20は、例えば、差分状態方程式における次ステップ状態量の補正関数や、連続近似状態方程式における状態量微分値の補正関数として実装し得る。
The
以上により、コイル温度推定器19および推定誤差補正器20を構成することで、励磁コイル4aにおける各領域Ra,Ka,Taのコイル温度を推定することが可能となる。推定された各領域Ra,Ka,Taのコイル温度から、励磁コイル4aにおける複数の領域Ra,Ka,Taの温度分布および局所的な最大温度を得ることができる。なお、図6における加減演算部の符号は、実装時の数式展開に合わせて設定されるものとする。
As described above, by configuring the
相電流制限手段24は、図1に示すように、判定部24aと、制限部24bとを有する。判定部24aは、推定誤差補正器20で補正された各領域Ra,Ka,Taの推定温度の最大温度、および、その微分値のうち少なくとも一つ以上を用いた値に対し、この値が定められた値以上となったか否かを判定する。制限部24bは、判定部24aで定められた値以上となったと判定されると、推定温度の最大温度が推定される励磁コイル4aの相電流を制限する。
As shown in FIG. 1, the phase current limiting
この場合において、制限部24bは、例えば、推定された相電流の数%〜数十%を低減するように制限しても良いし、モータ回転速度およびコイル推定温度のいずれか一方または両方に応じて、定められた相電流に制限しても良い。前記定められた相電流は、例えば、試験やシミュレーション等の結果により定められる。したがって、所定の励磁コイル4aに負荷が集中した際にこの励磁コイル4aの相電流を制限することで、励磁コイル4aの熱劣化を確実に防止することができる。
In this case, for example, the limiting
以上説明した電動モータシステムによると、急激に大きなトルクを発揮する場合などの発熱が熱伝達より比較的早いような場合において、励磁コイル中の放熱し難い部分などが局所的に発熱する温度分布が生じ得る。このような場合においても、推定誤差補正器20は、コイル全体の温度を観測することなく、検出される励磁コイル4aの温度と、コイル温度推定器19で推定された各領域Ra,Ka,Taの推定温度のうち温度センサ26に最も近い領域Raの推定温度との比較結果に基づいて、励磁コイル4aにおける複数の領域Ra,Ka,Taの温度分布および局所的な最大温度を推定することができる。
According to the electric motor system described above, when the heat generation such as when suddenly exerting a large torque is relatively faster than the heat transfer, the temperature distribution at which the heat-dissipating portion in the exciting coil locally generates heat is generated. Can occur. Even in such a case, the
したがって、コイル全体の温度を観測するような技術に対し、この構成は温度センサ26を少なくとも一つの励磁コイル4aに設ければ足りるため、コスト低減を図り実装スペースの問題を解消することができる。また励磁コイル4aの温度分布を考慮した温度推定を精度良く行うことができる。したがって、特に大きな電流が集中して流れた際の温度検出精度を向上させることができる。
前記温度検出精度の向上により、励磁コイル4aの熱に起因する異常を確実に防止することができる。これにより設計の自由度を高めることが可能となる。
Therefore, in contrast to the technique of observing the temperature of the entire coil, this configuration suffices to provide the
By improving the temperature detection accuracy, it is possible to reliably prevent an abnormality caused by the heat of the
温度センサ26を、励磁コイル4aにおける近接領域Kaの内周面に配置しても良い。この場合において、例えば、ティース28aの外周面に凹み部を設け、この凹み部に温度センサ26を設けても良い。
前記状態推定オブザーバ29に代えて、例えば、VSSオブザーバに代表される非線形オブザーバを用いても良い。このような非線形オブザーバを用いることで、誤差要因の除去精度が高まる。
The
Instead of the
本実施の電動モータ装置Msを電動プレスに適用しても良い。この電動プレスの押圧力を一定値に保持する場合、モータ電流は一定に印加され続けるため、励磁コイル4aの各領域に温度差が生じるが、制御装置2に、少なくともコイル温度推定器19と推定誤差補正器20とを設けることで、励磁コイル4aの各領域のコイル温度を精度良く求めることが可能となる。
The electric motor device Ms of the present embodiment may be applied to an electric press. When the pressing force of the electric press is maintained at a constant value, the motor current continues to be applied at a constant value, so that a temperature difference occurs in each region of the
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been described based on the embodiments, the embodiments disclosed herein are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1…電動式直動アクチュエータ
2…制御装置
4…電動モータ
6…直動機構
4a…励磁コイル
19…コイル温度推定器(コイル温度推定手段)
20…推定誤差補正器(温度分布等推定手段)
22…電流センサ(電流検出手段)
24…相電流制限手段
26…温度センサ(温度検出素子)
27…モータステータ
28…ステータコア部
28a…ティース
Ms…電動モータ装置
DESCRIPTION OF
20: Estimation error corrector (temperature distribution and other estimation means)
22 ... Current sensor (current detection means)
24 phase current limiting means 26 temperature sensor (temperature detecting element)
27
Claims (6)
前記電動モータにおける励磁コイルに、この励磁コイルの温度を検出する温度検出素子が設けられ、
前記制御装置は、
前記励磁コイルに流す電流を求める電流検出手段と、
前記励磁コイルにおける複数の領域に対して、前記電流検出手段で求められる前記励磁コイルの電流と、この励磁コイルにおける発熱および放熱特性を含む情報とから、前記励磁コイルにおける複数の領域の推定温度をそれぞれ算出するコイル温度推定手段と、
前記温度検出素子で検出される前記励磁コイルの温度と、前記コイル温度推定手段で推定された前記複数の領域の推定温度のうち前記温度検出素子に位置が最も近い領域の推定温度との比較結果に基づいて、前記励磁コイルにおける複数の領域の温度分布または局所的な最大温度を推定する温度分布等推定手段と、を有することを特徴とする電動モータ装置。 In an electric motor device including an electric motor and a control device that controls the electric motor,
A temperature detecting element for detecting a temperature of the exciting coil is provided on the exciting coil in the electric motor,
The control device includes:
Current detection means for obtaining a current flowing through the exciting coil;
For a plurality of regions in the excitation coil, the estimated temperatures of the plurality of regions in the excitation coil are calculated from the current of the excitation coil obtained by the current detection unit and information including heat generation and heat radiation characteristics in the excitation coil. Coil temperature estimating means for calculating each,
A comparison result between the temperature of the exciting coil detected by the temperature detecting element and an estimated temperature of an area closest to the temperature detecting element among the estimated temperatures of the plurality of areas estimated by the coil temperature estimating means. And a temperature distribution or the like estimating means for estimating a temperature distribution or a local maximum temperature of a plurality of regions in the excitation coil based on the electric motor.
前記励磁コイルにおける複数の領域は、
前記温度検出素子が設けられる、定められたティースに複数層に巻回された前記励磁コイルにつき、前記定められたティースを基準として、
前記ティースの外表面に最も近い層の近接領域と、
前記ティースの外表面から最も離隔した層の離隔領域と、
これら近接領域と離隔領域との間の中間領域と、を含む電動モータ装置。 2. The electric motor device according to claim 1, wherein the motor stator of the electric motor is wound around a ring-shaped stator core portion and a plurality of teeth that are formed side by side on the peripheral surface of the stator core portion and project radially. Having the exciting coil,
A plurality of regions in the excitation coil,
The temperature detecting element is provided, with respect to the excitation coil wound in a plurality of layers on a predetermined tooth, based on the predetermined tooth,
A proximity region of the layer closest to the outer surface of the teeth,
A separation region of the layer most separated from the outer surface of the teeth,
An electric motor device including an intermediate region between the proximity region and the separation region.
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