JP6769268B2 - 磁石温度推定システム、及び、モータ - Google Patents

Description

本発明は、磁石温度推定システム、及び、モータに関する。

同期電動機の一つとして、回転子に永久磁石を備える永久磁石型のモータが知られている。このような永久磁石型のモータにおいては、固定子に設けられた固定子コイルは電力が印加されると回転磁界が発生し、回転磁界が永久磁石に作用することにより、回転子が固定子内にて回転する。

一般に、モータの回転速度が速くなるほど、回転子に設けられた永久磁石の温度が上昇する。また、永久磁石は、ある上限温度を超えると不可逆に消磁してしまい磁力を失ってしまうことが知られている。そのため、永久磁石の温度を測定し、永久磁石が上限温度に達しないようにモータの回転速度を制限する必要がある。

しかしながら、永久磁石の温度を測定するために温度センサを用いると、温度センサを回転子に組み込む必要があるため、モータの小型化が困難になる。そこで、温度センサを用いずに永久磁石の温度を推定する方法が検討されている。例えば、特許文献１には、モータに印加される電流と、固定子にて発生する誘起電圧とを用いて、永久磁石の温度を推定する方法が開示されている。

特開２００７−６６１３号公報

特許文献１に開示された方法では、モータの回転速度が遅い場合には、誘起電圧が小さくなるため、永久磁石の温度の推定精度が悪くなるという課題がある。そこで、モータの回転子が備える永久磁石の温度の推定精度を向上させる必要があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータの回転子が備える永久磁石の温度の推定精度を向上させることができる、磁石温度推定システム、及び、モータを提供することである。

本発明の磁石温度推定システムは、永久磁石を有する回転子を備えるモータと、モータの回転駆動に用いる基本波よりも高い周波数の高調波の電流を重畳し、モータについての高調波成分のインピーダンスにより永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置とを有する。回転子は、永久磁石と接触して設けられる導体であって、モータの固定子コイルの磁束と鎖交するとともに、永久磁石の径方向の外側の面よりも内径側に配置される導体を有する。

本発明によれば、磁石温度推定装置による永久磁石の温度の推定精度を向上させることができる。

図１は、第１実施形態の磁石温度推定システムの概略構成図である。 図２は、モータの断面図である。 図３Ａは、磁石部の概略構成図である。 図３Ｂは、永久磁石及び導体薄膜の概略構成図である。 図４は、磁石温度推定装置のシステム構成図である。 図５Ａは、第２実施形態のモータの一部断面図である。 図５Ｂは、磁石部の概略構成図である。 図６は、第３実施形態のモータの一部断面図である。 図７は、第４実施形態のモータの一部断面図である。 図８は、モータの変形例の一部断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁石温度推定システムについて説明する。

図１は、第１実施形態による磁石温度推定システムの概略構成図である。

磁石温度推定システム１００は、モータ１と、磁石温度推定装置２とにより構成される。

モータ１は、３相で動作する永久磁石型の回転同期機（ＰＭＳＭ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）である。モータ１は、中空円柱状の固定子１１と、固定子１１の中空部に回転可能に設けられた回転子１２とにより構成されている。

固定子１１は、固定子コイルを備えており、所定の駆動周波数の交流電力が固定子コイルに供給されると所定のタイミングで回転磁界を発生する。

回転子１２は、永久磁石を備えている。固定子１１の固定子コイルにより発生する回転磁界が永久磁石に作用することにより、固定子コイルと永久磁石とが誘引または反発することで回転駆動力が発生して、回転子１２が固定子１１内で回転する。

磁石温度推定装置２は、モータ１に駆動周波数の交流電力を供給することでモータ１を回転駆動させるとともに、駆動電力に高調波周波数の成分を重畳させることにより後述の方法にてモータ１の回転子１２が備える永久磁石の温度を推定する。

次に、図２を参照して、モータ１の詳細な構成について説明する。

図２は、モータ１の軸方向の断面図である。

モータ１の固定子１１には、固定子１１の軸方向に貫通するスロット２１が、固定子１１の周方向に等間隔に複数形成されている。このように固定子１１にスロット２１を複数形成することにより、隣接するスロット２１の間にティース２２が構成される。そして、ティース２２を巻回するように、固定子コイル２３が設けられている。

回転子１２においては、軸方向に延在する空隙２４が形成されており、空隙２４に永久磁石を備える磁石部２５が挿入されている。磁石部２５は、隣接する２つが軸芯方向に開くように対をなして対向するとともに、対をなした磁石部２５が周方向に等間隔に設けられる。対向する磁石部２５は、それらの永久磁石の対向面が同じ極性となるように配置される。また、対向する磁石部２５と、その隣にて対向する磁石部２５とは、それらの永久磁石の対向面の極性が異なるように配置される。

具体的には、磁石部２５Ａと磁石部２５Ｂとが対向するとともに、それらの磁石部の隣にて磁石部２５Ｃと磁石部２５Ｄとが対向するように設けられている場合には、磁石部２５Ａと磁石部２５Ｂとの永久磁石の対向面がＮ極であれば、磁石部２５Ｃと磁石部２５Ｄとの永久磁石の対向面がＳ極となる。

固定子コイル２３は、磁石温度推定装置２から交流電力が印加されると回転磁界を発生させる。固定子コイル２３による回転磁界の方向は印加される交流電力の位相に応じて変化するため、固定子コイル２３と、回転子１２の磁石部２５の永久磁石とが誘引と反発とを交互に繰り返すことで回転駆動力が発生し、固定子１１内で回転子１２が回転する。

次に、図３Ａ、３Ｂを参照して、磁石部２５の詳細な構成について説明する。

図３Ａは、磁石部２５の詳細な構成の概略構成図である。図３における上下方向は、回転子１２の軸方向、すなわち、図２における紙面に垂直な方向を示している。また、図３Ａにおける手前方向は、図２における軸芯に向かう方向を示している。

磁石部２５は、回転子１２の軸方向に積層された複数の磁石部材３１Ａにより構成された永久磁石３１を備えている。例えば、高効率の運転が求められる電動自動車などのモータ１には、このような複数の磁石部材３１Ａにより構成される永久磁石３１が用いられることが多い。

また、印加される交流電流に応じて固定子コイル２３が回転磁界を発生させると、回転子１２の永久磁石３１の表面において渦電流が発生するためジュール損失が発生してしまう。そこで、永久磁石３１を複数の磁石部材３１Ａにより構成することにより、永久磁石３１を１つの永久磁石により構成する場合と比較すると、１つの部材あたりの表面積を小さくできる。このようにすることで、渦電流の経路が短くなり、渦電流によるジュール損失を低減することができる。

また、永久磁石３１の表面、すなわち、永久磁石３１を形成する面のうち、永久磁石３１の磁束と鎖交する面を覆うように導体薄膜３２が設けられている。このように設けられる導体薄膜３２においては、永久磁石３１と同様に渦電流が発生することになる。なお、永久磁石３１の表面のうち永久磁石３１の磁束と鎖交する面は２つある。導体薄膜３２は、それらの２つの面のうちの軸芯側の面に設けられている。

導体薄膜３２は、永久磁石３１よりも導電性が高い導体により構成される。導電性が高い材料とは、例えば、アルミや、アルミよりも質量が重くかつ導電率が高い銅などである。このような導体により構成される導体薄膜３２は、温度が上昇すると抵抗値が大きくなる特性を有している。

また、固定子コイル２３に高調波の交流電力が印加されると、永久磁石３１において、固定子コイル２３にて発生する磁束方向と直交する面に、渦電流が発生する。この永久磁石３１の渦電流に起因するインピーダンスは温度に対して相関があることが知られている。しかしながら、永久磁石３１が分割されることにより、渦電流が流れる電流量が小さくなっているので、その温度感度は比較的小さくなっている。ここで、導体薄膜３２においても渦電流が発生し、その渦電流の大きさは導体薄膜３２が分割されていないため比較的大きい。そのため、導体薄膜３２を設けることにより、全体として渦電流の量が多くなるので、インピーダンス感度を高めることができる。

本実施形態においては、鎖交する磁束により渦電流を発生させるために、導体薄膜３２は、スロット２１の磁束方向に対して垂直な面、すなわち、永久磁石３１の着磁方向と垂直な面に設置されている。

このような着磁方向と垂直な面は、永久磁石３１が直方体形状の場合は２面存在するが、それらの２面のうちの軸芯側の面に設けられている。固定子１１と回転子１２の間の空隙であるエアギャップ付近は、スロット２１に起因する高調波磁束が通ってしまうので、高調波磁束が回転子１２の備える導体薄膜３２を交番すると、温度推定には不要な渦電流が誘起されてしまう。そこで、本実施形態では、エアギャップとの対向面ではなく、軸芯側の面に導体薄膜３２を設置することで、スロット２１に起因する高調波磁束の影響を防ぎつつ、インピーダンス感度の向上を図っている。

図３Ｂには、永久磁石３１と導体薄膜３２との大きさの関係を示す概略構成図である。図３Ｂの上部には永久磁石３１の大きさが、図３Ｂの下部には導体薄膜３２の大きさが示されている。

ここで、永久磁石３１に鎖交する磁束が適切に導体薄膜３２を通過するように、導体薄膜３２の表面積は、永久磁石３１の軸芯方向と垂直な面の表面積よりも大きくするのが好ましい。

ここで、導体薄膜３２の大きさを説明するために、永久磁石３１については、全体の軸方向の磁石高さがｈａ_m、磁石幅がｗ_m、軸芯方向の磁石厚さがｔ_mであるものとする。また、磁石部材３１Ａについては、高さがｈ_mであるものとする。導体薄膜３２については、軸方向の導体高さがｈ_c、導体幅がｗ_c、導体厚さがｔ_cであるものとする。

このような場合には、磁石幅ｗ_mは導体幅ｗ_c以下となり（ｗ_m≦ｗ_c）、磁石部材３１Ａの１つあたりの磁石高さｈ_mが導体高さｈ_cよりも小さくなる（ｈ_m≦ｈ_c）ように、磁石部材Ａ３１及び導体薄膜３２を構成する。また、高さについては、導体高さｈ_cが永久磁石３１全体の高さｈａ_m以上となることが望ましい（ｈａ_m≦ｈ_c）。したがって、軸芯方向、すなわち、磁束方向と鎖交する面の表面積において、導体薄膜３２は、磁石部材３１Ａよりも大きくなるように構成される。

厚みについては、過剰な厚さは渦電流損増加の要因となるので、導体薄膜３２は薄く構成するのが好ましい。そのため、導体厚さｔ_cは磁石厚さｔ_m以下となるように構成するのが望ましい（ｔ_m≧ｔ_c）。

次に、図４を用いて、磁石温度推定装置２について説明する。

図４は、磁石温度推定装置２のシステム構成図である。なお、各構成の入出力の線に付された２本斜線および３本斜線は、それぞれ、各構成にて入出力される値が２次元、３次元のベクトルであることを示している。

図４に示すように、磁石温度推定装置２は、電力供給部４１と、重畳部４２と、磁石温度推定部４３とを有する。

電力供給部４１は、不図示のモータコントローラなどから入力される基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*に応じて、駆動周波数（基本波）の交流電力である３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをモータ１に出力することにより、モータ１を回転駆動させる。

重畳部４２には、磁石部２５の温度を推定するために、基本波の駆動周波数よりも周波数が高い高調波である測定周波数の高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力される。そして、重畳部４２は、入力に応じた高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を電力供給部４１に出力することで、電力供給部４１がモータ１に供給する交流電力に高調波成分の電力を重畳する。

磁石温度推定部４３は、入力される高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*、及び、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を用いて、測定周波数でのモータ１のインピーダンスを求め、求めたインピーダンスを用いて磁石部２５の磁石温度Ｔｍを推定する。このように推定された磁石温度Ｔｍが永久磁石３１の不可逆消磁温度に達する前に、電力供給部４１に入力される基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*を制限してモータ１の回転速度を制限することにより、永久磁石３１が不可逆消磁してしまうことを防ぐことができる。

なお、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*の周波数は、モータ１を回転させる回転速度に応じて変化する。また、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*は、回転座標軸（ｄｑ軸）を用いて表されている。

高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*は、上述のように、永久磁石３１の温度の推定に用いる高調波の電力をモータ１に供給するための指令値である。高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*の周波数は、モータ１の回転中には変更されず一定であるものとする。また、本実施形態では、高調波成分の指令値によってモータ１に回転トルクを発生させないように、ｑ軸成分の高調波電流指令値ｉｑｓｃ^*をゼロとし、ｄ軸成分の高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*だけが変更されて磁石温度推定装置２に入力されるものとする。また、高調波電流指令値の振幅は、モータ１への影響を小さくするために、基本波電流指令値の振幅よりも小さいものとする。

次に、電力供給部４１、重畳部４２、及び、磁石温度推定部４３の詳細な構成について説明する。

電力供給部４１は、減算器４１１、電流制御部４１２、加算器４１３、座標変換部４１４、電力変換部４１５、電流検出部４１６、座標変換部４１７、及び、バンドストップフィルター４１８を備える。

また、電力供給部４１においては、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*が減算器４１１に入力されるとともに、重畳部４２の共振制御部４２２から高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*が加算器４１３に入力される。そして、電力変換部４１５は、これらの入力に応じて、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをモータ１に出力する。

減算器４１１は、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*から、それぞれ基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆを減算し、これらの減算結果を電流制御部４１２に出力する。なお、基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆは、モータ１に印加される電流の検出値の基本波成分である。

電流制御部４１２は、減算器４１１の減算結果がそれぞれゼロに近づくように、すなわち、基本波電流指令値ｉｄｓｆ^*、ｉｑｓｆ^*と、基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆとの偏差がなくなるように比例積分制御を行い、第１電圧指令値ｖｄ０^*、ｖｑ０^*を加算器４１３に出力する。

加算器４１３は、電流制御部４１２から出力された第１電圧指令値ｖｄ０^*、ｖｑ０^*に、重畳部４２の共振制御部４２２から出力された高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を加算する。そして、加算器４１３は、高調波成分が重畳された第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*を座標変換部４１４へ出力する。

座標変換部４１４は、加算器４１３から出力された第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*に対して、回転座標（ｄｑ軸）から３相座標（ｕｖｗ相）への変換を行い、３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を算出する。そして、座標変換部４１４は、算出した３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を、電力変換部４１５に出力する。

電力変換部４１５は、例えばコンバータとインバータで構成される電力変換回路を備えている。また、電力変換部４１５には、不図示のバッテリーから直流電力が供給されている。電力変換部４１５は、３相電圧指令値ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*によりインバータが制御されることで、バッテリーからの直流電力を交流である３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに変換して、モータ１に出力する。なお、インバータとしては、電圧型インバータまたは電流型インバータを用いることができる。

電流検出部４１６は、例えばホール素子などを用いて構成され、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗがモータ１に印加される際に、磁石温度推定装置２からモータ１へと流れる３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。電流検出部４１６は、検出した３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを座標変換部４１７に出力する。

座標変換部４１７は、電流検出部４１６により検出された３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに対して、３相座標から回転座標への座標変換を行い、検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓを求める。そして、座標変換部４１７は、求めた検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓを、バンドストップフィルター４１８、および、重畳部４２のバンドパスフィルター４２３に出力する。

バンドストップフィルター４１８は、重畳された高調波の周波数帯の信号をカットする。これにより、バンドストップフィルター４１８は、検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓの高調波成分をカットして求めた基本波検出電流値ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆを減算器４１１に出力する。

重畳部４２は、減算器４２１と、共振制御部４２２と、バンドパスフィルター４２３とを備える。重畳部４２は、減算器４２１への高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*の入力に応じて、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を電力供給部４１の加算器４１３および磁石温度推定部４３に出力する。

バンドパスフィルター４２３は、高調波の周波数帯の信号のみを通す。これにより、バンドパスフィルター４２３は、座標変換部４１７から出力される検出電流ｉｄｓ、ｉｑｓの基本波成分をカットして求めた高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃを減算器４２１に出力する。

減算器４２１には、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力されるとともに、バンドパスフィルター４２３からの高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃがフィードバック入力される。減算器４２１は、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*から高調波検出電流値ｉｄｓｃ、ｉｑｓｃをそれぞれ減算し、減算結果を共振制御部４２２に出力する。

共振制御部４２２は、減算器４２１からの出力がゼロに近づくように、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を生成する。そして、共振制御部４２２は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*を、電力供給部４１の加算器４１３、及び、磁石温度推定部４３に出力する。

なお、共振制御部４２２は、高調波電圧指令値の振幅や、高調波電圧指令値の出力間隔を任意に設定することができる。なお、ｑ軸成分の高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*は、モータ１の回転トルクの制御に用いられる。そのため、モータ１の回転トルクに影響を与えないように、共振制御部４２２は、ｑ軸成分の高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*としてゼロを出力し、ｄ軸成分の高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*のみを変化させて出力する。

本実施形態では、共振制御部４２２は、パルセイティング・ベクトル・インジェクション（Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式によって高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*を出力するものとする。具体的には、共振制御部４２２は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*に正負の符号を交互に付して出力する。このようにすることにより、モータ１への指令値として加算器４１３から出力される第２電圧指令値ｖｄｓ^*、ｖｑｓ^*においては、ｄ軸方向に高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*の進みと遅れとが交互に生じることになる。

磁石温度推定部４３には、高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*、ｉｑｓｃ^*が入力されるとともに、重畳部４２の共振制御部４２２から高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*、ｖｑｓｃ^*が入力される。なお、上述のように、ｑ軸成分の高調波電流指令値ｉｑｓｃ^*、及び、高調波電圧指令値ｖｑｓｃ^*はゼロである。そして、磁石温度推定部４３は、高調波電圧指令値と高調波電流指令値とを用いて測定したインピーダンスに応じて、永久磁石３１の温度を推定する。

具体的には、磁石温度推定部４３は、重畳される高調波の周波数に応じた不図示のバンドパスフィルターを有しており、パルセイティング・ベクトル・インジェクション方式で印加された高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*の正または負のいずれかの値を抽出する。磁石温度推定部４３は、入力された高調波電流指令値ｉｄｓｃ^*と、バンドパスフィルターを経た高調波電圧指令値ｖｄｓｃ^*とを用いて、高調波成分のインピーダンスＺｈを算出することができる。

ここで、高調波成分のインピーダンスＺｈの実部Ｒｄは、固定子１１の磁石部２５の温度、すなわち、永久磁石３１の温度と相関関係があることが知られている。そのため、磁石温度推定部４３は、高調波インピーダンスの実部Ｒｄと永久磁石３１の温度との相関関係を示すテーブルを予め記憶しておき、算出した高調波インピーダンスの実部Ｒｄと記憶している相関関係を示すテーブルとを用いて、永久磁石３１の温度を推定することができる。

本実施形態においては、永久磁石３１の表面に、固定子コイル２３の磁束に直交するように導体薄膜３２が設けられており、回転子１２とともに回転する導体薄膜３２において、交番する高調波磁束によって渦電流が流れる。そのため、永久磁石３１の温度と、算出される高調波インピーダンスとの相関関係が大きくなるので、温度推定の精度を高めることができる。さらに、本実施形態においては、導体薄膜３２をスロット２１と対向する面でなく軸芯側の面に設けることにより、スロット２１にて生じるスロット高調波の影響を低下させることができるので、温度測定の精度を高めることができる。

また、本実施形態においては、導体薄膜３２を設ける例を用いて説明したがこれに限らない。永久磁石３１の表面に金属めっきを施し、めっき部に発生する渦電流を利用して磁石温度の推定を行ってもよい。この場合、軸芯内側の永久磁石３１の表面にのみめっきを施すことにより、エアギャップに近い軸芯外側の永久磁石３１の表面における渦電流の発生を抑制することができる。このように、金属めっきという簡便な方法で、スロット高調波の影響を回避することができる。

また、上述のように、高調波電流によって永久磁石３１及び導体薄膜３２に渦電流が流れる場合において、永久磁石３１及び導体薄膜３２のインピーダンスに温度依存性があることを利用して磁石温度の推定を行っている。高調波インピーダンスの演算においては、印加する高調波の周波数成分のみが抽出されているが、印加する高調波の周波数がスロット２１に起因する高調波磁束（スロット高調波磁束）と同じ周波数となってしまうと、スロット高調波磁束が外乱となり、温度推定の精度向上が阻害されてしまう。

ここで、スロット高調波磁束は、主にモータ１の駆動に用いる基本波の磁束周波数のｐ×ｎ倍（ｐ：相数、ｎ：自然数）で現れるということが知られている。そのため、温度推定用の高調波磁束の周波数が基本波磁束の周波数のｐ×ｎ倍とならないような値を選択することで、スロット高調波の影響を抑制しつつ磁石温度を推定することができる。

第１実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、磁石温度推定装置２において、重畳部４２は、電力供給部４１から出力されてモータ１へ供給されるモータ１の回転駆動に用いる基本波の電力に、高調波の電力を重畳させる。そして、磁石温度推定部４３は、高調波電圧Ｖｈを高調波電流Ｉｈで除することにより、高調波成分のインピーダンスを求める。

回転子１２においては、モータ１の回転時には、固定子コイル２３による回転磁界が作用することにより導体薄膜３２に電流が流れる。このように導体薄膜３２に電流が流れることで、磁石温度推定部４３により測定される高調波インピーダンスの実部と磁石温度との相関関係において、導体薄膜３２の温度特性が加味されるので、相関関係が強くなる。そのため、永久磁石３１の温度を高い精度で推定することができる。

ここで、固定子１１と回転子１２の間の空隙であるエアギャップ付近は、スロット２１に起因した高調波磁束（スロット高調波磁束）が通っており、スロット高調波磁束が導体に鎖交すると、温度推定には不要な渦電流が誘起されてしまう。そこで、本実施形態においては、永久磁石３１の表面のうち軸芯外側（径方向外側）の面であるエアギャップの対向面よりも内径側に導体薄膜３２が設置されている。このように導体薄膜３２が配置されることにより、導体薄膜３２とスロットとの距離がより離れるため、スロット高調波磁束による導体薄膜３２への影響を防ぎつつ、インピーダンス感度の向上を図ることができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、固定子コイル２３の磁束との鎖交面については、導体薄膜３２は、永久磁石３１の１つあたりの表面積よりも大きい。このように、導体薄膜３２の磁束との鎖交面の面積が、永久磁石３１の鎖交面との接触面の面積よりも大きいので、導体薄膜３２には比較的大きな電流が流れる。そのため、インピーダンス感度がより大きくなるので、磁石温度の推定精度を向上させることができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、導体薄膜３２は、磁石部材３１Ａの１つあたりの表面積よりも大きい。このように、導体薄膜３２の磁束との鎖交面の面積が、磁石部材３１Ａの鎖交面との接触面の面積よりも大きいので、磁石分割によって渦電流の発生量が少なくなるような状況であっても、インピーダンス感度の低下を防止することができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、導体薄膜３２は、磁束方向の厚さは、永久磁石３１の磁束方向の厚さよりも薄い。そのため、導体薄膜３２における渦電流の電流量を少なくすることができるので、発熱を抑制することができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、導体薄膜３２は、固定子コイル２３の磁束と鎖交する面のうち、エアギャップとの対向面の反対側の面、すなわち、軸芯側（径方向の内側）の面に配置される。このようにすることで、固定子１１のスロット２１にて発生するスロット高調波磁束による影響を小さくすることができるので、インピーダンス感度が向上し、磁石温度の推定精度を向上させることができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、導体薄膜３２は、金属めっきにより構成されてもよい。このようにすることにより、導体薄膜を設けるよりも簡便な方法で、インピーダンス感度を向上させることができる。

また、第１実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、スロット高調波磁束は、モータ１の回転制御に用いられる基本波の周波数のｐ×ｎ倍（ｐ：相数、ｎ：自然数）で現れるということが知られている。そのため、基本波に重畳させる温度推定用の高調波として、基本波の周波数のｐ×ｎ倍とならない周波数を選択する。このようにすることにより、スロット高調波磁束の磁石温度の推定への影響を抑制することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、導体薄膜３２が、永久磁石３１の磁束と鎖交する面のうち、軸芯側に設けられている例について説明した。第２実施形態においては、導体薄膜３２が磁石部２５内に設けられている例について説明する。

図５Ａは、第２実施形態のモータ１の一部の断面図である。図５Ｂは、図５Ａに示した磁石部２５の概略構成図である。

本実施形態においては、図５Ｂに示すように、永久磁石３１は、第１実施形態と同様に軸方向に分割されているのに加えて、軸芯方向にも２つに分割されている。そして、軸芯方向に分割された磁石部材３１Ａの間に導体薄膜３２が設けられている。このようにすることで、磁石部材３１Ａにおける熱が導体薄膜３２に伝わりやすくなる。

ここで、高調波電流による磁石温度推定は、永久磁石３１及び導体薄膜３２の渦電流に対する電気抵抗の温度依存性を利用している。したがって、磁石部材３１Ａの間に導体薄膜３２が設けられることにより、永久磁石３１と導体薄膜３２との温度が近くなるので、磁石温度の推定精度を高めることができる。

第２実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第２実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、導体薄膜３２は、径方向（軸芯方向）に分割されている。そして、径方向に分割される磁石部材３１Ａの間に導体薄膜３２が設けられている。

このようにすることにより、軸芯方向に離間する２つの永久磁石３１の間に導体薄膜３２が設けられるので、導体薄膜３２のエアギャップからの距離が遠くなり、スロット高調波による影響を低下することができる。さらに、分割されている磁石部材３１Ａの間に導体薄膜３２が設けられることにより、磁石部材３１Ａと導体薄膜３２との温度差がより小さくなるので、インピーダンスと磁石温度との相関関係が強くなるので、磁石温度の推定精度を向上させることができる。

（第３実施形態）
第１及び第２実施形態においては、導体薄膜３２が永久磁石３１の近傍に設けられる例について説明した。第３実施形態においては、離間する永久磁石３１の間に、さらに、導電部材が設けられる例について説明する。

図６は、本実施形態のモータ１の断面図である。

電磁鋼板を積層して形成された回転子１２には、図中に矢印で示されるような永久磁石３１の磁束路があり、この磁束路に沿って磁束が発生するように固定子コイル２３が設けられている。なお、磁石部２５は軸芯方向に開くように対向して対をなして設けられている。そして、磁石部２５においては、永久磁石３１の軸芯側の面に導体薄膜３２が設けられている。

本実施形態においては、対向する磁石部２５の間において、磁束路と鎖交するように導電部材６０がさらに設けられている。ここで、磁石温度の推定のために印加される高調波磁束についてもこの磁束路を通るので、この磁束路にある導電部材６０にて渦電流が発生する。これにより、インピーダンスの温度感度を更に向上させることができるので、磁石温度の推定精度を向上させることができる。

第３実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

第３実施形態の磁石温度推定システム１００によれば、磁石部２５が軸芯側に開くように対向して対をなして設けられており、導電部材６０は、それらの対をなす磁石部２５の間に設けられている。固定子コイル２３による高調波磁束は、対をなす対向する磁石部２５と鎖交するとともに、導電部材６０とも鎖交する。したがって、導電部材６０にも渦電流が発生することによりインピーダンスの温度感度が向上するので、磁石温度の推定精度を向上させることができる。

（第４実施形態）
第３実施形態においては、磁石部２５の間に導電部材６０が設けられる例について説明した。第４実施形態では、導体が他の形状で設けられる例について説明する。

図７は、本実施形態のモータの一部断面図である。

この図によれば、軸芯側に開くように対向して設けられている磁石部２５の間において、積層された電磁鋼板により構成される回転子１２の内周面及び外周面のそれぞれに沿って軸方向に導電性の部材を用いて溶接が施されている。図中には、内周面、及び、外周面の溶接箇所が、それぞれ溶接部７０Ａ、７０Ｂとして示されている。

このようにすることにより、回転子１２を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれが溶接部７０Ａ、７０Ｂを介して電気的に接続されることになるので、高調波磁束と鎖交する閉ループが形成される。そして、回転子１２の回転に伴って閉ループを通る磁束量が変化するので、閉ループに電流が派生する。そのため、渦電流と同様にさらに電流が流れるので、磁石温度の推定の精度を高めることができる。

第５実施形態の磁石温度推定システムによって、以下の効果を得ることができる。

複数の電磁鋼板により構成される回転子１２には、軸芯側に開くように対向して対をなして設けられた磁石部２５の間における、内周面、及び、外周面のそれぞれにおいて、電磁鋼板が導電性の部材によって軸方向に溶接されている。

電動機に用いる電磁鋼板は絶縁コーティングされた薄板を使用しているため、軸方向には電気的には絶縁されている。そこで、溶接部７０Ａ、７０Ｂによって積層された電磁鋼板同士を短絡させることで、軸方向にも電流が流れるようになる。これにより、対向する電磁鋼板と溶接部７０Ａ、７０Ｂとにより囲まれる領域において、磁束の通過に起因して渦電流が流れる。このようにさらに渦電流が流れることにより、インピーダンス感度を更に向上させることができるので、磁石温度の推定精度を向上させることができる。

なお、上述のように対向する極の永久磁石が対向するように設けられる例を用いて説明したが、これに限らない。たとえば、図８のように、磁石部２５が回転子１２の回転面に沿って設けられており、永久磁石３１の軸芯側の表面に導体薄膜３２が設けられていてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ モータ
２ 磁石温度推定装置
１１ 固定子
１２ 回転子
２１ スロット
２３ 固定子コイル
２５ 磁石部
３１ 永久磁石
３１Ａ 磁石部材
３２ 導体薄膜
４１ 電力供給部
４２ 重畳部
４３ 磁石温度推定部
６０ 導体
７０Ａ、７０Ｂ 溶接部
１００ 磁石温度推定システム

Claims (11)

1. 永久磁石を有する回転子を備えるモータと、前記モータの回転駆動に用いる基本波よりも高い周波数の高調波の電流を重畳し、前記モータについての高調波成分のインピーダンスにより前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置とを有する、磁石温度推定システムであって、
   前記回転子は、前記永久磁石と接触して設けられる導体であって、前記モータの固定子コイルの磁束と鎖交するとともに、前記永久磁石の径方向の外側の面よりも内径側に配置される導体を有する、磁石温度推定システム。
2. 請求項１に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記導体は、前記固定子コイルの磁束との鎖交する面において、前記永久磁石よりも面積が広い、磁石温度推定システム。
3. 請求項１または２に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記永久磁石は、複数の磁石部材により構成され、
   前記導体は、前記固定子コイルの磁束と鎖交する面において、前記磁石部材よりも面積が広い、磁石温度推定システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記導体は、前記固定子コイルの磁束方向での厚さが、該磁束方向での前記永久磁石の厚さよりも薄い、磁石温度推定システム。
5. 請求項1から４のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記導体は、前記固定子コイルの磁束と鎖交する面のうち、径方向の内側の面と接触して配置される磁石温度推定システム。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記永久磁石は、径方向に分割されており、
   前記導体は、径方向に分割される前記永久磁石の間に設けられる磁石温度推定システム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記永久磁石は、軸芯側に開くように対向して対をなして設けられ、
   前記回転子は、前記対をなす前記永久磁石の間に設けられる導電部材をさらに備える、磁石温度推定システム。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムにおいて、
   前記回転子は、電磁鋼板が積層されることにより構成され、
   前記永久磁石は、軸芯側に開くように対向して対をなして設けられ、
   前記回転子は、前記回転子の内径と外径とにおいて、前記対をなす前記永久磁石の間にて軸方向に導電性の溶接材料を用いて溶接されている、磁石温度推定システム。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
   前記導体は、金属めっきである磁石温度推定システム。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の磁石温度推定システムであって、
    前記高調波の周波数として、前記基本波の周波数に対して、前記モータの相数、および、自然数を乗じた周波数以外の周波数を用いる、磁石温度推定システム。
11. モータの回転駆動に用いる基本波よりも高い周波数の高調波の電流を重畳し、前記モータについての高調波成分のインピーダンスにより永久磁石の温度を推定する磁石温度推定装置によって、固定子が有する前記永久磁石の温度が推定されるモータであって、
    モータの回転子は、前記永久磁石と接触して設けられる導体であって、固定子コイルの磁束と鎖交するとともに、前記永久磁石の径方向の外側の面よりも内径側に配置される導体を備えるモータ。

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