JPWO2014174682A1 - 永久磁石電動機の磁石温度推定装置および永久磁石電動機の磁石温度推定方法 - Google Patents

Abstract

巻線に通電した際の電圧を検出する電圧検出部（１）と、電圧の高次成分を検出する高次成分検出部（２）と、高次成分を検出する電圧に影響を与えるパラメータとして、磁石温度および他の１以上のパラメータからなる２以上のパラメータと、高次成分との対応関係をあらかじめテーブルとして記憶する参照データベース（３）と、１以上のパラメータの値を検出するパラメータ値検出部（４）と、高次成分検出部で検出された高次成分に対応する磁石温度を、パラメータ値検出部で検出された１以上のパラメータ、および参照データベースに記憶されたテーブルに基づいて推定する磁石温度推定部（５）とを備える。

Description

本発明は、永久磁石電動機の磁石温度を高精度に推定することのできる磁石温度推定装置および磁石温度推定方法に関する。

近年、ＥＶ／ＨＥＶ（電気自動車／ハイブリッド自動車）用途のモータでは、磁石コストを低減するために、Ｄｙ（Ｄｙｓｐｒｏｓｉｕｍ：ディスプロシウム）の含有量を減らした磁石が用いられている。しかしながら、Ｄｙの含有量を減らすと、高温下での減磁が懸念される。

このため、磁石温度の把握が重要となり、磁石温度を推定し、高温下で過剰な反磁界を磁石にかけぬようにモータを運転させることが必要となる。このような技術の一例として、誘起電圧定数を検出して、磁石温度を推定するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−５５１１９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１では、誘起電圧定数（すなわち、電圧の基本波成分に相当する値）から磁石温度を推定している。しかしながら、基本波成分は、磁石温度に対して変化が小さい。このため、磁石温度を推定するに当たっては、高い計測精度が必要となる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、基本波成分に基づくことなく、磁石温度を高精度に推定することのできる永久磁石電動機の磁石温度推定装置および永久磁石電動機の磁石温度推定方法を得ることを目的とする。

本発明に係る永久磁石電動機の磁石温度推定装置は、巻線が巻装された円環状の固定子と、永久磁石を有する回転子コアとで構成された永久磁石電動機の磁石温度推定装置であって、巻線に通電した際の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部で検出された電圧の高次成分を検出する高次成分検出部と、高次成分を検出する電圧に影響を与えるパラメータとして、磁石温度および他の１以上のパラメータからなる２以上のパラメータと、高次成分との対応関係を、あらかじめテーブルとして記憶する参照データベースと、１以上のパラメータの値を検出するパラメータ値検出部と、高次成分検出部で検出された高次成分に対応する磁石温度を、パラメータ値検出部で検出された１以上のパラメータ、および参照データベースに記憶されたテーブルに基づいて推定する磁石温度推定部とを備えるものである。

また、本発明に係る永久磁石電動機の磁石温度推定方法は、巻線が巻装された円環状の固定子と、永久磁石を有する回転子コアとで構成された永久磁石電動機の磁石温度推定方法であって、巻線に通電した際の電圧を検出する電圧検出ステップと、電圧検出ステップで検出された電圧の高次成分を検出する高次成分検出ステップと、高次成分を検出する電圧に影響を与えるパラメータとして、磁石温度および他の１以上のパラメータからなる２以上のパラメータと、高次成分との対応関係を、あらかじめテーブルとして記憶部に記憶する記憶ステップと、１以上のパラメータの値を検出するパラメータ値検出ステップと、高次成分検出ステップで検出された高次成分に対応する磁石温度を、パラメータ値検出ステップで検出された１以上のパラメータ、および記憶ステップで記憶部に記憶されたテーブルに基づいて推定する磁石温度推定ステップとを備えるものである。

本発明によれば、磁石温度に対して変化率の大きい電圧の高次成分の検出結果を用いて磁石温度推定を行うことにより、基本波成分に基づくことなく、磁石温度を高精度に推定することのできる永久磁石電動機の磁石温度推定装置および永久磁石電動機の磁石温度推定方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１における磁石温度推定装置のブロック図である。 本発明の実施の形態１における参照データベースにあらかじめ記憶された複数のテーブルの具体例を示した図である。 本発明の実施の形態１における電磁界解析に用いた回転電機の概略図である。 本発明の実施の形態１による電磁界解析において、線間電圧の基本波成分の、磁石温度に対する変化率を示した図である。 本発明の実施の形態１による電磁界解析において、線間電圧の５次成分の、磁石温度に対する変化率を示した図である。 本発明の実施の形態１による電磁界解析において、線間電圧の７次成分の、磁石温度に対する変化率を示した図である。 本発明の実施の形態１による電磁界解析において、線間電圧の１１次成分の、磁石温度に対する変化率を示した図である。 本発明の実施の形態１による電磁界解析において、線間電圧の１３次成分の、磁石温度に対する変化率を示した図である。 本発明の実施の形態２における磁石温度推定装置のブロック図である。

以下、本発明の永久磁石電動機の磁石温度推定装置および永久磁石電動機の磁石温度推定方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における磁石温度推定装置のブロック図である。図１に示した本実施の形態１における磁石温度推定装置は、電圧検出部１、高次成分検出部２、参照データベース３、パラメータ値検出部４、および磁石温度推定部５を備えて構成されている。

電圧検出部１は、回転電機（永久磁石電動機）の線間電圧もしくは相間電圧を検出する。その検出方法としては、例えば、制御系における電圧指令値から検出する方法、あるいは実測した数値を用いる方法などが適用可能である。

電圧検出部１にて検出した電圧は、高次成分検出部２に送られる。そして、高次成分検出部２は、電圧検出部１で検出された電圧の高次成分を算出する。その算出方法としては、例えば、フーリエ変換から求める手法やバンドパスフィルタにて特定の周波数成分を抽出する手法などが適用可能である。

また、参照データベース３は、磁石温度や回転速度、コイル温度、電流、電流位相など、電圧検出部１で検出される電圧に影響を与えるパラメータと、電圧の高次成分との対応関係を規定した複数のテーブルがあらかじめ記憶されている記憶部である。

図２は、本発明の実施の形態１における参照データベース３にあらかじめ記憶された複数のテーブルの具体例を示した図である。図２では、具体例として、ｎ通りの回転速度ω１〜ωｎと、ｍ通りの磁石温度Ｔ１〜Ｔｍの組合せからなるｎ×ｍ個のテーブルを示している。そして、それぞれのテーブルは、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑの２つをパラメータとしたときの、電圧の高次成分の測定結果が、２次元テーブルとしてあらかじめ規定されている。

従って、参照データベース３にあらかじめ記憶された複数のテーブルにより、回転速度、磁石温度、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの４つのパラメータに対応する電圧の高次成分が、１つ特定されることとなる。

また、パラメータ値検出部４は、磁石温度の推定に用いるパラメータを検出する手段である。具体的には、パラメータ値検出部４は、回転速度、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの３つのパラメータを、それぞれ、以下のようにして検出することができる。パラメータ値検出部４は、レゾルバなどの回転位置センサを用いることで、回転速度を検出する。さらに、パラメータ値検出部４は、電流指令値もしくは実測値として、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを取得する。

そして、磁石温度推定部５は、高次成分検出部２で検出された電圧の高次成分、パラメータ値検出部４で検出された回転速度、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの３つのパラメータ、および参照データベース３に記憶された複数のテーブルに基づいて、磁石温度の推定値を求める。

具体的には、磁石温度推定部５は、一例として、次の手順で、磁石温度を推定することができる。
（手順１）磁石温度推定部５は、参照データベース３に記憶されたｎ×ｍ個のテーブルのそれぞれについて、パラメータ値検出部４で検出されたｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに対応する電圧の高次成分（ｎ×ｍ個）を抽出する。

（手順２）磁石温度推定部５は、手順１によって抽出したｎ×ｍ個の電圧の高次成分について、パラメータ値検出部４で検出された回転速度に対応するｍ個のテーブルから抽出されたｍ個の電圧の高次成分に絞り込む。

（手順３）磁石温度推定部５は、手順２によって絞り込まれたｍ個の電圧の高次成分について、高次成分検出部２で算出された電圧の高次成分に最も近い値を有するテーブルを特定し、そのテーブルに対応する磁石温度を、磁石温度の推定値とする。

なお、上述した手順は、あくまで一例であり、手順１〜３の順番を変えて、磁石温度の推定値を得ることができる。

電圧の高次成分を用いる利点としては、電圧の基本波成分を用いる場合と比較して、磁石温度に対して電圧の変化率が大きいため、精度よく計測することが可能である点が挙げられる。そこで、このような利点を、電磁界解析を用いて実証したので、以下に詳細に説明する。

図３は、本発明の実施の形態１における電磁界解析に用いた回転電機の概略図である。図３に示した回転電機は、固定子１０と回転子２０を備えている。本実施の形態１では、８極１２スロットの構成を例に説明するが、極数とスロット数の組み合わせをはじめ、回転電機の形状については、これに限定されるものではない。

固定子１０は、円環状の固定子コア１１と、固定子コア１１に巻装されたコイル１２を有する。一方、回転子２０は、永久磁石３０が埋設された回転子コア２１で構成されている。

図３の回転電機の主な仕様は、以下の通りである。
固定子１０の外径φ１３８
回転子２０の外径φ９０
軸長：５０ｍｍ
永久磁石３０の残留磁束密度：１．２Ｔ（常温）
１．１Ｔ（１００℃）
１．０Ｔ（１８０℃）

次に、電磁界解析による解析条件を示す。
磁石温度：常温、１００℃、１８０℃の３パターン
入力電流：３０００ＡＴ

解析結果について、図４Ａ〜図４Ｅを用いて説明する。
図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の実施の形態１による電磁界解析において、線間電圧の各成分（基本波、５次、７次、１１次、１３次）の、磁石温度に対する変化率を示した図である。より具体的には、３０００ＡＴを通電した際に、図４Ａは、線間電圧の基本波成分、図４Ｂは、線間電圧の５次成分、図４Ｃは、線間電圧の７次成分、図４Ｄは、線間電圧の１１次成分、そして、図４Ｅは、線間電圧の１３次成分に関する変化率をそれぞれ示すものである。

そして、これら図４Ａ〜図４Ｅは、横軸が磁石温度であり、縦軸が線間電圧の比率を示している。ここで、縦軸の線間電圧の比率とは、磁石温度を１００℃、１８０℃にした場合の線間電圧の値を、磁石の常温時の線間電圧を基準とした変化率として表したものである。また、これら図４Ａ〜図４Ｅは、電流位相βを、０、２０、４０、６０、８０度に変化させた場合の５通りについて、変化率の解析を行った結果を示している。

これら図４Ａ〜図４Ｅに示した解析結果から、以下のことがわかる。
（１）図４Ｂ〜図４Ｅに示した線間電圧の高次成分（５次、７次、１１次、１３次）における変化率は、どの電流位相βにおいても、図４Ａに示した線間電圧の基本波成分における変化率と比較して、大きいことがわかる。よって、基本波成分よりも高次成分の方が、磁石温度に対して変化が大きいため、磁石温度推定には、より適したパラメータであるといえる。

（２）高次成分を検出する場合には、「５次＆７次」，「７次＆１１次＆１３次」のように、１つの成分だけでなく、複数の成分を扱うこともできる。よって、複数のパラメータを扱うことにより、磁石温度推定手法のバリエーションが増えるため、複数の推定値に基づいてさらに精度のよい磁石温度推定を行うことができる。なお、この推定方法の詳細については、実施の形態２、３で後述する。

（３）今回の解析では、高次成分として５次、７次、１１次、１３次の各成分のデータを検証した。しかしならが、１１次成分や１３次成分の周波数は、基本波成分の約１２倍であるため、極低速領域を除いた計測時には、サンプリングを非常に細かくする必要がある。この点を考慮すると、５次成分あるいは７次成分は、存在する高次成分（線間電圧は、偶数次と３の倍数成分は、存在しない）の中で周波数が比較的低い部類に属するため、計測が比較的容易であり、実用的であるといえる。

（４）以上では、高次成分を検出する優位性について述べたが、図４Ａに示した基本波成分は、変化率は小さいものの、周波数が低いため、検出が容易という利点がある。そこで、高次成分だけでなく、基本波成分による推定結果も組み合わせることにより、磁石温度推定手法のバリエーションの増加と、検出の容易性を実現することができる。

（５）検出する電圧としては、上述したように、相電圧でも線間電圧でもよい。ただし、相電圧を実測する場合には、中性点を引き出してくることが必要となる。このため、線間電圧の方が実測し易いというメリットがある。ただし、指令値から電圧値を推定する場合には、相電圧も線間電圧も利用のし易さは同等である。

以上のように、実施の形態１によれば、磁石温度に対して変化率の大きい電圧の高次成分を用いて磁石温度の推定を行っている。具体的には、高次成分を検出する電圧に影響を与えるパラメータとして、磁石温度および他の１以上のパラメータからなる２以上のパラメータを採用している。また、この２以上のパラメータと、電圧の高次成分との対応関係を、実際の計測結果あるいは解析結果に基づいてあらかじめテーブル化しておく。

そして、磁石温度以外のパラメータ値の検出結果と、電圧の高次成分の抽出結果と、電圧の高次成分に関連してテーブル化されたデータとに基づいて、磁石温度を推定している。この結果、磁石温度に対して変化率の大きい電圧の高次成分を用いた推定を行うことにより、基本波成分だけに基づくことなく、磁石温度を高精度に推定することのできる磁石温度推定を実現できる。

なお、実施の形態１における説明では、高次成分を検出する電圧に影響を与える、磁石温度以外のパラメータとして、回転速度、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを用いる場合について説明した。しかしながら、本願発明は、磁石温度以外のパラメータの数、あるいはパラメータとして採用する物理量は、これに限定されるものではない。本発明は、磁石温度に対して変化率の大きい電圧の高次成分に着目し、この高次成分の検出結果を利用することで磁石温度を高精度に推定することを技術的特徴とするものである。そして、高次成分の検出に影響を与えるその他のパラメータとして、副次的に選定するものは、実施の形態１に例示したものには限定されない。

実施の形態２．
本実施の形態２では、電圧の高次成分として、「５次＆７次」，「７次＆１１次＆１３次」のように、１つの高次成分だけでなく、複数の高次成分を扱うことで、磁石温度の推定精度の向上を実現できる永久磁石電動機の磁石温度推定装置について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２における磁石温度推定装置のブロック図である。先の実施の形態１における図１のブロック図と比較すると、図５に示したブロック図は、磁石温度推定部５の内部構成として、個別推定部５１と、統合推定部５２を有している点が異なっている。そこで、新たな構成要件である個別推定部５１および統合推定部５２を中心に、以下に説明する。

磁石温度推定部５内の個別推定部５１は、電圧の複数の高次成分について、それぞれ個別の磁石温度推定値を、先の実施の形態１で説明した推定方法により算出する。以下の説明では、一例として、個別推定部５１が、５次成分、７次成分、１１次成分の３成分について、個別に磁石温度推定値を推定した場合について説明する。

次に、磁石温度推定部５内の統合推定部５２は、個別推定部５１により推定された、３成分についての各磁石温度推定値に対して統合処理を施すことで、１つの磁石温度推定値を特定する。例えば、統合推定部５２は、３成分の平均値を求める、あるいは中間値を採用することで、１つの磁石温度推定値を特定することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、複数の高次成分に対して個別に推定された磁石温度に基づいて、１つの磁石温度推定値を特定している。この結果、各成分における測定ばらつきを抑制でき、推定精度のさらなる向上を実現できる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、複数の成分を扱うことで、先の実施の形態２とは異なる処方により、磁石温度の推定精度の向上を図る場合について説明する。なお、本実施の形態３における磁石温度推定装置のブロックズは、先の実施の形態２における図５で示したブロック図と同一である。

高次成分を検出する電圧に影響を与えるパラメータは、先の実施の形態１で説明したように、磁石温度以外に、回転速度、コイル温度、電流、電流位相など多数存在する。そのため、磁石温度推定部５により推定される磁石温度は、ある１つの高次成分に対して必ずしも１つにはならず、複数存在する場合もある。

具体的には、個別推定部５１において、５次成分については９０℃および１２０℃の２つの推定値が求まり、７次成分については９０℃の推定値が求まった場合を仮定する。このような場合には、「１つの成分が２つ以上の磁石温度を推定した場合、他の成分と共通する（あるいは所定範囲内に含まれる）温度を真とする」というロジックを組み込むことで、統合推定部５２は、推定値を９０℃に絞り込むことができる。

以上のように、実施の形態３によれば、１つの高次成分において２つ以上の磁石温度が推定された場合にも、他の高次成分において推定された磁石温度と比較し、１つの磁石温度推定値を特定している。この結果、磁石温度推定の誤りを減らすことができ、推定精度のさらなる向上を実現できる。

本発明に係る永久磁石電動機の磁石温度推定装置は、巻線が巻装された円環状の固定子と、永久磁石を有する回転子コアとで構成された永久磁石電動機の磁石温度推定装置であって、巻線に通電した際の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部で検出された電圧の高次成分を検出する高次成分検出部と、高次成分を検出する電圧に影響を与えるパラメータ群として、磁石温度を含まない１以上のパラメータと磁石温度とからなるパラメータ群と、高次成分との対応関係を、あらかじめテーブルとして記憶する参照データベースと、磁石温度を含まない１以上のパラメータの値を検出するパラメータ値検出部と、高次成分検出部で検出された高次成分に対応する磁石温度を、パラメータ値検出部で検出された１以上のパラメータ、および参照データベースに記憶されたテーブルに基づいて推定する磁石温度推定部とを備え、１以上のパラメータは、永久磁石電動機の回転速度、コイル温度、電流、電流位相の少なくともいずれか１つを含んで構成されるものである。

また、本発明に係る永久磁石電動機の磁石温度推定方法は、巻線が巻装された円環状の固定子と、永久磁石を有する回転子コアとで構成された永久磁石電動機の磁石温度推定方法であって、巻線に通電した際の電圧を検出する電圧検出ステップと、電圧検出ステップで検出された電圧の高次成分を検出する高次成分検出ステップと、高次成分を検出する電圧に影響を与えるパラメータ群として、磁石温度を含まない１以上のパラメータと磁石温度とからなるパラメータ群と、高次成分との対応関係を、あらかじめテーブルとして記憶部に記憶する記憶ステップと、磁石温度を含まない１以上のパラメータの値を検出するパラメータ値検出ステップと、高次成分検出ステップで検出された高次成分に対応する磁石温度を、パラメータ値検出ステップで検出された１以上のパラメータ、および記憶ステップで記憶部に記憶されたテーブルに基づいて推定する磁石温度推定ステップとを備え、１以上のパラメータは、永久磁石電動機の回転速度、コイル温度、電流、電流位相の少なくともいずれか１つを含んで構成されるものである。

Claims (8)

1. 巻線が巻装された円環状の固定子と、永久磁石を有する回転子コアとで構成された永久磁石電動機の磁石温度推定装置であって、
   前記巻線に通電した際の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部で検出された前記電圧の高次成分を検出する高次成分検出部と、
   前記高次成分を検出する前記電圧に影響を与えるパラメータとして、磁石温度および他の１以上のパラメータからなる２以上のパラメータと、前記高次成分との対応関係を、あらかじめテーブルとして記憶する参照データベースと、
   前記１以上のパラメータの値を検出するパラメータ値検出部と、
   前記高次成分検出部で検出された前記高次成分に対応する磁石温度を、前記パラメータ値検出部で検出された前記１以上のパラメータ、および前記参照データベースに記憶された前記テーブルに基づいて推定する磁石温度推定部と
   を備える永久磁石電動機の磁石温度推定装置。
2. 請求項１に記載の永久磁石電動機の磁石温度推定装置において、
   前記高次成分検出部は、前記電圧検出部で検出された前記電圧に関して複数の高次成分を検出し、
   前記参照データベースは、前記複数の高次成分のそれぞれに対応する個別のテーブルを記憶し、
   前記磁石温度推定部は、前記複数の高次成分のそれぞれに対応する複数の磁石温度を、前記パラメータ値検出部で検出された前記１以上のパラメータ、および参照データベースに記憶された前記個別のテーブルに基づいて推定し、推定した前記複数の磁石温度に基づいて１つの磁石温度推定値を特定する
   永久磁石電動機の磁石温度推定装置。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石電動機の磁石温度推定装置において、
   前記高次成分検出部は、検出する前記高次成分として、５次成分または７次成分を含む
   永久磁石電動機の磁石温度推定装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石電動機の磁石温度推定装置において、
   前記高次成分検出部は、前記電圧検出部で検出された前記電圧に関して基本波成分をさらに検出し、
   前記参照データベースは、前記基本波成分に対応する基本波成分用テーブルをさらに記憶し、
   前記磁石温度推定部は、推定前記高次成分検出部で検出された前記高次成分に対応する磁石温度を推定する際に、前記高次成分検出部で検出された前記基本波成分に対応して推定された磁石温度も参照する
   永久磁石電動機の磁石温度推定装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の永久磁石電動機の磁石温度推定装置において、
   前記電圧検出部は、前記巻線に通電した際に検出する前記電圧として、線間電圧を検出する
   永久磁石電動機の磁石温度推定装置。
6. 請求項２に記載の永久磁石電動機の磁石温度推定装置において、
   前記磁石温度推定部は、前記複数の高次成分のそれぞれに対応して推定された複数の磁石温度の平均値を求めることで、前記１つの磁石温度推定値を特定する
   永久磁石電動機の磁石温度推定装置。
7. 請求項２に記載の永久磁石電動機の磁石温度推定装置において、
   前記磁石温度推定部は、前記複数の高次成分のうちのある成分について、２つ以上の磁石温度が推定された場合には、前記２つ以上の磁石温度のうち、その他の成分について推定された磁石温度から所定量以上逸脱している推定値を誤推定として削除する
   永久磁石電動機の磁石温度推定装置。
8. 巻線が巻装された円環状の固定子と、永久磁石を有する回転子コアとで構成された永久磁石電動機の磁石温度推定方法であって、
   前記巻線に通電した際の電圧を検出する電圧検出ステップと、
   前記電圧検出ステップで検出された前記電圧の高次成分を検出する高次成分検出ステップと、
   前記高次成分を検出する前記電圧に影響を与えるパラメータとして、磁石温度および他の１以上のパラメータからなる２以上のパラメータと、前記高次成分との対応関係を、あらかじめテーブルとして記憶部に記憶する記憶ステップと、
   前記１以上のパラメータの値を検出するパラメータ値検出ステップと、
   前記高次成分検出ステップで検出された前記高次成分に対応する磁石温度を、前記パラメータ値検出ステップで検出された前記１以上のパラメータ、および前記記憶ステップで前記記憶部に記憶された前記テーブルに基づいて推定する磁石温度推定ステップと
   を備える永久磁石電動機の磁石温度推定方法。

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