WO2020137219A1

WO2020137219A1 - 回転電機の駆動装置および駆動方法

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Publication number: WO2020137219A1
Application number: PCT/JP2019/044581
Authority: WO
Inventors: 直希國廣; 健志篠宮; 伊藤　誠
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2020-07-02
Also published as: EP3905511A1; JP7181946B2; CN113196642A; JPWO2020137219A1; EP3905511A4

Abstract

複数台の回転電機を駆動制御する際に、個々の回転電機の損失の温度依存性を考慮してトルク操作量を個々に変化させることで、複数台の回転電機により動力を得るシステムの効率を向上させるために、複数の回転電機に対して任意の電圧を出力する複数の電圧出力装置と、電圧出力装置の出力電圧を調整する制御装置とを備え、制御装置は、複数の回転電機個々の温度情報を取得し、個々の温度情報に基づいて複数の回転電機の中から相対的に高効率となる回転電機を選定し、選定した回転電機に対するトルク指令値を他の複数の回転電機に対して相対的に増加させる。

Description

回転電機の駆動装置および駆動方法

　本発明は、回転電機の駆動装置に関し、特に、鉄道車両用の永久磁石同期電動機の駆動装置として好適である。

　近年、大規模輸送が可能でありエネルギー効率の高い、鉄道車両が注目されている。鉄道車両は、高効率な回転電機の導入、省エネ運転制御および回転電機の特性に合わせた制御によって、更なる省エネルギー化や効率の向上が期待されている。

　これらの類の技術の一つとして、鉄道車両では、複数台の回転電機によって動力を得ることから、複数台の回転電機を個別に制御することで、鉄道車両用駆動システムの高効率化や信頼性を向上する技術が検討されている。

　特許文献１には、鉄道車両の高効率化を目的に、電力変換装置と複数台の回転電機それぞれとの間に交流遮断器を設け、運転台からの運転制御指令に基づいて交流遮断器の開閉を個別に制御する遮断器制御部を備える構成を有し、車両の必要なトルクに応じて回転電機の駆動個数を少なくすることにより、回転電機が高効率となる動作条件で駆動する鉄道車両用制御装置が提案されている。

　特許文献２には、開放運転時においても電気車の出力トルクを維持することを目的に、回転電機の温度が予め設定した許容値を超過した時または超過すると判断した時に、当該回転電機の温度を許容値内に抑制するトルク指令に変更するにあたり、他の回転電機のうち温度に余裕のある順にトルクを補完する回転電機を選定し、温度上昇が発生した回転電機における出力トルクの不足分を補う電気車制御装置が提案されている。

特開２０１８－５７１８５号公報特許第５０６０２６６号公報

　本願発明者は、鉄道車両用駆動装置の更なる効率の向上を目的に鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
１）特許文献１では、遮断器を用いて回転電機の個数を切り替えて回転電機の効率が高くなる点で駆動させることにより、高効率化する技術が開示されている。そして、回転電機の温度変動に対しては駆動させる回転電機の温度が偏ることがないように、回転電機を選択して駆動しているが、単に温度の低い回転電機を動作させて複数の回転電機の損失を均等化するのみで、複数台の回転電機に発生する損失そのものは低減しておらず、高効率化には改善の余地がある。
　また仮に、特許文献１に記載の技術を永久磁石同期電動機に適用した場合、回転子に永久磁石を備えるため、交流遮断器開放時の回転子のフリーラン中に鉄損が発生し、永久磁石同期電動機が温度上昇する問題がある。特に高速域では、通常の制御期間中は弱め界磁制御によって磁束を弱めるのに対し、開放時のフリーラン中は磁束を弱めないため鉄損が増加する。最高速付近では、通常の制御期間よりも開放期間の方が、発熱が増加する可能性があり、冷却性能や信頼性の点でも課題がある。

２）特許文献２では、開放運転時においても車両の出力トルクを維持することを目的に、回転電機の温度が予め設定した許容値を超過した時または超過すると判断した時に、温度に余裕のある回転電機の順に選定してトルクを補完する技術が開示されている。温度の超過時のみ動作するため、通常時においては高効率化の効果は得られないが、仮に、特許文献２の技術を適用し、温度に余裕のある順に回転電機のトルクを割り振った場合、低速回転時や高トルク時では、回転電機の損失の内、銅損が支配的な動作条件のため、温度が低い程、抵抗値が小さくなって高効率化の効果が得られる。
　しかし、高速回転時や低トルク時では、鉄損が支配的な動作条件のため、温度が低い程、磁石磁束は増加し、効率が低下する問題が発生する。つまり、永久磁石同期電動機の温度に基づいて、温度に余裕のある順に回転電機のトルクを割り振るということだけでは高効率化には不十分であり、動作条件によっては効率の低下を招く可能性がある。

３）以上の理由により、複数台の回転電機、特に永久磁石同期電動機を用いた駆動システムの高効率化には改善の余地がある。

　本発明の目的は、複数台の回転電機を駆動制御する際に、回転電機の温度依存性を考慮してトルク操作量を個々に変化させることで、複数台の回転電機によって動力を得るシステムの効率を向上させることである。

　本発明は、複数の回転電機に対して任意の電圧を出力する複数の電圧出力装置と、電圧出力装置の出力電圧を調整する制御装置を備え、制御装置は、複数の回転電機個々の温度情報を取得し、個々の温度情報に基づいて複数の回転電機の中から相対的に高効率となる回転電機を選定し、選定した回転電機に対するトルク指令値を他の複数の回転電機に対して相対的に増加させることを特徴とする。

　本発明によれば、複数台の回転電機を用いて駆動するシステムにおいて、回転電機の効率の温度依存性を考慮し、複数台の回転電機の出力トルクを個々に変化させることで、駆動システムの高効率化が図られ、更なる消費電力量の低減が可能となる。

実施例１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。実施例１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の変形例として、永久磁石同期電動機に温度検出器を設置した一例を示す図である。永久磁石同期電動機を同一の回転速度で駆動し、トルクと温度とを変化させた時の銅損と鉄損との割合の変化を示す図である。永久磁石同期電動機を同一のトルクで駆動し、回転速度と温度とを変化させた時の銅損と鉄損との割合の変化を示す図である。永久磁石同期電動機の温度が基準値よりも高い場合と低い場合で、永久磁石同期電動機が高効率となる動作領域の一例を示す図である。図１に示す統括制御部が備えるトルク演算部の機能ブロックの一例を示す図である。本発明に係る永久磁石同期電動機の駆動装置を搭載する鉄道車両の一部の概略構成を示す図である。実施例２に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。惰行再起動時のトルク立上げ前のトルクゼロ制御期間に磁石磁束の推定を実施する時間的流れを示す図である。トルク立下げ後のゲートオフ直前のトルクゼロ制御期間に磁石磁束の推定を実施する時間的流れを示す図である。

　以下、本発明を実施するための形態として、実施例１および２について、それぞれ図面に従い詳細に説明する。各実施例において参照番号が同一のものは、同一の構成要件または類似の機能を備えた構成要件として示している。
　なお、以下に説明する構成は、あくまでも実施例として提示したものであり、本発明に係る実施態様は、以下の実施例に限定されるものではない。

　図１は、実施例１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。永久磁石同期電動機の個々の温度情報に基づいて、複数の永久磁石同期電動機から成る駆動システムのトータル効率が高くなるように、トルク指令値を調整する際の構成を機能ブロックとして示したものである。

　図１では、２台の永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂを示しているが、複数台であれば永久磁石同期電動機は２台に限定されるものではない。以下では、２台に対応させる形で、それぞれに関連する構成部品と機能を、添字ａおよびｂを用いて区別する。

　また、図１では、パンタ２４を介して架線２５と電力の授受を行い、高速度遮断器２３および断流器２２によって、架線側と永久磁石同期電動機側の電流を遮断できる構成としている。また、電圧出力装置３ａおよび３ｂと架線２５との間には、フィルタリアクトル２１とフィルタコンデンサ２０とから成る直流電流平滑用のＬＣフィルタ回路を備える。

　永久磁石同期電動機の駆動制御のための制御装置として、統括制御部１と制御部２ａおよび２ｂとを含む。制御部２ａおよび２ｂからのスイッチング指令に基づき、電圧出力装置３ａおよび３ｂは電圧を出力し、永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂに所定のトルクを出力させて動力を得ている。

　統括制御部１が備えるトルク演算部１２は、上位のシステム制御部（図示は省略）からの動力指令τ_ｍ０ ^＊または制御モードの切替指令に応じて、永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂに発生させるトルク指令値τ_ｍ１ ^＊およびτ_ｍ２ ^＊を、制御部２ａおよび２ｂそれぞれに出力する。

　制御部２ａおよび２ｂには、負荷として接続する永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂを駆動制御するための制御プログラムが実装されている。制御部２ａおよび２ｂは、永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂが所定のトルクを出力するためのスイッチング指令ＳＷ_１およびＳＷ_２を出力する。電圧出力装置３ａおよび３ｂは、スイッチング指令ＳＷ_１およびＳＷ_２を受けてスイッチング制御を行い、電圧を出力する。

　ここで、図１は、実施例１に必要な最小限の機能ブロックのみを示したもので、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｒａ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の駆動用トランジスタやダイオード等のパワーデバイスから構成される電力変換器およびこの電力変換器に対する制御構成については、電圧出力装置３ａおよび３ｂのブロック図で示し、詳細な図示を省略している。

　永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂは、３相交流電圧の印加により固定子側に発生した回転磁界による磁極と回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発によって発生するマグネットトルクと、固定子の回転磁界による磁極と回転子の磁気的な突極との吸引力によって発生するリラクタンストルクとにより、回転トルクを発生する。

　電流検出器５ａおよび５ｂは、永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂに流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相電流Ｉ_ｕ１、Ｉ_ｖ１およびＩ_ｗ１とＩ_ｕ２、Ｉ_ｖ２およびＩ_ｗ２の波形をそれぞれ検出する。ただし、電流検出器５ａおよび５ｂによって必ずしも３相全ての電流を検出する必要はなく、３相の内のいずれか２相を検出し、残る１相は３相電流が平衡状態であると仮定して演算により求める構成としてもよい。

　また、交流接触器６ａおよび６ｂは、電圧出力装置３ａおよび３ｂと永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂとの間に設けられ、異常時に電流を遮断動作する。ここで、交流接触器６ａおよび６ｂは、統括制御部１もしくは制御部２ａおよび２ｂが出力する制御信号（図示は省略）に従い、開閉動作を行うものとする。

　制御部２ａおよび２ｂは、電流検出器５ａおよび５ｂの電流検出値を用いて、永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂそれぞれの温度情報Ｔ１＾およびＴ２＾を推定し、統括制御部１に送信する。

　また、実施例１の変形例として、図２に、永久磁石同期電動機４ａおよび４ｂに温度検出器４０ａおよび４０ｂを設置して、温度情報Ｔ１＾およびＴ２＾を検出する場合の構成を示す。温度検出に当たっては、フレーム温度、巻線温度または永久磁石温度等を検出する構成としてもよい。

　以下に、本発明の要点となる永久磁石同期電動機の温度と効率との関係について説明する。
　永久磁石同期電動機に発生する損失は、大きく分けて、銅損、機械損および鉄損に分類される。永久磁石同期電動機に対して、入力電力をＰ_ｉｎ、出力電力をＰ_ｏｕｔ、トルクをτ_ｍ、銅損をＷ_ｓ、鉄損をＷ_ｉ、機械損をＷ_ｍとし、回転電機の機械角の角周波数をω_ｍとすると、永久磁石同期電動機の効率ｎは、式（１）で表される。

　また、永久磁石同期電動機のトルクτ_ｍは、式（２）で表される。

　ここで、ｍは相数、Ｐ_ｍは極対数、Ｋ_ｅは磁石磁束（発電定数）、I_ｄはｄ軸電流、I_ｑはｑ軸電流、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンスとする。

　式（２）の第１項が、先のマグネットトルク（回転磁界による磁極と回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発によって発生するトルク）であり、式（２）の第２項が、先のリラクタンストルク（固定子の回転磁界による磁極と回転子の磁気的な突極との吸引力によって発生するトルク）である。

　マグネットトルクは、磁石磁束Ｋ_ｅとｑ軸電流I_ｑの積によって決定することから、磁石磁束Ｋ_ｅの変動の影響で変動し、出力トルクが増減することはよく知られている。永久磁石が、例えば－０．１％／℃で減磁すれば、温度が１０℃上昇すると、磁石磁束Ｋ_ｅは１％低下することとなる。すなわち、磁石磁束が増加する低温条件の方が、式（１）における分子の出力トルクが増加することから、高効率な動作になると考えられることが多い。

　このような考え方に基づいて、駆動システムの高効率化を図る場合、例えば、高効率化を目的とする特許文献２に記載の技術を適用し、回転電機の温度に余裕のある順にトルクを補完することが考えられる。

　しかし、発明者らは、詳細な検討に基づき、式（１）の分母が示す損失の温度依存性に着目して、単に温度の低い永久磁石同期電動機が高効率となるわけではなく、トルクと周波数の動作条件に応じて、温度の低い時と高い時のそれぞれで異なる動作領域において高効率になるということを見出した。

　以下に、銅損Ｗ_ｓ、機械損Ｗ_ｍおよび鉄損Ｗ_ｉの概要とそれらの温度依存性について説明する。
　銅損Ｗ_ｓは、固定子巻線に発生する損失であり、永久磁石同期電動機に流れる電流値と抵抗値とから算出できる。銅損Ｗ_ｓの温度依存性については、抵抗値が固定子巻線に用いる材質の温度係数に従って変化するため、温度が高い程抵抗値は大きくなって銅損Ｗ_ｓは増加する傾向となる。

　機械損Ｗ_ｍは、回転子に備える冷却ファンによる圧力損失や、回転子を永久磁石同期電動機のフレームに支持するベアリングの摩擦等によって発生するものであり、一般的には、駆動周波数の関数として算出できる。機械損Ｗ_ｍの温度依存性については、厳密にはベアリングに用いるグリースの粘度の変化等があるものの、鉄道車両用回転電機では無視できる程の変化である。そのため、鉄道車両用回転電機の機械損Ｗ_ｍは、温度による影響を受けないものとして扱われることが多い。

　鉄損Ｗ_ｉは、交流磁界を印加して固定子鉄心や回転子鉄心に用いる磁性材料中の磁束が変化した際のヒステリシスループの面積に応じた磁気損失であり、ヒステリシス損と渦電流損との和として定義され、一般的には磁束密度と周波数との関数として算出できる。鉄損Ｗ_ｉの温度依存性については、永久磁石同期電動機で鉄損に大きく影響する磁石磁束そのものが温度依存性を持ち、温度上昇時には、上述のように例えば－０．１％／℃程度で減磁する。

　さらに、鉄損Ｗ_ｉの内、ヒステリシス損は、温度依存性がほぼ無いと考えられる場合が多い。しかし、渦電流損は、温度上昇により鉄心の電気抵抗が増加すると、その損失は低減する傾向にある。そのため、永久磁石同期電動機における鉄損Ｗ_ｉは、温度が高い程減少する傾向となる。

　以上のとおり、永久磁石同期電動機の損失は、温度の低い時では、銅損が低減して鉄損は増加し、逆に、温度の高い時では、銅損が増加して鉄損は減少する。すなわち、銅損と鉄損とは、温度に対してトレードオフの関係となるため、ある動作条件での温度変化時における損失の変化を考えた場合、鉄損と銅損との割合によって、低温と高温のどちらの条件で回転電機としての損失が小さくなるかが異なることとなる。

　図３は、永久磁石同期電動機を同一の回転速度で駆動し、トルクと温度とを変化させた時の銅損と鉄損との割合の変化特性を示す図である。
　図３の（ａ）は高トルク時、図３の（ｂ）は中トルク時、図３の（ｃ）は低トルク時の各磁界解析による計算結果で、温度変化時においても出力トルクは同一となるように電流値を調整している。また、各図の数値は、各条件で銅損と鉄損との合計が最も大きくなる温度条件の損失で正規化している。なお、抵抗と磁石温度とは、同様に変化することを仮定している。

　高トルク時は、図３の（ａ）のように、トルクが大きい動作条件では大電流を流すため、図３の（ｂ）および（ｃ）に対して銅損の割合が大きくなる。また、温度上昇時には、鉄損の減少よりも銅損の増加の方が大きくなり、永久磁石同期電動機の温度が低い方が高効率となる。

　中トルク時は、図３の（ｂ）のように、図３の（ａ）よりも負荷トルクが小さく電流も小さくなる条件であるため、回転電機の温度の高い方がわずかに効率は良くなる。

　低トルク時は、トルクがほぼゼロの動作条件であり、このような条件下では、図３の（ｃ）のように、高温時の方が、低温時に対して銅損と鉄損との合計を３割近く低減することを可能にする。

　すなわち、負荷トルクが小さい動作条件では、複数台の永久磁石同期電動機の内、温度の高い永久磁石同期電動機のトルク指令値を敢えて増加させ、逆に、温度の低い永久磁石同期電動機のトルク指令値を低減することにより、トータルとして高効率で駆動できることが分かる。

　図４は、永久磁石同期電動機を同一のトルクで駆動し、回転速度と温度とを変化させた時の銅損と鉄損との割合の変化特性を示す図である。
　図４の（ａ）は低速回転時、図４の（ｂ）は中速回転時、図４の（ｃ）は高速回転時の各磁界解析による計算結果で、温度変化時においても、出力トルクは同一となるように電流を調整している。また、各図の数値は、各条件で銅損と鉄損との合計が最も大きくなる温度条件の損失で正規化している。なお、抵抗と磁石温度とは、同様に変化することを仮定している。

　低速回転時は、図４の（ａ）のように、回転速度の低い動作条件では、鉄損が小さいため相対的に銅損の割合が高くなる。また、温度上昇時には、鉄損の低減よりも銅損の増加の方が大きくなり、永久磁石同期電動機の温度が低い方が高効率となる。

　中速回転時は、図４の（ｂ）のように、図４の（ａ）よりも回転速度が高く鉄損の割合が相対的に大きくなる条件であるため、回転電機の温度が変わっても効率がほぼ変化しない領域となる。

　高速回転時は、図４の（ｂ）よりもさらに回転速度が高く、このような条件下では、図４の（ｃ）のように、高温時の方が、低温時に対して銅損と鉄損との合計を１割近く低減することを可能にする。

　すなわち、回転速度が高い条件では、複数台の永久磁石同期電動機の内、温度の高い永久磁石同期電動機のトルク指令値を敢えて増加させ、逆に、温度の低い永久磁石同期電動機のトルク指令値を低減することにより、トータルとして高効率で駆動できることが分かる。

　図５は、速度（横軸）とトルク（縦軸）に対して、永久磁石同期電動機の温度が基準値よりも高い場合と低い場合で、永久磁石同期電動機が高効率となる動作領域の一例を示す図である。

　図３および図４に示したように、温度の仕様範囲の中央値を基準にした場合、温度によって高効率となる領域は、トルクと速度に対して境界を持つこととなる。つまり、少なくとも２台以上の永久磁石同期電動機で動力を得る場合には、温度、速度およびトルクに応じて、トータルの効率が最大となるようにトルク指令値の配分を変更すれば、システムの高効率化が可能となる。

　ここで、図６は、図１に示す統括制御部１が備えるトルク演算部１２の機能ブロックの一例を示す図である。
　具体的に、図１に示すトルク指令値τ_ｍ１ ^＊およびτ_ｍ２ ^＊について、図６を用いて説明する。トルク演算部１２は、図６の（ｂ）および（ｃ）に示すように、トルク操作量演算部２６を用いて構成され、永久磁石同期電動機の温度変化時における効率を示すマップまたは効率を求める算出式に従って、動力指令τ_ｍ０ ^＊に対してトルク操作量を加算してトルク指令値を出力する。上記の効率を示すマップまたは効率を求める算出式は、実測値や磁界解析によって導いたものであって、統括制御部１またはトルク演算部１２の中に適宜に記憶装置（図示は省略）を設けて記録しておく。

　例えば、２モータ単位に適用する場合には、（ｂ）に示すように、Δτ_ｍ１ ^＊およびΔτ_ｍ２ ^＊を動力指令τ_ｍ０ ^＊に加算してトルク指令値τ_ｍ１ ^＊およびτ_ｍ２ ^＊を算出する。
　また、４モータ単位に適用する場合には、（ｃ）に示すように、Δτ_ｍ１ ^＊、Δτ_ｍ２ ^＊、Δτ_ｍ３ ^＊およびΔτ_ｍ４ ^＊を動力指令τ_ｍ０ ^＊に加算してトルク指令値τ_ｍ１ ^＊、τ_ｍ２ ^＊、τ_ｍ３ ^＊およびτ_ｍ４ ^＊を算出する。

　トルク操作量演算部２６は、永久磁石同期電動機の個々の温度推定値に基づき、高効率となる永久磁石同期電動機を判別し、判別結果からトルク操作量を決定する。ただし、図６の（ａ）に示す従来の構成に対し、駆動システムから出力されるトルクの総量を変化させないために、図６の（ｂ）または（ｃ）に示すように、トルク補償量の和は略ゼロ（Δτ_ｍ１ ^＊＋Δτ_ｍ２ ^＊＝０またはΔτ_ｍ１ ^＊＋Δτ_ｍ２ ^＊＋Δτ_ｍ３ ^＊＋Δτ_ｍ４ ^＊＝０）となるように、換言すれば、駆動システムにおけるトルク指令値の総量は略一定となるように、調整する。

　ここにおいて、図６に示すトルク指令値Δτ_ｍ１ ^＊～Δτ_ｍ４ ^＊の操作量の演算やその補償法は、あくまでも一例であって、回転電機の温度依存性を考慮し、速度や周波数に応じてトルク操作量を個々に調整する構成であれば、図６に示す構成に限定されるものではない。
　また、実施例１では、トルク指令値を操作する例を示したが、トルク指令値に相当する電流指令値や電圧指令値を操作する構成としてもよい。

　ただし、低トルク時や高速回転時に、温度の高い回転電機を積極的に使用することで温度上昇が懸念される。しかし、鉄道車両では、同一の周波数やトルクの動作点で常時運転をし続けることはなく、停止、加速、減速および停止の動作を繰り返すため、高温の回転電機のみに偏って駆動することはないので、異常な発熱等は発生しない。ただし、永久磁石の不可逆減磁等を考慮した温度許容値を超えることが予測される場合には、温度の高い回転電機のトルク指令値を増加させず、温度に対するリミッタを設けて補償を停止させるようにする。

　他方、回転電機として誘導電動機を用いた駆動システムの場合は、回転電機として永久磁石を用いていないため、温度上昇時に磁束が減少することはない。そのため、鉄損（回転子に発生する二次銅損を除いた磁気損失）は温度によらず略一定となる。つまり、誘導電動機の場合は、単に温度の低い回転電機（誘導電動機）に対してトルク指令の配分を大きくすることで、駆動システムのトータル効率の向上が可能となる。

　図７は、本発明に係る永久磁石同期電動機の駆動装置を搭載する鉄道車両の一部の概略構成を示す図である。インバータ３０によって駆動する複数の永久磁石同期電動機４ａ、４ｂ、４ｃおよび４ｄが、減速ギア（図示は省略）を介して鉄道車両の車軸と連結されている。鉄道車両は、車軸に接続された車輪２７とレール２８との間に生じる接線力により走行する。

　鉄道車両では、進行方向に応じて重心が変わることから進行方向に対して軸毎にトルクの配分を変更させる制御を用いること、回転電機への走行風の当たり方の影響を受けること、回転電機の通風ダクトの汚損状態の影響を受けること、等が起因して、回転電機毎に温度がばらつく。そのため、本発明を鉄道車両に適用することで、鉄道車両の駆動システムを高効率化する効果が得られる。

　以上のとおり、実施例１では、個々の永久磁石同期電動機の温度依存性を考慮してトルク操作量を個々に変化させることで、複数台の永久磁石同期電動機のトータル効率を向上させることが可能となる。

　実施例２は、実施例１と比べて、永久磁石同期電動機の温度情報として、センサレス制御で駆動中のトルクゼロ制御時における推定磁石温度を用いる点で異なる。これにより、図２に示す温度センサを不要とし、かつ、永久磁石同期電動機のインダクタンスや抵抗の定数誤差に対して、ロバストに永久磁石の温度を推定することができる。

　図８は、実施例２に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。
　実施例２の制御部２ａは、ＰＷＭ制御部７ａ、座標変換器８ａ、電流制御部９ａ、電流指令演算部１０ａ、温度推定部１１ａおよび速度推定部３１ａを内部に備える。

　電流指令演算部１０ａは、統括制御部１からのトルク指令値τ_ｍ１ ^＊に基づき、電流指令値Ｉ_ｄ１ ^＊およびＩ_ｑ１ ^＊を出力する。

　座標変換器８ａは、電流検出器５ａで検出した永久磁石同期電動機３の３相電流Ｉ_ｕ１、Ｉ_ｖ１およびＩ_ｗ１を、位相角θ_１を用いて回転座標系のｄｑ座標に変換し、Ｉ_ｄ１およびＩ_ｑ１として電流制御部９ａに出力する。

　電流制御部９ａは、Ｉ_ｄ１ ^＊およびＩ_ｑ１ ^＊に対して、ｄ軸電流検出値Ｉ_ｄ１およびｑ軸電流検出値Ｉ_ｑ１が一致するように、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御等により電流偏差をゼロに収束させるように、電圧指令値Ｖ_ｄ１ ^＊およびＶ_ｑ１ ^＊を出力する。

　ＰＷＭ制御部７ａは、電圧指令値Ｖ_ｄ１ ^＊およびＶ_ｑ１ ^＊に基づき、電圧出力装置３ａを制御するためのスイッチング指令ＳＷ_１を出力する。

　速度推定部３１ａは、電流検出値Ｉ_ｄ１およびＩ_ｑ１と電圧指令値Ｖ_ｄ１ ^＊およびＶ_ｑ１ ^＊とに基づき、回転子の角周波数ω_１ ^＊を推定する。

　温度推定部１１ａは、電流指令値Ｉ_ｄ１ ^＊およびＩ_ｑ１ ^＊または電流検出値Ｉ_ｄ１およびＩ_ｑ１と、電圧指令値Ｖ_ｄ１ ^＊およびＶ_ｑ１ ^＊と、角周波数ω_１ ^＊とに基づいて、磁石温度推定値Ｔ_１＾または磁石磁束推定値Ｋ_ｅ１＾を出力する。磁石温度および磁石磁束は、基準値に対して－０．１％／℃の換算で算出するものとし、どちらを推定値として出力する構成としてもよい。以降では、磁石磁束推定値Ｋ_ｅ１＾を用いて説明する。
　また、制御部２ｂの内部のブロック図は、制御部２ａと同一構成であるので、図示を省略する。

　以下に、永久磁石の温度を高精度に推定する原理について説明する。永久磁石同期電動機の電圧方程式は次式（３）および（４）で表される。

　仮に、永久磁石同期電動機の実際の電圧、電流、抵抗値およびインダクタンスの各状態量を正確に把握できるとすれば、式（５）にて磁束の推定値Ｋ_ｅ＾を算定できる。

　式（５）により磁石磁束の定数Ｋ_ｅ＾の算定を考えると、電圧ｖ_ｄおよびｖ_ｑは電圧出力装置３の電圧指令値ｖ_ｄ ^＊およびｖ_ｑ ^＊を参照し、電流は電流検出値ｉ_ｄおよびｉ_ｑを用いればよい。ところが、抵抗ｒ_１とインダクンタスＬ_ｄおよびＬ_ｑは、永久磁石同期電動機の巻線温度や、鉄心に用いられる磁性材料の磁気飽和特性、モータ構造および電流条件に依存するものであることから、正確に把握することが難しい。

　そこで、発明者らは、定数誤差の影響を受けずに磁石磁束Ｋ_ｅを推定するために、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉ_ｄ１ ^＊およびＩ_ｑ１ ^＊を意図的にゼロとして、式（２）に示すトルクをゼロに制御した状態において、制御が安定した状態での電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊および角周波数ω_１ ^＊を用いることで、抵抗ｒ_１およびインダクタンスＬ_ｄ並びにＬ_ｑの定数誤差の影響を受けることなく磁石磁束Ｋ_ｅを推定できることを見出した。

　式（２）および（３）で、電流指令値Ｉ_ｄ ^＊およびＩ_ｑ ^＊をゼロに設定し、電流制御部１０による電流制御の誤差をゼロと見なすと、整定した状態の電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊およびＶ_ｑ ^＊は、次式（６）および（７）となる。

　すなわち、磁石磁束の推定値Ｋ_ｅ＾は、次式（８）にて算出できる。

　電流指令値Ｉ_ｄ ^＊およびＩ_ｑ ^＊をゼロにして、電流制御による誤差がゼロとすると、ｑ軸の電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊は、実際の磁石磁束Ｋ_ｅによる誘起電圧を打ち消すだけの電圧を出力する状態となる。よって、式（７）は、抵抗ｒ_１およびインダクンタスＬ_ｄ並びにＬ_ｑの項を含まず、電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊はω_１ ^＊とＫ_ｅのみによって算定できることが分かる。

　また、同一の周波数において磁石磁束が変動した場合を例にすると、式（７）から、永久磁石の温度が上昇して実際の磁石磁束Ｋ_ｅが減少した場合には、整定した状態のＶ_ｑ ^＊も減少する。逆に、永久磁石の温度が低下して実際の磁束Ｋ_ｅが増加した場合には、整定した状態のＶ_ｑ ^＊も増加する。このようにして、電流指令値Ｉ_ｄ ^＊およびＩ_ｑ ^＊をゼロとした際のｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊に基づき、磁石磁束Ｋ_ｅを推定することが可能となる。ただし、式（８）から、永久磁石同期電動機の回転子速度ω_１がゼロの条件では、実施例２の推定法は原理的に適用できない。

　ここで、実施例２の推定法では、電流制御による電流偏差がゼロとなっている必要があるため、電流指令値Ｉ_ｄ ^＊およびＩ_ｑ ^＊をゼロとして駆動制御し、制御が整定した状態でのｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊および角周波数指令値ω_１ ^＊を用いる。また、ノイズの影響を除去するために、フィルタ処理、移動平均処理または積分処理を施してもよい。

　次に、このトルクゼロ制御期間に実施する磁石磁束の推定は、ゲートオフかつ回転子がフリーラン（惰行）中から、永久磁石同期電動機を再起動する際のトルク立上げ前のトルクゼロ制御期間を用いて実施するか、または、トルク立下げ後のゲートオフ直前のトルクゼロ制御期間を用いて実施する。

　図９は、惰行再起動時のトルク立上げ前のトルクゼロ制御期間に磁石磁束の推定を実施する時間的流れを示す図である。また、図１０は、トルク立下げ後のゲートオフ直前のトルクゼロ制御期間に磁石磁束の推定を実施する時間的流れを示す図である。

　ただし、トルクゼロ指令時において、電流を厳密にゼロとせずに、微小なｄ軸電流を流す構成としてもよい。電圧出力装置３ａおよび３ｂでは、各相に設けられた上下アームに備えたＩＧＢＴ等の素子の短絡防止のために、上下の出力素子を同時にオフする期間を設けるため、電圧補償を加えない場合は、この同時オフ期間の出力電圧が不足することとなる。そこで、公知として知られるデッドタイム補償技術により、電流検出値または電流指令値の極性に基づき、指令値通りの電圧を出力できるように、電圧指令値に補償を加える。

　特に、永久磁石同期電動機の誘起電圧が低くかつ変調率の低い低速域では、細い幅の電圧パルスを数多く出力する状態となるため、出力電圧に対して相対的にこの同時オフ期間が占める割合が大きくなり、出力電圧に与える影響が大きくなり易い。
　すなわち、低速域において、実施例１に示したｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊とｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊の両者をゼロにした場合、上述のとおり、デッドタイム補償に用いる電流検出値または電流指令値の極性が正確に把握できず、誤った極性に基づき電圧補償したとなれば、デッドタイム補償によって逆に電圧誤差を増加させることになり、推定精度を低下させる可能性がある。

　これに対し、電流指令値または電流検出値の極性を判断できるように、ｑ軸電流指令値はゼロとしつつ、ｄ軸電流指令値には意図的に微小な値を与える。これにより、トルクゼロ指令時においても、電流の極性の判別が可能となり、デッドタイム補償を正確に動作させることができ、電圧出力精度を向上させることができる。

　ただし、式（１０）に示すように、ｄ軸インダクンタスＬ_ｄの定数誤差の影響を受けないように、微小な電流指令値Ｉ_ｄの大きさは、電機子反作用による磁束（Ｌ_ｄとＩ_ｄの積）が、磁石磁束Ｋ_ｅに対して１／５程度以下になるようにする。例えば、１／５以下にする場合、制御器に設定している発電定数の設定値（基準値）Ｋ_e ^*とｄ軸インダクンタスＬ_ｄ ^*に対して、微小な電流指令値Ｉ_ｄ ^*の大きさは、式（１１）の範囲にすればよい。

　以上のとおり、実施例２では、センサレス制御でのトルク指令値をゼロに制御した期間に磁石温度（または磁石磁束）を算出することで、温度センサを用いることなく、高精度に温度情報を得ることができる。また、実施例２は、実施例１に記載のトルク操作量の割り振りを正確に配分でき、実施例１よりも更なる高効率化およびシステムの簡素化が可能となる。

１…統括制御部、２…制御部、３…電圧出力装置、４…永久磁石同期電動機、５…電流検出器、６…交流接触器、７…ＰＷＭ制御部、８…座標変換器、９…電流制御部、１０…電流指令演算部、１１…磁石温度推定部、１２…トルク指令演算部、２０…フィルタコンデンサ、２１…フィルタリアクトル、２２…断流器、２３…高速度遮断器、２４…パンタ、２５…架線、２６…トルク補償演算部、２７…車輪、２８…レール、３０…インバータ、３１…速度推定演算部、４０…温度検出器

Claims

　複数の回転電機に対して任意の電圧を出力する複数の電圧出力装置と、
　前記電圧出力装置の出力電圧を調整する制御装置と
を備え、
　前記制御装置は、
　前記複数の回転電機個々の温度を取得し、
　前記個々の温度に基づいて前記複数の回転電機の中から相対的に高効率となる回転電機を選定し、
　選定した前記回転電機に対するトルク指令値を他の前記複数の回転電機に対して相対的に増加させる
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項１に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記複数の回転電機に対するトルク指令値の総量は略一定となる
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項１または２に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記回転電機は永久磁石同期電動機である
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項３に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、
　低速域では前記温度が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に低い電動機を選定し、
　高速域では前記温度が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に高い電動機を選定する
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項３に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、
　前記トルク指令値が大きい場合は前記温度が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に低い電動機を選定し、
　前記トルク指令値が小さい場合は前記温度が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に高い電動機を選定する
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項３から５のいずれか１項に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、
　前記永久磁石同期電動機の温度変化時における当該永久磁石同期電動機の効率を示すマップまたは当該効率を求める演算式を記録しておき、
　前記マップまたは前記演算式に基づき、前記永久磁石同期電動機の温度変化に対して複数の前記永久磁石同期電動機の中から相対的に高効率となる電動機を選定する
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項３から６のいずれか１項に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、前記永久磁石同期電動機の高速域または低トルク域で、前記温度が予め設定した許容温度を超えた場合に、当該温度の高い当該永久磁石同期電動機に対する前記トルク指令値を増加させない
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項３から７のいずれか１項に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記温度として、前記永久磁石同期電動機の回転子中の永久磁石の温度推定値を用いる
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項８に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、前記温度または前記永久磁石の磁束量を、前記永久磁石同期電動機に対する前記トルク指令値を略ゼロにして駆動する期間を利用して推定する
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項９に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記回転子中の永久磁石が形成する磁極の方向をｄ軸、当該ｄ軸に対して電気角で直行する方向をｑ軸、前記制御装置での前記ｄ軸におけるインダクタンスの設定値および前記磁石磁束の設定値をそれぞれＬ_ｄ ^＊およびＫ_e ^＊並びに前記ｄ軸の電流指令値をi_ｄ ^＊とした場合に、
　前記トルク指令値が略ゼロとは、前記ｑ軸の電流指令値がゼロで、かつ前記ｄ軸の電流指令値i_ｄ ^＊が

である
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項９または１０に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、前記永久磁石同期電動機に対する電圧出力が停止されかつ当該永久磁石同期電動機の回転子がフリーランの状態からの惰行再起動時において、前記トルク指令値を立ち上げる前に設けた当該トルク指令値をゼロにする期間に前記温度または前記磁束量を推定する
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項９から１１のいずれか１項に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、前記トルク指令値をゼロに絞った後で前記永久磁石同期電動機の回転子速度が所定値以上である場合において、前記トルク指令値をゼロとして駆動する期間に前記温度または前記磁束量を推定する
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項１または２に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記回転電機は誘導電動機である
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項１３に記載の回転電機の駆動装置であって、
　前記制御装置は、前記温度の低い前記誘導電動機に対する前記トルク指令値を他の前記誘導電動機に対して相対的に増加させる
ことを特徴とする回転電機の駆動装置。
　請求項１から１４のいずれか１項に記載の回転電機の駆動装置を搭載し当該回転電機は車輪を駆動する電動機である鉄道車両。
　任意の電圧を出力する複数の電圧出力装置によって駆動される複数の回転電機個々の温度情報を取得し、
　前記個々の温度情報に基づいて前記複数の回転電機の中から相対的に高効率となる回転電機を選定し、
　選定した前記回転電機に対するトルク指令値を他の前記複数の回転電機に対して相対的に増加させる
ことを特徴とする回転電機の駆動方法。
　請求項１６に記載の回転電機の駆動方法であって、
　前記複数の回転電機に対するトルク指令値の総量を略一定とする
ことを特徴とする回転電機の駆動方法。
　請求項１６または１７に記載の回転電機の駆動方法であって、
　前記回転電機は永久磁石同期電動機であり、
　低速域では前記温度情報の値が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に低い電動機を選定し、高速域では前記温度情報の値が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に高い電動機を選定する
ことを特徴とする回転電機の駆動方法。
　請求項１６または１７に記載の回転電機の駆動方法であって、
　前記回転電機は永久磁石同期電動機であり、
　前記トルク指令値が大きい場合は前記温度情報の値が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に低い電動機を選定し、前記トルク指令値が小さい場合は前記温度情報の値が複数の前記永久磁石同期電動機の中で相対的に高い電動機を選定する
ことを特徴とする回転電機の駆動方法。