JP2014007851A - Control device for electric motor, and control method for electric motor - Google Patents
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Abstract
【課題】永久磁石の温度と磁束密度が一対一に対応していない場合であっても、永久磁石の温度を精度良く推定する。
【解決手段】電動機100の制御装置及び制御方法は、電動機100の基本波id、iq及びn次高調波id_n、iq_nをそれぞれ検出し、電動機100の基本波id、iqから永久磁石による磁束密度の基本波成分Φa_1stを求め、電動機100のn次高調波id_n、iq_nから永久磁石による磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを求める。磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石の温度Tmとの相関を示すデータを参照して、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstから、永久磁石の温度Tm或いは磁束密度Φaを推定する。
【選択図】図1The temperature of a permanent magnet is accurately estimated even when the temperature and magnetic flux density of the permanent magnet do not correspond one-to-one.
A control device and a control method for an electric motor 100 detect fundamental waves id, iq and n-order harmonics id_n, iq_n of the electric motor 100, respectively, and determine a magnetic flux density by a permanent magnet from the fundamental waves id, iq of the electric motor 100. The fundamental wave component Φa_1st is obtained, and the nth harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density by the permanent magnet is obtained from the nth harmonics id_n and iq_n of the electric motor 100. With reference to data indicating the correlation between the fundamental wave component Φa_1st and the nth harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density and the temperature Tm of the permanent magnet, the fundamental wave component Φa_1st and the nth harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density The temperature Tm or the magnetic flux density Φa is estimated.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、永久磁石を備える電動機の制御装置及び電動機の制御方法に関する。 The present invention relates to an electric motor control device including a permanent magnet and an electric motor control method.
一般に、永久磁石は温度依存性を有し、永久磁石の温度が高温になるほど、永久磁石の磁束が減少する。また、永久磁石は熱に弱く、高温になるほど、減磁耐力が減少する。よって、永久磁石の温度が変化すると、永久磁石を埋め込んだ電動機が出力するトルクの精度、電動機の制御効率、及び電流応答性が悪化してしまう。また、温度上昇による永久磁石の減磁を抑制するために、耐熱マージンを十分大きく取り、耐熱性の高い磁石材料を用いて永久磁石を製造する必要があり、製造コストが高くなる。永久磁石の温度を知ることができれば、電動機のトルク精度、電動機の制御効率、電流応答性を向上させ、永久磁石の設計マージンを小さくすることができる。そこで、従来から、電動機のロータに埋め込まれた永久磁石の温度を推定する発明が提案されている(例えば特許文献1参照)。 Generally, a permanent magnet has temperature dependence, and the magnetic flux of a permanent magnet decreases as the temperature of the permanent magnet increases. In addition, the permanent magnet is vulnerable to heat, and the demagnetization resistance decreases as the temperature increases. Therefore, when the temperature of the permanent magnet changes, the accuracy of the torque output from the electric motor in which the permanent magnet is embedded, the control efficiency of the electric motor, and the current response are deteriorated. Moreover, in order to suppress demagnetization of the permanent magnet due to temperature rise, it is necessary to make a sufficiently large heat-resistant margin and to manufacture the permanent magnet using a magnet material having high heat resistance, which increases the manufacturing cost. If the temperature of the permanent magnet can be known, the torque accuracy of the motor, the control efficiency of the motor, and the current response can be improved, and the design margin of the permanent magnet can be reduced. Thus, an invention for estimating the temperature of a permanent magnet embedded in a rotor of an electric motor has been proposed (for example, see Patent Document 1).
特許文献1では、定常状態における誘起電圧から永久磁石の温度を推定している。また、特許文献1に記載された電動機は、外ロータ及び内ロータからなる2重ロータ構造を有し、ロータ間の位相差に応じてロータ全体の磁束密度を変化させる可変機構を有する。よって、このような磁束密度の可変機構を有する電動機においては、ロータ間の位相差を測定しなければ、誘起電圧(磁束密度)の変化が、可変機構によるものなのか、それとも永久磁石の温度変化によるものなのかを判断することができない。
In
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、永久磁石の温度と磁束密度が一対一に対応していない場合であっても、永久磁石の温度を推定することができる電動機の制御装置及び電動機の制御方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and the purpose thereof is to estimate the temperature of the permanent magnet even when the temperature and magnetic flux density of the permanent magnet do not correspond one-to-one. It is providing the control apparatus of an electric motor, and the control method of an electric motor.
上記目的を達成するため、本発明の実施形態に係わる電動機の制御装置及び制御方法は、電動機の基本波及びn次高調波をそれぞれ検出し、電動機の基本波から永久磁石による磁束密度の基本波成分を求め、電動機のn次高調波から永久磁石による磁束密度のn次高調波成分を求める。そして、磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分と永久磁石の温度との相関を示すデータを参照して、磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分から、永久磁石の温度或いは磁束密度を推定する。 In order to achieve the above object, an electric motor control apparatus and control method according to an embodiment of the present invention detects a fundamental wave and an nth harmonic of the electric motor, respectively, and generates a fundamental wave of magnetic flux density by a permanent magnet from the fundamental wave of the electric motor. The component is obtained, and the nth harmonic component of the magnetic flux density by the permanent magnet is obtained from the nth harmonic of the electric motor. Then, referring to the data indicating the correlation between the fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density and the temperature of the permanent magnet, the temperature or magnetic flux of the permanent magnet is obtained from the fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density. Estimate density.
本発明の電動機の制御装置及び電動機の制御方法によれば、永久磁石の温度と磁束密度が一対一に対応していない場合であっても、永久磁石の温度を正確に推定することができる。 According to the motor control device and motor control method of the present invention, the temperature of the permanent magnet can be accurately estimated even when the temperature of the permanent magnet and the magnetic flux density do not correspond one-to-one.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
(第1実施形態)
図2は、本発明の実施形態における永久磁石型電動機(以後、「電動機」という)の1極分の構造の第1例を示した部分断面図である。電動機は、外周ケースに固定されたステータ2と、ステータ2の内周側にエアギャップを介して配置され、ロータシャフト3に固定されたロータ4とを備える。ステータ2は、例えば電磁鋼板を積層して形成されたステータコアを有し、このステータコアの周方向に等間隔に設けられたスロット5に電機子コイル6が巻き込まれた構造を有する。
(First embodiment)
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a first example of the structure of one pole of a permanent magnet type electric motor (hereinafter referred to as “electric motor”) in an embodiment of the present invention. The electric motor includes a
一方、ロータ4は、例えばロータシャフト3の軸周りに電磁鋼板を積層することで形成されたロータコア7を有し、ロータコア7の周方向に等間隔に磁極を形成する永久磁石10a、10bが配置された構造を有する。永久磁石10a、10bは、ステータ2に対してN極を向けた永久磁石10aと、S極を向けた永久磁石10bが周方向に交互に配列された構成を有する。このように構成される電動機では、ステータ2の電機子コイル6に対してロータ4の極対数に対応した駆動周波数の交流を通電することで発生する回転磁界と、ロータ4の永久磁石10a、10bによって発生する磁石磁界との相互作用により、ロータ4及びロータシャフト3が回転する。
On the other hand, the
図2に示す電動機において、ロータ4の磁極を形成する永久磁石10a、10bの各々は、比較的保磁力が大きい磁石(以下、高保磁力磁石部11a、11bという。)と、比較的保磁力が小さい磁石(以下、低保磁力磁石部12a、12bという。)とを組み合わせた構成を有する。そして、図1(a)及び図1(b)を参照して後述する電動機の制御装置による制御のもとで、駆動周波数の基本波成分に対して駆動周波数の高調波成分を重畳した複合電流を電機子コイル6に通電し、永久磁石10a、10bの低保磁力磁石部12a、12bの減磁状態を複合電流の高調波成分によって制御することで、永久磁石10a、10bによる磁束密度を制御する。このように、図2に示す電動機は、低保磁力磁石部12a、12bの減磁状態を制御することによる磁束密度の可変機構を有する。なお、高保磁力磁石部11a、11bとしては、例えばNdFeB磁石などを用いることができる。また、低保磁力磁石部12a、12bとしては、起磁力が高く、保磁力の比較的小さい磁石、例えばアルニコ磁石や、保磁力を高めるためのDyなどの元素を添加しないネオジム磁石などを用いることができる。
In the electric motor shown in FIG. 2, each of the
先ず、図1(a)及び図1(b)を参照して、本発明の第1実施形態に係わる電動機の制御装置の構成を説明する。電動機100はインバータ101を介して直流電源102に接続されている。制御装置は、永久磁石10a、10bを有するロータ4と、電機子コイル6を有するステータ2とを備える電動機100を、駆動周波数の基本波及びn(nは2以上の自然数である)次高調波を用いて制御する。
First, the configuration of the motor control device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). The
制御装置は、インバータ101に対してU,V,W各相の電圧指令値を与えてインバータ101の各相アームのスイッチング動作を制御することで、電動機100の各相の電機子コイル6に極対数に対応した駆動周波数の交流を通電し、電動機100の動作を制御する。電流センサ103は、電機子コイル6へ通電する電流iu、iv、iwを検出する。ポジションセンサ104は、ロータ4の位置としての回転角θを検出する。ポジションセンサ104は、ロータ4の回転角θを微分してロータ4の電気角速度ωを算出する。電流センサ103による検出値は、後述する第1制御ブロック30及び第2制御ブロック40にフィードバックされる。また、ポジションセンサ104による演算値は、第1制御ブロック30へフィードバックされる。
The control device applies voltage command values for U, V, and W phases to the
制御装置は、電動機100の駆動周波数の基本波に対応した電流制御用の第1制御ブロック30と、ロータ4が備える低保磁力磁石部12a、12bの着磁状態を制御するための高調波成分に対応した電流制御用の第2制御ブロック40と、加算器50とを備える。
The control device includes harmonic components for controlling the magnetization state of the
第1制御ブロック30では、電動機100に対する要求トルクに応じた基本波制御用の電流指令id*及び電流指令iq*とフィードバック信号との差分を電流制御器31に入力する。電流制御器31は、電機子コイル6へ印加する電圧指令を生成する。電流制御器31により生成された電圧指令は、非干渉制御部34により生成された電圧指令と合算されて、電圧指令vd、vqとなる。そして、電流ベクトル制御部32aは、電圧指令vd、vqを、U,V,W各相分の電圧指令vu、vv、vwに座標変換し、基本波に対応した電圧指令として出力する。電流ベクトル制御部32bは、電流センサ103の検出値iu、iv、iwの基本波をdq座標系に変換する。ローパスフィルタ33は、dq座標系に変換された基本波の検出値id、iqから、高周波成分(ノイズ成分)を除去して、前述したフィードバック信号を生成する。
In the
一方、第2制御ブロック40では、電動機100の運転状態(回転数)に応じたn次の高調波成分制御用の電流指令id_n*及び電流指令iq_n*とフィードバック信号との差分を電流制御器41に入力する。電流制御器41は、電機子コイル6へ印加する電圧指令vd_n、vq_nを生成する。そして、電流ベクトル制御部42aは、電流制御器41にて生成された電圧指令vd_n、vq_nを、U、V、W各相分の電圧指令vu_n、vv_n、vw_nに座標変換し、n次高調波成分に対応した電圧指令として出力する。電流ベクトル制御部42bは、電流センサ103の検出値iu、iv、iwのn次高調波をdq座標系の検出値id_n、iq_nに変換する。ローパスフィルタ43は、dq座標系に変換されたn次高調波の検出値id_n、iq_nから基本波成分及びその他の次数の周波数成分(ノイズ成分)を除去して、前述したフィードバック信号を生成する。
On the other hand, the
ここで、「n」は2以上の自然数であり、後述するように、電動機100の特性に応じて変化させる。また、本実施形態では、駆動周波数のn次高周波成分の制御ブロックとして、1つの制御ブロック(第2制御ブロック40)のみを示すが、制御装置は、次数(n)が異なる2つ以上の高周波成分の制御ブロック(第3制御ブロック、第4制御ブロック、・・・)を備えていても構わない。
Here, “n” is a natural number of 2 or more, and is changed according to the characteristics of the
図1(a)において、電流センサ103の検出値iu、iv、iwの基本波をdq座標系に変換する電流ベクトル制御部32bは、「電動機の基本波を検出する基本波検出部」の一例である。また、電流センサ103の検出値iu、iv、iwのn次高調波をdq座標系に変換する電流ベクトル制御部42bは、「電動機のn次高調波を検出するn次高調波検出部」の一例である。
In FIG. 1A, the current
図1(b)に示すように、本実施形態に係わる制御装置は、電動機100の基本波から永久磁石10a、10bによる磁束密度の基本波成分Φa_1stを演算する基本波磁束演算部61と、電動機100のn次高調波から磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを演算するn次高調波磁束演算部62と、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石の温度Tm及び磁束密度の可変量との相関を示すデータを記憶する相関データ記憶部71と、相関データ記憶部71に記憶されたデータを参照して、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstから、永久磁石10a、10bの温度Tm或いは磁束密度Φaを推定する磁石パラメータ推定部70とを備える。
As shown in FIG. 1B, the control device according to the present embodiment includes a fundamental wave magnetic
「電動機100の基本波」には、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置の基本波が含まれる。「電機子コイル6に流れる電流の基本波」には、電流ベクトル制御部32bによりdq座標系に変換された基本波の検出値id、iqが含まれる。「電機子コイル6に対して印加される電圧の基本波」には、電流制御器31にて生成された電圧指令vd、vqが含まれる。電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置の基本波は、電機子コイル6に流れる電流の基本波及び電機子コイル6に対して印加される電圧の基本波から、既知の演算手法により算出することができる。或いは、ロータ4の位置の基本波は、ポジションセンサ104により検出されたロータ4の回転角θから求めることも可能である。
The “fundamental wave of the
基本波磁束演算部61は、これらの電動機100の基本波から、既知の演算手法により永久磁石10a、10bによる磁束密度の基本波成分Φa_1stを演算することができる。例えば(1)式に検出電流id、iq、電圧指令vd、vqを代入することにより、磁束密度Φa_1stを算出することができる。(1)式において、vqはq軸の電圧を示し、R(t)は電機子コイル6の抵抗、tは電機子コイル6の温度を示し、iqはq軸の電流を示し、ωはロータ4の角速度を示し、Φaは磁束密度を示し、Ldは電機子コイル6のインダクタンスを示し、idはd軸の電流を示す。
The fundamental wave magnetic
「電動機100のn次高調波」には、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置のn次高調波が含まれる。「電機子コイル6に流れる電流のn次高調波」には、電流ベクトル制御部42bによりdq座標系に変換されたn次高調波の検出値id_n、iq_nが含まれる。「電機子コイル6に対して印加される電圧のn次高調波」には、電流制御器41にて生成された電圧指令vd_n、vq_nが含まれる。電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置のn次高調波は、電機子コイル6に流れる電流のn次高調波及び電機子コイル6に対して印加される電圧のn次高調波から、既知の演算手法により算出することができる。或いは、ロータ4の位置のn次高調波は、ポジションセンサ104により検出されたロータ4の回転角θから求めることも可能である。
The “nth harmonic of the
n次高調波磁束演算部62は、これらの電動機100のn次高調波から、既知の演算手法により永久磁石10a、10bによる磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを演算することができる。例えば(1)式に電流検出値id_n、iq_n、電圧指令vd_n、vq_nを代入することにより、磁束密度Φa_nstを算出することができる。
The n-order harmonic magnetic
相関データ記憶部71及び磁石パラメータ推定部70については、図3を参照して後述する。
The correlation
図3を参照して、相関データ記憶部71に記憶されている、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石10a、10bの温度Tm及び磁束密度の可変量との相関を示すデータの一例を説明する。図3に示すグラフは、図2に示した低保磁力磁石部12a、12bを50%まで減磁した状態(L)、及び低保磁力磁石部12a、12bを減磁していない状態(H)の各々について、高保磁力磁石部11a、11bの温度を、60℃、100℃及び140℃にそれぞれ変化させた時の永久磁石10a、10bの磁束密度を、フーリエ級数展開して次数毎に表記したものである。横軸が次数を示し、縦軸が磁束密度を示す。なお、横軸は、磁束密度分布(矩形波)を形成する1次(基本波)、3次、5次、・・・の奇数次成分のみを示す。図3において、「L」は、低保磁力磁石部12a、12bを50%まで減磁した状態を示し、「H」は、低保磁力磁石部12a、12bを減磁していない状態を示す。
Referring to FIG. 3, the correlation between the fundamental component Φa_1st and the nth-order harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density, the temperature Tm of the
図3に示すように、磁束密度の5次高調波成分は、基本波及び他の次数の高調波成分に比べて、高保磁力磁石部11a、11bの温度に対する依存性が低く、低保磁力磁石部12a、12bの減磁状態、つまり磁束密度の可変量に対する依存性が高い。一方、磁束密度の基本波成分は、高調波成分に比べて、高保磁力磁石部11a、11bの温度に対する依存性が高い。よって、例えば、n次高調波磁束演算部62が、磁束密度の5次高調波成分Φa_5stを演算すれば、磁石パラメータ推定部70は、図3に示すデータを参照して、低保磁力磁石部12a、12bの減磁状態(磁束密度の可変量)を精度良く推定することができる。そして、磁石パラメータ推定部70は、図3に示すデータを参照すれば、基本波磁束演算部61により演算された永久磁石による磁束密度の基本波成分Φa_1stから、永久磁石10a、10bの温度Tmを精度良く推定することができる。このように、低保磁力磁石部12a、12bの減磁状態(磁束密度)を変化させる可変機構を備える電動機において、誘起電圧(磁束密度)の変化が、減磁状態の変化によるものなのか、それとも永久磁石10a、10bの温度変化によるものなのかを精度良く判断することができる。よって、磁束密度の可変機構により、永久磁石10a、10bの温度Tmと磁束密度が一対一に対応していない場合であっても、永久磁石10a、10bの温度Tmを精度良く推定することができる。つまり、磁束密度の可変機構による可変量を測定すること無く、永久磁石10a、10bの温度Tm及び磁束密度の可変機構による可変量を推定することができる。
As shown in FIG. 3, the fifth harmonic component of the magnetic flux density is less dependent on the temperature of the high coercive
通常、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstは、永久磁石10a、10bの温度Tm及び磁束密度の可変量Vによって、(2)式及び(3)式により表すことができる。(2)式及び(3)式において、A〜Dは、それぞれ電動機100に固有な定数である。
Usually, the fundamental wave component Φa_1st and the nth-order harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density can be expressed by the equations (2) and (3) by the temperature Tm of the
Φa_1st=A・Tm+B・V ・・・(2)
Φa_nst=C・Tm+D・V ・・・(3)
Φa_1st = A · Tm + B · V (2)
Φa_nst = C · Tm + D · V (3)
(2)式及び(3)式に、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstを代入して、(2)式及び(3)式の連立方程式を解くことにより、永久磁石10a、10bの温度Tm及び磁束密度の可変量Vをそれぞれ求めることができる。
By substituting the fundamental wave component Φa_1st and the nth-order harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density into the equations (2) and (3) and solving the simultaneous equations of the equations (2) and (3), the
図4は、本発明の第1実施形態における電動機の構造の第2例を示した部分断面図である。本実施形態における磁束密度の可変機構は、図2に示すものに限定されない。その他の磁束密度の可変機構を有する電動機を図4を参照して説明する。 FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a second example of the structure of the electric motor in the first embodiment of the present invention. The mechanism for varying the magnetic flux density in the present embodiment is not limited to that shown in FIG. An electric motor having another variable magnetic flux density mechanism will be described with reference to FIG.
図4に示す電動機は、図2と比べて、隣接する永久磁石10a、10bの隙間に、磁路を短絡させるためのコア8を抜き差し自在である点、及び永久磁石10a、10bが高保磁力磁石部11a、11bのみで構成され、図2の低保磁力磁石部12a、12bを備えていない点が相違する。その他の構成は、図2と同じであり、図示及び説明を省略する。
Compared with FIG. 2, the motor shown in FIG. 4 is such that the
コア8が無い場合、隣接する永久磁石10a、10bの隙間は空気により満たされる。空気はコア8に比べて磁束が通りにくいため、永久磁石10a、10bによる磁束はロータ4内で短絡しにくくなり、ロータ4からステータ2へ通じる磁束密度が増加する。一方、コア8が有る場合、永久磁石10a、10bによる磁束はロータ4内で短絡し易くなり、ロータ4からステータ2へ通じる磁束密度が減少する。このように、図4に示す電動機は、コア8の抜き差しによる磁束密度の可変機構を有する。
In the absence of the
図5を参照して、図4の電動機における、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石10a、10bの温度Tmとの相関を示すデータの一例を説明する。図5のグラフは、図3と同様に、相関データ記憶部71に記憶されている。図5に示すグラフは、図4の電動機においてコア8が有る状態(S)、及びコア8が無い状態(A)の各々について、永久磁石10a、10bの温度を、60℃、100℃及び140℃にそれぞれ変化させた時の永久磁石10a、10bの磁束密度を、フーリエ級数展開して次数毎に表記したものである。横軸が次数を示し、縦軸が磁束密度を示す。なお、横軸は、矩形波を構成する1(基本波)、3、5、・・・の奇数次成分のみを示す。図5において、「S」は、コア8が有る状態を示し、「A」は、コア8が無い状態を示す。
With reference to FIG. 5, an example of data indicating the correlation between the fundamental wave component Φa_1st and the nth harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density and the temperature Tm of the
図5に示すように、磁束密度の7次高調波成分Φa_7stは、基本波及び他の次数の高調波成分に比べて、永久磁石10a、10bの温度に対する依存性が低く、コア8の有無に対する依存性が高い。一方で、磁束密度の基本波成分Φa_1stは、高調波成分Φa_nstに比べて、永久磁石10a、10bの温度に対する依存性が高い。よって、例えば、n次高調波磁束演算部62が、磁束密度の7次高調波成分Φa_7stを演算すれば、図5に示すデータを参照して、コア8の有無を精度良く推定することができる。そして、図5に示すデータを参照すれば、基本波磁束演算部61により演算された永久磁石10a、10bによる磁束密度の基本波成分Φa_1stから、永久磁石10a、10bの温度Tmを精度良く推定することができる。このように、コア8の有無を制御可能な電動機において、誘起電圧(磁束密度)の変化が、コア8の有無によるものなのか、それとも永久磁石10a、10bの温度変化によるものなのかを精度良く判断することができる。
As shown in FIG. 5, the seventh harmonic component Φa_7st of the magnetic flux density is less dependent on the temperature of the
図6(a)は、本発明の第1実施形態における電動機の構造の第3例を示した部分断面図であり、図6(b)は、図6(a)の電動機の回転軸9に沿った側面図である。図6(a)は、図6(b)のA−A切断面に沿った断面図である。本実施形態における磁束密度の可変機構は、図2及び図4に示すものに限定されない。その他の磁束密度の可変機構を有する電動機の例を図6を参照して説明する。
FIG. 6A is a partial cross-sectional view showing a third example of the structure of the electric motor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6B shows the
図6(a)及び図6(b)に示す電動機は、回転軸9方向に配列された第1ロータ4a及び第2ロータ4bからなる2重ロータ構造を有し、第1ロータ4aと第2ロータ4b間の位相差(スキュー)SKに応じてロータ全体の磁束密度(誘起電圧)を変化させる可変機構を有する。位相差(スキュー)SKは、第1ロータ4aのd軸dAX1と第2ロータ4bのd軸dAX2との成す角度である。また、永久磁石10a、10bが高保磁力磁石部11a、11bのみで構成され、図2の低保磁力磁石部12a、12bを備えていない。その他の構成は、図2と同じであり、図示及び説明を省略する。
The electric motor shown in FIG. 6A and FIG. 6B has a double rotor structure including a
図7(a)を参照して、図6(a)及び図6(b)の電動機における、位相の基本波成分及びn次高調波成分と位相差(スキュー)SKとの相関を示すデータの一例を説明する。 With reference to FIG. 7 (a), the data of the correlation between the fundamental wave component and the nth harmonic component of the phase and the phase difference (skew) SK in the electric motors of FIG. 6 (a) and FIG. 6 (b). An example will be described.
図7(a)に示すグラフは、図3及び図5と同様に、相関データ記憶部71に記憶されている。図7(a)に示すグラフは、図6(a)及び図6(b)の電動機において位相差(スキュー)SKが有る場合(S)、及び位相差(スキュー)SKが無い場合(N)の各々について、永久磁石10a、10bの温度を、60℃、100℃及び140℃にそれぞれ変化させた時の位相を、フーリエ級数展開する際の次数毎に表記したものである。横軸が次数を示し、縦軸が位相を示す。なお、横軸は、矩形波を構成する1(基本波)、3、5、・・・の奇数次成分のみを示す。図7(a)において、「S」は、位相差(スキュー)SKが有る状態を示し、「N」は、位相差(スキュー)SKが無い状態を示す。
The graph shown in FIG. 7A is stored in the correlation
図7(a)に示すように、位相の基本波及びn次高調波は、共に永久磁石10a、10bの温度Tmに対する依存性はない。位相の基本波は、位相差(スキュー)SKの有無に対する依存性は無いが、位相の3次高調波成分及び5次高調波成分は、位相差(スキュー)SKの有無に対する依存性が有る。よって、例えば、n次高調波磁束演算部62が、位相の3次高調波成分或いは5次高調波成分を演算すれば、図7(a)に示すデータを参照して、位相差(スキュー)SKの有無を精度良く推定することができる。そして、図7(b)に示すような磁束密度の基本波成分Φa_1stの温度依存性を表すデータを参照すれば、基本波磁束演算部61により演算された磁束密度の基本波成分Φa_1stから、永久磁石10a、10bの温度Tmを精度良く推定することができる。このように、位相差(スキュー)SKの有無を制御可能な電動機において、誘起電圧(磁束密度)の変化が、位相差(スキュー)SKの有無によるものなのか、それとも永久磁石10a、10bの温度変化によるものなのかを精度良く判断することができる。
As shown in FIG. 7A, both the fundamental wave of the phase and the n-th harmonic do not depend on the temperature Tm of the
図2、図4、図6(a)及び図6(b)に示したように、様々な形式の磁束密度の可変機構を備える電動機であっても、磁束密度(振幅)或いは位相の基本波成分及びn次高調波成分は、永久磁石10a、10bの温度Tm及び可変機構による磁束密度変化に応じてそれぞれ独立して変化する。そして、永久磁石10a、10bの温度Tmの変化に対する磁束密度のn次高調波成分の変化率は、永久磁石10a、10bの温度Tmの変化に対する磁束密度の基本波成分の変化率よりも小さい。よって、磁束密度(振幅)或いは位相の基本波成分と高調波成分とを用いることにより、可変機構による磁束密度の変化と、永久磁石10a、10bの温度変化による磁束密度の変化とを分離することができる。
As shown in FIG. 2, FIG. 4, FIG. 6 (a) and FIG. 6 (b), the fundamental wave of the magnetic flux density (amplitude) or phase is used even in an electric motor having various types of magnetic flux density variable mechanisms. The component and the nth harmonic component change independently according to the temperature Tm of the
ここで、電動機100が備える可変機構は、電動機100の運転条件に応じて、永久磁石10a、10bによる磁束密度、電機子コイル6に生じる誘起電圧、及び電機子コイル6のインダクタンスを含む「電動機定数」のうち少なくともいずれか1つを変更するものであればよい。図1(b)の相関データ記憶部71は、図3、図5、図7(a)及び図7(b)に示す磁束密度(振幅)或いは位相の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石10a、10bの温度及び上記した電動機定数との相関を示すデータを記憶する。図1(b)の磁石パラメータ推定部70は、磁束密度(振幅)或いは位相の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstから、永久磁石10a、10bの温度Tm及び上記した電動機定数を推定する。
Here, the variable mechanism included in the
また、図1(b)の基本波磁束演算部61に、電流ベクトル制御部32bによりdq座標系に変換された基本波の検出値id、iqを入力する替わりに、ローパスフィルタ33により高周波成分が除去されたフィードバック信号を入力してもよい。これにより、基本波の検出値id、iqからノイズが除去された信号を基本波磁束演算部61に入力することができる。
In addition, instead of inputting the fundamental wave detection values id and iq converted into the dq coordinate system by the current
同様に、図1(b)のn次高調波磁束演算部62に、電流ベクトル制御部42bによりdq座標系に変換されたn次高調波の検出値id_n、iq_nを入力する替わりに、ローパスフィルタ43により基本波成分及びその他の高周波成分が除去されたフィードバック信号を入力してもよい。これにより、n次高調波の検出値id_n、iq_nからノイズが除去された信号をn次高調波磁束演算部62に入力することができる。ローパスフィルタ33及びローパスフィルタ43は、本発明の「ノイズ除去部」の一例である。
Similarly, instead of inputting the detected values id_n and iq_n of the nth-order harmonics converted into the dq coordinate system by the current
また、電機子コイル6に流れる電流id、iq、id_n、iq_nの替わりに、電機子コイル6に対して印加される電圧vd、vq、vd_n、vq_n、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置の基本波及びn次高調波に対して、ノイズ除去を行ってもよい。この場合、ノイズ除去された、電機子コイル6に対して印加される電圧vd、vq、vd_n、vq_n、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、或いはロータ4の位置の基本波及びn次高調波から、永久磁石10a、10bによる磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstを演算することができる。
Further, instead of the currents id, iq, id_n, iq_n flowing through the
次に、図8を参照して、永久磁石10a、10bによる磁束密度を変化させる可変機構を有する電動機100について、磁束密度及び永久磁石10a、10bの温度Tmを推定する手順の一例を説明する。先ず、ステップS101において、電動機100の基本波及びn次高調波を検出する。n次高調波としては3以上の奇数次の高調波を検出するが、電動機100の特性に応じて「n」の値が設定される。ステップS102に進み、基本波磁束演算部61は、(1)式に従い、電動機100の基本波から永久磁石10a、10bによる磁束密度(振幅)及び位相の基本波成分を演算する。そして、n次高調波磁束演算部62は、(1)式に従い、電動機100のn次高調波から永久磁石10a、10bによる磁束密度(振幅)及び位相のn次高調波成分を演算する。
Next, an example of a procedure for estimating the magnetic flux density and the temperature Tm of the
ステップS103に進み、磁束密度(振幅)及び位相の基本波成分及びn次高調波成分から、電動機100の周方向における磁束密度の分布を演算する。
Proceeding to step S103, the magnetic flux density distribution in the circumferential direction of the
図9を参照して、磁束密度(振幅)及び位相の基本波成分及びn次高調波成分から、電動機100の周方向における磁束密度の分布を演算する方法を説明する。図9に示すように、周方向における永久磁石10a、10bの磁束密度の分布が均一である場合、磁束密度の分布は矩形波GAとなる。矩形波GAは、磁束密度の基本波成分WBと、奇数次の高調波成分(3次高調波成分W3、5次高調波成分W5、・・・)とを合成することにより表される。ここで、図2(a)に示したように、永久磁石10a、10bの中央部に位置する低保磁力磁石部12a、12bを50%まで減磁した場合、磁束密度の分布は、矩形波GAからその中央部が凹んだ凹形状へ変形する。この変形により、3次高調波成分W3の振幅は、基本波成分やその他の高調波成分の振幅に比べて大きくなる。これとは逆に、例えば、永久磁石10a、10bの周辺部に50%まで減磁した低保磁力磁石部12a、12bを配置した場合や、永久磁石10a、10bの周辺部HTの温度が局部的に上昇したことにより永久磁石10a、10bの周辺部HTの磁束が減少した場合、図9に示すように、磁束密度の分布は、矩形波GAからその中央部が突出した凸形状GBへ変形する。この変形により、3次高調波成分W3及び5次高調波成分W5の振幅は、基本波成分の振幅に比べて小さくなる。このように、磁束密度(振幅)及び位相の基本波成分及びn次高調波成分から、電動機100の周方向における磁束密度の分布を演算することができる。
With reference to FIG. 9, a method of calculating the magnetic flux density distribution in the circumferential direction of the
図8に戻り、ステップS104において、磁石パラメータ推定部70は、相関データ記憶部71に記憶されたデータを参照して、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstから、永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機100が備える可変機構による磁束密度の変化量を推定する。ここで、「永久磁石10a、10bの温度Tm」には、永久磁石10a、10bの温度の他に、電動機100の周方向における永久磁石10a、10bの温度分布も含まれる。
Returning to FIG. 8, in step S104, the magnet
以上説明したように、本発明の第1実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the following operational effects can be obtained.
永久磁石10a、10bによる磁束密度の基本波成分Φa_1stの増減特性は、磁束密度のn次高調波成分Φa_nstの増減特性と異なる。そこで、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstを用いることにより、永久磁石10a、10bの温度Tmと磁束密度が一対一に対応していない場合であっても、永久磁石10a、10bの温度Tm或いは磁束密度を推定することができる。したがって、永久磁石10a、10bの耐熱マージンを過剰に大きく取る必要が無くなり、永久磁石10a、10bの製造コストを低減することができる。また、トルク精度、電動機の制御効率、及び電流応答性が向上する。
The increase / decrease characteristic of the fundamental wave component Φa_1st of the magnetic flux density by the
電動機100が電動機定数の可変機構を有している場合であっても、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機定数との相関を示すデータを参照すれば、可変機構による電動機定数の変化量を測定すること無く、永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機定数を精度良く推定することができる。
Even when the
磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstは、永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機定数に応じてそれぞれ独立して変化する。永久磁石10a、10bの温度Tmの変化に対する磁束密度のn次高調波成分Φa_nstの変化率は、永久磁石10a、10bの温度Tmの変化に対する磁束密度の基本波成分Φa_1stの変化率よりも小さい。よって、磁束密度の基本波成分Φa_1stとn次高調波成分Φa_nstとを用いることにより、可変機構による磁束密度の変化と、永久磁石10a、10bの温度変化による磁束密度の変化とを分離することができる。
The fundamental wave component Φa_1st and the nth-order harmonic component Φa_nst of the magnetic flux density change independently according to the temperature Tm and the motor constant of the
電動機100の基本波は、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置のいずれか1以上の基本波である。また、電動機100のn次高調波は、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置のいずれか1以上のn次高調波である。電動機100の様々なパラメータを用いて、永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機定数を推定することができる。
The fundamental wave of the
制御装置は、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置の複数の周波数成分から、基本波及びn次高調波を除く他の周波数成分を除去するローパスフィルタ33、43(ノイズ除去部)を備える。これにより、ノイズ除去された基本波及びn次高調波を用いて、永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機定数を精度良く推定することができる。
The control device includes a current flowing through the
(第2実施形態)
図8のフローチャートでは、電動機定数として、永久磁石10a、10bによる磁束密度を変化させる可変機構を有する電動機100について、磁束密度及び永久磁石10a、10bの温度Tmを推定する手順を説明した。第2実施形態では、図10を参照して、電動機定数として、電機子コイル6に生じる誘起電圧を変化させる可変機構を有する電動機100について、誘起電圧及び永久磁石10a、10bの温度を推定する手順の一例を説明する。図10のステップS105の処理内容が、図8のステップS104と異なり、その他のステップでの処理内容は図8と同じであるので、説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the flowchart of FIG. 8, the procedure for estimating the magnetic flux density and the temperature Tm of the
図10のステップS105において、磁石パラメータ推定部70は、相関データ記憶部71に記憶されたデータを参照して、磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分から、永久磁石10a、10bの温度、及び電動機100が備える可変機構による誘起電圧の変化量を推定する。第2実施形態において、相関データ記憶部71には、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石10a、10bの温度Tm及び誘起電圧の可変量との相関を示すデータが記憶されている。
In step S105 of FIG. 10, the magnet
(第3実施形態)
第3実施形態では、図11を参照して、電動機定数として、電機子コイル6のインダクタンスを変化させる可変機構を有する電動機100について、インダクタンス及び永久磁石10a、10bの温度Tmを推定する手順の一例を説明する。図11のステップS106の処理内容は、図8のステップS104と異なり、その他のステップでの処理内容は図8と同じであるので、説明を省略する。
(Third embodiment)
In the third embodiment, referring to FIG. 11, an example of a procedure for estimating the inductance and the temperature Tm of the
図11のステップS106において、磁石パラメータ推定部70は、相関データ記憶部71に記憶されたデータを参照して、磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分から、永久磁石10a、10bの温度及び電動機100が備える可変機構によるインダクタンスの変化量を推定する。第3実施形態において、相関データ記憶部71には、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstと永久磁石10a、10bの温度Tm及びインダクタンスの可変量との相関を示すデータが記憶されている。
In step S106 of FIG. 11, the magnet
(第4実施形態)
第4実施形態では、図12を参照して、電動機100の基本波及びn次高調波として、電機子コイル6に流れる電流の基本波id、iq及びn次高調波id_n、iq_nを検出する場合の温度推定方法を説明する。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, with reference to FIG. 12, the fundamental waves id and iq of the current flowing through the
ステップS201において、電動機100の基本波として、電機子コイル6に流れる電流の基本波id、iqを検出し、電動機100のn次高調波として、電機子コイル6に流れる電流のn次高調波id_n、iq_nを検出する。そして、ステップS202において、基本波磁束演算部61は、(1)式を用いて、電流の基本波id、iqから磁束密度の基本波成分Φa_1stを算出する。n次高調波磁束演算部62は、(1)式を用いて、電流のn次高調波id_n、iq_nから磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを算出する。ステップS203は、図8のステップS103と同じであり説明を省略する。ステップS204に進み、磁石パラメータ推定部70は、相関データ記憶部71に記憶されたデータを参照して、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstから、永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機100が備える可変機構による電動機定数の変化量を推定する。
In step S201, the fundamental waves id and iq of the current flowing through the
(第5実施形態)
第5実施形態では、図13に示すように、ステップS205において、電動機100の基本波及びn次高調波として、電機子コイル6に印加される電圧の基本波vd、vq及びn次高調波vd_n、vq_nを検出する。そして、ステップS202において、基本波磁束演算部61は、(1)式を用いて、電圧の基本波vd、vqから磁束密度の基本波成分Φa_1stを算出する。n次高調波磁束演算部62は、(1)式を用いて、電圧のn次高調波vd_n、vq_nから磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを算出する。ステップS203及びS204は図12と同じであり、説明を省略する。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 13, in step S205, the fundamental waves vd and vq of the voltage applied to the
(第6実施形態)
第6実施形態では、図14に示すように、ステップS206において、電動機100の基本波及びn次高調波として、電機子コイル6のインダクタンスの基本波及びn次高調波を検出する。電機子コイル6のインダクタンスの基本波は、電機子コイル6に印加される電圧の基本波vd、vq及び電機子コイル6に流れる電流の基本波id、iqから、既知の演算手法を用いて、算出することができる。電機子コイル6のインダクタンスのn次高調波についても同様である。
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, as shown in FIG. 14, in step S206, the fundamental wave and the nth harmonic of the inductance of the
そして、ステップS202において、基本波磁束演算部61は、既知の演算手法を用いて、インダクタンスの基本波から磁束密度の基本波成分Φa_1stを算出する。n次高調波磁束演算部62は、既知の演算手法を用いて、インダクタンスのn次高調波から磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを算出する。ステップS203及びS204は図12と同じであり、説明を省略する。
In step S202, the fundamental wave
(第7実施形態)
第7実施形態では、図15に示すように、ステップS207において、電動機100の基本波及びn次高調波として、電動機100に発生するトルクの基本波及びn次高調波を検出する。電動機100に発生するトルクの基本波は、電機子コイル6に印加される電圧の基本波vd、vq及び電機子コイル6に流れる電流の基本波id、iqから、既知の演算手法を用いて、算出することができる。電動機100に発生するトルクのn次高調波についても同様である。
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, as shown in FIG. 15, in step S207, the fundamental wave and the nth harmonic of the torque generated in the
そして、ステップS202において、基本波磁束演算部61は、既知の演算手法を用いて、トルクの基本波から磁束密度の基本波成分Φa_1stを算出する。n次高調波磁束演算部62は、既知の演算手法を用いて、トルクのn次高調波から磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを算出する。ステップS203及びS204は図12と同じであり、説明を省略する。
In step S202, the fundamental wave
(第8実施形態)
第8実施形態では、図16に示すように、ステップS208において、電動機100の基本波及びn次高調波として、ロータ4の位置(回転角)の基本波及びn次高調波を検出する。ロータ4の位置の基本波は、電機子コイル6に印加される電圧の基本波vd、vq及び電機子コイル6に流れる電流の基本波id、iqから、既知の演算手法を用いて、算出することができる。ロータ4の位置のn次高調波についても同様である。
(Eighth embodiment)
In the eighth embodiment, as shown in FIG. 16, in step S208, the fundamental wave and the nth harmonic of the position (rotation angle) of the
そして、ステップS202において、n次高調波磁束演算部62は、既知の演算手法を用いて、位置のn次高調波から磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを算出する。ステップS203及びS204は図12と同じであり、説明を省略する。
In step S202, the nth-order harmonic magnetic
(第9実施形態)
図12〜図16では、電動機100の基本波及びn次高調波として、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置のいずれか1つの基本波及びn次高調波を検出する場合を説明した。第9実施形態では、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧、電機子コイル6のインダクタンス、電動機100に発生するトルク、及びロータ4の位置のうち、いずれか2つ以上の電動機100の基本波及びn次高調波を検出する場合について説明する。
(Ninth embodiment)
12 to 16, as the fundamental wave and the nth harmonic of the
第9実施形態では、図17に示すように、ステップS209において、電動機100の基本波及びn次高調波として、電機子コイル6に流れる電流及び電機子コイル6に対して印加される電圧の基本波id、iq、vd、vq及びn次高調波id_n、iq_n、vd_n、vq_nを検出する。
In the ninth embodiment, as shown in FIG. 17, in step S <b> 209, the basic current and the voltage applied to the
そして、ステップS202において、基本波磁束演算部61は、(1)式に従い、電流及び電圧の基本波id、iq、vd、vqから磁束密度の基本波成分Φa_1stを算出する。n次高調波磁束演算部62は、(1)式に従い、電流及び電圧のn次高調波id_n、iq_n、vd_n、vq_nから磁束密度のn次高調波成分Φa_nstを算出する。ステップS203及びS204は図12と同じであり、説明を省略する。
In step S202, the fundamental wave
(第10実施形態)
第10実施形態では、図18を参照して、ロータ4の位置推定誤差と、電機子コイル6に流れる電流及び電機子コイル6に対して印加される電圧の検出値とを組み合わせて電動機定数及び磁石温度を推定する手順の一例を説明する。
(10th Embodiment)
In the tenth embodiment, referring to FIG. 18, the motor constant and the position estimation error of the
先ず、ステップS210において、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧及びロータ4の位置を検出する。ロータ4の位置は、ポジションセンサ104により検出されるロータ4の回転角θである。ステップS211において、電機子コイル6に流れる電流、電機子コイル6に対して印加される電圧を用いて、既知の方法を用いて、ロータ4の位置を推定する。ステップS212において、ロータ4の位置の推定値とロータ4の位置の検出値から、ロータ4の位置推定誤差を検出する。また、図17に示したステップS209、S202及びS203と同様な処理を実施する。そして、ステップS204において、磁石パラメータ推定部70は、ロータ4の位置推定誤差を考慮して、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstから、永久磁石10a、10bの温度Tm及び電動機100が備える可変機構による電動機定数の変化量を推定する。ロータ4の位置推定誤差を考慮することにより、温度Tm及び電動機定数の変化量の推定精度が向上する。
First, in step S210, the current flowing through the
(第11実施形態)
第1〜第10実施形態では、電動機100の運転条件に応じて電動機定数を変更する可変機構を備える電動機100について説明したが、第11実施形態では、電動機定数を変更する可変機構を備えていない電動機100に本発明を適用した例を説明する。
(Eleventh embodiment)
In the first to tenth embodiments, the
図9を参照して説明したように、磁束密度の可変機構を備えていない電動機100において、永久磁石10a、10bによる磁束密度の分布は矩形波GAとなる。ところが、例えば永久磁石10a、10bの周辺部HTの温度が局部的に上昇した場合、周辺部HTの磁束密度は中央部に比べて小さくなり、磁束密度の分布は、矩形波GAからその中央部が突出した凸形状GBへ変形する。前述したように、磁束密度の分布は、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstの組合せにより表すことができる。矩形波GAから凸形状GBへ変形した場合、3次高調波成分Φa_3stが、基本波成分Φa_1st及び5次高調波成分Φa_5stに比べて小さくなる。このように、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstから、磁束密度の可変機構を備えていない電動機100においても、永久磁石10a、10bの温度分布を求めることができる。
As described with reference to FIG. 9, in the
図19は、磁束密度の可変機構を備えていない電動機100において、永久磁石10a、、10bの温度Tmを推定する手順の一例を示すフローチャートである。電動機100が磁束密度の可変機構を備えていないため、磁束密度の分布を求める図8のステップS103は省略されている。その他のステップS101、S102、S104は、図8と同じであり、説明を省略する。
FIG. 19 is a flowchart illustrating an example of a procedure for estimating the temperature Tm of the
(第12実施形態)
ロータ4が回転していない場合、或いはロータ4の回転数が低回転状態にある場合、電動機100に誘起電圧が発生しない、或いは誘起電圧が微弱であるため、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstを検出できない、或いはその検出精度が低下してしまい、ひいては、永久磁石10a、10bの温度推定精度も低下してしまう。そこで、第12実施形態では、ロータ4の回転数が所定のしきい値よりも低い場合、電機子コイル6に対してロータ4の回転に寄与しない高周波を重畳し、重畳された高周波の基本波及びn次高調波を用いて、電動機定数及び永久磁石10a、10bの温度Tmを推定する方法について図20を参照して説明する。
(Twelfth embodiment)
When the
ステップS301において、ポジションセンサ104(回転数判断部)は、ロータ4の回転数(電気角速度ω)が所定のしきい値よりも低いか否かを判断する。ロータ4の回転数が所定のしきい値よりも低いと判断された場合(S301でYES)、ステップS302において電機子コイル6に対して高周波電圧を重畳する。
In step S301, the position sensor 104 (rotational speed determination unit) determines whether the rotational speed (electrical angular velocity ω) of the
そして、ステップS303において、図1(a)の電流ベクトル制御部32bは、電機子コイル6に流れる高周波電流の基本波id、iqを検出し、電流ベクトル制御部42bは、電機子コイル6に流れる高周波電流のn次高調波id_n、iq_nを検出する。
In step S303, the current
ステップS304に進み、基本波磁束演算部61は、(1)式に従い、高周波電流の基本波id、iqから永久磁石10a、10bによる磁束密度(振幅)及び位相の基本波成分を演算する。そして、n次高調波磁束演算部62は、(1)式に従い、高周波電流のn次高調波id_n、iq_nから永久磁石10a、10bによる磁束密度(振幅)及び位相のn次高調波成分を演算する。
Proceeding to step S304, the fundamental wave
ステップS305に進み、磁束密度(振幅)及び位相の基本波成分及びn次高調波成分から、電動機100の周方向における磁束密度の分布を演算する。そして、図8のステップS104と同様にして、磁石パラメータ推定部70は、相関データ記憶部71に記憶されたデータを参照して、磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分から、永久磁石10a、10bの温度及び電動機100が備える可変機構による誘起電圧の変化量を推定する。
Proceeding to step S305, the distribution of the magnetic flux density in the circumferential direction of the
一方、ロータ4の回転数が所定のしきい値よりも高いと判断された場合(S301でNO)、図8に示したフローチャートに従い、ステップS101〜S014を実施する。
On the other hand, when it is determined that the rotational speed of the
なお、電機子コイル6に対して高周波電圧を重畳する替わりに、図21に示すように、電機子コイル6に対して高周波電流を重畳しても構わない。この場合、ステップS303において、電機子コイル6に印加される高周波電圧の基本波vd、vq、及び電機子コイル6に印加される高周波電圧のn次高調波vd_n、vq_nを検出する。
Instead of superimposing a high frequency voltage on the
そして、ステップS304に進み、基本波磁束演算部61は、(1)式に従い、高周波電圧の基本波vd、vqから永久磁石10a、10bによる磁束密度(振幅)及び位相の基本波成分を演算する。そして、n次高調波磁束演算部62は、(1)式に従い、高周波電圧のn次高調波vd_n、vq_nから永久磁石10a、10bによる磁束密度(振幅)及び位相のn次高調波成分を演算する。
Then, in step S304, the fundamental wave
このように、電機子コイル6に対してロータ4の回転に寄与しない高周波電圧或いは高周波電流を重畳することにより、電動機100にロータ4の回転に寄与しない誘起電圧が生じる。この誘起電圧を用いて、磁束密度の基本波成分Φa_1st及びn次高調波成分Φa_nstを検出して、永久磁石10a、10bの温度及び電動機100が備える可変機構による誘起電圧の変化量を精度良く推定することができる。
Thus, by superimposing a high-frequency voltage or high-frequency current that does not contribute to the rotation of the
また、ロータ4が回転していない場合、或いはロータ4の回転数が低回転状態にある場合に、電機子コイル6に対してロータ4の回転に寄与しない高周波電圧或いは高周波電流を重畳し、ロータ4の回転数が高回転状態にある場合には、高周波電圧或いは高周波電流を重畳しない。これにより、高周波電圧或いは高周波電流を効率よく重畳することができる。
Further, when the
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 Although the embodiments of the present invention have been described as described above, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
2…ステータ
4…ロータ
6…電機子コイル
10a、10b…永久磁石
11a、11b…高保磁力磁石部
12a、12b…低保磁力磁石部
31、41…電流制御器
32a、32b、42a、42b…電流ベクトル制御部
33、43…ローパスフィルタ
61…基本波磁束演算部
62…n次高調波磁束演算部
70…磁石パラメータ推定部
71…相関データ記憶部
100…電動機
103…電流センサ
104…ポジションセンサ
Φa_1st…磁束密度の基本波成分
Φa_nst…磁束密度のn次高調波成分
θ…回転角(ロータの位置)
id、iq…基本波(電流)
id_n、iq_n…n次高調波(電流)
vd、vq…基本波(電圧)
vd_n、vq_n…n次高調波(電圧)
DESCRIPTION OF
id, iq ... fundamental wave (current)
id_n, iq_n ... nth harmonic (current)
vd, vq ... fundamental wave (voltage)
vd_n, vq_n ... nth harmonic (voltage)
Claims (8)
前記電動機の前記基本波を検出する基本波検出部と、
前記電動機の前記n次高調波を検出するn次高調波検出部と、
前記電動機の前記基本波から前記永久磁石による磁束密度の基本波成分を求める基本波磁束演算部と、
前記電動機の前記n次高調波から前記永久磁石による磁束密度のn次高調波成分を求めるn次高調波磁束演算部と、
前記磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分と前記永久磁石の温度との相関を示すデータを記憶する相関データ記憶部と、
前記相関データ記憶部に記憶されたデータを参照して、前記磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分から、前記永久磁石の温度或いは磁束密度を推定する磁石パラメータ推定部と、
を備える、電動機の制御装置。 A control device that controls an electric motor including a rotor having a permanent magnet and a stator having an armature coil by using a fundamental wave of a driving frequency and n (n is a natural number of 2 or more) order harmonics,
A fundamental wave detector for detecting the fundamental wave of the electric motor;
An nth harmonic detection unit for detecting the nth harmonic of the electric motor;
A fundamental magnetic flux calculation unit for obtaining a fundamental wave component of magnetic flux density by the permanent magnet from the fundamental wave of the electric motor;
An n-order harmonic magnetic flux calculation unit for obtaining an n-order harmonic component of the magnetic flux density by the permanent magnet from the n-order harmonic of the electric motor;
A correlation data storage unit that stores data indicating the correlation between the fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density and the temperature of the permanent magnet;
A magnet parameter estimation unit that estimates the temperature or magnetic flux density of the permanent magnet from the fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density with reference to data stored in the correlation data storage unit,
An electric motor control device.
前記相関データ記憶部は、前記磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分と前記永久磁石の温度及び前記電動機定数との相関を示すデータを記憶し、
前記磁石パラメータ推定部は、前記磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分から、前記永久磁石の温度及び前記電動機定数を推定する、
請求項1に記載の電動機の制御装置。 The electric motor changes at least one of an electric motor constant including a magnetic flux density by the permanent magnet, an induced voltage generated in the armature coil, and an inductance of the armature coil according to an operating condition of the electric motor. An electric motor,
The correlation data storage unit stores data indicating a correlation between the fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density, the temperature of the permanent magnet, and the motor constant,
The magnet parameter estimation unit estimates the temperature of the permanent magnet and the motor constant from the fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density.
The motor control device according to claim 1.
前記永久磁石の温度の変化に対する前記磁束密度のn次高調波成分の変化率は、前記永久磁石の温度の変化に対する前記磁束密度の基本波成分の変化率よりも小さい、請求項2に記載の電動機の制御装置。 The fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density change independently according to the temperature of the permanent magnet and the motor constant,
The rate of change of the nth-order harmonic component of the magnetic flux density with respect to a change in the temperature of the permanent magnet is smaller than the rate of change of the fundamental wave component of the magnetic flux density with respect to a change in the temperature of the permanent magnet. Electric motor control device.
前記電動機の前記n次高調波は、前記電機子コイルに流れる電流、前記電機子コイルに対して印加される電圧、前記電機子コイルのインダクタンス、前記電動機に発生するトルク、及び前記ロータの位置のいずれか1以上の前記n次高調波である、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。 The fundamental wave of the motor is any one of a current flowing through the armature coil, a voltage applied to the armature coil, an inductance of the armature coil, a torque generated in the motor, and a position of the rotor. One or more fundamental waves,
The n-th harmonic of the motor is a current flowing through the armature coil, a voltage applied to the armature coil, an inductance of the armature coil, a torque generated in the motor, and a position of the rotor. Any one or more of the n th harmonics,
The motor control device according to claim 1.
前記n次高調波検出部は、前記高周波のn次高調波を検出し、
前記基本波磁束演算部は、前記高周波の前記基本波から前記永久磁石による磁束密度の基本波成分を求め、
前記n次高調波磁束演算部は、前記高周波の前記n次高調波から前記永久磁石による磁束密度のn次高調波成分を求める、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。 The fundamental wave detection unit detects the fundamental wave of high frequency that is superimposed on the armature coil and does not contribute to the rotation of the rotor,
The nth harmonic detection unit detects the high frequency nth harmonic,
The fundamental magnetic flux calculator calculates a fundamental wave component of magnetic flux density by the permanent magnet from the fundamental wave of the high frequency,
The n-order harmonic magnetic flux calculation unit obtains an n-order harmonic component of the magnetic flux density by the permanent magnet from the high-frequency n-order harmonic.
The motor control device according to any one of claims 1 to 5.
前記回転数判断部によりロータの回転数が所定値よりも低いと判断された場合に、前記電機子コイルに対して前記高周波を重畳する高周波重畳部と、
を更に備える、請求項6に記載の電動機の制御装置。 A rotational speed determination unit that determines whether the rotational speed of the rotor is lower than a predetermined value;
A high frequency superimposing unit that superimposes the high frequency on the armature coil when the rotational speed determining unit determines that the rotational speed of the rotor is lower than a predetermined value;
The motor control device according to claim 6, further comprising:
前記電動機の前記基本波を検出し、
前記電動機の前記n次高調波を検出し、
前記電動機の前記基本波から前記永久磁石による磁束密度の基本波成分を求め、
前記電動機の前記n次高調波から前記永久磁石による磁束密度のn次高調波成分を求め、
前記磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分と前記永久磁石の温度との相関を示すデータを参照して、前記磁束密度の基本波成分及びn次高調波成分から、前記永久磁石の温度或いは磁束密度を推定する、
電動機の制御方法。 A control method for controlling an electric motor including a rotor having a permanent magnet and a stator having an armature coil by using a fundamental wave of a driving frequency and n (n is a natural number of 2 or more) order harmonics,
Detecting the fundamental wave of the motor;
Detecting the nth harmonic of the motor;
Obtain the fundamental wave component of the magnetic flux density by the permanent magnet from the fundamental wave of the electric motor,
Obtaining the nth harmonic component of the magnetic flux density by the permanent magnet from the nth harmonic of the electric motor,
With reference to data indicating the correlation between the fundamental wave component and nth harmonic component of the magnetic flux density and the temperature of the permanent magnet, the temperature of the permanent magnet is obtained from the fundamental wave component and the nth harmonic component of the magnetic flux density. Or estimating the magnetic flux density,
Electric motor control method.
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