JP3641871B2

JP3641871B2 - 永久磁石モータの制御装置

Info

Publication number: JP3641871B2
Application number: JP08219296A
Authority: JP
Inventors: 栄次佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2016-04-04
Also published as: JPH09275696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータに永久磁石を配置した永久磁石モータの制御装置に関し、特に永久磁石の材料の物性よって定まる、減磁が生じる運転領域におけるモータの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータに永久磁石を配置して、ロータ周囲のステータにより回転磁界を発生させて、この回転磁界とロータの永久磁石の吸引および反発力によって、ロータを回転させるモータが知られている。このようなモータにおいては、磁束密度の大きい永久磁石を使用することによって、誘導モータなどのように永久磁石を持たないモータに対して、小型で強力なモータを作製することができる。
【０００３】
永久磁石の発生する磁束密度は、ある範囲内では、外部の磁界に比例して変化する。よって、外部の磁界が除去されれば、元の磁束密度に復帰する。しかし、外部の磁界が永久磁石の形成する磁界と逆向で、その大きさがある値以上となると、もはや外部の磁界を除去しても元の磁束密度に復帰せず、これより小さい値となる。この現象が減磁である。ロータに用いられた永久磁石が減磁すると、このモータは所定の性能を発生できなくなるので、永久磁石モータは、減磁が起こらない範囲で運転する必要がある。
【０００４】
ところで、永久磁石が減磁しはじめる外部磁界の値（減磁開始点）は、温度によって変化する。たとえば、フェライト系磁石の場合、温度が低下すると、常温時では減磁が起きないような弱い外部磁界によっても減磁が起こる。すなわち、永久磁石が低温のときには、磁石がそれ自身の磁力を保持し続けようとする能力（保磁力）が低下する。低温環境でモータを使用する場合、ロータの永久磁石も低温となっている場合がある。この場合、永久磁石の保持力が低下しており、この状態でモータを運転するとステータにより形成された磁界が永久磁石の減磁開始点より強くなり、永久磁石が減磁する可能性がある。
【０００５】
このような減磁が起きると、たとえ温度が常温に戻っても永久磁石の磁束密度が初期の値まで復帰できず、モータは所定の性能を発生できなくなる。永久磁石の磁束密度を再び初期の値に戻すためには着磁を行う必要があるが、これはモータを分解して永久磁石を取り出さなければできない作業であり、現実的な方法ではない。したがって、実際には減磁を生じさせることがないように運転することが要求される。
【０００６】
このような低温環境における減磁を防止する技術が、特開昭６２−８１９５１号公報に記載されている。この技術によれば、モータの温度が所定の温度以下となった場合に、予めモータに組み込まれたニクロム線などの発熱体に通電し、ジュール熱を発生させることで、永久磁石の温度を上昇させ、保磁力の低下を防止している。また、上記公報には、界磁を発生させるためのコイルに、ロータが回転しない程度の微弱な電流を流してジュール熱を発生させ、この熱によって永久磁石の温度を上昇させ、保磁力の低下を防止する技術も開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に記載された前者の技術によれば、発熱体などの新たな構成を設ける必要があり、コストの上昇、大型化および重量増加を招くことになる。後者の技術によれば前記の問題は生じないが、ロータが回転しないような小さな値の電流しか流せず、発生するジュール熱は電流の２乗に比例するので、このような場合十分な発熱が期待できない。また、本来コイルを形成する導線は抵抗の小さい材料が選ばれているので、この面からも発生するジュール熱は微小となる。さらに、発熱するコイルと、加熱されるべき永久磁石は離れているので、コイルの発熱が効率良く永久磁石を加熱することとならない。以上のように、前記公報の後者の技術では、永久磁石を減磁の生じない温度まで上昇させることはできないか、または非常に長い時間を要するという問題があった。
【０００８】
本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、モータの温度が低いときに永久磁石を効率良く加熱して、減磁することを防止することのできる永久磁石モータの制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明にかかる永久磁石モータの制御装置は、永久磁石の温度を測定する温度測定手段と、温度が所定値以下の場合、ステータのコイルに高周波電流を供給する高周波電流供給手段と、を有している。
【００１０】
本発明は以上のような構成を有しており、低温時には、コイルに供給される高周波電流によって高周波の磁界を発生させ、この高周波磁界の形成に伴ってコア部分にて発生する鉄損によって当該コア部分が発熱し、永久磁石が加熱される。モータ内部で発生する熱量Ｗは、
【数１】

で表される。（１）式の第１項はコイルで発生するジュール熱を表し、第２項は鉄損によって発生する熱を表している。単位重量あたりの鉄損ｗ_fは、
【数２】

で表される。なお、（２）式のｄは、モータのコアを形成する積層された鋼板の一枚の厚さを表すものである。（２）式から、ステータに発生する磁界の変動周波数を高くすれば、鉄損が増加することが理解され、（１）式の第２項が増加しジュール熱のみで加熱する場合よりも大きな発熱量が得られる。
【００１１】
また、鉄損による発熱は、実際に加熱したい永久磁石に隣接するロータコアでも生じるので、効率良く永久磁石を加熱することができる。よって、永久磁石の保磁力が弱くなっている条件で運転されることがなくなり、永久磁石が減磁されることを防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態と記す）を図面に従って説明する。図１には、永久磁石モータ１０の軸直交平面での断面図が示されている。本図においては、直交する２本の対称軸に挟まれた部分、すなわち全体の４分の１のみが表されている。ステータ１２は、円筒の内側に櫛歯状の磁極を有するステータコア１４と、磁極の間に納められたコイル１６を含んでいる。ロータ１８は、円柱形状のロータコア２０と、ロータコア２０の周上に所定の間隔を開けて配置された永久磁石２２とを含んでいる。
【００１３】
図２には、上記の永久磁石モータ１０を駆動モータとして利用した車両の駆動系の構成が示されている。駆動モータ２４には、インバータ２６を介してバッテリ２８より電力が供給される。インバータ２６は、制御器３０の制御指令に基づき、バッテリ２８からの直流電流を所定の周波数、振幅の交流電流に変換し、これを駆動モータに供給する。制御器３０は、アクセルペダルなどの操作部３２の操作量などに基づき運転者の要求する出力が達成されるように、インバータ２６の制御を行う。このように制御される駆動モータ２４の出力は、減速機および差動装置３６を介してタイヤ３８に伝達される。また、駆動モータ２４には、永久磁石の温度を検出するのに好適な位置に温度検出器４０が設けられている。温度検出器４０の設置位置は、永久磁石に直接設けても、また近傍に設けても良く、さらには永久磁石との温度差が小さいと考えられる場合にはステータに取り付けることも可能である。
【００１４】
図３には、制御器３０のインバータ制御にかかる制御ブロック図が示されている。操作部３２の操作量に基づくトルク指令τ＊により、駆動電流指令演算部４２において、三相の駆動電流指令ｉτｕ，ｉτｖ，ｉτｗが算出される。一方、温度検出器４０で検出された温度に基づき、温度判定部４４はこの温度が駆動モータ２４を運転した場合に永久磁石の減磁が起こる温度であるかを判定する。減磁が起こる温度であると判断すると、加熱電流指令演算部４６に対し、加熱用の高周波電流指令を生成する指令を送る。加熱電流指令演算部４６では、三相の高周波加熱電流指令ｉｈｕ，ｉｈｖ，ｉｈｗが次式に基づき算出される。
【００１５】
【数３】

そして、加算器４８において、駆動電流指令と高周波加熱電流指令の各々の相が加算されて、電流指令ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊が次式に基づき算出される。
【数４】

インバータ制御部５０は（４）式の電流指令に基づきインバータの制御を行い、インバータ２６はバッテリ２８からの直流電流を交流電流に変換して駆動モータ２４に供給する。以上より、温度判定部４４、加熱電流指令演算部４６、インバータ制御部５０およびインバータ２６が高周波電流供給手段として機能することが分かる。
【００１６】
冷間始動などにおいては、駆動電流指令をゼロとすれば（４）式よりモータには高周波加熱電流のみ流れ、停止状態で永久磁石を加熱することができる。また、走行中に何らかの原因で温度が下がった場合、駆動電流と高周波加熱電流をモータに印加することによって、永久磁石を加熱することができる。
【００１７】
また、温度判定部４４のしきい値を、この温度以下で駆動モータ２４の運転を行えば永久磁石も減磁が生じる第１しきい値と、前記第１しきい値より高い温度の第２しきい値のふたつを設けることも可能である。この場合、駆動モータ２４の温度が第１しきい値以下の場合は、駆動電流指令演算部４２に駆動電流指令を０とする指令を行い駆動モータ２４の運転を禁止し、高周波加熱電流のみを駆動モータ２４に供給する。また、駆動モータ２４の温度が第１と第２のしきい値の間の温度である場合、（４）式に基づき駆動電流および高周波加熱電流を駆動モータ２４に供給する。
【００１８】
このように、温度に関するふたつのしきい値を設けた場合、永久磁石の減磁が起きる温度では、モータの運転を禁止し、減磁の起きる温度になる手前において、この温度にならないように予め永久磁石の加熱を行うことができる。したがって、冷間始動において、永久磁石が十分に暖められていないときに走行することを防止し、運転中に永久磁石の温度が下がってきた場合、減磁の起きる温度になる前に予め加熱を行い、減磁の起きる温度にならないようにして、走行を継続することができる。よって、減磁の起こる温度領域で駆動モータの運転を行うことを確実に禁止することができる。
【００１９】
本実施形態においては、三相交流電流で高周波加熱電流を供給したが、次式で表される電流を供給し、交番磁界を発生させても良い。
【数５】

また、（５）式で表される電流は、ｕ相、ｖ相に供給されるが、（ｕ相，ｖ相）、（ｖ相、ｗ相）、（ｗ相，ｕ相）と順次供給する相を変更すれば、均一に加熱することができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、高周波電流によって、ジュール熱に加えて鉄損による発熱によって加熱することができ、より強い加熱を行うことができる。また、鉄損による発熱は、実際に加熱したい永久磁石に隣接するロータコアでも生じるので、効率良く永久磁石を加熱することができる。よって、永久磁石の保磁力が弱くなっている条件で運転されることがなくなり、永久磁石が減磁されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石モータの構成を示す図である。
【図２】本発明にかかるモータ制御装置を適用した車両の駆動機構の構成を示す図である。
【図３】本発明にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
４０温度検出器、２６インバータ（高周波電流供給手段）、４４温度判定部（高周波電流供給手段）、４６加熱電流指令演算部（高周波電流供給手段）、５０インバータ制御部（高周波電流供給手段）。

Claims

ステータに設けられたコイルに電流を流して発生された回転磁界によって、永久磁石を有するロータを回転させる永久磁石モータの運転を制御する制御装置であって、
前記永久磁石の温度を測定する温度測定手段と、
前記永久磁石の温度が第１所定値以下の場合、ステータコイルに流れるモータ駆動電流に重畳して、高周波電流を供給する高周波電流供給手段と、
を有する、
永久磁石モータの制御装置。
請求項１に記載の永久磁石モータであって、前記永久磁石の温度が前記第１所定値より低い第２所定値以下の場合に、前記ステータコイルにモータ駆動電流を流すことを禁止する手段を有し、高周波電流のみ供給する、永久磁石モータの制御装置。