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JP7636966B2 - ROTOR TEMPERATURE ESTIMATION SYSTEM AND ROTOR TEMPERATURE ESTIMATION METHOD - Google Patents
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ROTOR TEMPERATURE ESTIMATION SYSTEM AND ROTOR TEMPERATURE ESTIMATION METHOD Download PDF

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Description

本発明は、回転機のロータ温度推定システム及びロータ温度推定方法に関する。 The present invention relates to a rotor temperature estimation system and a rotor temperature estimation method for a rotating machine.

モータや発電機等の回転機においてロータの温度を推定する方法が知られている。誘導モータについて、モータ回転数、ステータコイル温度、ステータコイル電流値の制御指令値又は検出値、すべり周波数、ロータ温度の前回推定値を入力として、ステータ及びロータで発生する損失を算出し、その算出値とステータコイル温度及び誘導モータのフレームの外気温度から熱エネルギの釣り合いを用いて設定されたモデルに基づいてロータ温度を推定するロータ温度推定器が開示されている(特許文献1)。 A method for estimating rotor temperature in rotating machines such as motors and generators is known. A rotor temperature estimator is disclosed for an induction motor, which calculates losses generated in the stator and rotor using the motor speed, stator coil temperature, control command value or detection value of the stator coil current value, slip frequency, and previous estimate of rotor temperature as inputs, and estimates the rotor temperature based on a model set using the balance of thermal energy from the calculated value, the stator coil temperature, and the outside air temperature of the induction motor frame (Patent Document 1).

特開2020-167779号公報JP 2020-167779 A

ところで、モータの損失を演算する際に入力されるコイル電流やすべり周波数は本来であれば実際のモータの指令値を更新するマイクロ秒~ミリ秒程度の時間間隔で変化し、モータの回転数もミリ秒程度の時間で変化する。しかしながら、ロータ温度の推定に用いられる測定のサンプリングは数秒程度の時間間隔とすることが多い。すなわち、ロータ温度の推定とモータ損失の演算において数秒程度の同じ時間間隔でサンプリングが行われ、ロータ温度の推定のサンプリングの時間間隔内では値が変化しないものとして演算が行われることになる。したがって、モータ損失の演算の精度が低下し、これに伴ってロータ温度の推定の精度も低下する。 Incidentally, the coil current and slip frequency input when calculating motor losses should change at time intervals of microseconds to milliseconds when the actual motor command value is updated, and the motor rotation speed also changes at time intervals of about milliseconds. However, the measurement sampling used to estimate rotor temperature is often done at time intervals of about a few seconds. In other words, sampling is done at the same time intervals of a few seconds for rotor temperature estimation and motor loss calculation, and the calculation is performed assuming that the value does not change within the sampling time interval for rotor temperature estimation. This reduces the accuracy of motor loss calculations, and with it the accuracy of rotor temperature estimation.

一方、ロータ温度の推定におけるサンプリングの時間間隔を短くして、電流制御のサンプリングと同等のマイクロ秒~ミリ秒程度の時間間隔とした場合、モータ損失の演算の精度は向上するものの、計算量が莫大に増加するために演算装置のコストが高くなる。 On the other hand, if the sampling time interval for estimating the rotor temperature is shortened to the same time interval as the current control sampling, which is on the order of microseconds to milliseconds, the accuracy of the motor loss calculation improves, but the amount of calculation increases enormously, resulting in high costs for the calculation device.

本発明の1つの態様は、回転機のロータの温度を推定するロータ温度推定システムであって、前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔より短いサンプリング時間間隔毎に前記回転機の損失を算出するモータ損失演算器と、前記モータ損失演算器において算出された前記回転機の損失を前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔まで累積してモータ損失累積値を算出するモータ損失調整器と、前記モータ損失累積値を用いて前記ロータの温度を推定するロータ温度推定器と、を備えることを特徴とするロータ温度推定システムである。 One aspect of the present invention is a rotor temperature estimation system that estimates the temperature of a rotor of a rotating machine, comprising: a motor loss calculator that calculates the loss of the rotating machine at each sampling time interval that is shorter than the sampling time interval for estimating the temperature of the rotor; a motor loss adjuster that accumulates the loss of the rotating machine calculated by the motor loss calculator up to the sampling time interval for estimating the temperature of the rotor to calculate a motor loss accumulation value; and a rotor temperature estimator that estimates the temperature of the rotor using the motor loss accumulation value.

ここで、前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔より短いサンプリング時間間隔は、前記回転機の電流制御のサンプリング時間間隔であることが好適である。 Here, it is preferable that the sampling time interval shorter than the sampling time interval for estimating the rotor temperature is the sampling time interval for current control of the rotating machine.

また、前記ロータ温度推定器は、前記回転機の熱回路モデルに基づいたオブザーバを用いて前記ロータの温度を推定することが好適である。 It is also preferable that the rotor temperature estimator estimates the rotor temperature using an observer based on a thermal circuit model of the rotating machine.

本発明の別の態様は、回転機のロータの温度を推定するロータ温度推定方法であって、前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔より短いサンプリング時間間隔毎に前記回転機の損失を算出し、算出された前記回転機の損失を前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔まで累積してモータ損失累積値を算出し、前記モータ損失累積値を用いて前記ロータの温度を推定することを特徴とするロータ温度推定方法である。 Another aspect of the present invention is a rotor temperature estimation method for estimating the temperature of a rotor of a rotating machine, which is characterized by calculating losses in the rotating machine at each sampling time interval shorter than the sampling time interval for estimating the temperature of the rotor, accumulating the calculated losses in the rotating machine up to the sampling time interval for estimating the temperature of the rotor to calculate a motor loss cumulative value, and estimating the temperature of the rotor using the motor loss cumulative value.

本発明によれば、ロータ温度の推定処理における演算の負荷を抑制しつつ、ロータ温度の推定の精度を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the accuracy of rotor temperature estimation while reducing the computational load in the rotor temperature estimation process.

本発明の実施の形態における回転機の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a rotating machine according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるロータ温度推定システムの構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a rotor temperature estimation system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるロータ温度推定システムの制御装置の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a control device of the rotor temperature estimation system according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態及び従来法におけるステータ電流に対する損失の算出例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of calculation of loss with respect to stator current in the embodiment of the present invention and the conventional method. 本発明の実施の形態における熱回路モデルの例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a thermal circuit model according to the embodiment of the present invention.

図1は、ロータ温度の推定の対象となる回転機100の構成例を示す。本実施の形態では、回転機100として3相かご形誘導モータを例に説明を行う。ただし、回転機100は、これに限定されるものではなく、他の構成のモータやモータジェネレータ、発電機としてもよい。 Figure 1 shows an example of the configuration of a rotating machine 100 for which the rotor temperature is to be estimated. In this embodiment, a three-phase squirrel-cage induction motor is used as an example of the rotating machine 100. However, the rotating machine 100 is not limited to this, and may be a motor, motor generator, or generator of other configurations.

回転機100は、ステータ10、ロータ12、シャフト14、筐体16を含んで構成される。なお、本実施の形態では、筐体16を第1フレーム16a及び第2フレーム16bに分けて構成した例を示している。 The rotating machine 100 includes a stator 10, a rotor 12, a shaft 14, and a housing 16. In this embodiment, the housing 16 is divided into a first frame 16a and a second frame 16b.

ステータ10は、ステータコイルに流されるモータ電流によって回転磁界を発生させる構成要素である。ステータ10は、筐体16に固定される。ステータ10には、円筒形状のステータコアにステータコイルが取り付けられた構成とされる。ステータコイルは、U相、V相、W相の3相コイルを含む。ステータコイルは、3相以外の複数相のコイルを有する構成としてもよい。3相コイルは、電源のインバータ(図示せず)に接続される。ステータコイルに流れるモータ電流は、制御部(図示せず)からのトルク指令値に応じて制御される。 The stator 10 is a component that generates a rotating magnetic field by the motor current flowing through the stator coil. The stator 10 is fixed to the housing 16. The stator 10 is configured with a stator coil attached to a cylindrical stator core. The stator coil includes a three-phase coil having U, V, and W phases. The stator coil may be configured to have coils of multiple phases other than three phases. The three-phase coil is connected to a power supply inverter (not shown). The motor current flowing through the stator coil is controlled according to a torque command value from a control unit (not shown).

ロータ12は、ステータ10の内周面に対して所定の間隙をもってステータ10内に配置される。本実施の形態におけるロータ12は、かご形ロータであり、磁性材製のロータコア、ロータコアの周方向に沿って複数位置に設けられた孔に挿入された複数の導体バー、複数の導体バーの端部同士を連結するエンドリングとを含んで構成される。導体バー及びエンドリングは、導電性の材料により形成される。 The rotor 12 is disposed within the stator 10 with a predetermined gap from the inner peripheral surface of the stator 10. In this embodiment, the rotor 12 is a cage rotor, and is composed of a rotor core made of a magnetic material, a plurality of conductor bars inserted into holes provided at a plurality of positions along the circumferential direction of the rotor core, and end rings connecting the ends of the plurality of conductor bars. The conductor bars and the end rings are formed from a conductive material.

ロータ12は、ステータ10によって形成される回転磁界との電磁的な相互作用によってステータ10内にて回転する。ロータ12の回転軸としてシャフト14が設けられる。シャフト14は、筐体16に対して軸受を介して回転可能に支持され、筐体16の外部にて負荷102に接続される。これによって、ロータ12の回転に伴って負荷102が回転駆動される。 The rotor 12 rotates within the stator 10 due to electromagnetic interaction with the rotating magnetic field generated by the stator 10. A shaft 14 is provided as the axis of rotation of the rotor 12. The shaft 14 is rotatably supported on the housing 16 via a bearing, and is connected to a load 102 outside the housing 16. As a result, the load 102 is rotationally driven as the rotor 12 rotates.

回転機100の動作時には、ステータコイルに通電することによりステータ10から回転磁界を発生させ、その回転磁界によりロータ12の導体バーに誘導電流を生じさせ、この誘導電流と回転磁界との間に作用する電磁力によってロータ12の導体バーに回転力を発生させる。これにより、ロータ12がシャフト14を回転中心軸として回転する。 When the rotating machine 100 is in operation, a rotating magnetic field is generated from the stator 10 by passing electricity through the stator coil, which generates an induced current in the conductor bars of the rotor 12, and a rotational force is generated in the conductor bars of the rotor 12 by the electromagnetic force acting between the induced current and the rotating magnetic field. This causes the rotor 12 to rotate around the shaft 14 as the central axis of rotation.

回転機100は、例えば、電気自動車又はハイブリッド車等の車両に搭載されて使用することができる。すなわち、回転機100は、走行用モータとして車輪に動力を与えるための駆動装置とすることができる。 The rotating machine 100 can be mounted on a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle and used. In other words, the rotating machine 100 can be used as a drive device to power the wheels as a traction motor.

図1に示すように、回転機100において、ステータ10とロータ12との間の間隙の空間、筐体16の第1フレーム16aとステータ10及びロータ12とで囲まれた空間、筐体16の第2フレーム16bとステータ10及びロータ12とで囲まれた空間、筐体16の外側の空間における空気をそれぞれ空気0、空気1、空気2、空気3(外気)とする。空気0、空気1、空気2に対するロータ12の空気抵抗はモータ回転数に応じて変化する。 As shown in FIG. 1, in the rotating machine 100, the air in the gap between the stator 10 and the rotor 12, the space surrounded by the first frame 16a of the housing 16 and the stator 10 and the rotor 12, the space surrounded by the second frame 16b of the housing 16 and the stator 10 and the rotor 12, and the space outside the housing 16 are designated as air 0, air 1, air 2, and air 3 (outside air), respectively. The air resistance of the rotor 12 to air 0, air 1, and air 2 changes depending on the motor rotation speed.

図2は、ロータ温度推定システム200の構成を示す。図3は、ロータ温度推定システム200を構成する制御装置20の構成を示すブロック図である。ロータ温度推定システム200は、回転機100におけるロータ12の回転数、モータ電流(又はモータ電流の指令値)、すべり周波数(又はすべり周波数の指令値)、コイル温度等の情報に基づいてロータ12の温度を推定するロータ温度推定処理を行う。 Figure 2 shows the configuration of the rotor temperature estimation system 200. Figure 3 is a block diagram showing the configuration of the control device 20 that constitutes the rotor temperature estimation system 200. The rotor temperature estimation system 200 performs rotor temperature estimation processing to estimate the temperature of the rotor 12 based on information such as the rotation speed of the rotor 12 in the rotating machine 100, the motor current (or the command value of the motor current), the slip frequency (or the command value of the slip frequency), and the coil temperature.

ロータ温度推定システム200は、制御装置20、回転数センサ22と、コイル温度センサ24、外気温度センサ26を含んで構成される。また、制御装置20は、モータ損失演算器20a、モータ損失調整器20b及びロータ温度推定器20cを含んで構成される。 The rotor temperature estimation system 200 includes a control device 20, a rotation speed sensor 22, a coil temperature sensor 24, and an outside air temperature sensor 26. The control device 20 also includes a motor loss calculator 20a, a motor loss adjuster 20b, and a rotor temperature estimator 20c.

制御装置20は、CPU等の演算処理部及びメモリ等の記憶部を有する。制御装置20は、例えば、一般的なコンピュータとすることができる。制御装置20は、後述するロータ温度推定処理を行うことによって、モータ損失演算器20a、モータ損失調整器20b及びロータ温度推定器20cとして機能する。ロータ温度推定処理は、例えば、制御装置20においてロータ温度推定処理プログラムを実行することによって行われる。 The control device 20 has a calculation processing unit such as a CPU and a storage unit such as a memory. The control device 20 can be, for example, a general computer. The control device 20 functions as a motor loss calculator 20a, a motor loss adjuster 20b, and a rotor temperature estimator 20c by performing rotor temperature estimation processing described below. The rotor temperature estimation processing is performed, for example, by executing a rotor temperature estimation processing program in the control device 20.

回転数センサ22は、回転機100を構成するロータ12の回転数をモータ回転数Nとして検出する。検出されたモータ回転数Nは制御装置20に入力される。回転数センサ22は、例えば、ロータ12の回転角度を検出するレゾルバにより構成することができる。コイル温度センサ24は、回転機100を構成するステータ10のステータコイルのコイル温度Tcoilを検出する。コイル温度Tcoilは、ステータコイル温度に相当する。検出されたコイル温度Tcoilは制御装置20に入力される。外気温度センサ26は、回転機100の周囲の温度を外気温度Tair3として検出する。検出された外気温度Tair3は制御装置20に入力される。 The rotation speed sensor 22 detects the rotation speed of the rotor 12 constituting the rotating machine 100 as the motor rotation speed N. The detected motor rotation speed N is input to the control device 20. The rotation speed sensor 22 can be configured, for example, by a resolver that detects the rotation angle of the rotor 12. The coil temperature sensor 24 detects the coil temperature Tcoil of the stator coil of the stator 10 constituting the rotating machine 100. The coil temperature Tcoil corresponds to the stator coil temperature. The detected coil temperature Tcoil is input to the control device 20. The outside air temperature sensor 26 detects the temperature around the rotating machine 100 as the outside air temperature Tair3. The detected outside air temperature Tair3 is input to the control device 20.

また、回転機100が搭載された車両のアクセルペダルセンサ等の加速度指示センサから加速指示のための操作量が検出され、当該操作量に応じてトルク指令値TRが算出される。加速指示のための操作量の検出値と車速センサの検出値とからトルク指令値TRを算出してもよい。なお、制御装置20に直接に加速指示のための操作量検出値等を入力し、制御装置20によってトルク指令値TRを算出する構成としてもよい。トルク指令値TRとモータ回転数Nとに基づいてステータコイル電流Isとすべり周波数ωsが算出される。ステータコイル電流Isは、回転機100の1次電流であり、回転機100に制御指令値として与えるステータコイル電流値に相当する。ステータコイル電流Isとして、1つの所定相のステータコイル電流の実効値を算出してもよく、3相のステータコイル電流の実効値を算出してもよい。ステータコイル電流Isと及びすべり周波数ωsは制御装置20に入力される。 In addition, an amount of operation for an acceleration instruction is detected from an acceleration instruction sensor such as an accelerator pedal sensor of a vehicle equipped with the rotating machine 100, and a torque command value TR is calculated according to the amount of operation. The torque command value TR may be calculated from the detected value of the amount of operation for the acceleration instruction and the detected value of a vehicle speed sensor. The detected value of the amount of operation for the acceleration instruction may be directly input to the control device 20, and the torque command value TR may be calculated by the control device 20. The stator coil current Is and slip frequency ωs are calculated based on the torque command value TR and the motor rotation speed N. The stator coil current Is is the primary current of the rotating machine 100, and corresponds to the stator coil current value given to the rotating machine 100 as a control command value. As the stator coil current Is, the effective value of the stator coil current of one specified phase may be calculated, or the effective value of the stator coil current of three phases may be calculated. The stator coil current Is and the slip frequency ωs are input to the control device 20.

なお、ステータコイル電流Isとして、制御指令値でなく、電流センサで検出された検出値を制御装置20に入力してもよい。このとき、制御装置20は、電流センサから入力された1つの所定相のステータコイル電流の複数回の検出に基づく所定相のステータコイル電流の実効値を算出すればよい。実効値の算出には、所定相のステータコイル電流において所定時間間隔で検出された複数の電流検出値を用いることができる。例えば、所定の時間間隔で検出されたU相のステータコイル電流Iuについて複数のステータコイル電流Iuの二乗平均平方根からU相のステータコイル電流の実効値を算出することができる。所定相のステータコイル電流の実効値の算出値は、3相のステータコイル電流の実効値とみなすことができる。同様に、すべり周波数ωsとして、制御指令値でなく、周波数センサで検出された検出値を制御装置20に入力してもよい。 In addition, as the stator coil current Is, a detection value detected by a current sensor may be input to the control device 20 instead of a control command value. In this case, the control device 20 may calculate the effective value of the stator coil current of a specific phase based on multiple detections of the stator coil current of one specific phase input from the current sensor. To calculate the effective value, multiple current detection values detected at a specific time interval in the stator coil current of the specific phase can be used. For example, the effective value of the U-phase stator coil current can be calculated from the root mean square of multiple stator coil currents Iu for the U-phase stator coil current Iu detected at a specific time interval. The calculated effective value of the stator coil current of a specific phase can be regarded as the effective value of the three-phase stator coil current. Similarly, as the slip frequency ωs, a detection value detected by a frequency sensor may be input to the control device 20 instead of a control command value.

具体的には、モータ損失演算器20aは、数式(1)~数式(4)を用いてステータ鉄損Loss_is、ステータ銅損Loss_cs、ロータ損失Loss_rを算出する。なお、ロータ損失Loss_rは、ロータ鉄損Loss_irとロータ銅損Loss_crの和である。
Specifically, the motor loss calculator 20a calculates the stator iron loss Loss_is, the stator copper loss Loss_cs, and the rotor loss Loss_r using the following formulas (1) to (4). The rotor loss Loss_r is the sum of the rotor iron loss Loss_ir and the rotor copper loss Loss_cr.

ここで、Kh_s:ステータ10のヒステリシス損係数、Kef_s:ステータ10の渦損係数、Rs:ステータ10の抵抗(ステータ温度Tcの関数)、ω:同期周波数(モータ回転数Nの関数)、Is:モータ電流、Kh_r:ロータ12のヒステリシス損係数、Kef_r:ロータ12の渦損係数、Rr:ロータ12の抵抗(ロータ温度Trの関数)、ωre:駆動周波数(同期周波数+すべり周波数)、Ir:モータ2次電流である。 Here, Kh_s: hysteresis loss coefficient of stator 10, Kef_s: eddy current loss coefficient of stator 10, Rs: resistance of stator 10 (function of stator temperature Tc), ω: synchronous frequency (function of motor rotation speed N), Is: motor current, Kh_r: hysteresis loss coefficient of rotor 12, Kef_r: eddy current loss coefficient of rotor 12, Rr: resistance of rotor 12 (function of rotor temperature Tr), ωre: drive frequency (synchronous frequency + slip frequency), Ir: motor secondary current.

同期周波数ωはセンサで測定されたモータ回転数Nから導出した値、ステータコイル電流Isは電流センサによる測定値又は指令値、駆動周波数ωreは同期周波数ωにすべり周波数の指令値を加算した値を用いる。 The synchronous frequency ω is a value derived from the motor rotation speed N measured by the sensor, the stator coil current Is is a measured value or command value from a current sensor, and the drive frequency ωre is a value obtained by adding the command value of the slip frequency to the synchronous frequency ω.

ここで、モータ損失演算器20aは、サンプリング時間間隔ST1をマイクロ秒~ミリ秒程度とする。すなわち、モータ損失演算器20aは、マイクロ秒~ミリ秒程度のサンプリング時間間隔ST1でステータ鉄損Loss_is、ステータ銅損Loss_cs及びロータ損失Loss_r(ロータ鉄損Loss_ir,ロータ銅損Loss_cr)を算出する。算出されたステータ鉄損Loss_is、ステータ銅損Loss_cs及びロータ損失Loss_r(ロータ鉄損Loss_ir,ロータ銅損Loss_cr)はモータ損失調整器20bへ出力される。 Here, the motor loss calculator 20a sets the sampling time interval ST1 to about microseconds to milliseconds. That is, the motor loss calculator 20a calculates the stator iron loss Loss_is, the stator copper loss Loss_cs, and the rotor loss Loss_r (rotor iron loss Loss_ir, rotor copper loss Loss_cr) at a sampling time interval ST1 of about microseconds to milliseconds. The calculated stator iron loss Loss_is, stator copper loss Loss_cs, and rotor loss Loss_r (rotor iron loss Loss_ir, rotor copper loss Loss_cr) are output to the motor loss regulator 20b.

モータ損失調整器20bは、モータ損失演算器20aにおいてサンプリング時間間隔ST1で導出したステータ鉄損Loss_is、ステータ銅損Loss_cs及びロータ損失Loss_r(ロータ鉄損Loss_ir,ロータ銅損Loss_cr)を、ロータ温度推定器20cのサンプリング時間間隔ST2のステータ鉄損Loss_is2、ステータ銅損Loss_cs2及びロータ損失Loss_r2(ロータ鉄損Loss_ir2,ロータ銅損Loss_cr2)に変換する。サンプリング時間間隔ST2は、サンプリング時間間隔ST1よりも長い期間であり、ロータ温度推定器20cにおいてロータ温度の推定を行う時間間隔と同程度、すなわち回転機100の電流制御のサンプリング時間間隔と同程度とすることが好適である。例えば、サンプリング時間間隔ST2は、数秒程度の時間間隔とすることが好適である。 The motor loss adjuster 20b converts the stator iron loss Loss_is, stator copper loss Loss_cs, and rotor loss Loss_r (rotor iron loss Loss_ir, rotor copper loss Loss_cr) derived in the motor loss calculator 20a at the sampling time interval ST1 into stator iron loss Loss_is2, stator copper loss Loss_cs2, and rotor loss Loss_r2 (rotor iron loss Loss_ir2, rotor copper loss Loss_cr2) at the sampling time interval ST2 of the rotor temperature estimator 20c. The sampling time interval ST2 is a period longer than the sampling time interval ST1, and is preferably set to the same extent as the time interval at which the rotor temperature estimator 20c estimates the rotor temperature, i.e., the same extent as the sampling time interval for current control of the rotating machine 100. For example, the sampling time interval ST2 is preferably set to a time interval of about several seconds.

モータ損失調整器20bは、数式(5)~数式(8)を用いてサンプリング時間間隔ST1の累積時間がサンプリング時間間隔ST2になるまで各々の損失にサンプリング時間ST1を乗じた値を累積してモータ損失累積値を算出する。なお、ロータ損失Loss_r2は、ロータ鉄損Loss_ir2とロータ銅損Loss_cr2の和である。
The motor loss regulator 20b calculates a motor loss accumulation value by accumulating values obtained by multiplying each loss by the sampling time ST1 until the accumulation time of the sampling time interval ST1 becomes equal to the sampling time interval ST2, using the formulas (5) to (8). Note that the rotor loss Loss_r2 is the sum of the rotor iron loss Loss_ir2 and the rotor copper loss Loss_cr2.

図4は、従来法及び本実施の形態のそれぞれにおけるステータ電流に対するステータ鉄損、ステータ銅損及びロータ損失の算出値の関係を示す図である。従来法では、モータ損失調整器20bが設けられておらず、図4の下段に示すように、モータ損失演算器20aにおいて数秒程度のサンプリング時間間隔ST2でステータ鉄損Loss_is、ステータ銅損Loss_cs及びロータ損失Loss_rが算出され、サンプリング時間間隔ST2では当該ステータ鉄損Loss_is、ステータ銅損Loss_cs及びロータ損失Loss_rは一定で変化しないものとして処理が行われていた。これに対して、本実施の形態では、図4の中段に示すように、モータ損失演算器20aにおいてマイクロ数~ミリ秒程度のサンプリング時間間隔ST1でステータ鉄損Loss_is、ステータ銅損Loss_cs及びロータ損失Loss_rが算出され、これらを累算することによって数秒程度のサンプリング時間間隔ST2のステータ鉄損Loss_is2、ステータ銅損Loss_cs2及びロータ損失Loss_r2が求められる。 Figure 4 shows the relationship between the calculated values of stator iron loss, stator copper loss, and rotor loss and the stator current in the conventional method and the present embodiment. In the conventional method, the motor loss adjuster 20b is not provided, and as shown in the lower part of Figure 4, the motor loss calculator 20a calculates the stator iron loss Loss_is, the stator copper loss Loss_cs, and the rotor loss Loss_r at a sampling time interval ST2 of about several seconds, and during the sampling time interval ST2, the stator iron loss Loss_is, the stator copper loss Loss_cs, and the rotor loss Loss_r are treated as constant and do not change. In contrast, in this embodiment, as shown in the middle of FIG. 4, the motor loss calculator 20a calculates the stator iron loss Loss_is, stator copper loss Loss_cs, and rotor loss Loss_r at a sampling time interval ST1 of about several microseconds to milliseconds, and accumulates these to obtain the stator iron loss Loss_is2, stator copper loss Loss_cs2, and rotor loss Loss_r2 at a sampling time interval ST2 of about several seconds.

モータ損失調整器20bで算出されたステータ鉄損Loss_is2、ステータ銅損Loss_cs2及びロータ損失Loss_r2はロータ温度推定器20cへ出力される。 The stator iron loss Loss_is2, stator copper loss Loss_cs2, and rotor loss Loss_r2 calculated by the motor loss adjuster 20b are output to the rotor temperature estimator 20c.

ロータ温度推定器20cは、モータ損失調整器20bからステータ鉄損Loss_is2、ステータ銅損Loss_cs2及びロータ損失Loss_r2を受信すると共に外気温度Tair3の検出値を受信して、熱エネルギの釣り合いを用いて設定された熱回路モデルに基づいてこれらの入力値からロータ温度Trotの推定値を求める。 The rotor temperature estimator 20c receives the stator iron loss Loss_is2, stator copper loss Loss_cs2, and rotor loss Loss_r2 from the motor loss regulator 20b, as well as the detected value of the outside air temperature Tair3, and calculates an estimate of the rotor temperature Trot from these input values based on a thermal circuit model set using thermal energy balance.

図5は、回転機100を対象とした熱回路モデルを示す。図5に示す熱回路モデルでは、回転機100において熱的に接続される複数の構成要素をステータコア、ステータコイル、ロータ側部材、筐体16の第1フレーム16a及び第2フレーム16b、負荷102としている。なお、当該熱回路モデルでは、ロータ12のロータコア及び導体バーの温度とシャフト14の温度とが等しいと仮定し、これらの要素をロータ側部材と示している。 Figure 5 shows a thermal circuit model for the rotating machine 100. In the thermal circuit model shown in Figure 5, the multiple components that are thermally connected in the rotating machine 100 are the stator core, stator coil, rotor side members, the first frame 16a and the second frame 16b of the housing 16, and the load 102. Note that in this thermal circuit model, it is assumed that the temperature of the rotor core and conductor bars of the rotor 12 is equal to the temperature of the shaft 14, and these elements are shown as rotor side members.

図5に示した熱回路モデルでは、ステータコアの温度Tsta、筐体16の第1フレーム16aの温度Tfr1、筐体16の第2フレーム16bの温度Tfr2、負荷102の温度Tload、ステータコイルの温度Tcoil、ロータ側部材の温度Trotと表している。また、空気0,1,2,3の各々の温度Tair0、Tair1、Tair2、Tair3と表している。熱回路モデルでは、これら構成要素を熱抵抗で接続して構成している。 In the thermal circuit model shown in FIG. 5, the temperature of the stator core is represented as Tsta, the temperature of the first frame 16a of the housing 16 as Tfr1, the temperature of the second frame 16b of the housing 16 as Tfr2, the temperature of the load 102 as Tload, the temperature of the stator coil as Tcoil, and the temperature of the rotor side member as Trot. In addition, the temperatures of air 0, 1, 2, and 3 are represented as Tair0, Tair1, Tair2, and Tair3, respectively. In the thermal circuit model, these components are connected by thermal resistances.

図3に示すように、制御装置20のモータ損失演算器20aには、モータ回転数N、ステータコイル電流Is(又はステータコイル電流の指令値)、すべり周波数ωs(又はすべり周波数の指令値)及びコイル温度Tcoilが入力される。さらに、モータ損失演算器20aには、後述するロータ温度推定器20cの出力側から、前回のロータ温度推定処理によって推定されたロータ温度Trotの推定値が入力される。 As shown in FIG. 3, the motor speed N, the stator coil current Is (or the command value of the stator coil current), the slip frequency ωs (or the command value of the slip frequency), and the coil temperature Tcoil are input to the motor loss calculator 20a of the control device 20. Furthermore, the estimated value of the rotor temperature Trot estimated by the previous rotor temperature estimation process is input to the motor loss calculator 20a from the output side of the rotor temperature estimator 20c described later.

モータ損失演算器20aは、モータ回転数N、ステータコイル電流Is(又はステータコイル電流の指令値)、すべり周波数ωs(又はすべり周波数の指令値)、コイル温度Tcoil及び前回のロータ温度Trotの推定値に基づいて、ステータ10で発生する損失としてのステータ鉄損Loss_is及びステータ銅損Loss_cs並びにロータ12で発生するロータ損失Loss_rを算出する。 The motor loss calculator 20a calculates the stator iron loss Loss_is and stator copper loss Loss_cs as losses occurring in the stator 10, as well as the rotor loss Loss_r occurring in the rotor 12, based on the motor rotation speed N, the stator coil current Is (or the command value of the stator coil current), the slip frequency ωs (or the command value of the slip frequency), the coil temperature Tcoil, and the estimated value of the previous rotor temperature Trot.

図5に示した熱回路モデルにより数式(9)が得られる。
Equation (9) is obtained from the thermal circuit model shown in FIG.

ロータ温度推定器20cは、数式(9)で表される熱回路モデルに基づいてロータ温度Trotを推定する。具体的には、ロータ温度推定器20cは、数式(10)で表されるオブザーバを用いる。
The rotor temperature estimator 20c estimates the rotor temperature Trot based on the thermal circuit model expressed by the formula (9). Specifically, the rotor temperature estimator 20c uses an observer expressed by the formula (10).

数式(10)のオブザーバでは、推定値を表すx、yに上付の山形(ハット)を付している。また、数式(9)に示したように、u、yは、ロータ温度推定器20cに入力される既知の値で構成される。Fは、オブザーバのゲインを表す。また、行列Aの成分にはモータ回転数Nが所定回転数以下の任意の回転数で算出された係数を適用する。 In the observer of equation (10), superscripted angles (hat marks) are added to x and y, which represent estimated values. As shown in equation (9), u and y are composed of known values input to the rotor temperature estimator 20c. F represents the gain of the observer. Furthermore, coefficients calculated when the motor rotation speed N is an arbitrary rotation speed less than or equal to a predetermined rotation speed are applied to the components of matrix A.

数式(10)を用いることによって、xに含まれるロータ温度Trotを推定することができる。具体的には、数式(10)においてy-y(ハット)が漸近的に0に収束するようにゲインFを設定する。そして、ロータ側部材の温度と一致するロータ温度Trotを算出する。これにより、ロータ温度推定器20cは、熱回路モデルで設計したオブザーバを用いてロータ温度Trotを推定する。なお、ロータ温度推定器20cは、オブザーバを用いずに、熱回路モデルを用いて、ロータ温度を推定してもよい。 By using formula (10), the rotor temperature Trot contained in x can be estimated. Specifically, the gain F is set so that y-y (hat) in formula (10) asymptotically converges to 0. Then, the rotor temperature Trot that matches the temperature of the rotor side member is calculated. As a result, the rotor temperature estimator 20c estimates the rotor temperature Trot using an observer designed with a thermal circuit model. Note that the rotor temperature estimator 20c may estimate the rotor temperature using a thermal circuit model without using an observer.

以上のように、本実施の形態のロータ温度推定システム200では、モータ損失演算器20aにおいて回転機100に対する指令値を更新するマイクロ秒~ミリ秒程度のサンプリング時間間隔ST1で損失が算出される。その後、モータ損失調整器20bにおいて当該損失を累算して数秒程度のサンプリング時間間隔ST2の損失に変換される。そして、ロータ温度推定器20cにおいて数秒程度のサンプリング時間間隔ST2の損失に基づいてロータ温度Trotが推定される。したがって、マイクロ秒~ミリ秒程度の時間間隔で変動する回転機100における損失の評価の精度を高めることができ、損失の評価に基づくロータ温度Trotの推定の精度も高めることができる。一方、ロータ温度Trotの推定処理では数秒程度の時間間隔で推定を行うので、計算量が莫大に増加することを抑制し、演算装置のコストが低く抑えることができる。 As described above, in the rotor temperature estimation system 200 of this embodiment, the motor loss calculator 20a calculates losses at sampling time intervals ST1 of about microseconds to milliseconds, which update the command value for the rotating machine 100. The motor loss regulator 20b then accumulates the losses and converts them into losses at sampling time intervals ST2 of about several seconds. The rotor temperature estimator 20c then estimates the rotor temperature Trot based on the losses at sampling time intervals ST2 of about several seconds. Therefore, the accuracy of the evaluation of losses in the rotating machine 100, which fluctuates at time intervals of about microseconds to milliseconds, can be improved, and the accuracy of the estimation of the rotor temperature Trot based on the evaluation of losses can also be improved. On the other hand, the estimation process of the rotor temperature Trot is performed at time intervals of about several seconds, which prevents the amount of calculations from increasing dramatically, and keeps the cost of the calculation device low.

10 ステータ、12 ロータ、14 シャフト、16 筐体、20 制御装置、20a モータ損失演算器、20b モータ損失調整器、20c ロータ温度推定器、22 回転数センサ、24 コイル温度センサ、26 外気温度センサ、100 回転機、102 負荷、200 ロータ温度推定システム。
REFERENCE SIGNS LIST 10 stator, 12 rotor, 14 shaft, 16 housing, 20 control device, 20a motor loss calculator, 20b motor loss adjuster, 20c rotor temperature estimator, 22 rotation speed sensor, 24 coil temperature sensor, 26 outside air temperature sensor, 100 rotating machine, 102 load, 200 rotor temperature estimation system.

Claims (4)

回転機のロータの温度を推定するロータ温度推定システムであって、
前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔より短いサンプリング時間間隔毎に、前記回転機の同期周波数とすべり周波数の和である駆動周波数に基づいて前記ロータの鉄損と、前記回転機の2次電流に基づいて前記ロータの銅損と、を含む前記回転機の損失を算出するモータ損失演算器と、
前記モータ損失演算器において算出された前記回転機の損失を前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔まで累積してモータ損失累積値を算出するモータ損失調整器と、
前記モータ損失累積値を用いて前記ロータの温度を推定するロータ温度推定器と、
を備えることを特徴とするロータ温度推定システム。
A rotor temperature estimation system for estimating a temperature of a rotor of a rotating machine, comprising:
a motor loss calculator that calculates losses of the rotating machine, including an iron loss of the rotor based on a drive frequency that is the sum of a synchronous frequency and a slip frequency of the rotating machine, and a copper loss of the rotor based on a secondary current of the rotating machine, for each sampling time interval that is shorter than a sampling time interval for estimating the temperature of the rotor;
a motor loss adjuster that calculates a motor loss accumulation value by accumulating the loss of the rotating machine calculated by the motor loss calculator up to a sampling time interval for estimating the temperature of the rotor;
a rotor temperature estimator that estimates a temperature of the rotor using the motor loss accumulation value;
A rotor temperature estimation system comprising:
請求項1に記載のロータ温度推定システムであって、
前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔より短いサンプリング時間間隔は、前記回転機の電流制御のサンプリング時間間隔であることを特徴とするロータ温度推定システム。
2. The rotor temperature estimation system according to claim 1,
A rotor temperature estimation system, wherein the sampling time interval shorter than the sampling time interval for estimating the rotor temperature is the sampling time interval for current control of the rotating machine.
請求項1又は2に記載のロータ温度推定システムであって、
前記ロータ温度推定器は、前記回転機の熱回路モデルに基づいたオブザーバを用いて前記ロータの温度を推定することを特徴とするロータ温度推定システム。
3. The rotor temperature estimation system according to claim 1,
a rotor temperature estimator that estimates the temperature of the rotor using an observer based on a thermal circuit model of the rotating machine;
回転機のロータの温度を推定するロータ温度推定方法であって、
前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔より短いサンプリング時間間隔毎に、前記回転機の同期周波数とすべり周波数の和である駆動周波数に基づいて前記ロータの鉄損と、前記回転機の2次電流に基づいて前記ロータの銅損と、を含む前記回転機の損失を算出し、
算出された前記回転機の損失を前記ロータの温度の推定のサンプリング時間間隔まで累積してモータ損失累積値を算出し、
前記モータ損失累積値を用いて前記ロータの温度を推定することを特徴とするロータ温度推定方法。
A rotor temperature estimation method for estimating a temperature of a rotor of a rotating machine, comprising:
calculating losses of the rotating machine, the losses including an iron loss of the rotor based on a drive frequency that is the sum of a synchronous frequency and a slip frequency of the rotating machine, and a copper loss of the rotor based on a secondary current of the rotating machine, for each sampling time interval that is shorter than a sampling time interval for estimating the temperature of the rotor;
accumulating the calculated loss of the rotating machine up to a sampling time interval for estimating the temperature of the rotor to calculate a motor loss accumulation value;
a rotor temperature estimation method comprising: estimating a temperature of the rotor using the accumulated motor loss value.
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