JP7636966B2 - ロータ温度推定システム及びロータ温度推定方法 - Google Patents

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。

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）。

特開２０２０－１６７７７９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図５に示した熱回路モデルにより数式（９）が得られる。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。