特許 7446853 電動機の温度推定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-01

(45)【発行日】2024-03-11

(54)【発明の名称】電動機の温度推定方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/62 20160101AFI20240304BHJP

   B60L 3/00 20190101ALI20240304BHJP

   B60L 15/20 20060101ALI20240304BHJP

【ＦＩ】

H02P29/62

B60L3/00 N

B60L15/20 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020033555

(22)【出願日】2020-02-28

(65)【公開番号】P2021136836

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2023-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100200218

【弁理士】

【氏名又は名称】沼尾 吉照

(72)【発明者】

【氏名】三角 雅哉

(72)【発明者】

【氏名】牧野 友由

【審査官】佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１２４３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００７５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０３４２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１００２０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２９／６２

Ｂ６０Ｌ ３／００

Ｂ６０Ｌ １５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

架線からの電力を変換する電力変換装置と、
電力変換装置から供給される電力により駆動される電動機と、
電動機に流れる電動機電流を検出する電流センサと、
電動機の回転数を検出する回転数センサと、
外気温を検出する外気温センサとを有し、
電流センサで検出された電動機電流および回転数センサで検出された回転数に基づいて、電動機の損失による電動機温度上昇値を算出し、該電動機温度上昇値と外気温センサで検出された外気温を加算して、電動機の温度を算出する電動機の温度推定方法。

【請求項2】

前記電動機温度上昇値から電動機の冷却効率による温度変化量の補正分を減算した第２の電動機温度上昇値を算出し、該第２の電動機温度上昇値と外気温センサで検出された外気温を加算して、電動機の温度を算出する請求項１記載の電動機の温度推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、電動機の温度推定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両には、車両を駆動する電動機と、それを制御するための電力変換装置が設置されている。この電動機は電力変換装置から交流電力が供給され駆動されるが、電動機は巻線抵抗などによって損失が発生し、それによって温度が上昇する。
この温度が上昇し続けると、電動機を構成するコイルや鉄芯の劣化や、焼損の可能性がある。したがって、電動機の温度を監視することが必要である。

【0003】

電動機の温度を監視する方法としては、電動機に取り付けた温度センサから直接温度を検出する方法があるが、温度センサを取り付けるために電動機に改造を施したり、制御装置まで信号線を引き込む必要があり、必要以上のコストがかかる。また、別の方法として電動機の電流値及び回転数から電動機の温度上昇を推定することは可能であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１１－２６２１０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、電動機の電流値及び回転数から求めた温度上昇値のみでは、電動機の温度を正確に推定することができなかった。

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、電動機の温度を推定によって求めるに際し、外気温センサを用いて精度良く電動機の温度を推定することのできる電動機の温度推定方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態にかかる電動機の温度推定方法は、架線からの電力を変換する電力変換装置と、電力変換装置から供給される電力により駆動される電動機と、電動機に流れる電動機電流を検出する電流センサと、電動機の回転数を検出する回転数センサと、外気温を検出する外気温センサとを有し、電流センサで検出された電動機電流および回転数センサで検出された回転数に基づいて、電動機の損失による電動機温度上昇値を算出し、該電動機温度上昇値と外気温センサで検出された外気温を加算して、電動機の温度を算出する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態にかかる電気車の制御装置の構成図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態にかかる電気車の制御装置の構成を示す図である。
電気車の制御装置は、 架線から集電装置１を介して供給された電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換する電力変換装置２と、電力変換装置２で変換された交流電力により駆動される電動機３とを有する。

【0010】

電力変換装置２は、制御装置２１を有しており、図示しない速度指令信号と回転センサ４で検出された回転数から求めた現在の速度信号とに基づいて電流指令を生成する速度制御部と、速度制御部からの電流指令と電流センサ５で検出された電流値から求めた現在の電流信号とを用いて電流指令値を生成する電流制御部と、電流指令値に対応するモータ電流が流れるようにＰＷＭ信号を生成して電力変換装置２を制御するＰＷＭ信号生成部を有する。
電力変換装置２を構成する半導体スイッチング素子はＰＷＭ信号に基づいてオン・オフ動作を行うことで、電力変換装置２から可変電圧可変周波数の交流電力を供給され、電動機３が駆動される。

【0011】

次に、本実施の形態における電動機の温度推定方法について説明する。
本実施の形態では、電動機の駆動制御に用いられている前記回転センサ４の出力と、前記電流センサ５の出力に加えて、外気温センサ６の出力を用いることで、電動機の温度推定を行う。なお、外気温センサ６は、新規に設置して良く、また既に電気車に搭載されている場合は、その外気温センサを流用しても良い。
温度推定演算部２２は、回転センサ４で検出された回転数検出値と電流センサ５で検出された電流検出値に基づき電動機の温度上昇を推定する温度上昇推定演算部２３と、温度上昇推定演算部２３で求められた温度上昇値と外気温センサ６で検出された外気温検出値とを加算して温度推定値を算出する加算器２４を有する。
なお、温度推定演算部２２は、所定時間毎に演算を行うものとする。

【0012】

まず、温度上昇推定演算部２３は、電動機で発生する電気的な損失の算出を行う。
損失の算出は、電動機の電流・抵抗（銅損）に基づき算出される項と、電動機の回転数（鉄損）に基づき算出される項を有する。
例えば、電動機の損失は、下記式１で示される。
Ｐ＝３Ｒ・Ｉｍ²＋Ｋ・（ｐ・ＦＲ） ・・・ 式１
Ｒ：電動機の等価抵抗
Ｉｍ：電動機のモータ電流
Ｋ：電動機の鉄損の温度寄与率
ｐ：補正係数
ＦＲ：電動機の回転数

【0013】

なお、補正係数ｐは、電動機が力行状態・減速状態で異なる値をとり、また、電動機の回転数ＦＲと所定値との大小関係により異なる値をとっても良い。例えば、電動機が力行状態では、回転数が大きくなるほど、電動機の損失が大きくなる傾向にあるため、補正係数ｐを大きくすることで、推定精度を向上させることができる。

【0014】

つぎに、温度上昇推定演算部２３は、上記式１で求められた電動機の損失と、所定時間前（ｔ－１）に求められた温度上昇推定値θｍ－１および電動機の熱時定数や定格特性に基づいて、所定時間（ｔ）における電動機の温度変化量Δθを算出する。このとき、電動機の冷却効率が大きい場合は温度変化量を小さくする補正を行っても良い。例えば、走行速度が遅く冷却効率が小さい場合は補正を行わず、走行速度が速く冷却効率が大きい場合は補正を行うようにしても良い。

【0015】

さらに、温度上昇推定演算部２３は、所定時間前の温度上昇推定値θm（ｔ－１）と、温度変化量Δθとに基づいて、所定時間ｔにおける電動機の温度上昇推定値θｍ（t）を算出する。
そして、加算器２４では、温度上昇推定演算部２３で求められた電動機の温度上昇推定値θｍ（t）と外気温センサ６で検出された外気温検出値とを加算して、電動機の温度推定値を算出する。

【0016】

上述したように、本実施形態においては、外気温センサで検出された外気温度と、電動機の損失による発熱による温度上昇する温度とに基づき、電動機の温度を算出することができ、簡易な方法で温度推定が可能となる。
また、電動機の損失による発熱については、電動機に流れる電流値を変数とする発熱と、電動機の回転数を変数とする発熱とに分けて算出を行うことで、演算を簡易にすることができる。
さらに、冷却効果が得られる場合は、冷却による温度低下を補正することで、温度推定の精度を向上させることができる。

【0017】

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0018】

２・・・電力変換装置
３・・・電動機
４・・・回転センサ
５・・・電流センサ
６・・・外気温センサ
２１・・・制御装置
２２・・・温度推定演算部
２３・・・温度上昇推定演算部
２４・・・加算部

【図1】