CN102624323B

CN102624323B - 一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法

Info

Publication number: CN102624323B
Application number: CN201110034614.8A
Authority: CN
Inventors: 杨红; 洪文成; 黄少锐
Original assignee: Shanghai E Propulsion Auto Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai E Propulsion Auto Technology Co Ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: CN102624323A

Abstract

本发明涉及一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，包括：在永磁电机的三相电线与电机控制器保持脱离下，控制用于永磁电机的冷却液保持恒温，经记录测试数据及相应处理来获得在无相电流条件下的转子温度变化与转速、定子温度之间对应关系；将永磁电机的三相电线与电机控制器保持连接，在正常冷却条件下经记录测试数据及相应处理来获得在不同相电流条件下的转子温度变化与相电流、定子温度之间对应关系；比较并处理在以上步骤中获得数据以获得转子温度与相电流、定子温度、转速之间对应关系并将其存储入与该永磁电机型号相同的永磁电机的电机控制器中。应用本发明能实时监测转子温度变化，防止转子磁钢温度过高而提高了驱动***的安全性能。

Description

一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法

【技术领域】

本发明涉及电机温度控制技术领域，尤其涉及一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法。

【背景技术】

永磁电机是一种结合电、磁、机械、热等多领域技术的关键零部件，尤其高效高密度永磁电机现在已在电动汽车上获得了广泛应用。热性能分析对于永磁电机而言是相当重要的，因为它不仅会影响到永磁电机的输出特性，而且更严重的时在某些温度过高的情形下可能会损坏电机。对此，在现有技术中通常采用在电机定子上安置温度传感器，并将定子温度反馈给电机控制器以由此进行温度监控处理。然而，实际情况是仅仅监测电机定子温度是不够的，这是由于在定转子之间存在着气隙，而它会导致由定子温度传感器采集到的信息并不能直接反映转子实际温度。如果转子温度过高将会直接影响永磁体的性能，并且最终可能导致出现永磁体退磁现象。但是，由于电机转子是一个旋转体而使得温度并不能进行实时测量，所以如何获得电机转子温度数值确实是一个极具挑战性的任务。

在公开号为CN101275871A的中国专利文献中公开了一种高速旋转永磁同步电机转子温度分布测量方法，尽管在该方法中通过在定子齿上钻孔并将红外温度传感器固定于孔中、使传感器探头直接与转子表面相对、利用变频调速器使高速旋转的转子在短时间内降为临界测量转速以下并稳定运行，然后通过数据采集***记录由传感器测得的转子减速过程中表面平均温度的变化以及在临界测量转速以下稳定运行时的转子表面温度分布并将二者相加而能得到转子高速旋转时的温度分布，但是采用上述方法中并不能实时地在线估算永磁电机转子磁钢温度。

【发明内容】

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，从而可以有效地解决现有技术中存在的上述问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，其包括以下步骤：

A、将永磁电机的三相电线与电机控制器保持脱离，使所述永磁电机在预设的转速测试范围内任选的第一转速下进行运转并且控制用于永磁电机的冷却液保持恒温，待所述永磁电机的转子温度保持稳定后，记录在该第一转速下的转子温度数据以及定子温度数据；随后，在所述预设的转速测试范围内的其他各转速下重复以上过程；然后，通过所记录的转速、定子温度数据以及转子温度数据来获得在无相电流条件下的转子温度变化与转速、定子温度之间的对应关系；

B、将所述永磁电机的三相电线与电机控制器保持连接，在正常冷却条件下使所述永磁电机在所述第一转速下进行运转，记录在该第一转速下采用不同相电流并且待所述永磁电机的转子温度数据保持稳定后的转子温度数据、定子温度数据和相电流数据；随后，在所述预设的转速测试范围的所述其他各转速下重复本步骤中的以上过程；然后，通过所记录的相电流、定子温度数据以及转子温度数据来获得在不同相电流条件下的转子温度变化与相电流、定子温度之间的对应关系；

C、比较在所述步骤A和步骤B中所记录的定子温度数据和转子温度数据，并将在相同转速下步骤B中的转子温度数据减去步骤A中的转子温度数据，以获得在不同定子温度、不同相电流、不同转速下的转子温差数据；以及

D、综合在所述步骤A、B和C中所获得的定子温度数据、转子温度数据以及转子温差数据，以获得转子温度与相电流、定子温度、转速之间的对应关系并将其存储入与所述永磁电机型号相同的永磁电机的电机控制器中，以由此实现对永磁电机转子磁钢温度的在线估算。

在上述的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法中，优选地，所述方法还包括步骤：

A1、当所述步骤A中的所述永磁电机的当前转速大于预设的阀值转速时，根据实际转子温度数据来对所述步骤A中在该当前转速下的转子温度数据进行修正处理。

在上述的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法中，优选地，所述步骤A1中的实际转子温度数据是通过计算磁链密度并根据永磁材料固有的磁链密度与温度的对应关系数据来获得的。

B1、当所述步骤B中的所述永磁电机的当前转速大于所述阀值转速时，根据实际转子温度数据来对所述步骤B中在该当前转速下的转子温度数据进行修正处理。

在上述的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法中，优选地，所述步骤B1中的实际转子温度数据是通过计算磁链密度并根据永磁材料固有的磁链密度与温度的对应关系数据来获得的。

本发明的有益效果在于：本发明的思路在于从产生热量的根源入手，通过设计并提供本发明中的测温***以及通过使用其来实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，从而找出例如铜损耗、铁损耗或者机械损耗等不同损耗对应的转子温升特性并通过在电机控制器中存储入关于转子温度与相电流、定子温度、转速之间的对应关系来进行转子温度的在线估算，从而解决了无法使用传感器来检测出电机转子温度的问题，即在不需要增加温度传感器的条件下就能够实时监测电机转子温度的变化，以防止由于转子磁钢温度过高而发生退磁、不可逆地损坏电驱动***，从而可以显著地提高驱动***运行的安全性和可靠性。

【附图说明】

以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。其中：

图1是在本发明方法中用于进行永磁电机的转子温度和定子温度测试的测温***示例的组成示意图；

图2是图1所示测温***示例中的永磁电机的端面视图；以及

图3是本发明方法的一个实施例的数据处理示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，该图以示意方式概括性地显示出了在本发明方法中用于进行永磁电机的转子温度和定子温度测试的测温***示例的基本组成情况，以下将同时结合图2来详细地说明该测温***的各组成部分。

在上述示例中，测温***包括永磁电机1、红外热像仪2、与永磁电机1同轴连接的测功机4、上位机8以及至少一个温度传感器(未示出)。其中，如图1所示，永磁电机1设有电机控制器并被固装在支架3上，在永磁电机1的转子磁钢7的端面上设置了涂覆层，该涂覆层是使用相同涂料进行涂覆而形成同一颜色。并且，如2图所示，在永磁电机1的相应端面5上开设了适于使涂覆层暴露于外界且呈扇形的开口部6，同时还通过例如采用锗玻璃或者其他适宜材料制成的透明部件来封闭开口部6。上述的一个或多个温度传感器是被装设在永磁电机1的定子槽中以便用来检测永磁电机1的定子温度，而红外热像仪2则是被设置为对准上述的涂覆层以便于对永磁电机1的转子温度进行检测。此外，将上位机8分别与温度传感器和红外热像仪2进行连接，从而可以接收并处理所采集到的定子温度数据和转子温度数据。

可以通过上述的测温***来实现本发明的在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法。请参考图1和图3，本发明方法概括而言主要包括以下的步骤A-D，下面将对这些步骤的具体过程进行详细说明以便能够清楚地理解本发明方法的原理、特点及其优点。

步骤A、通过以下过程来获得永磁电机1在无相电流条件下，由于铁损耗、机械损耗引起的转子温度变化与转速、定子温度之间的对应关系：

首先，使用例如上述示例的测温***并且将永磁电机1的三相电线与该永磁电机1的电机控制器脱离，即将其设为开路测试环境；

然后，启动测功机4将永磁电机1拖动到根据需要而预设的转速测试范围内进行任意选择的某一个转速n1下(例如，500rpm或者在永磁电机1正常运行范围内的其他转速)，并且使得用于永磁电机的冷却液受控保持恒温；

随后，等待由红外热像仪2检测到的转子温度数据保持稳定后，即记录在该转速下的转子温度数据以及由温度传感器检测到的定子温度数据；

接下来，在预设的转速测试范围内的若干个不同转速(这些转速是由测试者根据其实际需要而进行自由设定的，例如在500-8000rpm范围内的整数转速值)下重复以上过程；

最后，对以上过程中记录到的转速、定子温度数据以及转子温度数据进行分析、处理，从而获得永磁电机1在无相电流条件下的转子温度变化与转速、定子温度之间的对应关系。

步骤B、通过以下过程来获得永磁电机1在不同相电流条件下的转子温度变化与相电流、定子温度之间的对应关系：

首先，将测温***中的永磁电机1的三相电线与该电机控制器保持连接(即将其设为带载测试环境)，并且在正常的冷却条件下启动测功机4而将该永磁电机1拖动到并保持在上述的转速n1下进行运转；

随后，在该转速n1下采用不同相电流并且等待由红外热像仪2检测到的转子温度数据保持稳定后，记录此时的转子温度数据、相电流数据以及由温度传感器检测到的定子温度数据；

然后，在与步骤A中完全相同的预设转速测试范围内的其他各转速下重复本步骤B中的以上过程；

最后，对以上过程中记录到的相电流、定子温度数据以及转子温度数据进行分析处理，这可以通过采用诸如差值拟合等现有技术中存在的任何适用的数据处理方法或者通过三维查表来实现，从而获得在不同相电流条件下的转子温度变化与转速、定子温度之间的对应关系。

步骤C、对在以上步骤A和步骤B中所记录的定子温度数据、转子温度数据进行对比分析，并将在相同转速下于步骤B中记录的转子温度数据减去步骤A中的转子温度数据，从而获得在不同定子温度、不同相电流、不同转速下的转子温差数据；

步骤D、综合在以上步骤A、B和C中所获得的定子温度数据、转子温度数据以及转子温差数据进行分析、处理，这也是可以通过采用诸如差值拟合等现有技术中存在的任何适用的数据处理方法或者通过三维查表来实现的，从而最终获得转子温度与相电流、定子温度、转速之间的对应关系，然后将其存储入与永磁电机1型号相同的永磁电机的电机控制器中，这样就可以通过该电机控制器来控制并实现对永磁电机转子磁钢温度的在线估算，以便能够实时监测永磁电机转子温度变化，防止由于温度异常而致使电机受损毁坏，从而可以更好地保证驱动***能够安全、可靠地运行。

在一个优选实施例中，本发明还针对上述实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法实施例提供了进一步的优化和完善。具体而言，在预设的转速测试范围内的转速大于设定的阀值转速的情形下，可以根据实际转子温度数据来对前述步骤A中由红外热像仪检测到的转子温度数据进行修正处理以使其更真实、可靠。例如，可以通过先计算磁链密度，然后根据已知的永磁材料固有的磁链密度与温度的对应关系数据(例如，可从提供永磁材料的厂商处得到这些数据或者类似的资料、信息)来获得的磁链密度与温度的对应关系数据来加以获得。上述的阀值转速可以是根据不同的永磁电机性能(如反电动势大于50V)来进行设定的，例如可将该阀值转速设置为1000rpm或者其他的适宜数值。

在另一个优选实施例中，本发明还针对上述实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法实施例提供了更进一步的优化和完善。即，在预设的转速测试范围内的转速大于上述阀值转速的情形下，可以根据实际转子温度数据来对前述步骤B中由红外热像仪检测到的转子温度数据进行修正处理以使其更真实、可靠。类似地，可以通过先计算磁链密度，然后根据已知的磁链密度与温度的对应关系数据来加以获得。

当然，在又一个优选实施例中，还可以结合以上两个优选实施例来同时实施针对步骤A和B中的转子温度数据进行修正处理，以获得更佳的数据以进一步确保永磁电机转子磁钢温度在线估算的精确性。

下面通过在图3中较为完整地示出的一个数据处理示意图可以更清楚、全面地理解上述的本发明方法。

如图3所示，首先说明该图中各符号所代表的基本含义，其中的T_{Rotor_Temp1}表示的是在无相电流条件下由于铁损耗、机械损耗而引起的转子温升；T_{Rotor_Temp2}表示的是在接入不同相电流条件下由于铜损耗、增加的铁损耗而引起的转子温升；T_Rotor表示的是由于铜损耗、铁损耗以及机械损耗的合成而引起的转子温升；Table 1(或Formula 1)表示的是由于铁损耗、机械损耗而引起的转子温升与电机转速、定子温度之间的对应关系，而Table 2(或Formula 2)表示的则是由于铜损耗、增加的铁损耗而引起的转子温升与相电流、定子温度之间的对应关系；图中的其他参数I_phase、Stator_Temp、Motor_Spd、Ψ_PM分别表示的是相电流、定子温度、电机转速和永磁磁链。

此外，在图3中还示出了分别用于Table 1(或Formula 1)、Table 2(或Formula 2)的温度修正系数η₁、η₂，即当电机转速高于1000rpm时，通过计算磁链密度并查询例如从永磁材料厂商处获得的磁链密度大小与温度关系的特性曲线等现有公知资料来获得此时的实际转子温度(即，在图3中是由关系式T_Rotor＝f(Ψ_PM)、η＝f(T_Rotor)进行相应表示)，从而对Table 1(或Formula 1)与Table 2(或Formula 2)进行修正，以此来更加客观、真实地反映出相电流、定子温度、转速对转子温度的实际影响，从而能够更精确地实时在线估算出永磁电机转子磁钢的温度。

以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度方法，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进，例如将前述的永磁电机1上的开口部6改设成圆形、椭圆形、多边形或者任何其他的适宜形状；或者根据现场情况或者实际需要而将永磁电机1直接装设在工作台面或地面上；或者采用无线技术来检测永磁电机的转子温度等。此外，在本文中列出的任何确定性具体数值显然也应当包括对其的非实质性偏差。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims

1.一种实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

3.根据权利要求2所述的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，其特征在于，所述步骤A1中的实际转子温度数据是通过计算磁链密度并根据永磁材料固有的磁链密度与温度的对应关系数据来获得的。

4.根据权利要求2或3所述的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

5.根据权利要求4所述的实现在线估算永磁电机转子磁钢温度的方法，其特征在于，所述步骤B1中的实际转子温度数据是通过计算磁链密度并根据永磁材料固有的磁链密度与温度的对应关系数据来获得的。