CN114094914B - 一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，用于对采用Id=0控制方式的表贴式永磁同步电机转子永磁体温度进行在线测量，基于永磁材料剩余磁感应强度随温度可逆变化原理，通过测量电机在起动时刻环境温度、起动至预定转速时刻的电压值、电流值和转速，以及测量电机运行在任意时刻的电压值、电流值和转速，即可对转子永磁体温度进行实时在线监测。本发明无需增加温度传感器及测量线圈，且测量过程中不需要断电，具有方法简单、成本低廉、可实现在线测量的优点。该方法不仅对于维护永磁同步电机可靠运行具有重要作用，同时还可以为指导电机优化设计及提高其功率密度提供重要参考。

Description

一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法
技术领域
本发明涉及一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，属于电机测控的技术领域。
背景技术
表贴式永磁同步电机具有高性能、小体积、高功率密度、结构简单、制造成本低和转动惯量小的优点，在汽车和家电等驱动***中占有重要地位。然而，表贴式永磁同步电机运行时，受电机非正弦电源和齿槽的影响，转子中会产生大量的涡流损耗。由于转子散热条件差，大量的涡流损耗会引起转子温度升高，转子温度过高会导磁永磁材料磁性能下降，甚至发生不可逆退磁，因此对转子永磁体温度进行实时测量对于维护永磁同步电机可靠运行及指导永磁同步电机的优化设计具有至关重要的作用。
由于电机转子处于旋转状态，因而对转子表面温度的测量较为困难。目前对于表贴式永磁同步电机转子温度的测量主要有两种方法：一种是通过传感器测量,传感器分为非接触式测温传感器和接触式测温传感器，无论是接触式还是非接触式传感器都会引起安装复杂、成本增加、***可靠性降低问题。此外，传感器测量信号向外传输过程中容易受到电机内部磁场的干扰。
另一种方法是通过与温度相关的电机内部参数对电机温度进行映射。浙江大学李统在其硕士论文《永磁同步电机转子温度场计算与测量》中提出了一种采用反电势法测量永磁同步电机转子永磁体温度的方法。该方法需要在电机定子槽中设置测量线圈，经推导得出测量线圈中磁通和电机转子永磁体温度之间的函数关系，从而通过实验记录线圈的磁通值便可得到转子永磁体的温度。该方法虽然不失为一种简单可行的转子测温方法，但其需要在定子槽内提前安装测试线圈，其过程复杂且降低电机性能，此外该方法需要断电测量，因此无法对电机永磁体温度进行在线监测。
因此，现有技术需要一种测量过程简单且精度高的温度测量方法来对表贴式永磁同步电机转子永磁体温度进行在线测量。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法, 可有效解决永磁同步电机转子温度测试过程复杂，测试精度低及在线实时测量问题，对保障电机安全运行以及指导永磁同步电机的优化设计具有重大意义。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法,包括如下步骤：
1）记录电机起动时刻的环境温度T 1，认定T 1作为电机转子永磁体的初始温度。利用变频器将电机起动至预定转速后，立即测量此时电机的相电压U 1、相电流I 1和转速n 1。
2）电机稳定运行时，实时测试电机的电压U 2、电流I 2及转速n 2。
3）建立温度转换模型，如式1所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式1
式中，U 1、I 1、n 1、T 1为步骤1中测量的数据；U 2、I 2、n 2为步骤2中测量的数据；T 2为步骤2对应时刻转子永磁体温度，α Br 为剩余磁感应强度温度系数，Z(T 1), Z(T 2)为温度T 1 、T 2对应的定子阻抗参数。
4）利用所述的温度转换模型将步骤1和步骤2中测量数据转换为转子永磁体温度。
优选的，步骤1具体为，环境温度利用水银温度计或红外测温仪测量，要求测温范围为-30—50℃，测试精度为±0.2℃。电压、电流通过功率分析仪获得，要求功率分析仪的采样频率大于300kHz。电机转速通过转矩转速传感器进行测量。
优选的，步骤1中电机起动至预定转速过程应迅速，变频器设置起动时间小于5s。
优选的，步骤2中记录电压、电流和转速的记录过程小于10s，防止因时间滞后引起的测量误差。
优选的，步骤3中温度转换模型需要考虑温度对电机阻抗参数的影响。
优选的，步骤3中温度转换模型的输入为永磁体初始温度、电机相电压、相电流和转速，模型输出为转子永磁体温度。
有益效果：本发明提供的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，用于对采用Id=0控制方式的表贴式永磁同步电机转子永磁体温度进行在线测量，基于永磁材料剩余磁感应强度随温度可逆变化原理，通过测量电机在起动时刻环境温度、起动至预定转速时刻的电压值、电流值和转速，以及测量电机运行在任意时刻的电压值、电流值和转速，即可对转子永磁体温度进行实时在线监测。该方法无需增加温度传感器及测量线圈，且测量过程中不需要断电，具有方法简单、成本低廉、可实现在线测量的优点。该方法不仅对于维护永磁同步电机可靠运行具有重要作用，同时还可以为指导电机优化设计及提高其功率密度提供重要参考。
附图说明
图1为表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量流程图。
图2为本申请实施例提供的表贴式永磁同步电机采用Id=0控制方式空载与额定负载时的感应电动势。
图3为由本申请实施例提供的测量数据转换的转子永磁体温度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明所涉及的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，其具体操作过程如下：
1）选择额定功率为1.6kW,额定电压为200V，额定电流为6.2A，额定转速为4500r/min的表贴式三相永磁同步电机作为测量对象，电机永磁材料牌号为N35EH，该电机由商用变频器采用Id=0方式进行控制。首先，利用水银温度计记录电机起动时刻的环境温度T 1，T 1为19℃，将T 1作为电机转子永磁体的初始温度。然后，利用变频器控制电机使其转速从0快速升至额定转速，并立即在功率分析仪读取电机的相电压U 1、相电流I 1，并在转矩转速测试仪上读取电机的转速n 1。
2）分别测量永磁同步电机额定工况下运行在500s、1000s、1500 s、2000s、2500s、3000s、3500s、4000s时刻的电压值、电流值和转速。
3）建立温度转换模型。
永磁同步电动机电压方程如式2所示，
Figure 940289DEST_PATH_IMAGE002
式2
式中，U为电机相电压、E为感应电动势、I为相电流、Z为定子绕组阻抗。
定子绕组阻抗Z=R+jX，其中，X表示感抗，只有电阻R和温度有关，关系式为,R(T2)=R(T1)[1+α(T2-T1)]，其中，R(T2)代表转子永磁体温度T2时的电阻R阻值，R(T1)代表转子永磁体为T1时的电阻R阻值，α为导体电阻的温度系数，对于铜α≈0.004℃-1。
由式2可知，通过所述步骤1和步骤2测量的相电压、相电流及阻抗参数，即可以获得电机的感应电动势E，该电动势是由定子绕组磁场与永磁体励磁磁场共同作用在定子绕组感生的。但对于表贴式永磁同步电机，为了保证单位电流下能够产生更大的转矩，通常采用Id=0的控制方式，即电流全部集中于q轴，在电机不饱和情况下负载磁场与空载磁场相比变化不大。图2为本申请实施例电机空载和额定负载时感应电动势的对比，对于本申请实施例空载感应电动势与额定负载感应电动势有效值相差3.12%，即可以认为采用Id=0控制方式的表贴式永磁同步电机的电动势仅由永磁体励磁磁场产生。
永磁体温度变化，其剩余磁感应强度改变，此时感应电动势也随之改变，因此可以得到感应电动势和永磁体温度之间的关系。
仅有永磁体磁场在定子绕组中产生的感应电动势如式3所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式3
式中n为电机转速，p为电机极对数，N为每相绕组串联匝数，k w1为基波绕组系数，k φ为磁场波形系数，b m0为永磁体工作点，B r（T）为转子永磁体温度为T时的永磁材料剩余磁感应强度，A m为永磁体提供每极磁通面积，σ0为空载漏磁系数，K E为电动势常数。
由式2和式3可以得出起动至预定转速时刻的永磁材料剩余磁感应强度，如式4所示；电机稳定运行时刻永磁材料剩余磁感应强度如式5所示。
Figure 591850DEST_PATH_IMAGE004
式4
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式5
永磁材料的剩余磁感应强度随温度变化程度如式6所示，
Figure 43691DEST_PATH_IMAGE006
式6
利用式4、式5、式6，可以得到温度转换模型，如式1所示，通过求解式1关于T2的方程，获得任意时刻转子永磁体温度。
4）将不同时刻的电压、电流值和转速传递到温度转换模型，得到不同时刻转子永磁的温度值。如附图3所示。
本发明的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，由于其无需安装温度传感器和测试线圈，且不需要进行断电测量，从而保证该测量方法能够不受环境因素干扰，测量准确性高，并能够实现对转子永磁体温度在线测量，保证电机安全可靠运行，为电机优化设计提供理论依据。本发明的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法应用方式简单，成本低廉。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：记录电机起动时刻的环境温度T1，认定T1作为电机转子永磁体的初始温度；
步骤2：获取电机预定转速时，电机的相电压U1、相电流I1和转速n1；
步骤3：获取待测转子永磁体温度T2时刻电机的电压U2、电流I2及转速n2；
步骤4：获取转子永磁体温度T1、待测转子永磁体温度T2对应的定子阻抗Z(T1),Z(T2)；
步骤5：将T1、U1、I1、n1、U2、I2、n2、Z(T1)和Z(T2)代入温度转换模型，求取待测转子永磁体温度T2；
所述温度转换模型，如式1所示：
Figure FDA0003550150470000011
其中：αBr为剩余磁感应强度温度系数；
所述电机采用表贴式永磁同步电机；
所述电机采用Id＝0控制方式。
2.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，其特征在于：所述环境温度利用水银温度计或红外测温仪测量，要求测温范围为-30—50℃，测试精度为±0.2℃；电机的电压、电流通过功率分析仪获得，要求功率分析仪的采样频率大于300kHz；电机转速通过转矩转速传感器进行测量。
3.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，其特征在于：所述预定转速设置为变频器控制电机起动时间小于5s的转速。
4.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，其特征在于：记录电机的相电压U1、相电流I1和转速n1的时间小于10s。
5.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，其特征在于：所述定子阻抗Z(T)＝R(T)+jX，R(T2)＝R(T1)[1+α(T2-T1)]，其中，X表示感抗，R(T2)代表转子永磁体温度T2时的电阻R阻值，R(T1)代表转子永磁体为T1时的电阻R阻值，α为导体电阻的温度系数。
6.根据权利要求5所述的一种表贴式永磁同步电机转子永磁体温度在线测量方法，其特征在于：所述α设置为0.004℃-1。
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