CN102072778A - 用于确定机器中的永磁体温度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定机器中的永磁体温度的系统及方法。具体而言，一种用于确定机器中的永磁体温度的系统包括生成反映定子电压的电压信号的电压传感器，以及生成反映定子电流的电流信号的电流传感器。处理器接收电压信号和电流信号，且生成反映机器中的永磁体温度的温度信号。一种用于控制机器负载的方法包括生成电压信号、电流信号和反映机器中的永磁体温度的温度信号。该方法还包括基于温度信号来调整机器的负载。

Description

用于确定机器中的永磁体温度的系统及方法

技术领域

本发明关于机器中的永磁体。具体而言，本发明的实施例涉及一种用于确定发电机或马达中的永磁体的温度的系统及方法。

背景技术

诸如马达和发电机的机器通常包括转子和定子。转子可包括产生磁场的永磁体。在发电机中，转子相对于定子的旋转引起始自永磁体的磁场旋转，从而感生出流过定子中绕组的电流。相反，在马达中，流过定子绕组的电流引起永磁体旋转，且因此引起转子旋转。

机器的运行造成损耗，且之后造成永磁体方面的随后加热。对于给定的工作点和设计，永磁体具有有效的最大容许工作温度，即使在短时间期间内如果超过该最大容许工作温度数度，也可导致永磁体突然且不可逆的退磁，这会妨碍机器以设计电势(potential)工作。这种风险在发电机的突然短路故障事件期间特别尖锐，或可由发电机观察到，例如，绕组、端子或线缆中的短路，或更常见的是诸如整流器或功率电子转换器的发电机控制电子设备的短路。结果，为了减小这种风险，机器通常设计有较大且较高等级(例如，较高的容许温度)的永磁体，和/或在减小的负载下工作，以便减小永磁体的退磁风险。此外，机器通常包括监测永磁体的温度以防止温度过热的控制系统。

直接监测永磁体温度由于转子的旋转而不可行。因此，控制系统通常最好限于通过监测定子绕组温度来间接地监测永磁体温度。例如，电阻与温度成正比变化的电阻式温度检测器(RTD)可物理地安装在定子内。出自RTD的配线将温度信号从RTD传输至控制系统，而控制系统可使用该温度信号来调整机器的负载以降低定子温度，且因此还有希望降低永磁体的温度。然而，这种布置也容易受到RTD或配线故障的影响。结果，多个RTD和相关配线通常安装在定子内以提供冗余。此外，在仅检测定子绕组温度的情况下，不能直接获悉磁体的温度，或不能确保磁体温度在安全或期望的范围内。因此，基于定子温度而控制机器上的负载未必可限制机器的额定负载，或使磁体置于不可接受的、不可逆的退磁风险。

因此，需要一种用于确定机器中的永磁体的温度的系统及方法。理想的是，该系统和方法将可靠地提供对永磁体温度的准确反映，而无需多余的传感器且不会毫无必要地限制机器的额定负载。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下说明中阐述，或可根据该说明而清楚，或可通过实施本发明而理解到。

本发明的一个实施例为一种用于确定机器中的永磁体温度的系统。该系统包括电压传感器和电流传感器。电压传感器生成反映跨过定子的电压电势(voltage potential)的至少一个电压信号，以及电流传感器生成反映经过定子的电流(current flow)的至少一个电流信号。处理器接收至少一个电压信号和至少一个电流信号，且生成反映机器中的永磁体温度的温度信号。

本发明的另一实施例为一种用于调节机器上的负载的系统。该系统包括电压传感器和电流传感器。电压传感器生成反映跨过定子的电压电势的至少一个电压信号，以及电流传感器生成反映经过定子的电流的至少一个电流信号。处理器接收至少一个电压信号和至少一个电流信号，且生成反映机器中的永磁体温度的温度信号。控制器接收温度信号，且基于该温度信号调整机器的负载。

本发明还包括一种用于控制机器负载的方法。该方法包括生成反映跨过定子的电压电势的至少一个电压信号，以及生成反映经过定子的电流的至少一个电流信号。该方法还包括生成反映机器中的永磁体温度的温度信号，以及基于该温度信号调整机器的负载，其中，该温度信号是基于至少一个电压信号和至少一个电流信号的。

本领域的普通技术人员在浏览说明书时将更好地理解这些及其它实施例的特征和方面。

附图说明

在包括参照附图的余下说明中，对于本领域的技术人员而言更为具体地阐述了本发明包括其最佳模式的完整和能够实施的公开内容，在附图中：

图1为根据本发明一个实施例的用于确定永磁体温度的系统的框图；

图2为图1中所示的处理器所执行的功能的简化框图；以及

图3为根据本发明一个实施例的算法的框图。

零件清单

10 系统

12 永磁体

14 风力涡轮发电机

16 转子叶片

18 轴

20 齿轮箱

22 发电机

24 定子

26 转子

28 转换器

30 AC-DC电桥

32 DC-AC电桥

34 电压传感器

36 电流传感器

38 处理器

40 电压信号

42 电流信号

44 温度信号

46 第一存储器/介质元件

48 第二存储器/介质元件

50 协同处理器

52 第三存储器/介质元件

54 控制器

56 信号

58 促动器

60 算法

62 3-2变换函数

64 误差子程序

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。详细说明使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中相似或类似的标识已用于指代本发明相似或类似的部分。

各实例均是以说明本发明的方式提供的，而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出各种修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可在另一实施例上用来产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明涵盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。

本发明的实施例包括一种用于确定机器中的永磁体温度的系统及方法。该系统和方法还可使用永磁体的温度来调整机器上的负载，以防止永磁体中温度过热。作为备选，该系统或方法可调整机器上的负载，以实现永磁体所期望的温度。机器可为马达或发电机，这取决于特定的实施例。通过图示的方式，本发明的实施例以风力涡轮发电机为背景而提供。然而，本发明同样地适用于具有带永磁体的转子的其它类型的发电机或马达。

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于确定永磁体12温度的系统10的框图。在该实施例中，系统10是以风力涡轮发电机14为背景示出的。风力涡轮发电机14主要包括转子叶片16、轴18、齿轮箱20以及发电机22。风使转子叶片16旋转以产生机械能，而轴18和齿轮箱20则将机械能从转子叶片16传输至发电机22。发电机22包括定子24和转子26，其中，永磁体12包括在转子26中。转子26的旋转通过引起经过定子24的电压和电流而将机械能转换成电能。来自于定子24的电能流向转换器28，在该处，AC-DC电桥30和DC-AC电桥32将电能的电压和频率转换和调节成与本地电网一致。

系统10包括电压传感器34、电流传感器36以及处理器38。电压传感器34连接到定子24的输出端上，且生成反映跨过定子24的电压电势的电压信号40。电流传感器36类似地连接到定子24的输出端上，且生成反映流过定子24的电流的电流信号42。电压传感器34和电流传感器36可为已存在于转换器28中用以提供反馈信号的现有构件。作为备选，如图1中所示，电压传感器34和电流传感器36可为由处理器38专用的单独构件。对于多相发电机而言，系统10可包括用于由多相发电机所产生电能的各相的单独的电压传感器34和电流传感器36。

处理器38接收电压信号40和电流信号42，且生成反映转子26中的永磁体12的温度的温度信号44。处理器38可包括各种构件，如存储器/介质元件和/或协同处理器，其储存数据、储存软件指令和/或执行处理器所调用的子程序。例如，第一存储器/介质元件46可储存数据，而第二存储器/介质元件48可储存呈计算机可读和可执行指令形式的软件和/或固件。处理器38和/或协同处理器50(如果存在的话)可存取储存在第一存储器/介质元件46中的数据，且根据储存在第二存储器/介质元件48中的软件指令而作用于数据。各种存储器/介质元件可为单个构件或一种或多种计算机可读介质的多个部分，例如但不限于，易失性存储器(例如，RAM、DRAM、SRAM等)，和/或非易失性存储器(例如，ROM、闪存驱动器、硬盘驱动器、磁带、CD-ROM、DVD-ROM等)和/或任何其它存储器装置(例如，软盘、驱动器、基于磁性的储存介质、光储存介质等)的任何组合。尽管图1中所示的处理器38包括多个单独的存储器/介质元件，但专用于此类装置的内容事实上可储存在一个存储器/介质元件或多个元件中。本领域的普通技术人员将认识到数据储存的任何可能的变型。

在本发明的一个特定实施例中，第一存储器/介质46构造成用以储存与永磁体12和发电机22相关的电流值和电压常数的矩阵。例如，永磁体12的剩余磁通密度，且因此发电机22的电压常数将以公知的方式随永磁体12的温度而变化。电压常数(k_e)限定为发电机的内部电压或反电动势除以发电机速度，以伏特/弧度/秒(volts per rad/sec)形式表示。电压常数还可等同地限定为由永磁体所产生的定子绕组磁通匝连数，以韦伯形式表示。例如，对于NdFeB永磁体而言，磁体平均温度每升高一摄氏度，则发电机的电压常数将减小0.10％至0.11％。电流值和电压常数的矩阵可从提供有永磁体12或发电机22的规格标准(specification)中预编程到第一存储器/介质元件46中，或其可通过在永磁体12或发电机22上执行的测试而获得，且作为输入数据而输入。

第二存储器/介质元件48可包括计算机可执行软件指令，例如，在接收电压信号40和电流信号42、存取在第一存储器/介质元件46上的数据或生成温度信号44时，可由处理器38读出和执行该计算机可执行软件指令。如图1中所示，由处理器38进行的计算和执行可储存在第三存储器/介质元件52上，输出至外围装置如打印机或监视器，和/或传输至控制器54。以此方式，处理器38可通过执行以计算机可读形式复制和储存在第二存储器/介质元件48中的软件指令而适于作为专用处理器进行工作。软件可采用任何适合的编程、脚本或其它类型的语言或语言组合来提供，以实现本文所包含的教导内容。在本发明的其它实施例中，处理器38可由硬接线逻辑电路或其它电路实现，包括但不限于专用电路。

如图1中所示，处理器38将反映永磁体温度的温度信号44传输至控制器54。控制器54可使用温度信号44以基于该温度信号44调整风力涡轮发电机14的负载。例如，控制器54可将信号56发送给转换器28以将发电机22的负载调节成与可用的风况和风力涡轮机叶片16的速度和桨距角一致。作为备选或此外，控制器54可将信号56发送给促动器58，该促动器58调整转子叶片16的桨距，以便适当地改变转子叶片16的旋转速度。在其它实施例中，控制器54可调整影响发电机22上的负载的其它参数。例如，控制器54可更改齿轮箱20中的有效齿轮比、改变提供给转子26的有效场激励(例如，永磁发电机中的通量轴电流)，或调整改变提供给发电机22的机械能或从发电机22所获得的电能的任何其它参数。作为备选，控制器54可使用温度信号44来调整供给发电机22的冷却量，以实现任何数目的目标，包括改善总体系统效率、最大限度地延长发电机寿命，以及/或者减小永磁体对不可逆退磁的易受性。如图1中所示，处理器38、协同处理器50(如果存在的话)和存储器/介质元件46，48，52可为转换器28中已存在的现有构件，或作为备选，它们可为由控制器54专用的单独构件。

图2提供了示出由图1中所示的处理器38执行的功能的简化框图。如图所示，处理器38分别从电压传感器34和电流传感器36接收电压信号v_abc和电流信号i_abc，且生成有效电压常数信号

和实际电流信号

有效电压常数信号

反映发电机22中的永磁体12的实际温度。实际电流信号反映流过定子24的电流，且参照了估计的转子位置参考坐标系(reference frame)。处理器38将实际电流信号

与储存在第一存储器/介质46中的矩阵数据相比较，以便检索出对于永磁体12的参考电压常数信号k_e。对于一些永磁发电机的电磁设计而言，参考电压常数信号k_e有效地独立于发电机中的定子电流水平，且因此可简单地实现为独立于实际电流信号的单个常数值。如图2中所示，对于其它永磁发电机的电磁设计而言，电压常数信号可极大地取决于定子电流水平，且因此与第一存储器/介质元件46中的矩阵数据的映射是合乎期望的。矩阵数据可从对处于指定磁体温度下的永磁发电机的设计分析中获得(如果可得到的话)，或在实验上使用适合的公知方式用来测量仪表化测试发电机中的转子和/或磁体温度而获得。

处理器38然后基于在公知参考磁体温度T_{PM_ref}下的有效电压常数信号

与参考电压常数信号k_e的比率来生成反映转子26中的永磁体12温度的磁体温度信号

在优选实施例中，有效电压常数和参考电压常数的比率与磁体温度信号之间的关系简单地表示为：

${\hat{T}}_{\mathrm{PM}}=T_{\mathrm{PM}\_\mathrm{ref}}+\frac{(\frac{{\hat{k}}_e}{k_e}-1)*100\%}{k_{\mathrm{BrT}}}$

其中，k_BrT为磁体材料的剩余磁通密度的公知热系数(通过磁体制造商的数据或通过测试而获得)，其对于NdFeB稀土磁体而言通常处在每摄氏度-0.10％至-0.13％的范围内。

图3提供了用于计算先前关于图2描述的有效电压常数信号

和实际电流信号

的一种算法60的框图。该特定的算法60适用于三相发电机22。惯常情况下，以下符号将用于阐述图3中所示的算法60的运算：

v_ab＝静止三相参考坐标系中的相a与b之间单位为伏特的瞬时定子电压；

v_bc＝静止三相参考坐标系中的相b与c之间单位为伏特的瞬时定子电压；

v_α＝静止两轴参考坐标系中的α轴上测得的单位为伏特的瞬时定子端子电压；

v_β＝静止两轴参考坐标系中的β轴上测得的单位为伏特的瞬时定子端子电压；

＝估计转子位置参考坐标系中的d轴上测得的单位为伏特的瞬时定子端子电压；

＝估计转子位置参考坐标系中的q轴上测得的单位为伏特的瞬时定子端子电压；

i_a＝静止三相参考坐标系中单位为安培的相a的瞬时定子电流；

i_b＝静止三相参考坐标系中单位为安培的相b的瞬时定子电流；

i_c＝静止三相参考坐标系中单位为安培的相c的瞬时定子电流；

i_α＝静止两轴参考坐标系中的α轴上测得的单位为安培的瞬时定子电流；

i_β＝静止两轴参考坐标系中的β轴上测得的单位为安培的瞬时定子电流；

＝估计转子位置参考坐标系中的d轴上测得的单位为安培的瞬时定子电流；

＝估计转子位置参考坐标系中的q轴上测得的单位为安培的瞬时定子电流；

＝估计转子位置参考坐标系中在q轴和d轴上测得的组合的单位为安培的瞬时定子电流矢量；即，

＝单位为欧姆的各相的估计定子电阻；

＝沿d轴(即，与转子中的永磁体磁场对准)的单位为亨利的定子绕组的估计同步电感；

＝沿q轴(即，与转子中的永磁体磁场正交)的单位为亨利的定子绕组的估计同步电感；

＝单位为弧度/秒的转子的估计角速度；

＝单位为弧度的转子的估计角位置；

＝单位为伏特/弧度/秒的估计机器反电动势(电压)常数；

＝单位为韦伯-圈数的估计磁体磁通匝连数；

p＝导数算子；例如，的导数；

＝积分算子；例如，的积分，或

如本领域中所公知的那样，导数p和积分

函数可由处理器或协同处理器使用标准数字控制方法来实现，且根据需要进行滤波以减小噪音。

现在参看图3中所示的算法60，处理器38可接收反映定子的电压和电流的多个电压信号v_ab，v_bc和电流信号i_a，i_b，i_c。电压信号v_ab，v_bc和电流信号i_a，i_b，i_c是测得的瞬时(例如，周期性地数字采样)三相发电机端子(线到线)的电压和电流。对于额定频率或基础频率在50Hz至100Hz的范围内的机器而言，采样率优选为至少1.0kHz。三相电压信号v_ab，v_bc和电流信号i_a，i_b，i_c使用公知的变换函数62变换成静止两相电压v_α，v_β和电流i_α，i_β。电动马达或发电机控制领域中的技术人员将认识到的是，这些量等同于电机的矢量或场定向控制中(例如，对于电动马达的矢量控制的驱动中)常用的两轴静止坐标系的量。因此，算法60的多个关键特征也与公知的电机矢量控制理论和实现方式一致，且通常结合公知的电机矢量控制理论和实现方式来使用。

算法60基于瞬时估计的转子位置角度

来将采样的α-β量(即，v_α，v_β和i_α，i_β)从静止(定子)坐标系转换成估计的转子坐标系。该转换使用了复合旋转变换

因为定子的电压和电流可认作是复相量，即v＝v_α+j v_β。然而，在备选实施例中，该转换可使用单独的实量结合正弦函数和余弦函数来进行。该转换还使用d-q转子参考坐标系中的永磁发电机等效电路参数，即电感

和

以及定子电阻

该转换在估计转子(d-q)坐标系中产生实际电压信号

和实际电流信号

在转子坐标系中，实际电压信号可表示为：

$v_{\mathrm{ds}}^{\hat{r}}={\hat{r}}_s{i}_{\mathrm{ds}}^{\hat{r}}+{\hat{L}}_{\mathrm{ds}}p{i}_{\mathrm{ds}}^{\hat{r}}+p{\widehat{\mathrm{\λ}}}_m-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\hat{L}}_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}}$

$v_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}}={\hat{r}}_s{i}_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}}+{\hat{L}}_{\mathrm{qs}}p{i}_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}}+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\widehat{\mathrm{\λ}}}_m+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\hat{L}}_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}^{\hat{r}}$

在永磁机器中，磁通量除了因温度变化而缓慢变化外为有效常数。结果，磁通量

的导数因此在该算法60中假定为零。

d轴电压等式然后重新整理而形成以下误差函数：

误差子程序64驱使误差函数变为零。误差子程序64可包括比例积分增益(PI)控制器，或本领域中所公知的其它等效的控制器。误差子程序64的输出为瞬时转子角速度

的估值，该估值然后积分而形成瞬时转子角位置

的估值。如前文所述，对于

的值用来将采样的α-β量(即v_α，v_β和i_α，i_β)从静止(定子)坐标系转换成估计的转子坐标系。因此，算法60使用d轴电压等式来产生瞬时转子角位置

的估值，从而建立转子参考坐标系的变换。

算法60还使用q轴电压

来计算估计的永磁体磁通匝连数

q轴电压等式作如下重新整理以首先计算发电机反电动势电压

${\hat{v}}_{\mathrm{bemf}}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\widehat{\mathrm{\λ}}}_m=v_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}}-{\hat{r}}_s{i}_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}}-{\hat{L}}_{\mathrm{qs}}{\mathrm{pi}}_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\hat{L}}_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{ds}}^{\hat{r}}$

估计的磁通匝连数然后计算为：

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_m={\hat{v}}_{\mathrm{bemf}}/{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r$

该磁通匝连数

等于发电机的有效电压常数使得

本领域的普通技术人员应当清楚的是，由处理器38所执行的算法60和计算的准确度取决于发电机电路参数元件的准确度，尤其是电感值

和

为了提高计算的准确度，且因此提高反映转子26中的永磁体12温度的温度信号44的准确度，与储存在第一存储器/介质元件46中的永磁体12相关的电流值和电压常数的矩阵应当基于如在处理器38所执行的计算和转换中所使用的相同的电感值。而且，电感值优选为发电机22工作点的测量函数；例如，

和 ${\hat{L}}_d={\hat{L}}_d(i_{\mathrm{qs}}^{\hat{r}},i_{\mathrm{ds}}^{\hat{r}}).$

如前文所述，本发明的实施例同样适用于马达和发电机两者。对永磁体温度的持续监测容许控制器54调整马达或发电机上的负载来防止永磁体中的温度过热。例如，控制器54可调整机器上的负载，以便精密地调节机器的温度，且使机器基于实时而以预定的温度分布进行工作。预定的温度分布可基于各种设计目标、维护计划和/或工作需要而在机器的寿命内调整。持续和准确地监测永磁体的温度还容许减小设计安全的裕度。结果，新的和现有的机器可在间断或延长的期间内以较高的温度和/或工作水平工作，而不会破坏永磁体。此外，本发明范围内的系统和方法消除了对冗余的监测系统的需要，且容许较小和较为便宜的永磁体来实现同于或好于以前所经历的工作水平。

本领域的技术人员应当认识到的是，在不脱离如所附权利要求及其等同物中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可对文中所述的本发明的实施例作出修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于确定机器(14)中的永磁体(12)的温度的系统(10)，包括：

a.电压传感器(34)，其中，所述电压传感器(34)生成反映跨过定子(24)的电压电势的至少一个电压信号(40)；

b.电流传感器(36)，其中，所述电流传感器(36)生成反映经过所述定子(24)的电流的至少一个电流信号(42)；以及

c.处理器(38)，其接收所述至少一个电压信号(40)和所述至少一个电流信号(42)，且生成反映所述机器(14)中的所述永磁体(12)的温度的温度信号(44)。

2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述处理器(38)将所述至少一个电压信号(40)和所述至少一个电流信号(42)转换成对于所述机器(14)的有效电压常数信号。

3.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述处理器(38)将所述至少一个电流信号(42)转换成实际电流信号，其中，所述实际电流信号涉及所述机器(14)中的转子(26)。

4.根据权利要求3所述的系统(10)，其特征在于，所述处理器(38)基于所述实际电流信号生成参考电压常数信号，其中，所述参考电压常数信号反映所述转子(26)中的所述永磁体(12)的参考温度。

5.根据权利要求4所述的系统(10)，其特征在于，所述处理器(38)基于所述有效电压常数信号和所述参考电压常数信号的比率而生成反映所述转子(26)中的所述永磁体(12)的温度的温度信号(44)。

6.一种用于控制机器(14)的负载的方法，包括：

a.生成反映跨过定子(24)的电压电势的至少一个电压信号(40)；

b.生成反映经过所述定子(24)的电流的至少一个电流信号(42)；

c.生成反映所述机器(14)中的永磁体(12)的温度的温度信号(44)，其中，所述温度信号(44)是基于所述至少一个电压信号(40)和所述至少一个电流信号(42)的；

d.基于所述温度信号(44)来调整所述机器(14)的负载。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述至少一个电压信号(40)和所述至少一个电流信号(42)转换成所述机器(14)的有效电压常数信号。

8.根据权利要求6或权利要求7中任何一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括调整所述机器(14)的负载以实现所述机器(14)中的所述永磁体(12)的期望的温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括调整所述机器(14)中的所述永磁体(12)的期望的温度。

10.根据权利要求6至权利要求9中任何一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括增大所述机器(14)的负载以提高所述机器(14)中的所述永磁体(12)的温度。

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