CN102156000A

CN102156000A - 电机及其绕组温度的检出方法和装置、热保护方法和装置

Info

Publication number: CN102156000A
Application number: CN2011100653150A
Authority: CN
Inventors: 程爱明; 张浩然; 王�锋; 王文平
Original assignee: Beijing Jingwei Hirain Tech Co Ltd
Current assignee: Beijing Jingwei Hirain Tech Co Ltd
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: US9234803B2; EP2698615B1; EP2698615A1; WO2012122852A1; US20130110449A1; EP2698615A4; CN102156000B

Abstract

本发明公开了一种电机及电机绕组温度的检出方法、检出装置、热保护方法、热保护装置，该电机绕组温度的检出方法包括以下步骤：先获得前一时刻的电机绕组温度，再计算运行一时间步长后的转子等效体的温升，然后利用前一时刻的电机绕组温度和运行一时间步长后的转子等效体的温升相叠加的方式计算后一时刻的电机绕组温度。根据本发明的电机绕组温度检出方法，使得绕组温度的实时监控得以实现，发挥了电机的能力，并提高了灵敏度。

Description

电机及其绕组温度的检出方法和装置、热保护方法和装置

技术领域

本发明涉及电机，尤其涉及电机绕组温度的检出方法和电机绕组温度的检出装置及电机热保护方法和电机热保护装置。

背景技术

电机在工作时，电能一部分转化为机械能输出，一部分转化为热能，通过电机结构材料，缓慢传播到空气中或者其他介质中。如果该热能不能被及时传输到电机以外的介质，则电机绕组的温度就会上升，达到一定程度，电机就有被烧毁的可能。

通用的电机绕组温度检测或检出方法是“过流保护法”，这种方法检测电机的运行电流，并在运行电流达到规定值时，进行规定的保护电机的动作。由于电机运行电流并不是导致电机绕组发热升温的唯一因素，绕组温度增长速度还与绕组的热特性和负荷量有关，因而“过流保护法”有不足之处。

另外比较适用的方法，是通过在电机内部危险热源部位埋置热敏元件，直接检测电机热源温度，当温度超过允许值时，就会启动对电机热保护的相关动作。该方法具有检测温度准确的优点，但是，需要添加辅助装置，成本高；另外对于一些小型电机，安装热敏元件往往比较复杂。另外热敏元件所检测的温度必须充分接近危险热源才能检测到实际的危险热源温度，而对于电机，实现起来难度是非常大的。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种电机绕组温度的检出方法，以提高电机绕组温度检出的准确性，同时，本发明还提供了一种电机绕组温度的检出装置。本发明的另一个目的还在于提供一种电机的热保护方法和电机的热保护装置。本发明的目的还在于提供一种具有热保护装置的电机。

为此，本发明一方面提供了一种电机绕组温度的检出方法，包括以下步骤：A)获得电机在一时间步长的前一时刻的电机绕组温度T_i-1；以及B)计算电机的等效热功率Q_W和散热功率Q_out；并且利用第一式计算电机在运转一时间步长Δt后的转子等效体的温升ΔT；以及C)利用第二式计算电机在运转时间步长Δt后的电机绕组温度T_i，其中第一式为：

其中，C为电机转子的等效比热容，M为电机转子的质量；以及第二式为：T_i＝T_i-1+ΔT。

进一步地，在上述步骤B中，还包括检出电机在一时间步长内的电压U、转速ω，其中，电机的等效热功率Q_W根据电机的电压U和转速ω计算获得。

进一步地，在步骤B中，电机的等效热功率Q_W由第三式计算，其中

第三式为：

Q_{w} = \frac{K_{t} ω \frac{U - K_{t} ω}{R} (1 - η)}{η}

其中，R为绕组的电阻，η为电机的机械效率，K_t为电流系数。

进一步地，在步骤B中，电机的等效热功率Q_W为铜损功率P_Cu和铁损功率

两部分损耗之和，其中，铜损功率P_Cu由第四式计算，铁损功率

由第五式计算，其中

第四式为：

其中R为绕组的电阻；

第五式为：其中，p_1/50为频率50赫兹、磁密1特斯拉时铁芯材料的单位损耗；B为铁芯磁通密度；f为交变频率；G_Fe为铁芯质量，K为铁损耗修正系数，f₀为50赫兹。

进一步地，在步骤B中，还包括检出环境温度T_e，其中，电机的散热功率Q_out根据第六式计算获得，其中

第六式为：

其中，R_t为电机的等效热阻。

进一步地，在步骤B中，将电机转子的等效比热容C拟合为电机绕组温度T_i-1的线性函数，并且在一时间步长内将由线性函数获得的等效比热容C的值代入第一式进行计算。

根据本发明的另一方面，提供了一种电机的热保护方法，包括：

根据上面所描述的电机绕组温度的检出方法中的步骤A和步骤B和步骤C，以及步骤D：将步骤C获得的当前时刻的电机绕组的温度与门槛值相比较，若电机绕组温度大于温度门槛值则启动电机的热保护，否则允许电机继续工作。

根据本发明的又一方面，提供了一种电机绕组温度的检出装置，包括：电机绕组温度记录器，用于获得电机在一时间步长的前一时刻的电机绕组温度T_i-1；电机绕组温度计算单元，用于计算电机的等效热功率Q_W和散热功率Q_out；并且利用第一式计算电机在运转一时间步长Δt后的转子等效体的温升ΔT；并且利用第二式计算电机在运转时间步长Δt后的电机绕组温度T_i；其中，第一式为：

其中，C为电机转子的等效比热容，M为电机转子的质量；第二式为：T_i＝T_i-1+ΔT。

根据本发明的又一方面，提供了一种电机绕组热保护装置，包括：根据上面所描述的电机绕组温度的检出装置，用于检出当前时刻的电机绕组温度；以及热保护控制器，用于将电机绕组温度的检出装置检出的当前时刻的电机绕组的温度与门槛值相比较，若电机绕组温度大于温度门槛值则启动电机的热保护，否则允许电机继续工作。

本发明还提供了一种电机，包括根据上面所描述的电机绕组热保护装置。

与现有技术相比，本发明通过温度的迭代计算过程检出电机绕组温度，充分反映了电机转子等效体热量累计导致温度升高的效果，使得温度的实时监控得以实现。

在本发明的电机热保护方法中，热保护启动标准，是以绕组允许的温度为基准，对于冷态过电流，热态过电流，以及频繁过电流，都是以绕组温度允许值为动作条件，发挥了电机的能力，并提高了灵敏度。

另外，在本发明中，引入电机等效热阻，更加直接地反应电机本身的传热特性，更好地反应了环境温度对绕组温度的影响；引入了等效比热容，可以同时体现出转子本身对热能的容纳能力和电机散热能力之间的关系。

另外，本发明考虑了温度对材料属性的影响，这里的材料属性，主要包括等效比热容，等效热阻以及绕组电阻。实时计算出绕组瞬时温度，并将该温度反馈给以上参数的计算单元，就可以得到特定温度下的材料属性参数，提高了绕组温度模拟的精度。

除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，下面将结合附图作进一步详细的说明。

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1示出了根据本发明的电机绕组温度的检出方法的流程图；

图2示出了根据本发明的电机绕组温度检出装置的结构框图；

图3示出了根据本发明的电机热保护方法的流程图；

图4示出了根据本发明的电机绕组温度检出装置的结构框图；以及

图5示出了根据本发明的电机绕组温度检出方法的第一实施例的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1示出了根据本发明的电机绕组温度的检出方法的流程图。如图1所示，本发明的检出方法包括以下步骤：S10：获得前一时刻的电机绕组温度；S20：计算运行一时间步长后的转子等效体的温升；以及S30：利用前一时刻的电机绕组温度和运行一时间步长后的转子等效体的温升相叠加的方式计算后一时刻的电机绕组温度。

前一时刻的电机绕组温度获得方式与电机的运行状态有关，若电机刚开始启动，则前一时刻的电机绕组温度为环境温度，如此，电机在运行一时间步长后，后一时刻的电机绕组温度则等于环境温度和在该一时间步长内转子等效体的温升的叠加值。若电机继续运行，则后一时刻的电机绕组温度则为下一个时间步长的前一时刻的电机绕组温度。若电机由休眠唤醒，则使用休眠时的电机绕组温度作为前一时刻的电机绕组温度。

转子等效体的温升的计算步骤如下：先获得电机运行时的参数(优选为电机的电压和转速)，然后计算电机的等效热功率和散热功率，并利用等效热功率和散热功率计算一个时间步长内的滞留热量，再利用该滞留热量和等效比热容计算转子等效体的温升。

本发明的电机绕组温度的检出方法可以由根据本发明的电机绕组温度的检出装置来实现。图2示出了根据本发明的电机绕组温度检出装置的结构框图，如图2所示，电机绕组温度的检出装置包括：电机绕组温度记录器，用于获得电机在一时间步长的前一时刻的电机绕组温度T_i-1；电机绕组温度计算单元，用于计算转子等效体在运行一时间步长后的温升，以及利用该温度和前一时刻的电机绕组温度叠加计算后一时刻的电机绕组温度。

图3示出了根据本发明的电机热保护方法的流程框图。如图3所示，在图1所示流程基础上，增加了步骤S40，即将步骤S30得到的电机绕组温度与绕组温度门槛值进行比较，并根据比较结果来确定是否启动热保护。

本发明的电机热保护方法可以由根据本发明的电机绕组热保护装置来实现。如图4所示，电机绕组热保护装置包括根据本发明的电机绕组温度检出装置和热保护控制器。其中，热保护控制器(或称为热保护控制单元)将电机绕组温度检出装置提供的绕组温度与电机绕组温度门槛值相比较并根据比较结果来确定是否启动热保护。

在本发明中，优选地，通过给出电机电压、电机转速和环境温度这三个输入条件，利用计算单元进行处理，即可检出包括当前时刻在内的各时刻的电机绕组温度。

电机绕组温度检出方法的第一优选实施例

图5示出了根据本发明电机绕组温度检出方法的第一优选实施例的原理框图。如图5所示，首先，根据检出的电压、转速及环境温度计算电机的等效热功率和电机的散热功率；然后利用等效热功率和散热功率计算电机在时间步长内的转子等效体的温升；最后将时间步长内的转子等效体的温升和前一时刻的电机绕组温度相叠加以获得当前时刻的电机绕组温度。

在本发明中，将电机的转子看做一个质量等效体来进行考察。

电机等效热功率的说明：本发明的电机等效热功率即电机单位时间内产生的热量Q_W由式(1)来计算，这里仅考虑电能转化为两部分：电机输出机械能以及热能。

Q_{w} = \frac{K_{t} ω \frac{U - K_{t} ω}{R} (1 - η)}{η} . . . (1)

上式中，U是电机总电压，K_t是电流系数，ω是电机转速，R是绕组电阻，η是电机的机械效率，摩擦生热以及铁损生热均通过机械效率来体现。可见利用电机的机械效率来计算电机的等效热功率提高了电机绕组温度检出精度。

K_tω为电刷上所消耗的电压，那么U-K_tω就是加在绕组两端的电压，

就是绕组的电流，绕组电流乘以电流系数K_t就是电机的输出扭矩。电机的输出扭矩再乘以转速ω就是输出功率，然后通过电机本身的效率就可以进一步计算出电机的等效热功率。

电机等效热阻的说明：由传热学可知，反应传热难易程度的参数就是热阻，其单位是℃/W(或者摄氏度/瓦)，热阻是与材料特性息息相关的，不同的材料以及不同的结构均会产生不同的热阻，因此，这里引入电机等效热阻R_t。R_t越大，则转子所产生的热量越不容易传出去。

电机散热功率(即电机等效热传出功率)的说明：有了电机的等效热阻，就可以根据式(2)计算单位时间内由电机转子向外传递热量Q_out的多少。

Q_{out} = \frac{T_{i - 1} - T_{e}}{R_{t}} . . . (2)

上式中，T_i-1是电机前一时刻的温度，T_e是环境温度。

在上述(1)式和(2)式中，得到了电机产生的热功率Q_W以及散热功率Q_out，将这两部分叠加，就可以计算单位时间内滞留在电机内部即转子上的热量的多少，由滞留热量、等效比热容以及转子的质量就可以计算出电机转子的温升ΔT，以下是计算温升的表达式：

ΔT = \frac{(Q_{w} - Q_{out} Δt)}{CM} . . . (3)

上述表达式(3)中，Q_W为电机的等效热功率即电机单位时间产生的热量，Q_out为电机的散热功率即电机单位时间的散热量，Δt为时间步长，C为转子的等效比热容，M为转子的质量。

电机转子等效比热容C的说明：根据传热学，比热容的单位是J/(℃·kg)，他反应的是单位质量的某种介质，当温度上升或者下降1摄氏度所要消耗的热量。

比热容与材料本身的性质有很大关系，这里引入电机转子的等效比热容是因为转子的组成材料包括多种，铜绕组、硅钢片以及刚轴，这些材料各自的比热容是不同的，因此，需要对他们进行加权平均，加权平均后的比热容就是电机转子的等效比热容。加权平均法计算电机的等效比热容是理论方法，实际上，电机转子的等效比热容，需要通过相关的热学实验来获得。

上述电流系数K_t、绕组电阻R、电机的等效热阻R_t、上述转子的等效比热容C均是距离当前时刻一时间步长的前一时刻的电机绕组温度T_i-1的函数，即R＝f₁(T_i-1)，K_t＝f₂(T_i-1)，C＝f₃(T_i-1)R_t＝f₄(T_i-1)，更优选地上述电流系数K_t、绕组电阻R、电机的等效热阻R_t、上述转子的等效比热容C均拟合为电机绕组温度T_i-1的线性函数，由此可得到比较精确的计算结果。当然，也可利用更高次函数来拟合这四个参数与温度电机绕组温度T_i-1的关系，如此，可使计算结果更加精确。

将时间步长Δt内的转子等效体的温升ΔT和前一时刻的电机绕组温度T_i-1代入以下表达式可获得当前时刻的温度T_i：

T_i＝T_i-1+ΔT....................................(4)

以上四个表达式可以合并为以下两式：

\{\begin{matrix} Q_{w} = \frac{K_{t} ω \frac{U - K_{t} ω}{R} (1 - η)}{η} \\ T_{i} = T_{i - 1} + \frac{(Q_{w} - \frac{T_{i - 1} - T_{e}}{R_{t}}) Δt}{CM} \end{matrix} .

在使用过程中，可以根据实际工况对上述各表达式进行进一步修正。

对于在某些特定场合使用的电机来说，电机自身已带有能够采集到电机电压、电机转速以及环境温度的传感器和处理这三个信号的控制单元，如此，利用本发明的方法可以非常简便地计算出电机绕组的温度，并可对不同负载下电机绕组温度进行跟踪。当计算的绕组模拟温度超过门槛值时，就启动热保护动作，对电机进行保护。具体实施步骤如下：

(1)利用电机的自身携带的传感器采集电机转速ω、电压检测端子采集电机电压U、温度传感器采集环境温度T_e。

(2)将以上采集数据输入热算法计算单元，且T_i-1用前一时刻计算结果值。由T_i-1计算等效比热容C、等效热阻R_t、绕组电阻R以及电流系数K_t，并将以上四个参数输入计算单元。如果电机是刚刚启动，则T_i-1直接代入环境温度值计算；如果电机是由休眠唤醒，则T_i-1用先前程序计算的终了值代入计算。

(3)计算单元每隔给定时间就将计算结果传输给电机控制单元，并由电机控制单元将该计算结果与电机绕组温度保护门槛值比较，如果大于门槛值，则关闭电机，否则什么也不用做。

电机绕组温度检出方法的第二优选实施例

本实施例与上述实施例不同之处在于，电机等效热功率由铜损功率和铁损功率两部分损耗之和计算。

铜损计算式为：

P_{Cu} = \frac{{(U - K_{t} ω)}^{2}}{R}

在铁芯中因主磁通交变引起磁滞及涡流损耗，按下式计算基本铁损耗

(单位：W)；

其中，p_1/50为频率50Hz、磁密1T时铁芯材料的单位损耗(W/kg)；B为铁芯磁通密度(T)；f为交变频率(Hz)；G_Fe为铁芯质量。K为考虑铁芯加工、磁通密度分布不均匀等因素使铁损耗增加的修正系数。则，电机等效热功率：Q_w＝P_Cu+P_Fe。

需要指出的是，根据本发明的第一优选实施例的电机绕组温度的检出方法比第二优选实施例的检出方法的技术效果更好。

本发明的优点在于以简易的方法检测引起电机发热升温的热量；引入电机等效热阻，更加直接的反应电机本身的传热特性，更好的反应了环境温度对绕组温度的影响；引入了等效比热容，可以同时体现出转子本身对热能的容纳能力和电机散热能力之间的关系。

同时，温度的迭代计算过程，充分反映了电机转子等效体热量累计导致温度升高的效果，所有这些，使得温度的实时监控得以实现。且热保护启动标准，是以绕组允许的温度为基准，对于冷态过电流，热态过电流，以及频繁过电流，都是以绕组温度允许值为动作条件，发挥了电机的能力，并提高了灵敏度。

本发明同时考虑了温度对材料属性的影响，这里的材料属性，主要包括等效比热容，等效热阻以及绕组电阻。实时计算出绕组瞬时温度，并将该温度反馈给以上参数的计算单元，就可以得到特定温度下的材料属性参数，如此，提高了绕组温度模拟的精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电机绕组温度的检出方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)获得电机在一时间步长的前一时刻的电机绕组温度T_i-1；以及

B)获得所述电机的等效热功率Q_W和散热功率Q_out；并且利用第一式计算所述电机在运转所述一时间步长Δt后的转子等效体的温升ΔT；以及

C)利用第二式计算所述电机在运转所述一时间步长Δt后的电机绕组温度T_i，其中

所述第一式为：

其中，所述C为电机转子的等效比热容，M为电机转子的质量；以及

所述第二式为：T_i＝T_i-1+ΔT。

2.根据权利要求1所述的电机绕组温度的检出方法，其特征在于，在所述步骤B中，还包括检出所述电机在所述一时间步长内的电压U、转速ω，其中，所述电机的等效热功率Q_W根据所述电机的电压U和转速ω计算获得。

3.根据权利要求2所述的电机绕组温度的检出方法，其特征在于，在所述步骤B中，所述电机的等效热功率Q_W由第三式计算，其中

所述第三式为：

Q_{w} = \frac{K_{t} ω \frac{U - K_{t} ω}{R} (1 - η)}{η}

其中，所述R为绕组的电阻，η为电机的机械效率，K_t为电流系数。

4.根据权利要求2所述的电机绕组温度的检出方法，其特征在于，在所述步骤B中，所述电机的等效热功率Q_W为铜损功率P_Cu和铁损功率

两部分损耗之和，其中，铜损功率P_Cu由第四式计算，所述铁损功率

由第五式计算，其中

所述第四式为：其中R为绕组的电阻；

所述第五式为：

其中，p_1/50为频率50赫兹、磁密1特斯拉时铁芯材料的单位损耗；B为铁芯磁通密度；f为交变频率；G_Fe为铁芯质量，K为铁损耗修正系数，f₀为50赫兹。

5.根据权利要求1所述的电机绕组温度的检出方法，其特征在于，在所述步骤B中，还包括检出环境温度T_e，其中，所述电机的散热功率Q_out根据第六式计算获得，其中

所述第六式为：

其中，所述R_t为电机的等效热阻。

6.根据权利要求1所述的电机绕组温度的检出方法，其特征在于，在所述步骤B中，将所述电机转子的等效比热容C拟合为电机绕组温度T_i-1的线性函数，并且在所述一时间步长内将由所述线性函数获得的等效比热容C的值代入所述第一式进行计算。

7.一种电机的热保护方法，其特征在于，包括：

根据权利要求1至6中任一项所述的电机绕组温度的检出方法中的步骤A和步骤B和步骤C，以及步骤D：将所述步骤C获得的当前时刻的电机绕组的温度与温度门槛值相比较，若电机绕组温度大于所述温度门槛值则启动电机的热保护，否则允许所述电机继续工作。

8.一种电机绕组温度的检出装置，其特征在于，包括：

电机绕组温度记录单元，用于获得电机在一时间步长的前一时刻的电机绕组温度T_i-1；

电机绕组温度计算单元，用于计算所述电机的等效热功率Q_W和散热功率Q_out；并且利用第一式计算所述电机在运转所述一时间步长Δt后的转子等效体的温升ΔT；并且利用第二式计算所述电机在运转所述时间步长Δt后的电机绕组温度T_i；

其中，

所述第一式为：

其中，C为电机转子的等效比热容，M为电机转子的质量；

所述第二式为：T_i＝T_i-1+ΔT。

9.一种电机绕组热保护装置，其特征在于，包括：

根据权利要求8所述的电机绕组温度的检出装置，用于检出当前时刻的电机绕组温度；以及

热保护控制器，用于将权利要求8所述电机绕组温度的检出装置检出的当前时刻的电机绕组温度与门槛值相比较，若电机绕组温度大于所述温度门槛值则启动电机的热保护，否则允许所述电机继续工作。

10.一种电机，其特征在于，包括根据权利要求9所述的电机绕组热保护装置。