CN102549910A - 电动机及用于控制该电动机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有电动机控制系统(400)的电动机(100)，该电动机控制系统包括：电流测量装置(402)，用于直接地或间接地测量转子绕组(7)中的电流，提供一个转子电流值/多个转子电流值；环境温度测量/估计装置(404)，用于测量或估计环境空气温度，提供一个空气温度值/多个空气温度值；转子温度估计装置(406、407、408、409、410、411)，用于至少基于该一个转子电流值/多个转子电流值以及该一个空气温度值/多个空气温度值来估计转子温度；以及限流装置(405)，用于当估计的转子温度超出预定的过热阈值(412)时通过限制通向转子绕组(7)的电流来防止转子组件(3)的过热/燃烧。

Description

电动机及用于控制该电动机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电动工具的电动机。具体地，该电动机包括用于防止电动机的过热的部件。本发明还涉及用于估计电动机中的转子温度的方法以及用于控制电动机以防止电动机的过热的方法。
背景技术
在传统的交流电动机中，平均转子电流测量通常适于估计转子温度。这种电动机的实例为用于驱动各种动力工具和其他设备的通用电动机、以及专门适于某种应用的电动机，诸如用于动力切割器或用于钻孔机的电动机，且具体是用于通过水冷齿轮箱驱动空心钻的钻头的电动机。在后一种情况中，电动机可滑动地安装在钻台上，该钻台锚定至地面/地板，并且空心钻安装在待通过电动机可旋转地驱动的齿轮箱的输出轴上。电动机沿着钻台缓慢地滑下使钻头更深地进给到待钻孔的地面/地板/结构中。
转子通常为具有外定子和装配有转子绕组的内转子/中心转子的交流电动机中最暴露于温度下的部分。在高负荷时，转子绕组使转子明显变暖，并且取决于设计、大小和功率尺寸标注，转子在某些操作条件下可能冒着过热的风险。例如，转子可能要承受高达180℃的温度，但是在更高的温度下将会过热并出现故障。由于难以测量实际的转子温度，并且这种测量昂贵，所以可由估计代替。例如，在提供有过热保护的ElgardTM胡斯华纳电动机中，测量通过转子的电流，并且如果该电流达到某一阈值，那么将电动机切换到脉动模式中，在该脉动模式中，流入转子的电流脉动。典型的脉动周期为0.5秒。如果电动机的负荷在脉动过程中没有减小，那么如果电动机负荷在预定的时间段内没有减小，则完全切断电流。由于转子温度不仅取决于转子电流，而且取决于其他操作条件，所以电动机(和转子)的全电势并非总是可获得的。为了给电动机在某一功率范围内提供优良的可靠性，因此通常要求是电动机超尺寸的。然而，超尺寸使得电动机比所需要的更庞大、更重且更昂贵。
发明内容
鉴于以上，本发明的一个目的在于提供一种可替代的和/或改进的电动机以及通过估计其转子温度来控制电动机的方法。具体地，另一目的在于提供一种用于控制用于施工机械的通用电动机(优选地为交流电动机)以防止电动机的过热的方法。
根据本发明，此目的通过用于电动工具的电动机来实现，本电动机包括定子、具有中心转子轴和转子绕组的转子组件、以及电动机控制系统，电动机控制系统包括：
电流测量装置，用于直接地或间接地测量转子绕组中的电流，提供一个转子电流值/多个转子电流值；
环境温度测量/估计装置，用于测量或估计环境空气温度，提供一个空气温度值/多个空气温度值；以及
转子温度估计装置，用于确定新的转子温度估计，所述新的转子温度估计至少基于该一个转子电流值/多个转子电流值和该一个空气温度值/多个空气温度值。
优选地，电动机控制系统进一步包括电压限制装置，所述电压限制装置用于如果新的转子温度估计超出预定的过热阈值则通过限制转子绕组上的电压来防止转子组件的过热/燃烧。
优选地，电动机控制系统进一步包括声音和/或光信号装置(signalingmeans)，所述声音和/或光信号装置用于如果新的转子温度估计超出预定的第二阈值则优选地通过提供声音和/或光信号来向用户发出转子温度接近或处于过热/燃烧温度的信号，所述第二阈值优选地低于第一阈值。
优选地，电动机控制系统进一步包括转子速度测量/估计装置，所述转子速度测量/估计装置用于测量或估计转子速度，提供一个转子速度值/多个转子速度值，所述转子温度估计装置布置成在确定新的转子温度估计时利用该一个转子速度值/多个转子速度值。
优选地，电动机控制系统进一步包括用于存储先前的一个转子温度估计/多个转子温度估计的存储器，当确定新的转子温度估计时，利用先前的该一个转子温度估计/多个转子温度估计。
本发明还涉及一种通过估计其转子温度来控制电动机的方法，本方法包括以下步骤：
a)通过测量转子绕组中的电流来确定一个转子电流值/多个转子电流值，
b)通过测量或估计环境空气温度来确定一个空气温度值/多个空气温度值，
c)通过测量或估计转子的旋转速度来确定一个转子速度值/多个转子速度值，
d)基于步骤a)的所述转子电流值、步骤b)的所述空气温度值以及步骤c)的所述转子速度值来确定新的转子温度估计。
优选地，本方法进一步包括以下步骤中的一个或多个：
e)将步骤d)的估计的转子温度与预定的阈值相比较，以及
f)根据步骤e)的比较，如果估计的转子温度大于预定的阈值，则起动限制转子绕组上的电压。
g)将步骤d)的估计的转子温度与预定的第二阈值相比较，以及
h)根据步骤e)的比较，如果估计的转子温度大于预定的第二阈值，则提供光和/或声音信号。
i)如果步骤f)的限制电压起作用，那么如果电动机负荷减小，优选地通过感测到转子绕组中的电流减小，则使之不起作用。
j)如果步骤f)的限制电压已在超出断开阈值的时间段内起作用，则断开电动机。
附图说明
通过下面参照附图对本解决方案的实施例的说明性而非限制性的详细描述，将更好地理解本解决方案的其他目的、特征以及优点，在附图中，相同的参考标号将用于相似的元件，其中：
图1为沿着根据本发明的单相电动机的优选实施例的图2中的线I-I截取的横截面图；
图2为图1的单相电动机的俯视图；
图3为安装在钻台上的空心钻机的透视图；以及
图4为用于估计电动机的转子温度的硬件-软件结构的方框图。
具体实施方式
图1示出了额定功率输出为2.7kW的单相电动机100。该电动机待以230V、50Hz或120V、60Hz供电。电动机壳体1容纳定子组件2、转子组件3、入口空气调节器4、出口空气调节器5、以及风扇6。转子组件3包括转子绕组7以及具有纵向中心轴线9的转子轴8。转子轴8在转子轴8的上端11处可旋转地支撑在第一滚珠轴承10中并在转子绕组7下方的支承点13处可旋转地支撑在第二滚珠轴承12中。与转子轴8的上端11相对的下端14构成用于连接至齿轮箱200(图3)的电动机100的输出轴，所述齿轮箱用于以适宜的旋转速度驱动可旋转的工作工具300(图3)。风扇6固定地附接至转子轴8，用于以与转子轴8相同的速度旋转。因此，风扇6通过入口空气调节器4将环境空气吸入电动机壳体1中并通过出口空气调节器5将环境空气抽出，在操作过程中，通过转子组件3的流动空气冷却转子组件和其他电动机部件。电动机100进一步包括手柄15以及具有用于开启和关闭电动机的开关按钮21的开关16。
设置电动机控制系统400以用于控制电动机100的速度，并且所述电动机控制系统包括硬件401-405、413以及软件406-412。当然，电动机控制系统400包括其他硬件(未示出)，以执行软件406-412。在图4中，示出了根据本发明的用于电动机控制的电动机控制系统400的HW-SW结构的程序流图。用于对软件进行输入的硬件单元401-404、413为温度存储器401、转子电流测量装置402、转子速度测量/估计装置(优选地为转子rpm传感器403)、环境温度测量/估计装置(优选地为温度传感器404)、以及定时器413。硬件还包括电压限制装置405，所述电压限制装置用于通过限制转子绕组7上的电压(优选地通过转子绕组7上的电压的脉动)来防止转子组件3的过热/燃烧。软件被示出为框406-412。
存储器401为内部存储器或外部存储器并用于存储转子温度估计。被称为先前的转子温度估计Trotor，k的存储的转子温度估计由软件框406读取，并传递至软件框407，以用于在用于估计新的转子温度估计Trotor，k+1的公式中进行迭代。先前的转子温度估计Trotor，k还传递至软件框411。新的转子温度估计Trotor，k+1从软件框407中返回至软件框406，以代替先前的转子温度估计Trotor，k而存储在存储器401中。
在起动电动机100时，软件框406接收来自存储器401的最后存储的转子温度估计(即断开电动机时的温度估计且在此被称为Trotor，0)或者可用于计算转子温度的值、由环境空气温度传感器404测量的环境空气温度值Tair、以及表示自断开电动机以来已经过多长时间的来自计时器413的计时器值。计时器例如可由备用电容器(未示出)供电，所述电容器具有足以为计时器供以几个小时的动力的能量(如果从断开开始的时间长到以致耗尽电容器，那么推测待冷却的电动机已经过足够长的时间，并且因此将用于迭代的起始值Trotor，1于是设定为环境空气温度值Tair)。否则，起始值通过公式Trotor，1＝i(t，Trotor，0，Tair)来计算，其中i()为所考虑的函数，断开时电动机的温度，即Trotor，0、环境空气温度Tair(低的环境空气温度将比更高的环境空气温度更快地冷却电动机)、以及自断开电动机以来已经过多长时间t(已经过的时间t越长，电动机100已冷却得越多，并且因此随着时间t的增加，起始值Trotor，1将接近环境空气温度Tair。
优选地，存储器401为永久性存储器，即在没有持续电源的情况下保持信息。
转子电流测量装置402(例如换能器)测量转子电流并将输出的转子电流值I传递至软件框408。软件408在取决于转子电流值I和常数a的函数f(a，I)中使用转子电流值I，并将结果传递至框407。转子电流值越大，越有助于框407的温度估计。常数a可基于诸如转子绕组7中的电阻的因数、炭刷、以及炭刷与转子集电器之间的接触(炭刷和转子集电器在图中未示出)来确定。常数a与电动机构造和设计密切相关，并且因此优选地对于每个所讨论的电动机变体根据经验测试该常数。
用于感测/测量转子轴8的转速的转子rpm传感器403位于电动机中(传感器为普通类型且因此已从图1和图2的显示中省去)。转子rpm传感器403例如可为位于第一滚珠轴承10附近的感测位于转子轴8的上端11处的磁体的旋转的霍尔效应传感器。转子rpm传感器403连接至软件框409和410，以用于将转子速度值Nrotor连续地传送至此。
软件409在取决于转子速度值Nrotor和常数b的函数g(b，Nrotor)中使用转子速度值Nrotor，并将结果传递至框407。转子速度值Nrotor越大，来自摩擦的热量贡献越大，并且因此随着电动机速度的增大，函数g(b，Nrotor)将提供更大的值。常数b取决于转子的机械摩擦，并且优选地对于每个所讨论的电动机变体根据经验测试该常数。还将来自转子rpm传感器403的转子速度值Nrotor传递至框410。
为了方便地测量环境空气温度，环境空气温度传感器404位于定子组件2上(所述环境空气温度传感器也是普通类型且因此从图1和图2中未示出)。可替代地，为了方便地测量环境空气温度，环境空气温度传感器404可位于电动机100中的任何地方。环境空气温度传感器404将实际空气温度值Tair连续地传送至软件框411。作为环境空气温度传感器404的可替代方案，电动机100可改为设置有用于估计环境空气温度的装置，并且将估计的空气温度值Tair传送至该软件。例如，可测量其温度至少部分地取决于环境空气温度的元件的温度，例如，如果还测量电动机电流和转子速度，那么控制电动机电流的三端双向可控硅开关元件的温度可用于估计环境空气温度，因为元件的温度取决于这些参数。
软件框411还接收来自框406的先前的温度估计Trotor，k。从来自框406的当前的转子温度值(即先前的温度估计Trotor，k)中减去由传感器404感测的环境空气温度值Tair，并将所得到的温差Trotor，k-Tair供给至框410。
在软件框410处，通过函数h(c，Nrotor，Trotor，k-Tair)处理来自转子rpm传感器403的转子速度以及来自软件框411的温差Trotor，k-Tair，并将结果发送至框407。该函数适于温差Trotor，k-Tair越大提供越大的值。高温差比更小的温差将更多得冷却转子(只要环境空气温度比转子温度低)。在环境温度更高的少有情况下，由函数h()得到的值将变号。转子速度还影响转子冷却，因为冷却的风扇6随着转子轴一起旋转。因此，更高的转子速度增大了通向转子组件3的冷却空气的量，并且因此函数h()适于转子速度值Nrotor越大提供越大的值。常数c取决于冷却电动机100的风扇6的效率，并且优选地对于每个所讨论的电动机变体根据经验测试该常数，常数c越大风扇越有效。函数h()适于常数c越大提供越大的值。
在软件框407中，基于由软件框406接收的先前的转子温度估计Trotor，k、由软件框408接收的转子电流值I以及由软件框409接收的转子速度值Nrotor来估计新的转子温度估计Trotor，k+1。优选地，新的转子温度估计还基于先前的转子温度估计Trotor，k与空气温度Tair之间的差值，即Trotor，k-Tair。这通过接收来自软件框406-410的输入来完成。在有利的实例中，迭代公式写为：
Trotor，k+1＝Trotor，k+f(a，I)+g(b，Nrotor)-h(c，Nrotor，Trotor，k-Tair)
Trotor，k为来自框406的输出。
f(a，I)为来自框408的输出。
g(b，Nrotor)为来自框409的输出。
h(c，Nrotor，Trotor，k-Tair)为来自框410的输出。
k＝1，...为用于迭代的指数。
将新的转子温度估计Trotor，k+1传递至框412，在该框中，将新的转子温度估计与第一预定的过热阈值相比较。如果转子温度估计Trotor，k+1超出第一阈值，那么将起动电动机电流脉动装置405，因此电流以大约为0.5秒的周期脉动。然后，如果负荷减小，例如通过测量到降低的电动机电流，那么电动机控制系统400切换回正常操作。另外，如果负荷在预定的时间段(断开阈值(例如3-6秒))内没有减小，那么电动机控制系统400断开电动机100。第一阈值已通过测试而设定并适当地加入安全裕度。例如，第一阈值可为约180℃。
在一个实施例中，如果转子温度估计Trotor，k+1没有超出第一阈值，那么将转子温度估计Trotor，k+1与预定的第二阈值相比较，所述第二阈值低于第一阈值。如果转子温度估计Trotor，k+1超出第二阈值，那么电动机控制系统将声音/光信号作为温度正接近过热的警告提供给用户。例如，第二阈值可为约160℃。当然，转子温度估计Trotor，k+1变得越大，可具有提供越强烈的警告信号的甚至越多的阈值。例如，当温度估计Trotor，k+1变得更大时，光装置从绿色转变为橙色并转变为红色。
在另一实施例中，电动机控制系统400没有设置电动机电流脉动装置405。而是如在先前的段落中所描述地将通过声音和/或光信号警告用户。在此，如果超出比所有警告阈值大的预定值和/或超出比预定时间段长的阈值，那么可断开电动机。可替代地，电动机控制系统400从不断开电动机；而是如果警告用户那么该用户决定是否应断开。
图3示出了安装在钻台31上的空心钻机。根据本解决方案的电动机100连接至齿轮箱200，所述齿轮箱具有三个不同的齿轮，以用于通过变速旋钮32选择最佳钻孔速度。齿轮箱200由电动机输出轴(在这种情况下为转子轴8，图3中不可见)驱动。齿轮箱输出轴33固定地附接至可旋转的工作工具，在这种情况下为围绕其向下面向待钻孔的地板、地面、或结构的下端圆周设置有切割刀头(cutting segment)34的圆柱形空心钻300。钻台31进一步包括栓接在待钻孔的地板、地面、或结构上的底板35。底板35还可面向待钻孔的地板、地面、或结构通过底板中的空腔(未示出)中的真空抽吸附接。在那种情况下，密封件(未示出)确保真空腔与待钻孔的地板、地面、或结构之间的气密性。钻台31进一步包括用于在进行钻孔时使钻孔机沿着柱状件37向下移动的托架36。
虽然已结合本发明的优选实施例示出和描述了本发明，但应理解的是，在以下权利要求书的预期广义范围内，可做出多种修改、替代、以及添加。
例如，转子速度测量/估计装置已以转子rpm(转速，每分钟转数)传感器403进行例证，还可通过使用来自电流测量装置402的转子电流值以及来自测量转子绕组7的电压的电压测量装置的转子电压来估计转子速度值。优选地，当估计转子速度值时，这种估计可利用电动机特征。
此外，转子电流测量装置402还可间接地测量转子电流，例如通过使用来自电压测量装置的转子电压值以及来自转子rpm传感器403的转子速度值。同样，在这种间接测量中，可利用电动机特征。
此外，即使不同的函数已通过使用单个值进行例证，但当然可使用几个值，例如通过形成移动平均数或通过其他公知的统计处理。

Claims (16)

1.一种电动工具的电动机(100)，所述电动机包括定子(2)、具有中心转子轴(8)和转子绕组(7)的转子组件(3)、以及电动机控制系统(400)，所述电动机控制系统包括：
电流测量装置(402)，用于直接地或间接地测量所述转子绕组(7)中的电流，提供一个转子电流值/多个转子电流值；
环境温度测量/估计装置(404)，用于测量或估计环境空气温度，提供一个空气温度值/多个空气温度值；以及
转子温度估计装置(406、407、408、409、410、411)，用于利用所述一个转子电流值/多个转子电流值以及所述一个空气温度值/多个空气温度值来确定新的转子温度估计。
2.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述电动机控制系统(400)进一步包括电压限制装置(405)，所述电压限制装置用于如果所述新的转子温度估计超出预定的第一阈值(412)则通过限制所述转子绕组(7)上的电压来防止所述转子组件(3)的过热/燃烧。
3.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述电动机控制系统(400)进一步包括声音和/或光信号装置，所述声音和/或光信号装置用于如果所述新的转子温度估计超出预定的第二阈值则优选地通过提供声音和/或光信号来向用户发出转子温度接近或处于过热/燃烧温度的信号，所述第二阈值优选地低于所述第一阈值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电动机，其中，所述电动机控制系统(400)进一步包括转子速度测量/估计装置(403)，所述转子速度测量/估计装置用于测量或估计转子速度，提供一个转子速度值/多个转子速度值，并且所述转子温度估计装置(406、407、408、409、410、411)还布置成当确定所述新的转子温度估计时利用所述一个转子速度值/多个转子速度值。
5.根据权利要求4所述的电动机，其中，所述转子速度测量/估计装置(403)包括用于测量所述转子组件(3)的转子速度的转子rpm传感器(403)。
6.根据权利要求4所述的电动机，其中，所述转子速度测量/估计装置(403)布置成通过使用来自所述电流测量装置(402)的所述一个转子电流值/多个转子电流值以及来自测量所述转子绕组(7)的电压的电压测量装置的一个转子电压/多个转子电压来估计所述一个转子速度值/多个转子速度值。
7.根据权利要求6所述的电动机，其中，所述转子速度测量装置(403)还布置成当估计所述一个转子速度值/多个转子速度值时利用电动机特征。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电动机，其中，所述电动机控制系统(400)进一步包括用于存储先前的一个转子温度估计/多个转子温度估计的存储器(401)，并且所述转子温度估计装置(406、407、408、409、410、411)还布置成当确定所述新的转子温度估计时利用所述先前的一个转子温度估计/多个转子温度估计。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的电动机，其中，所述电压限制装置(405)布置成当起动时重复地切断所述转子绕组上的电压。
10.一种用于控制电动工具的电动机(100)的方法，所述电动机包括定子(2)以及具有转子轴(8)和转子绕组(7)的转子组件(3)，所述方法包括步骤：
a)通过测量所述转子绕组(7)中的电流来确定一个转子电流值/多个转子电流值，
b)通过测量或估计环境空气温度来确定一个空气温度值/多个空气温度值，
c)通过测量或估计所述转子(3)的旋转速度来确定一个转子速度值/多个转子速度值，
d)基于步骤a)的所述转子电流值、步骤b)的所述空气温度值以及步骤c)的所述转子速度值来确定新的转子温度估计。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括步骤：
e)将步骤d)的估计的转子温度与预定的第一阈值相比较，以及
f)根据步骤e)的比较，如果估计的转子温度大于所述预定的第一阈值，则起动限制所述转子绕组(7)上的电压。
12.根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括步骤：
g)将步骤d)的估计的转子温度与预定的第二阈值相比较，以及
h)根据步骤e)的比较，如果估计的转子温度大于所述预定的第二阈值，则提供光和/或声音信号。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，还基于先前的一个转子温度估计/多个转子温度估计来确定所述新的转子温度估计。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其中，在步骤f)中，通过重复地切断所述转子绕组上的电压来实现限制所述转子绕组(7)上的电压。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中，所述方法包括另一步骤：
i)如果步骤f)的限制所述电压起作用，那么如果电动机负荷减小，优选地通过感测到所述转子绕组(7)中的电流减小，则使不起作用。
16.根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中，所述方法包括另一步骤：
j)如果步骤f)的限制所述电压已在超出断开阈值的时间段内起作用，则断开所述电动机。
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