CN102901584A

CN102901584A - 检测电动机的转子的温度的温度检测装置

Info

Publication number: CN102901584A
Application number: CN2012102626970A
Authority: CN
Inventors: 妹尾达也
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: DE102012014320A1; CN102901584B; DE102012014320B4; US8967857B2; US20130028292A1; JP2013029483A; JP5149431B2

Abstract

本发明提供一种检测电动机的转子的温度的温度检测装置。该温度检测装置具有：检测在电动机的定子和转子中的任何一方上设置的线圈的电流值的电流检测部；使用电流值推定转子的铁损的铁损推定部；和使用铁损推定转子的温度的转子温度推定部。

Description

检测电动机的转子的温度的温度检测装置

技术领域

本发明涉及为保护电动机的转子不使其过热而检测电动机的转子的温度的温度检测装置。

背景技术

以往，在用于保护具有定子以及转子的电动机不使其过热的温度检测装置中，通过在定子线圈附近安装的热敏电阻或者恒温器那样的温度检测元件检测线圈的温度，在检测出的温度超过了预定值的情况下生成警报信号。

另外，例如在日本特开2009－261078号公报（JP2009－261078A）中提出了在为保护电动机不使其过热而检测线圈的温度时，除了通过温度检测器检出的温度之外还考虑电动机损耗的温度检测装置。

但是，现有的温度检测装置是用于对线圈进行过热保护的装置，不对转子进行过热保护。例如，在同步电动机的转子（rotor）高速旋转时，转子的发热量增大，因为对于定子进行强制冷却，所以有时转子的温度变得显著高于定子的温度。这样通过转子的温度变得显著高于定子的温度，有对于在电动机上安装的工件或者刀具那样的被驱动体传导热量这样的不适合的情况，或者在转子具有永磁铁的情况下发生永磁铁的去磁或者消磁这样的不适合的情况。

为避免这些不适合的情况，不仅线圈而且转子也需要过热保护。但是，因为热敏电阻或者恒温器那样的温度检测器进行有线通信，所以难以为检测转子的温度而把温度检测器装入转子。

发明内容

作为本发明的一种方式，提供一种为对电动机的转子进行过热保护而能够检测电动机的转子的温度的温度检测装置。

根据本发明的一种方式，温度检测装置是检测电动机的转子的温度的温度检测装置，具有：电流检测部，用于检测在电动机的定子和转子中的任何一方上设置的线圈的电流值；铁损推定部，用于使用电流值推定转子的铁损；和转子温度推定部，用于使用铁损推定转子的温度。

优选还具有用于推定线圈的温度的线圈温度推定部，转子温度推定部使用铁损以及线圈的温度推定转子的温度。

优选在定子上设置线圈，线圈温度推定部是在线圈的周围配置的温度检测元件。

优选线圈温度推定部根据电流值推定线圈的铜损，根据铜损推定线圈温度的上升量。

优选在上述定子上设置分别被供给三相交流电流中的U相、V相以及W相的交流电流的三个线圈，上述铁损推定部根据下式来推定上述转子的铁损。

p＝{a|I_q|^α+b|c+I_d|^α}ω²+{e|I_q|^β+f|c+I_d|^β}ω

其中，p：转子的铁损，

ω：流过线圈的交流电流的频率，

I_d：把三相交流电流值dq变换为两相交流电流值时的D相交流电流值，

I_q：把三相交流电流值dq变换为两相交流电流值时的Q相交流电流值，

a、b、c、e、f：常数，

α、β：指数。

优选在定子上设置分别被供给三相交流电流中的U相、V相以及W相的交流电流的三个线圈，铁损推定部根据下式来推定上述转子的铁损，

p＝{a|I_q|^α+b|c+I_d|^α}ω₂+{e|I_q|^β+f|c+I_d|^β}ω

其中，p：转子的铁损，

ω：流过线圈的交流电流的频率，

a、b、c、e、f：常数，

α、β：指数，

转子温度推定部使用铁损、线圈的温度以及转子的温度推定转子的温度的上升量。

优选还具有在通过转子温度推定部推定出的温度超过预定温度的情况下生成警报的警报生成部。

优选电动机是同步电动机。

根据本发明的一种方式，通过检测线圈的电流值，使用电流值推定转子的铁损，使用铁损推定转子的温度，能够为对电动机的转子进行过热保护而检测电动机的转子的温度。

附图说明

通过与附图关联的以下的实施方式的说明能够更加明了本发明的目的、特征以及优点。附图中：

图1是具有本发明的第一实施方式的温度检测装置的系统的框图；

图2是本发明的第一实施方式的温度检测装置的动作的流程图；

图3是具有本发明的第二实施方式的温度检测装置的系统的框图；

图4是本发明的第二实施方式的温度检测装置的动作的流程图；

图5是具有本发明的第三实施方式的温度检测装置的系统的框图；

图6是具有本发明的第四实施方式的温度检测装置的系统的框图；

图7是本发明的第四实施方式的温度检测装置的动作的流程图。

具体实施方式

参照附图说明本发明的温度检测装置的实施方式。此外，在附图中，给同一结构要素附以同一符号。

参照附图，图1是具有本发明的第一实施方式的温度检测装置的系统的框图。图1表示的系统具有三相交流电源1、变换器2、滤波电容器3、逆变器4，永磁同步电动机5、被驱动体6、编码器7、温度检测装置10、和显示器21。

变换器2例如由多个（在三相交流的情况下是6个）整流二极管以及分别在这些整流二极管上反并联连接的晶体管构成，把从三相交流电源1供给的交流电力变换为直流电力。滤波电容器3为对通过变换器2的整流二极管整流的电压进行滤波而与变换器2并联连接。逆变器4与滤波电容器3并联连接，例如由多个（在三相交流的情况下是6个）整流二极管以及分别在这些整流二极管上反并联连接的晶体管构成，把通过变换器2变换的直流电力变换为交流电力。

永磁同步电动机5连接工作台、臂和在这些上装卸的工件等被驱动体6，例如可以用于改变在机床中保持工件的工作台的位置或者姿势，也可以使机器人的臂旋转等。在本实施方式中，假定永磁同步电动机5是具有转子52和定子53的旋转型伺服电动机，转子52具有安装有编码器7的旋转轴51，定子53作为固定元件以包围转子52的方式配置。

转子52具有四个以90°的间隔配置的永磁铁54a、54b、54c、54d。永磁铁54a、54b、54c、54d被配置成定子53侧的端部面对转子52的旋转方向彼此以90°离开，并且永磁铁54a、54b、54c、54d的外侧的端部交互成为N极、S极、N极以及S极那样配置。

定子53具有以120°的间隔配置、分别被供给U相、V相以及W相交流电流的3个线圈55u、55v、55w。因此，永磁同步电动机5作为三相同步电动机作用。

温度检测装置10，如要在后面详细说明的那样，检测转子52的温度T_r。因此，温度检测装置10具有电流检测部11、铁损推定部12、和转子温度推定部13。

电流检测部11检测流过线圈55u的U相交流电流值I_u、流过线圈55v的V相交流电流值I_v以及流过线圈55w的W相交流电流值I_w。另外，电流检测部11根据检测出的U相交流电流值I_u、V相交流电流值I_v以及W相交流电流值I_w，求出U相交流电流、V相交流电流以及W相交流电流的频率ω、D相交流电流的振幅值（D相直流电流值）|I_d|以及Q相交流电流的振幅值（Q相直流电流值）|I_q|，向铁损推定部12供给频率ω、振幅值|I_d|以及振幅值|I_q|。因此，电流检测部11例如通过分别把U相交流电流值I_u、V相交流电流值I_v以及W相交流电流值I_w变换为U相直流电流值|I_u|、V相直流电流值|I_v|以及W相直流电流值|I_w|的A/D变换器、从通过编码器7检测出的转子52的位置的相位取得励磁相位的励磁相位取得部、和使用三相两相变换行列式把U相直流电流值|I_u|、V相直流电流值|I_v|以及W相直流电流值|I_w|变换为D相直流电流值|I_d|以及Q相直流电流值|I_q|的三相两相变换器等构成。

铁损推定部12根据下式推定转子52的铁损p，向转子温度推定部13供给铁损p，

p＝{a|I_q|^α+b|c+I_d|^α}ω²+{e|I_q|^β+f|c+I_d|^β}ω (1)

其中，p：铁损，

ω：流过线圈的交流电流的频率，

a、b、c、e、f：常数，

α、β：指数。

在式（1）中，第一项相当于涡流损耗，第二项与磁滞损耗对应。在决定常数a、b、c、e、f、α、β时，在铁损p的测量或者仿真（例如磁解析）中，改变D相交流电流值I_d以及Q相交流电流值I_q并求出铁损p，选择求出的铁损p和式（1）的残差成为最小那样的常数a、b、c、e、f、α、β。此外，在因为不决定指数α以及β计算常数a、b、c、e、f困难的情况下，也可以预先选择已知的指数α以及β的值（例如α=2、β=1.6），仅计算常数a、b、c、e、f。此外，与I_d=I_q=0时的铁损p相当的bc^αω²＋fc^βω是通过转子52的移动产生的磁通变动引起的铁损。另外，在磁滞损耗非常小的情况下，也可以忽略第二项。

转子温度推定部13根据下式推定转子52的温度T_r，向显示器21输出关于温度T_r的视频信号S_t，

T_{r} (t + Δt) = T_{r} (t) + \frac{p (t) - k (T_{r} (t) - T_{s})}{C} Δt - - - (2)

t、Δt、t＋Δt：在电动机上施加交流电流的时间，

T_r（t）：在时间t时转子的温度，

T_r（t＋Δt）：在时间t＋Δt时转子的温度，

p（t）：时间t时的铁损，

T_s：电动机周围的温度，

k、C：根据电动机的形状、材质以及定子的冷却条件决定的常数。

此外，这里设T_r（0）=T_s。另外，根据式（2）也可以推定转子52的温度T_r的上升量。

为推定转子52的温度T_r需要决定转子52的温度的初始值T_r（0）。在式（2）中，把转子52的温度的初始值T_r（0）设为永磁同步电动机5的周围的温度T_s，但是也可以把转子52的温度的初始值T_r（0）设为线圈55u、55v、55w的温度的初始值或者直接测定的转子52的温度。

显示器21通过液晶显示装置（LCD）等构成，显示视频信号S_t，唤起用户对于转子52的温度T_r的注意。这样通过唤起注意，能够通过由用户操作永磁同步电动机5控制永磁同步电动机5的动作来对转子52进行过热保护。

图2是本发明的第一实施方式的温度检测装置的动作的流程图。首先，在步骤S1中，电流检测部11检测U相交流电流值I_u、V相交流电流值I_v以及W相交流电流值I_w，根据检测出的U相交流电流值I_u、V相交流电流值I_v以及W相交流电流值I_w，求出U相交流电流、V相交流电流以及W相交流电流的频率ω、D相交流电流的振幅值（D相直流电流值）|I_d|以及Q相交流电流的振幅值（Q相直流电流值）|I_q|，向铁损推定部12供给频率ω、振幅值|I_d|以及振幅值|I_q|。

接着，在步骤S2中，铁损推定部12根据式（1）推定铁损p，向转子温度推定部13供给铁损p。接着在步骤S3中，转子温度推定部13根据式（2）推定转子52的温度T_r，向显示器21输出关于温度T_r的视频信号S_t。接着在步骤S4中，显示器21显示视频信号S_t，结束处理。

根据本实施方式，通过检测U相交流电流值I_u、V相交流电流值I_v以及W相交流电流值I_w，使用这些U相交流电流值I_u、V相交流电流值I_v以及W相交流电流值I_w推定转子52的铁损p，使用铁损p推定转子52的温度T_r，由此能够为保护转子52不使其过热而检测转子52的温度T_r。

图3是具有本发明的第二实施方式的温度检测装置的系统的框图。图3表示的系统具有：三相交流电源1、变换器2、滤波电容器3、逆变器4、永磁同步电动机5、被驱动体6、温度检测装置10’和显示器21。温度检测装置10’具有电流检测部11、铁损推定部12、转子温度推定部13’、和线圈温度推定部14。

线圈温度推定部14是在线圈55u、55v、55w的周边配置的热敏电阻或者恒温器那样的温度检测元件。因此，线圈温度推定部14直接测定线圈55u、55v、55w的温度T_c。

转子温度推定部13’根据下式推定转子52的温度T_r，向显示器21输出关于温度T_r的视频信号S_t。

T_{r} (t + Δt) = T_{r} (t) + \frac{p (t) + k_{1} (T_{c} (t) - T_{r} (t)) - k_{2} (T_{r} (t) - T_{s})}{C} Δt - - - (3)

t、Δt、t＋Δt：在电动机上施加交流电流的时间，

T_r（t）：在时间t时转子的温度，

T_r（t＋Δt）：在时间t＋Δt时转子的温度，

T_c（t）：在时间t时线圈的温度，

p（t）：时间t时的铁损，

T_s：电动机周围的温度，

k₁、k₂、C：根据电动机的形状、材质以及定子的冷却条件决定的常数。

此外，式（3）表示转子52的发热量相当于从铁损和来自定子53的传导热量的和中、减去向大气等的散热而得的差值。

在定子53的温度比转子52的温度高的情况下，发生从定子53向转子52的传导热。根据式（3），因为通过使用与定子53的温度相当的线圈的温度T_c考虑从定子53向转子52的传导热，所以能够以高于式（2）的情况下的精度推定转子52的温度T_r。另外，根据式（3），也能够推定转子52的温度T_r的上升量。

图4是本发明的第二实施方式的温度检测装置的动作的流程图。在图4的流程图中，在步骤S2后的步骤S5中，线圈温度推定部14直接测定线圈55u、55v、55w的温度T_c。接着，在步骤S3’中，转子温度推定部13’根据式（3）推定转子52的温度T_r，前进到步骤S4。

图5是具有本发明的第三实施方式的温度检测装置的系统的框图。图5表示的系统具有：三相交流电源1、变换器2、滤波电容器3、逆变器4，永磁同步电动机5、被驱动体6、温度检测装置10”、和显示器21。温度检测装置10”具有电流检测部11、铁损推定部12、转子温度推定部13”、和线圈温度推定部14’。

线圈温度推定部14’根据下式推定线圈55u、55v、55w的温度T_c，向转子温度推定部13”供给温度T_c。

T_{c} (t + Δt) = T_{c} (t) + \frac{Q (t) + k_{1} (T_{c} (t) - T_{s}) - k_{2} (T_{r} (t) - T_{c} (t))}{C} Δt - - - (4)

t、Δt、t＋Δt：在电动机上施加交流电流的时间，

T_c（t）：在时间t时线圈的温度，

T_c（t＋Δt）：在时间t＋Δt时线圈的温度，

T_r（t）：在时间t时转子的温度，

Q（t）：时间t时的铜损，

T_s：电动机周围的温度，

此外，根据D相交流电流的振幅值（D相直流电流值）|I_d|、Q相交流电流的振幅值（Q相直流电流值）|I_q|、线圈55u、55v、55w的电阻值以及在永磁同步电动机5上施加交流电流的时间来决定铜损Q（t）。另外，根据式（4），也能够推定线圈55u、55v、55w的温度T_c的上升量。

另外，为了使线圈温度推定部14’使用转子52的温度T_r推定线圈55u、55v、55w的温度T_c，而从转子温度推定部13”向线圈温度推定部14’供给转子52的温度T_r。另外，温度检测装置10”通过进行和图4表示的流程图的处理同样的处理推定转子52的温度T_r，在显示器21上显示视频信号S_t。

图6是具有本发明的第四实施方式的温度检测装置的系统的框图。图6表示的系统具有：三相交流电源1、变换器2、滤波电容器3、逆变器4，永磁同步电动机5、被驱动体6、温度检测装置100、存储器22、和上位控制装置23。温度检测装置100具有电流检测部11、铁损推定部12、转子温度推定部13、线圈温度推定部14、和警报生成部15。

在存储器22中，存储用于判断转子52是否是过热状态的基准值T_t。从转子温度推定部13向警报生成部15供给转子52的温度T_r。然后，警报生成部15从存储器22中读出基准值T_t，在转子52的温度T_r比基准值T_t高的情况下，生成报告转子52是过热状态的警报信号S_a，向上位控制装置23供给警报信号S_a。上位控制装置23由CNC（数值控制装置）等构成，当被从警报生成部15供给警报信号S_a时，使永磁同步电动机5停止动作。

图7是本发明的第四实施方式的温度检测装置的动作的流程图。在图7的流程图中，在步骤S4之后的步骤S6中，警报生成部15判断转子52的温度T_r是否比值T_t高。在转子52的温度T_r比值T_t高的情况下，在步骤S7中，警报生成部15生成警报信号S_a，向上位控制装置23供给警报信号S_a，结束处理。与此相对，在转子52的温度T_r不比值T_t高的情况下，直接结束处理。

本发明不限于上述实施方式，可以进行若干变更以及变形。例如，在上述实施方式中，说明了使用三相交流电源作为交流电源的情况，但是交流电源不限于三相交流电源。

另外，在上述实施方式中，说明了使用旋转型伺服电动机作为电动机的情况，但是在使用具有定子以及滑触头的直线伺服电动机、具有定子以及振动器的振动型伺服电动机等永磁同步电动机情况下也能够应用本发明，在代替同步电动机使用感应电动机的情况下也能够应用本发明。

在上述实施方式中，说明了使用流过线圈的交流电流的频率、D相交流电流值以及Q相交流电流值推定铁损的情况，但是也可以使用流过线圈的交流电流的振幅以及频率、和转子的相位推定铁损，也可以使用磁解析推定铁损。

另外，也可以使用输入电动机的功率为电动机的铜损、电动机的铁损、电动机的机械损失以及电动机的输出的和的能量守恒定律来推定铁损。输入电动机的功率为供给电动机的电流和施加在电动机上的电压的积。可以直接测定在电动机上施加的电压，但是也可以使用电动机的反电势、电动机的电阻值、电动机的电感值以及流过电动机的电流（例如D相交流电流以及Q相交流电流）来推定在电动机上施加的电压。此外，作为机械损失，使用机械损失的理论值、机械损失的实验值或者已知的机械损失。在这种情况下推定的铁损为定子的铁损和转子的铁损的和，但是因为认为转子中产生的铁损相对于推定的铁损的比例恒定，所以通过在推定的铁损上乘以该比例能够推定转子的铁损。此外，该比例可以通过理论方式或者实验方式求出，但是也可以使用已知的比例。另外，在推定转子的铁损时，代替式（1），也可以使用能够容易地从式（1）想到的近似式。例如能够根据下式推定转子的铁损，

p＝{a|I_q|^α+b|c+I_d|^α}ω²+{e|I_q|^β+f|c+I_d|^β}ω+x (1)′

p：铁损，

ω：流过线圈的交流电流的频率，

a、b、c、e、f：常数，

x：影响小的常数，

α、β：指数。

在上述第三实施方式中，说明了使用转子的温度推定线圈的温度的情况，但是也可以不使用转子的温度推定线圈的温度。在这种情况下，根据下式推定线圈的温度。

T_{c} (t + Δt) = T_{c} (t) + \frac{Q (t) + k (T_{c} (t) - T_{s})}{C} Δt - - - {(4)}^{'}

t、Δt、t＋Δt：在电动机上施加交流电流的时间，

T_c（t）：在时间t时线圈的温度，

T_c（t＋Δt）：在时间t＋Δt时线圈的温度，

Q（t）：时间t时的铜损，

T_s：电动机周围的温度，

并且，在上述第一～第三实施方式中，也可以如上述第四实施方式那样生成警报。

以上关联本发明的优选的实施方式说明了本发明，但是本领域的技术人员当然理解在不脱离后述权利要求公开的范围的条件下，能够进行各种修正及变更。

Claims

1.一种温度检测装置（10、10’、10”、100），用于检测电动机（5）的转子（52）的温度，该温度检测装置的特征在于，

具有：

电流检测部（11），用于检测在上述电动机的定子（53）和转子中的任何一方上设置的线圈（55u、55v、55w）的电流值（I_u、I_v、I_w）；

铁损推定部（12），用于使用上述电流值推定上述转子的铁损（p）；和

转子温度推定部（13、13’、13”），用于使用上述铁损推定上述转子的温度（T_r）。

2.根据权利要求1所述的温度检测装置，其特征在于，

还具有推定上述线圈的温度的线圈温度推定部（14、14’），

上述转子温度推定部使用上述铁损以及上述线圈的温度推定上述转子的温度。

3.根据权利要求2所述的温度检测装置，其特征在于，

上述线圈被设置在上述定子上，上述线圈温度推定部是在上述线圈的周围配置的温度检测元件。

4.根据权利要求2所述的温度检测装置，其特征在于，

上述线圈温度推定部根据上述电流值推定上述线圈的铜损，根据上述铜损推定上述线圈的温度的上升量。

5.根据权利要求1所述的温度检测装置，其特征在于，

分别被供给三相交流电流中的U相、V相以及W相的交流电流的三个线圈被设置在上述定子上，上述铁损推定部根据下式来推定上述转子的铁损，

p＝{a|I_q|^α+b|c+I_d|^α}ω²+{e|I_q|^β+f|c+I_d|^β}ω

其中，

p为转子的铁损，

ω为流过线圈的交流电流的频率，

I_d为把三相交流电流值dq变换为两相交流电流值时的D相交流电流值，

I_q为把三相交流电流值dq变换为两相交流电流值时的Q相交流电流值，

a、b、c、e、f为常数，

α、β为指数。

6.根据权利要求2~4中任一项所述的温度检测装置，其特征在于，

p＝{a|I_q|^α+b|c+I_d|^α}ω²+{e|I_q|^β+f|c+I_d|^β}ω

其中，

p为转子的铁损，

ω为流过线圈的交流电流的频率，

a、b、c、e、f为常数，

α、β为指数，

上述转子温度推定部使用上述铁损、上述线圈的温度以及上述转子的温度来推定上述转子的温度的上升量。

7.根据权利要求1~6中任一项所述的温度检测装置，其特征在于，

还具有在通过上述转子温度推定部推定出的温度超过了预定温度的情况下生成警报（S_a）的警报生成部（15）。

8.根据权利要求1~7中任一项所述的温度检测装置，其特征在于，

上述电动机是同步电动机。