CN103076562A - 电机温升测量方法和测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机温升测量方法和测量装置，该测量方法包括，采集电机的电流值和转速值；根据采集的电流值计算电机的铜耗值，并根据采集的转速值计算电机的铁耗值；根据铜耗值和铁耗值计算电机的损耗值；根据损耗值在数据库中查找对应损耗下电机的温升值。该测量方法不需要专门安装温升检测装置以检测电机温升，也不需要专门设置功率测量装置来测量输入功率和输出功率以计算电机的损耗，省略了在电机中安装温升检测装置或功率测量装置的复杂工序，并降低了成本。

Description

电机温升测量方法和测量装置
技术领域
本发明涉及电机测量技术，特别涉及一种电机温升测量方法和测量装置。
背景技术
目前，电机广泛应用于各种工业领域，而为了满足不同应用环境，不同驱动负载的要求，也对电机提出了较高的要求。在满足应用要求的情况下，应保证电机的安全运行，而当电机长时间运行，特别是当电机过载运行时间过长时，会造成电机的定子绕组、电机转轴或其他部件过热，如超过电机的温升限度会烧毁电机。
为避免因温升超限损坏电机，可设置温升检测装置以检测电机关键部件的温升，但是温升检测装置需要安装于电机表面或者内埋于电机内部，安装复杂且成本较高。
发明内容
本发明提供了一种电机温升测量方法和测量装置，以降低测量电机温升的成本。
本发明提供的电机温升测量方法，包括：
采集电机的电流值和转速值；
根据采集的所述电流值计算电机的铜耗值，并根据采集的所述转速值计算电机的铁耗值；
根据所述铜耗值和铁耗值计算电机的损耗值；
根据所述损耗值在数据库中查找对应损耗下电机的温升值，所述数据库包括损耗与温升的映射关系。
本发明还提供了一种电机温升测量装置，包括：
采集模块，与电机相连，用于采集电机的电流值和转速值；
计算模块，与所述采集模块相连，用于根据采集的所述电流值计算电机的铜耗值，并根据采集的所述转速值计算电机的铁耗值；
损耗计算模块，与所述计算模块相连，用于根据所述铜耗值和铁耗值计算电机的损耗值；
数据存储模块，与温升查找模块相连，用于存储包括损耗与温升的映射关系的数据库；
温升查找模块，与所述损耗计算模块相连，用于根据所述损耗值在所述数据库中查找对应损耗下电机的温升值。
本发明提供的电机温升测量方法，通过采集电机的电流值和转速值分别计算出电机的铜耗值和铁耗值，进而得到电机的损耗值，根据该损耗值得到电机的温升，而电机的电流值和转速值作为电机的重要参数也是通常需要采集的，或者是在电机已有的控制系统中通常是已经采集好的数据，而该测量方法正是利用电机的这些重要参数来获得电机的温升，也不需要专门安装温升检测装置以检测电机温升，也不需要专门设置功率测量装置来测量输入功率和输出功率以计算电机的损耗，省略了在电机中安装温升检测装置或功率测量装置的复杂工序，并降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的电机温升测量方法的流程图；
图2为电机随时间变化的温升曲线；
图3本发明实施例所提供的电机温升测量装置的方框图；
图4本发明另一实施例所提供的电机温升测量装置的方框图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种电机温升测量方法，该测量方法用于测量电机运行过程中的温升，以为监测电机运行情况提供数据。
图1为本发明实施例所提供的电机温升测量方法的流程图，如图1所示，该测量方法具体包括：
步骤1、采集电机的电流值和转速值。
对于电流值的采集可通过另外设置的电流传感器或电流表等进行采集或者利用电机已有的控制系统已经采集的电流值作为本测量方法中的电流值。
对于转速值的采集可通过另外设置的速度传感器或者利用电机已有的控制系统已经采集的转速值作为本测量方法中的转速值。
二者的采集不分前后次序，可同时采集或先后采集。
步骤2、根据采集的电流值计算电机的铜耗值，并根据采集的转速值计算电机的铁耗值。
可通过另外设置的计算模块或电机已有的控制系统增加相应指令计算电机的铜耗值，通过另外设置的计算模块或电机已有的控制系统增加相应指令计算电机的铁耗值。对于铜耗值和铁耗值的计算也不分前后次序，可同时计算或先后计算。
步骤3、根据铜耗值和铁耗值计算电机的损耗值，可通过另外设置的计算模块或电机已有的控制系统增加相应指令计算电机的损耗值。
步骤4、根据损耗值在数据库中查找对应损耗下电机的温升值，该数据库包括损耗与温升的映射关系。可通过另外设置的查找模块或电机已有的控制系统增加相应指令查找对应损耗下电机的温升值。
电机的损耗主要包括铜耗、铁耗、杂散损耗和机械损耗，而电机损耗中，铜耗和铁耗占损耗的主要部分，因此，在此测量方法中计算电机的损耗时只考虑铁耗和铜耗，忽略杂散损耗和机械损耗。
电机的铜耗包括定子铜耗和转子铜耗，电机的铜耗PCu是与电流相关的量，计算公式为：PCu＝I2Rt，其中，I为电流值，R为电阻值，t为时间。
为计算电机的铜耗，在采集电机的电流值时，通常需要采集定子相电流值和转子励磁电流值，而定子或者转子的电阻为已知量，可通过上述的计算公式分别计算出定子铜耗值和转子铜耗值，进而得到电机的铜耗值。
但是，对于不同的电机来说，定子铜耗和转子铜耗在整个损耗中所占的比例不同，例如，对于永磁电机而言，由于转子为永磁体，转子铜耗很小，可以忽略不计，此时可不再计算转子铜耗，也就不再需要采集转子励磁电流值，而只采集定子相电流值，通过定子相电流值计算出定子铜耗值作为电机的铜耗值即可。因此，可根据计算损耗的需要采集，可只采集定子相电流值或转子励磁电流值，也可同时采集定子相电流值和转子励磁电流值。
电机的铁耗PFe是与电机的转速相关的量，计算公式为：
其中，CFe为电机铁芯的损耗系数，GFe为电机铁芯的重量值，B为电机定子铁芯内磁通密度，n为电机的转速值，p为电机的极对数。根据上述公式通过电机的转速值可获得电机的铁耗值。
电机的损耗与电机的温升具有对应关系，通过得到的损耗值在包括损耗与温升的映射关系的数据库中进行查找可得到对应损耗下电机的温升值。而该数据库是预先建立并存储好的，下面介绍该损耗与温升的映射关系的数据库的建立方法。
在电机的测试状态下，测试电机在不同转速、不同转矩下的电机损耗以及相应的温升，从而建立数据库。
具体方法为：
从电机某一转速开始，在该转速下以额定转矩的1/10TN(或者其他比例)为起点进行测试，然后每次增加0.1×TN(或其他增量)作为一个测试点，记录每个测试点下电机的损耗和对应温升。
然后每次增加一百转(或其他增量)作为一个测试转速，在每个转速下再以额定转矩的1/10TN(或者其他比例)为起点，每次增加0.1×TN(或其他增量)作为一个测试点，记录每个测试点下电机的损耗值和对应温升。
并且，上述的每个测试点，应保证在每一转速下施加的最大转矩与转速的乘积不超过额定输出功率，以免损坏电机。
上述测试过程中，在每个测试点下分别测量电机的输入功率Pin与电机的输出功率Pout，在不考虑杂散损耗和机械损耗的情况下，可以得到电机的损耗值P为：P＝Pin-Pout。当然，在该测试过程中，也可通过上述温升测量方法中通过采集电流值和转速值的方法获得电机的损耗值。
并且，通过温升检测装置测量每个测试点电机的温升。
因此，在上述的测试方法，每个测试点也就是电机处于各种工作状态下的工作点，通过记录每个测试点下电机的损耗值和对应温升便可建立一个电机损耗与温升的映射关系的数据库。在该损耗与温升的映射关系的数据库中，可通过电机的损耗值查找对应损耗下的温升。
下表为采用上述测试方法通过实验获得的该损耗与温升的映射关系的数据库中包含相关数据：
上述表格中的相关数据为采用以下参数的电机进行测试时得到的数据：额定功率为400W，额定输出转矩为1NM，额定输入电流为2.7A，电机的初始温度为27℃。
当采用不同种类或不同型号的电机进行测试时，得到的相关数据可能会不同，但是数据库的建立过程是相同的。
由上述的技术方案可知，该电机温升测量方法，通过采集电机的电流值和转速值分别计算出电机的铜耗值和铁耗值，进而得到电机的损耗值，根据该损耗值得到电机的温升，而电机的电流值和转速值作为电机的重要参数也是通常需要采集的，或者是在电机已有的控制系统中已经采集好的数据，而该测量方法正是利用电机的这些重要参数来获得电机的温升，不需要专门安装温升检测装置以检测电机温升，也不需要专门设置功率测量装置来测量输入功率和输出功率以计算电机的损耗，省略了在电机中安装温升检测装置或功率测量装置的复杂工序，并降低了成本。
通过上述温升测量方法获得的电机温升可作为判断电机是否过载的依据，当该温升超过电机的温升过载阈值时，可进行报错处理，防止电机过载造成温升过高而损坏电机。
上述的温升测量方法可适用于对任何类型的电机，当采用该测量方法测量伺服电机温升时，由于伺服电机为永磁电机，其转子为永磁体，转子铜耗很小，可以忽略不计，此时可不再计算转子铜耗，也就不再需要采集转子励磁电流值，而只采集定子相电流值，通过定子相电流值计算出定子铜耗值作为电机的铜耗值即可。优选的是采用下述的方法计算伺服电机的铜耗值和铁耗值。
伺服电机在实际工作中，由于负载变化、升降速等多种原因，伺服电机的定子相电流在不断变化。因此为了更准确的估计出电机实际发热量，需要持续地采集一段时间内的定子相电流值。
假设以时间T1为一个计算周期，然后计算这个周期内的电流有效值。已知T1时间内电流有效值表达式为：
Figure BDA0000101945370000061
为计算方便在采集电流值时，可根据设定采集周期间隔散的采集电机的定子相电流值，每隔一个采样周期ΔT采集一次定子相电流瞬时值i，因此在设定时间T1内的采样次数为
Figure BDA0000101945370000062
从而可以得到定子相电流有效值表达式为：
Figure BDA0000101945370000063
而电机的铜耗计算公式为：PCu＝I2R，将上述计算电流有效值I的公式带入铜耗计算公式，可得到如下的定子铜耗计算公式：
Figure BDA0000101945370000064
其中，PCu为铜耗值，R为电机的定子每相电阻值，T1为计算周期，ΔT为设定采样周期，i为采集的电机定子相电流值，n为自然数。
对于电机的铁耗值，通过实时采集电机的转速值，采用下述的计算公式即可得到：
Figure BDA0000101945370000065
其中，PFe为电机的铁耗值，ka为电机的经验系数，GFe受磁化作用的转子和定子硅钢片的重量值，p1为单位磁场强度电源频率为50赫兹时转子和定子硅钢片单位重量的损耗，B为电机定子铁芯内磁通密度，n为电机的转速值，p为电机的极对数。
因此，通过采集的定子相电流值可计算得到伺服电机的定子铜耗值作为电机的铜耗值，通过采集的转速值可计算得到伺服电机的铁耗值，将上述的定子铜耗值和铁耗值相加即可得到伺服电机的损耗值。
根据对均质物体发热过程的分析，得知其温升随时间的变化是指数曲线关系，虽然电机不是一个均质物体，其中的发热与散热过程比较复杂，但在分析电机的这些过程时，往往假定它是一个均质物体。
图2为电机随时间变化的温升曲线，如图2所示，起始时电机的温度与周围介质的相同，这时电机产生的全部损耗都将用以提高电机的温度，因此起始时电机的温度上升很快。随着电机温度的增加，它与周围介质的温差增大，散发到周围介质中的热量也逐渐增加。理论上要到时间t＝∞时电机才达到最终稳定温升Δτ∞，这时电机所产生的全部热量都散发到周围介质中去，电机本身的温度就不再增加了。
而在实际中当t＝3T至4T后，温升就基本稳定了，在该测量方法中，为了尽快判断出电机温升，从而为判断电机是否即将过载提供依据，同时考虑到各种装置的存储及运算能力，因此，在上述计算定子相电流有效值的计算周期T1取为电机发热时间常数的3倍，也就是3T。
电机发热时间常数T只和电机的热容C和散热能力Λ有关，其表达式为：
Figure BDA0000101945370000071
该发热时间常数T的可以通过理论计算，也可以通过实验测得。由于电机发热时间常数T与电机的损耗无关，因此无论电机在哪个工作点，损耗多少，电机温升达到稳定所需要的时间均一样。
在该计算周期内计算的电机损耗对应查找出的温升是电机最终的稳定温升，而根据上述电机温升的分析过程可知，在该损耗下至电机达到稳定温升需要一定时间，因此，该方法可以提前预估出电机最终温升，将该温升作为判断电机过载的依据可提前对电机进行保护，而不是等到过载以后造成温度升高才进行保护，提高电机运行的安全性。
本发明实施例还提供了一种电机温升测量装置，该测量装置可执行本发明实施例提供的测量方法以测量电机的温升。
图3本发明实施例所提供的电机温升测量装置的方框图，如图3所示，该测量装置具体的包括采集模块10、计算模块11、损耗计算模块12、数据存储模块13和温升查找模块14。
采集模块10与电机相连，用于采集电机的电流值和转速值。
计算模块11与采集模块10相连，用于根据采集的电流值计算电机的铜耗值，并根据采集的转速值计算电机的铁耗值。
损耗计算模块12与计算模块11相连，用于根据铜耗值和铁耗值计算电机的损耗值。
数据存储模块13与温升查找模块14相连，用于存储包括损耗与温升的映射关系的数据库。
温升查找模块14与损耗计算模块12相连，用于根据损耗值在数据库中查找对应损耗下电机的温升值。
上述的采集模块、计算模块、损耗计算模块和温升查找模块可以采用相关的电路或者包含相应指令的硬件实现，数据存储模块可以采用硬盘、光盘或其他计算机中的存储器等实现。
图4为本发明另一实施例提供的电机温升测量装置的方框图，如图4所示，在上述实施例的基础上，进一步，上述的采集模块10可以包括电流采集模块101和转速采集模块102，电流采集模块101与电机的电流输出端相连以采集电机的电流值。对于电流值的采集可根据计算损耗的需要采集，将电流采集模块与电机的定子电流输出端和/或转子电流输出端相连，可只采集定子相电流值或转子励磁电流值，也可同时采集定子相电流值和转子励磁电流值。
转速采集模块102与电机的转轴相连以采集电机的转速值。
电流采集模块可以为电流传感器或电流表等装置，转速采集模块可以为速度传感器或编码器等装置。
并且，计算模块11可以包括铜耗计算模块110和铁耗计算模块111。
其中，铜耗计算模块110与电流采集模块101相连，用于根据采集的电流值计算电机的铜耗值。铁耗计算模块111与转速采集模块102相连，用于根据采集的转速值计算电机的铁耗值。
如果需要根据设定采集周期间隔的采集定子相电流值，该电流采集模块可以是包括电流传感器和控制器的装置，电流传感器与电机的定子电流输出端相连，且与控制器相连，控制器根据设定采样周期控制电流传感器间隔的采集电机的定子相电流值，该控制器可采用可编程控制器或工业计算机等实现。
该温升测量装置中的相关模块可以集成在现有电机的控制系统中，与现有控制系统中的部件相结合，而电机的电流值和转速值作为电机的重要参数也是通常需要采集的，该测量装置通过采集电机的电流值和转速值获得电机的温升，不需要专门安装温升检测装置以检测电机温升，也不需要专门设置功率测量装置来测量输入功率和输出功率以计算电机的损耗，省略了在电机中安装温升检测装置或功率测量装置的复杂工序，并降低了成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电机温升测量方法，其特征在于，包括：
采集电机的电流值和转速值；
根据采集的所述电流值计算电机的铜耗值，并根据采集的所述转速值计算电机的铁耗值；
根据所述铜耗值和铁耗值计算电机的损耗值；
根据所述损耗值在数据库中查找对应损耗下电机的温升值，所述数据库包括损耗与温升的映射关系。
2.根据权利要求1所述的电机温升测量方法，其特征在于：所述采集电机的电流值为根据设定采集周期间隔的采集电机的定子相电流值。
3.根据权利要求2所述的电机温升测量方法，其特征在于：根据如下公式计算电机的所述铜耗值：
Figure FDA0000101945360000011
其中，PCu为铜耗值，R为电机的定子每相电阻值，T1为计算周期，ΔT为设定采样周期，i为采集的电机定子相电流值，n为自然数。
4.根据权利要求3所述的电机温升测量方法，其特征在于：所述计算周期T1为电机发热时间常数的三倍。
5.根据权利要求2-4任一所述的电机温升测量方法，其特征在于：根据如下公式计算电机的所述铁耗值：
Figure FDA0000101945360000012
其中，PFe为电机的铁耗值，ka为电机的经验系数，GFe为受磁化作用的转子和定子硅钢片的重量值，p1为单位磁场强度电源频率为50赫兹时转子和定子硅钢片单位重量的损耗，B为电机定子铁芯内磁通密度，n为电机的转速值，p为电机的极对数。
6.一种电机温升测量装置，其特征在于，包括：
采集模块，与电机相连，用于采集电机的电流值和转速值；
计算模块，与所述采集模块相连，用于根据采集的所述电流值计算电机的铜耗值，并根据采集的所述转速值计算电机的铁耗值；
损耗计算模块，与所述计算模块相连，用于根据所述铜耗值和铁耗值计算电机的损耗值；
数据存储模块，与温升查找模块相连，用于存储包括损耗与温升的映射关系的数据库；
温升查找模块，与所述损耗计算模块相连，用于根据所述损耗值在所述数据库中查找对应损耗下电机的温升值。
7.根据权利要求6所述的电机温升测量装置，其特征在于：所述采集模块包括电流采集模块和转速采集模块，所述电流采集模块与电机的电流输出端相连以采集电机的电流值，所述转速采集模块与电机的转轴相连以采集电机的转速值。
8.根据权利要求7所述的电机温升测量装置，其特征在于：所述电流采集模块为电流传感器，所述转速采集模块为速度传感器或编码器。
9.根据权利要求7或8所述的电机温升测量装置，其特征在于：所述计算模块包括铜耗计算模块和铁耗计算模块，其中，
所述铜耗计算模块与所述电流采集模块相连，用于根据采集的所述电流值计算电机的铜耗值；
所述铁耗计算模块与所述转速采集模块相连，用于根据采集的所述转速值计算电机的铁耗值。
10.根据权利要求7所述的电机温升测量装置，其特征在于：所述电流采集模块包括电流传感器和控制器，所述电流传感器与电机的定子电流输出端相连，且所述电流传感器与所述控制器相连，所述控制器根据设定采样周期控制所述电流传感器间隔的采集电机的定子相电流值。
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