CN104913861A - 电动机的转子的温度检测装置和过热保护装置 - Google Patents

Abstract

提供电动机的转子的温度检测装置和过热保护装置。本发明的电动机的转子的温度检测装置的特征在于，具有：输出计算部，其计算电动机的输出；转速检测部，其检测电动机的转速；存储部，其存储依赖于转速的系数；以及转子温度估计部，其使用输出和系数来估计电动机的转子的温度。

Description

电动机的转子的温度检测装置和过热保护装置

技术领域

本发明涉及一种电动机的转子的温度检测装置和电动机的过热保护装置，特别是涉及一种根据电动机的转速来准确地检测转子的温度的电动机的转子的温度检测装置和电动机的过热保护装置。

背景技术

电动机由转子和定子构成。在电动机的转子变为高温的情况下，热传递到被驱动体，担心产生被驱动体的热膨胀等各种不良影响。另外，在使用永磁体的转子中，存在由于变为高温而永磁体退磁的担忧。因而，在电动机的控制装置中寻求防止转子过热的功能。

在此，作为防止电动机的转子过热的方法，已知根据电动机的转速和电流来估计电动机的转子温度这样的方法(例如日本专利第5149431号公报(JP5149431B)。以下称为“专利文献1”)。该发明的温度估计方法大致分为以下两种。

(i)估计铁损，使用铁损来估计转子的温度。

(ii)除了铁损以外，还考虑来自定子的传热来估计转子的温度。

在此说明(ii)，如下那样规定温度估计式。

$T_r(t+\mathrm{\Δt})=T_r\left(t\right)+\frac{p\left(t\right)+k_1(T_c\left(t\right)-T_r\left(t\right))-k_2(T_r\left(t\right)-T_s)}{C}\mathrm{\Δt}$

其中，

t、Δt、t+Δt：对电动机施加交流电流的时间

T_r(t)：时间t时的转子的温度

T_r(t+Δt)：时间(t+Δt)时的转子的温度

T_c(t)：时间t时的绕组的温度

p(t)：时间t时的铁损

T_S：电动机的周围温度

k₁、k₂、C：根据电动机的形状、材质以及定子的冷却条件而决定的常数

存在以下问题：如上述的式那样式本身复杂，因此难以决定式内的各系数，而且还难以确认该各系数的妥当性。

另外，说明(i)，如下那样规定温度估计式。

$T_r(t+\mathrm{\Δt})=T_r\left(t\right)+\frac{p\left(t\right)-k(T_r\left(t\right)-T_s)}{C}\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$

其中，

t、Δt、t+Δt：对电动机施加交流电流的时间

T_r(t)：时间t时的转子的温度

T_r(t+Δt)：时间(t+Δt)时的转子的温度

p(t)：时间t时的铁损

T_S：电动机的周围温度

k、C：根据电动机的形状、材质以及定子的冷却条件而决定的常数

与(ii)相比(i)易于决定系数及确认妥当性，但是未考虑来自定子的传热，因此存在估计精度低于(ii)的问题。

说明(i)的方法的估计精度降低的理由。以使涡流最小的方式流通D相电流，且视为磁滞损耗足够小，由此能够简化铁损的估计式。具体地说，在下述所示的以往技术(参照专利文献1)中的铁损估计式中，

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

通过设为I_d＝-c、e＝0、f＝0，来如下那样求出铁损估计式。

p＝a|I_q|^αω²

另外，指数α可以根据经验而设为2，并且Q相电流I_q与转矩成正比例关系，转矩与转速相乘来能够得到电动机的输出，若将这些情况加以考虑，则也能够如下那样表示简化后的铁损。

p＝kP²          (2)

其中，

P：电动机的输出

k：比例系数

至此，考虑以下方法：监视电动机的输出(或者Q相电流×转速)，逐次估计转子的温度。

但是，在定子为高温而从定子向转子的传热大的情况下，仅利用电动机的输出来进行转子的温度估计时，可以说与上述(ii)相比估计精度低。

以具体例来表示上述的问题点。设适当地流通D相电流，将转速为ω、转矩为2T的情况与转速为2ω、转矩为T的情况进行比较。两种情况下输出均为2Tω，估计出的铁损相同。但是，在转速ω的情况下，产生了与转速2ω的情况相比2倍的转矩，因此会有2倍的Q相电流流动。因而，若按定子的铜损来考虑，则转速为ω时的铜损大于转速为2ω时的铜损，定子(绕组温度)变为高温，从定子向转子(旋转件)的传热也变大。因此可以说，在相同的输出、相同的铁损的条件下，尽管转子的估计温度相同，但实际上越是低速时则转子温度越高。

更具体地说明电动机的转速为低速的情况和电动机的转速为高速的情况下的转子的估计温度与实际温度之间的关系。图1A和图1B分别是将电动机的转速为低速的情况和电动机的转速为高速的情况下的转子的估计温度与实际温度进行比较的图表。如图1A所示，在电动机的转速为低速的情况下，认为转子的实际温度高于估计温度。另一方面，如图1B所示，在电动机的转速为高速的情况下，认为转子的实际温度低于估计温度。这样，可以说，尽管转子的估计温度相同，但实际上，电动机的转速越低则转子温度越高。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种容易地决定用于计算转子的估计温度的系数并且提高温度估计的精度的电动机的转子的温度检测装置和电动机的过热保护装置。

本发明的一个实施例所涉及的电动机的转子的温度检测装置的特征在于，具有：输出计算部，其计算电动机的输出；转速检测部，其检测电动机的转速；存储部，其存储依赖于转速的系数；以及转子温度估计部，其使用输出和系数来估计电动机的转子的温度。

本发明的其它实施例所涉及的电动机的过热保护装置的特征在于，具有：输出计算部，其计算电动机的输出；转速检测部，其检测电动机的转速；存储部，其存储依赖于转速的系数；转子温度估计部，其使用输出和系数来估计电动机的转子的温度；以及过热判断部，其使用由转子温度估计部估计出的转子温度来判断电动机是否处于过热状态。

本发明的另一实施例所涉及的电动机的过热保护装置的特征在于，具有：电流检测部，其检测被提供至电动机的电流的电流值；转速检测部，其检测电动机的转速；存储部，其存储依赖于转速的系数；转子温度估计部，其使用电流值、转速以及系数来估计电动机的转子的温度；以及过热判断部，其使用由转子温度估计部估计出的转子温度来判断电动机是否处于过热状态，其中，在转速为规定的阈值以下的情况下，过热判断部基于将转速视为与该阈值相等的转速而估计出的转子的温度，来判断是否处于过热状态。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下实施方式的说明会变得更进一步明确。在该附图中，

图1A是将电动机的转速为低速的情况下的转子的估计温度与实际温度进行比较的图表，

图1B是将电动机的转速为高速的情况下的转子的估计温度与实际温度进行比较的图表，

图2是包括本发明的实施例1所涉及的温度检测装置的电动机驱动系统的框图，

图3是表示以maxφ(ω)对速度依赖系数φ(ω)进行标准化后得到的值φ(ω)/maxφ(ω)的转速依赖性的图表，

图4是用于说明本发明的实施例1所涉及的温度检测装置的动作过程的流程图，

图5是包括本发明的实施例2所涉及的过热保护装置的电动机驱动系统的框图，

图6是用于说明本发明的实施例2所涉及的过热保护装置的动作过程的流程图，

图7是包括本发明的实施例3所涉及的过热保护装置的电动机驱动系统的框图，以及

图8是用于说明本发明的实施例3所涉及的过热保护装置的动作过程的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明所涉及的电动机的转子的温度检测装置和电动机的过热保护装置。其中，需要注意的是，本发明的保护范围并不限定于这些实施方式，而涵盖权利要求书所记载的发明及其等同发明。

[实施例1]

使用附图来说明本发明的实施例1所涉及的温度检测装置。图2是包括本发明的实施例1所涉及的温度检测装置的电动机驱动系统的框图。本发明的实施例1所涉及的温度检测装置10的特征在于，具有：输出计算部11，其计算电动机5的输出；转速检测部12，其检测电动机5的转速；存储部14，其存储依赖于转速的系数；以及转子温度估计部13，其使用电动机的输出和系数来估计电动机5的转子52的温度。

图2所示的电动机驱动系统具有交流电源1、转换器2、平滑电容器3、逆变器4、电动机5以及温度检测装置10。

转换器2将从交流电源1输入的交流电压转换为直流电压后输出。所输出的直流电压被平滑电容器3平滑化后被输入到逆变器4。逆变器4将所输入的直流电压转换为交流电压，并经由电阻r_u，r_v，r_w提供至电动机5。电动机5利用从逆变器4提供的电力来驱动被驱动体6。

电动机5具有定子53和以旋转轴51为中心进行旋转的转子52。转子52中设置有永磁体54a、54b、54c、54d。另一方面，定子53中设置有绕组55u、55v、55w。通过因流过绕组55u、55v、55w的电流而产生的磁场与由永磁体54a、54b、54c、54d产生的磁场之间的相互作用，转子52进行旋转。

能够由配置于电动机5的编码器7来检测转子52的转速。

温度检测装置10具有输出计算部11、转速检测部12、存储部14以及转子温度估计部13。

输出计算部11检测从逆变器4提供至电动机5的u相电流I_u、v相电流I_v以及w相电流I_w，基于检测出的I_u、I_v以及I_w来计算电动机的输出。或者，在转子和被驱动体的惯性矩已知的情况下，能够使惯性矩乘以转速、角加速度来计算电动机的输出。转速能够通过后述的转速检测部12来得到。角加速度能够根据转速的时间变化来得到。

转速检测部12接收来自编码器7的信号，根据接收到的信号来检测转子52的转速。

存储部14存储依赖于转速的系数。在此，存储部14以表示转速与系数之间的对应关系的表的形式来存储系数。但是不限于此，也可以存储表示转速与系数之间的对应关系的关系式。

转子温度估计部13使用电动机5的输出和存储部14中存储的系数来估计电动机5的转子52的温度。下面详细说明转子的温度估计方法。

在本发明的实施例1中，使用使电动机的输出(或Q相电流×转速)的平方乘以依赖于转速的系数所得的值来估计转子的温度。即，改写铁损估计式，使用以下的式子来计算转子中产生的热或传到转子的热。

W＝P²φ(ω)

其中，

W：转子中产生的热或传到转子的热

P：电动机的输出

φ(ω)：速度依赖系数(越是低速时则越大)

除了上述的热的估计式的决定方法以外，温度估计方法可以与以往相同。例如，只要将上述式(1)的温度估计式的铁损部分p(t)置换为上式的W即可。

$T_r(t+\mathrm{\Δt})=T_r\left(t\right)+\frac{W-k(T_r\left(t\right)-T_s)}{C}\mathrm{\Δt}$

其中，

t、Δt、t+Δt：对电动机施加交流电流的时间

T_r(t)：时间t时的转子的温度

T_r(t+Δt)：时间t+Δt时的转子的温度

W：转子中产生的热或传到转子的热

T_S：电动机的周围温度

k、C：根据电动机的形状、材质以及定子的冷却条件而决定的常数

与仅将铁损作为发热源的以往的式(1)相比，解决了作为以往的问题点的“尽管转子的估计温度相同，但实际上越是低速时则转子温度越高”这点。即，尽管电动机的输出相同，但转子的估计温度不会相同，能够估计为电动机的转速越低则转子温度越高。

接着，详细说明速度依赖系数的决定方法。除了速度依赖系数φ(ω)的决定方法以外，与以往技术(参照专利文献1)相同，因此省略详细的说明。下面举例说明速度依赖系数φ(ω)的决定方法。

首先，预先安装直接检测转子的温度的元件等。期望的是，以无线方式发送所检测出的值，使得即使在转子高速旋转的情况下也能够获得检测值。该元件仅使用在用于决定速度依赖系数φ(ω)的试验用电动机中。即，在决定了速度依赖系数以后，不需要对转子设置直接检测温度的元件。

测量在转速一定、输出一定时的转子的饱和温度。一边改变转速一边重复该测量。

根据转速与转子的温度上升之间的关系来决定速度依赖系数φ(ω)的变化的程度。例如，若将转速500[min^-1]时的φ(ω)设为最大(maxφ(ω))、且认为φ(ω)与温度上升成正比，则在温度上升为下表的情况下，φ(ω)/maxφ(ω)相对于转速如图3那样变化。

<具体例>  50[kw]  室温20[℃]

转速	转子饱和温度	转子温度上升
			500[min-1]	80[℃]	60[℃]
1000[min-1]	60[℃]	40[℃]
			2000[min-1]	50[℃]	30[℃]

变化的程度可以如上所述那样决定，但是对于绝对值，需要一边改变输出一边代入到下述的式来决定、或进行有限元法分析等。

$T_r(t+\mathrm{\&Delta;t})=T_r\left(t\right)+\frac{W-k(T_r\left(t\right)-T_s)}{C}\mathrm{\&Delta;t}$

这等同于与上述的简化后的铁损的式(2)同样地在下述的式中决定系数a，因此并不困难。

p＝aP²

作为转速检测方法能够采用各种方法，例如能够通过对角度检测器的检测值进行时间微分来求出转速。但是，如果是同步电动机则电流频率与转速成正比例关系，因此也能够采用将电流进行监视来换算成转速的方法。即，不一定需要角度检测器。

接着，使用图4所示的流程图来说明本发明的实施例1所涉及的温度检测装置的动作过程。首先，在步骤S101中，输出计算部11计算电动机5的输出。在本实施例中示出了基于提供至电动机的电流来计算电动机的输出的例子，但是不限于此，也可以利用其它方法来计算电动机的输出。

接着，在步骤S102中，转速检测部12基于来自编码器7的信号来检测电动机5的转速。

接着，在步骤S103中，准备依赖于转速的系数。这是通过以下方式进行的：由转子温度估计部13从存储部14读出存储部14中存储的依赖于转速的系数。在此，存储部14以表示转速与系数之间的对应关系的表的形式来存储系数。但是不限于此，也可以存储表示转速与系数之间的对应关系的关系式。

接着，在步骤S104中，转子温度估计部13使用计算出的电动机5的输出和存储部14中存储的依赖于转速的系数来估计电动机5的转子52的温度。转子的温度的估计方法如上所述。

接着，在步骤S105中，将转子温度估计部13估计出的转子的估计温度显示在设置于温度检测装置10的显示元件或设置于温度检测装置10的外部的显示元件(未图示)上。

通过使用实施例1的温度检测装置，能够容易地决定系数并消除作为以往的问题点的“尽管转子的估计温度相同，但实际上越是低速时则转子温度越高”这个问题。

[实施例2]

接着，说明本发明的实施例2所涉及的过热保护装置。图5中示出了包括本发明的实施例2所涉及的电动机的过热保护装置的电动机驱动系统的框图。本发明的实施例2所涉及的电动机的过热保护装置20的特征在于，具有：输出计算部11，其计算电动机5的输出；转速检测部12，其检测电动机5的转速；存储部14，其存储依赖于转速的系数；转子温度估计部13，其使用电动机5的输出和系数来估计电动机5的转子52的温度；以及过热判断部15，其使用由转子温度估计部13估计出的转子温度来判断电动机5是否处于过热状态。电动机驱动系统的其它结构与在实施例1的说明中叙述的结构相同，因此省略详细的说明。

过热判断部15也可以在判断为电动机是过热状态的情况下发出警告。例如，能够在设置于过热保护装置20的外部的显示部(未图示)上显示警告。由此，用户能够判断出电动机是过热状态。

接着，使用图6所示的流程图来说明本发明的实施例2所涉及的过热保护装置的动作过程。首先，在步骤S201中，输出计算部11计算电动机5的输出。电动机的输出的计算方法与实施例1的情况相同。

接着，在步骤S202中，转速检测部12基于来自编码器7的信号来检测电动机5的转速。

接着，在步骤S203中，准备依赖于转速的系数。这是通过以下方式进行的：由转子温度估计部13从存储部14读出存储部14中存储的依赖于转速的系数。在此，存储部14以表示转速与系数之间的对应关系的表的形式来存储系数。但是不限于此，也可以存储表示转速与系数之间的对应关系的关系式。

接着，在步骤S204中，转子温度估计部13使用计算出的电动机5的输出和存储部14中存储的依赖于转速的系数来估计电动机5的转子52的温度。转子的温度的估计方法如上所述。

接着，在步骤S205中，过热判断部15判断转子温度估计部13估计出的转子估计温度是否为规定的阈值温度以上。该规定的阈值温度也存储在存储部14中，过热判断部15能够从存储部14取出该规定的阈值温度。

在过热判断部15判断为转子估计温度为阈值温度以上的情况下，在步骤S206中，判断为电动机5是过热状态并结束处理。

另一方面，在过热判断部15判断为转子估计温度小于阈值温度的情况下，在步骤S207中，判断为电动机5不是过热状态，返回到步骤S201，重复进行转子的温度的估计处理。

如上所述，根据实施例2所涉及的过热保护装置，具备基于转子估计温度来判断转子是否处于过热状态的过热判断部，因此能够准确地掌握转子的过热状态，从而能够防止因过热导致的转子损伤等。

[实施例3]

接着，说明本发明的实施例3所涉及的过热保护装置。图7中示出了包括本发明的实施例3所涉及的电动机的过热保护装置的电动机驱动系统的框图。本发明的实施例3所涉及的电动机的过热保护装置21的特征在于，具有：电流检测部16，其检测被提供至电动机5的电流的电流值；转速检测部12，其检测电动机5的转速；存储部14，其存储依赖于转速的系数；转子温度估计部13，其使用电流值、转速以及系数来估计电动机的转子的温度；以及过热判断部15，其使用由转子温度估计部13估计出的转子温度来判断电动机是否处于过热状态，其中，在转速为规定的阈值以下的情况下，过热判断部15基于将转速视为与该阈值相等的转速而估计出的转子的温度，来判断是否处于过热状态。

一般已知如下的电动机：与转子分开地，监视电流来估计绕组温度，以保护绕组。当除了利用上述手段来估计绕组温度以外还估计转子温度时，估计项目变为两个，导致逐次计算的量增加。在电动机的控制复杂化的状况下，期望的是削减计算量，因此实施例3所涉及的过热保护装置的特征在于，使温度估计项目为一个项目，保护绕组、转子这双方。

在本实施例中采用监视电流的方法，因此能够使用转矩常数×Q相电流×转速来代替电动机的输出。即，以下面的式子给出热的估计式。

W＝(K_tI_qω)²φ(ω)

其中，

K_t：转矩常数

I_q：Q相电流

ω：转速

在电动机的转速为高速的情况下，通过使用W＝(K_tI_qω)²φ(ω)的转子的保护，流过定子的电流被限制，因此可认为定子的绕组为过热状态的情况少。

但是，在电动机的转速为低速的情况下，例如在ω足够小时，即使在I_q、φ(ω)大的情况下W也小，因此无法基于W的值来发出警告，从而无法进行绕组的过热保护。

因此，对转速设置阈值，在速度为阈值以下的情况下将ω替换为固定值来发出警告。由此，通过适当地提供φ(ω)，在I_q大的情况下W上升，能够发出警告来对绕组进行过热保护。

接着具体进行说明。例如，将转速的阈值设为100[min^-1]。另外，为了简便，在φ(ω)为阈值以下时将φ(ω)固定为1。

在实施例1的方法中，在转速为20[min^-1]且转矩为100[Nm]的情况以及转速为100[min^-1]且转矩为20[Nm]的情况下，热的估计结果相同。但是，在低速的情况下，虽然能够忽视铁损，但是由于流过绕组的电流与转矩成正比，为5:1，因此绕组的发热量为25:1，上述的估计结果是不妥当的。

因此，即使是阈值以下的转速20[min^-1]，在估计热时也替换成作为阈值的转速100[min^-1]，由此，在转速为20[min^-1]且转矩为100[Nm]的情况以及转速为100[min^-1]且转矩为20[Nm]的情况下，尽管实际输出相同，但判断为输出为5:1，热的估计结果变为25:1，从而消除了上述问题。

接着，使用图8所示的流程图来说明本发明的实施例3所涉及的过热保护装置的动作过程。首先，在步骤S301中，电流检测部16检测被提供至电动机5的电流的电流值。

接着，在步骤S302中，转速检测部12基于来自编码器7的信号来检测电动机5的转速。

接着，在步骤S303中，准备依赖于转速的系数。这是通过以下方式进行的：由转子温度估计部13从存储部14读出存储部14中存储的依赖于转速的系数。在此，存储部14以表示转速与系数之间的对应关系的表的形式来存储系数。但是不限于此，也可以存储表示转速与系数之间的对应关系的关系式。

接着，在骤S304中，转子温度估计部13使用检测出的电动机5的电流值、检测出的电动机5的转速以及存储部14中存储的依赖于转速的系数来估计电动机5的转子52的温度。

接着，在步骤S305中，在转速为规定的阈值以下的情况下，过热判断部15将转速视为与阈值相等。该判断方法如上所述。

接着，在步骤S306中，过热判断部15判断转子温度估计部13估计出的转子估计温度是否为规定的阈值温度以上。该规定的阈值温度也存储在存储部14中，过热判断部15能够从存储部14取出该规定的阈值温度。

这样，在步骤S305～306中，在转速为规定的阈值以下的情况下，过热判断部15基于将转速视为与该阈值相等而估计出的转子的温度，来判断是否处于过热状态。

在过热判断部15判断为转子估计温度为阈值温度以上的情况下，在步骤S307中，判断为电动机5是过热状态并结束处理。

另一方面，在过热判断部15判断为转子估计温度小于阈值温度的情况下，在步骤S308中，判断为电动机5不是过热状态，返回到步骤S301，重复进行转子的温度的估计处理。

也可以在判断为转子处于过热状态的情况下发出警告。另外，也可以将转子处于过热状态的情况显示在设置于过热保护装置的外部的显示部(未图示)上。

如上所述，根据实施例3所涉及的过热保护装置，即使在转子的转速为规定的阈值以下的情况下也能够准确地计算转子的估计温度，从而能够根据检测出的电流来准确地判断出转子是否处于过热状态。

根据本发明，能够提供一种容易地决定用于计算转子的估计温度的系数并且提高温度估计的精度的电动机的转子的温度检测装置和电动机的过热保护装置。

Claims (3)

1.一种电动机的转子的温度检测装置，其特征在于，具有：

输出计算部，其计算电动机的输出；

转速检测部，其检测上述电动机的转速；

存储部，其存储依赖于上述转速的系数；以及

转子温度估计部，其使用上述输出和上述系数来估计上述电动机的转子的温度。

2.一种电动机的过热保护装置，其特征在于，具有：

输出计算部，其计算电动机的输出；

转速检测部，其检测上述电动机的转速；

存储部，其存储依赖于上述转速的系数；

转子温度估计部，其使用上述输出和上述系数来估计上述电动机的转子的温度；以及

过热判断部，其使用由上述转子温度估计部估计出的转子温度来判断电动机是否处于过热状态。

3.一种电动机的过热保护装置，其特征在于，具有：

电流检测部，其检测被提供至电动机的电流的电流值；

转速检测部，其检测上述电动机的转速；

存储部，其存储依赖于上述转速的系数；

转子温度估计部，其使用上述电流值、上述转速以及上述系数来估计上述电动机的转子的温度；以及

过热判断部，其使用由上述转子温度估计部估计出的转子温度来判断电动机是否处于过热状态，

其中，在上述转速为规定的阈值以下的情况下，上述过热判断部基于将上述转速视为与该阈值相等的转速而估计出的转子的温度，来判断是否处于过热状态。