CN105953944A - 电动机的转子温度的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机的转子温度的估计方法，所述估计方法包括以下步骤：依据电动机运行状态参数分别通过转子损耗模型及定子绕组损耗模型计算所述电动机的转子损耗及定子绕组损耗；依据所述电动机的转子损耗、定子绕组损耗及定子铁心温度，通过热模型估算所述电动机的转子温度。本发明通过建立定子铁心、定子绕组及转子之间的热模型估计转子温度，该估计方法的估计结果更加精确可靠，且不受电动机意外情况的影响，性能更加温度。

Description

电动机的转子温度的估计方法

技术领域

本发明涉及电动机的转子温度的估计方法，特别是涉及一种基于热模型对电动机的转子温度进行估计的方法。

背景技术

在现有技术中，电动机包括定子和转子，定子是指电动机中的固定部分，包括支持电流线圈的铁心和铁心安装的框架；转子是电动机中的可旋转部分，包括永磁体和铁心。由于永磁体位于转子的内部，难以安装配置用于检测永磁体的温度传感器，因此，估计转子温度的方法被业内广泛提出。

专利201410478933.1提供了一种估计电动机的转子温度的系统和方法。该方法基于实际测量数据的热模型和能量损耗模型计算转子的温度变化，并且使用计算出的转子的温度变化估计转子的温度。该方法包括由控制器使用电动机的驱动条件计算电动机的能量损耗。控制器还配置成使用计算出的能量损耗及电动机的转子和定子的热阻，在预定参考温度下计算转子的温度变化。进一步地，控制器配置成使用转子的温度变化，在预定参考温度下估计转子温度。

专利201210214622.5提供了一种用于估计电动车辆中的电动机的转子温度估计方法。该方法包括使用快速模式转子温度估算器估计电动机转子温度，然后在时间间隔后停用快速模式转子温度估算器并且启用控制器中的正常模式转子温度估算器。该系统包括电动机，转子温度估算器以电动机的控制器。

然而，上述转子温度估计方法并没有考虑电动机实际运行过程中的某些因素的影响，估计结果不够精确，且上述转子温度估计方法在电动机遇到意外情况时，容易受到意外情况的影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种电动机的转子温度的估计方法，用于解决现有技术中的转子温度估计方法存在的估计结果不够精确，容易受到电动机意外情况的影响的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电动机的转子温度的估计方法，所述估计方法包括以下步骤：

依据电动机运行状态参数分别通过转子损耗模型及定子绕组损耗模型计算所述电动机的转子损耗及定子绕组损耗；

依据所述电动机的转子损耗、定子绕组损耗及定子铁心温度，通过热模型估算所述电动机的转子温度。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述电动机运行状态参数包括：电动机转速、定子绕组三相电流及定子绕组温度。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述定子绕组温度通过安装于定子绕组处的第一温度传感器检测获得。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，依据所述电动机转速及所述定子绕组三相电流，通过所述转子损耗模型计算所述电动机的转子损耗；依据所述绕组三相电流及所述定子绕组温度，通过所述定子绕组损耗模型计算所述电动机的定子绕组损耗。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述转子损耗模型用以下公式表示：

$\frac{P_r}{P_{r,ref}}={\left(\frac{n}{n_{rated}}\right)}^a{\left(\frac{I}{I_{rated}}\right)}^b$

其中，P_r为电动机在转速n和绕组电流有效值为I的条件下的转子损耗，P_r,ref为电动机在额定转速n_rated和额定电流I_rated条件下的转子损耗，a、b为拟合参数。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述定子绕组损耗模型用以下公式表示：

R_s＝R_s,20(1+α₂₀(T_s-20℃))

其中，R_s为定子绕组温度为Ts时的定子绕组电阻，R_s,20为定子绕组温度为20℃时的定子绕组电阻，α₂₀为拟合系数。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述定子铁心温度通过安装于定子铁心轭部的第二温度传感器检测获得，所述第二温度传感器分别位于所述定子铁心轭部靠近定子铁心齿部及靠近定子铁心齿槽端部的位置。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述热模型用以下公式表示：

${\mathrm{\ΔT}}^2=\frac{1}{t_{max}}{\∫}_0^{t_{\max }}({\left(T_r^e-T_r^m\right)}^2+{\left(T_s^e-T_s^m\right)}^2)dt$

其中，t_max为电动机运行的最大时间，为热模型计算得到的转子温度，为检测得到 的转子温度，为热模型计算得到的定子绕组温度，为检测得到的定子绕组温度；及 为热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc的函数。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述转子温度通过位于所述转子处的第三温度传感器检测获得。

作为本发明的电动机的转子温度的估计方法的一种优选方案，所述电动机为车用永磁同步电动机。

如上所述，本发明的电动机的转子温度的估计方法，具有以下有益效果：本发明通过建立定子铁心、定子绕组及转子之间的热模型估计转子温度，该估计方法的估计结果更加精确可靠，且不受电动机意外情况的影响，性能更加温度。

附图说明

图1显示为本发明的电动机的转子温度的估计方法的流程图。

图2显示为本发明的电动机的转子温度的估计方法的逻辑结构示意图。

图3显示为本发明的电动机的转子温度的估计方法中的电动机的结构示意图。

图4显示为本发明的电动机的转子温度的估计方法中使用的包括电动机的定子铁心、定子绕组及转子的热模型的示意图。

图5显示为本发明的电动机的转子温度的估计方法中通过实现测定热模型参数过程中所用的电动机转速随时间的变化关系图。

图6显示为本发明的电动机的转子温度的估计方法中通过实现测定热模型参数过程中所用的输入功率随时间的变化关系图。

元件标号说明

10 永磁体

111 定子铁心

112 定子绕组

113 定子轭部

12 第一温度传感器

13 第二温度传感器

14 转子损耗模型

15 定子绕组损耗模型

16 热模型

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1及图2，本发明提供一种电动机的转子温度的估计方法，所述估计方法包括以下步骤：

S1：依据电动机运行状态参数分别通过转子损耗模型及定子绕组损耗模型计算所述电动机的转子损耗及定子绕组损耗；

S2：依据所述电动机的转子损耗、定子绕组损耗及定子铁心温度，通过热模型估算所述电动机的转子温度。

执行步骤S1，请参阅图1中的S1步骤及图2至图3，依据电动机运行状态参数分别通过转子损耗模型14及定子绕组损耗模型15计算所述电动机的转子损耗及定子绕组损耗。

作为示例，所述电动机运行状态参数包括：电动机转速、定子绕组三相电流及定子绕组温度。

作为示例，所述电动机可以为但不仅限于车用永磁同步电动机，优选地，本实施例中，所述电动机为新能源汽车驱动系统的内置式永磁同步电动机，如图3所示，所述电动机的定子绕组112处安装有第一温度传感器12，所述定子绕组温度通过安装于定子绕组112处的所述第一温度传感器12检测获得。

作为示例，依据所述电动机转速及所述定子绕组三相电流，通过所述转子损耗模型14计算所述电动机的转子损耗；依据所述绕组三相电流及所述定子绕组温度，通过所述定子绕组损耗模型15计算所述电动机的定子绕组损耗。

作为示例，所述转子损耗由转子铁心损耗和永磁体10损耗组成，可以通过有限元仿真方法获得新能源汽车运行工况下的转子损耗数据，通过工程拟合方式构建所述转子损耗模型14。由于电动机的转子损耗可通过有限元仿真分析得到，根据得到的数据，按照如下公式(1)进 行拟合，得到拟合参数a和b，

$\frac{P_r}{P_{r,ref}}={\left(\frac{n}{n_{rated}}\right)}^a{\left(\frac{I}{I_{rated}}\right)}^b---\left(1\right)$

其中，P_r为电动机在转速n和绕组电流有效值为I的条件下由有限元仿真分析获得的转子损耗(以功率的形式表示)，P_r,ref为电动机在额定转速n_rated和额定电流I_rated条件下的转子损耗，a、b为拟合参数。根据公式(1)可拟合得到拟合参数a和b，从而得到转子损耗。

作为示例，定子绕组损耗可以通过定子绕组112的电流与定子绕组112的电阻计算获得，定子绕组112的电阻可变，可通过定子绕组112的温度计算获得。由于定子绕组112的电阻损耗为定子绕组发热所示，且定子绕组112的电阻受温度影响较大，在此不可忽略不计，定子绕组的112的电阻随温度的变化关系近似为线性，由如下公式(2)表示：

R_s＝R_s,20(1+α₂₀(T_s-20℃)) (2)

其中，R_s为定子绕组温度为Ts时的定子绕组电阻，R_s,20为定子绕组温度为20℃时的定子绕组电阻_，α₂₀为拟合系数，T_s为所述第一温度传感器12检测获得的所述定子绕组112的温度。α₂₀的值可通过实验方法测定不同温度下的所述定子绕组112的电阻值进行线性拟合而获得。通过公式(2)，即建立的定子绕组损耗模型15,便可在线估计定子绕组损耗。

作为示例，请继续参阅图3，所述定子轭部113上安装有第二温度传感器13，所述第二温度传感器13的数量可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述第二温度传感器13的数量为两个，两个所述第二温度传感器13分别位于所述定子轭部113靠近定子铁心111齿部及靠近定子铁心111齿槽端部的位置；所述定子铁心111的温度通过所述第二温度传感器13检测获得，所述定子铁心111的温度为两个所述第二温度传感器13检测的温度的平均值。

作为示例，请参阅图4，所述热模型16中包括热电容参数C_r、C_s、热电阻参数R_rc、R_sc、转子损耗P_r、定子绕组损耗P_s、转子温度T_r、定子绕组温度T_s及定子铁心温度T_c。

作为示例，所述热模型16中的热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc由实验方法事先获得。该通过实验获得热容热阻参数的方法与传统的方法不同，是电动机运行时对转子、定子铁心111及定子绕组112的温度进行检测，与通过所述热模型16方法进行匹配，由结果推导出最优的热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc。该方法与传统方法相比，考虑了电动机实际运行过程中的某些因素的影响，如热电阻参数R_rc中考虑了电动机转子与电动机定子间相对转动时造成的空气流动对热阻参数的影响，此方法更加简单有效，所建立的热模型16能真实反映实际温度场中各部件的温度变化情况。

作为示例，为了对热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc进行测定实验，需在现有技术中的电动机的基础上对所用电动机进行部分改造，在转子上不同位置加装第三温度传感器(未示出)，所述第三温度传感器的数量可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述第三温度传感器的数量为五个；所述第三温度传感器的接线通过内部小的中空轴引出至端面发射器，通过红外线接口与固定于壳体上的接收器进行数据传输。所述转子温度通过所述第三温度传感器检测获得，且所述转子温度为五个所述第三温度传感器检测的温度的平均值。

作为示例，进行实验测定所述热模型16的参数时，所述电动机按照如图5和图6所示的指令转速和输入功率进行实验数据采集。并按照如下公式(3)使用优化软件进行分析，获得热容热阻参数。

${\mathrm{\ΔT}}^2=\frac{1}{t_{max}}{\∫}_0^{t_{\max }}max({\left(T_r^e-T_r^m\right)}^2+{\left(T_s^e-T_s^m\right)}^2)dt---\left(3\right)$

其中，t_max为电动机运行的最大时间，为热模型计算得到的转子温度，为所述第三温度传感器检测得到的转子温度，为热模型计算得到的定子绕组温度，为所述第一温度传感器12检测得到的定子绕组温度；及为热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc的函数。根据函数优化，使该表达式的值取最小值，便可获取热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc。

需要说明的是，所述热模型16中的热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc为通过实验方法离线获得，同型号电动机无需重复实验测定。

综上所述，本发明提供一种电动机的转子温度的估计方法，所述估计方法包括以下步骤：依据电动机运行状态参数分别通过转子损耗模型及定子绕组损耗模型计算所述电动机的转子损耗及定子绕组损耗；依据所述电动机的转子损耗、定子绕组损耗及定子铁心温度，通过热模型估算所述电动机的转子温度。本发明通过建立定子铁心、定子绕组及转子之间的热模型估计转子温度，该估计方法的估计结果更加精确可靠，且不受电动机意外情况的影响，性能 更加温度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电动机的转子温度的估计方法，其特征在于，所述估计方法包括以下步骤：

依据电动机运行状态参数分别通过转子损耗模型及定子绕组损耗模型计算所述电动机的转子损耗及定子绕组损耗；

依据所述电动机的转子损耗、定子绕组损耗及定子铁心温度，通过热模型估算所述电动机的转子温度。

2.根据权利要求1所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述电动机运行状态参数包括：电动机转速、定子绕组三相电流及定子绕组温度。

3.根据权利要求2所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述定子绕组温度通过安装于定子绕组处的第一温度传感器检测获得。

4.根据权利要求2所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：依据所述电动机转速及所述定子绕组三相电流，通过所述转子损耗模型计算所述电动机的转子损耗；依据所述绕组三相电流及所述定子绕组温度，通过所述定子绕组损耗模型计算所述电动机的定子绕组损耗。

5.根据权利要求4所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述转子损耗模型用以下公式表示：

其中，P_r为电动机在转速n和绕组电流有效值为I的条件下的转子损耗，P_r,ref为电动机在额定转速n_rated和额定电流I_rated条件下的转子损耗，a、b为拟合参数。

6.根据权利要求4所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述定子绕组损耗模型用以下公式表示：

R_s＝R_s,20(1+α₂₀(T_s-20℃))

其中，R_s为定子绕组温度为Ts时的定子绕组电阻，R_s,20为定子绕组温度为20℃时的定子绕组电阻，α₂₀为拟合系数。

7.根据权利要求1所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述定子铁心温度通过安装于定子铁心轭部的第二温度传感器检测获得，所述第二温度传感器分别位于所述定子铁心轭部靠近定子铁心齿部及靠近定子铁心齿槽端部的位置。

8.根据权利要求1所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述热模型用以下公式表示：

其中，t_max为电动机运行的最大时间，为热模型计算得到的转子温度，为检测得到的转子温度，为热模型计算得到的定子绕组温度，为检测得到的定子绕组温度； 及为热电容参数C_r、C_s及热电阻参数R_rc、R_sc的函数。

9.根据权利要求8所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述转子温度通过位于所述转子处的第三温度传感器检测获得。

10.根据权利要求1所述的电动机的转子温度的估计方法，其特征在于：所述电动机为车用永磁同步电动机。