CN106258002A - 用于测量配备有角位置传感器的同步机中的永磁体老化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量包括定子(2)和转子(3)的多相同步机(1)中的永磁体(4)老化的方法，所述同步机(1)配备有至少一个转子(3)的角位置传感器(1a)，所述转子(3)包括用于令所述转子绕所述定子(2)运动的永磁体，所述角位置传感器(1a)包括至少两个固定的磁感应测量传感器(6)，其向所述转子(3)的与永磁体(4)的轴向边缘(4a)相对并紧邻的轴端(3a)延伸，其特征在于，所述方法包括：j1)在所述同步机(1)停止或有负载或无负载转动阶段期间时，使用所述电子单元和所述磁感应测量传感器(6)来测量磁感应的最大值；j2)将测得的所述最大磁感应值与参照值相比较；和j3)若所述最大磁感应值小于所述参照值且具有相对于所述参照值而确定的偏移，则使用所述电子单元产生警告信息S，若否，则返回步骤j1)。

Description

用于测量配备有角位置传感器的同步机中的永磁体老化的方法

技术领域

本发明涉及角位置传感器的一般技术领域和包括永磁体的同步机的一般技术领域，以及一种该类型的位置传感器。

更具体地说，本发明涉及一种使用正弦、梯形或其他电动势的同步机，包括用于控制所述机器的电力供应的位置传感器。本质上，本发明适用于以多相交流电压供电的同步机的领域。

背景技术

下文将更详细地描述本发明，但采用的是非限制的方式，以使用永磁体来产生磁感应的装置为例。

采用永磁体的同步机包括缠绕定子和支承永磁体的转子。这种类型的机器通过电功率装置来供电和驱动。

采用永磁体和正弦电动势的同步机可以由矢量控制系统进行控制。这种类型的控制是已知的，能够获得高性能，即高精度和高动态转矩。此性能是必要的，特别是对于牵引马达而言。

但是，允许获得高性能的控制系统，需要实时地精确获知转子的角位置。通常，通过包括特别是与转子机械连接的旋转部分的位置传感器来提供转子的角位置。存在用于确定转子的角位置的不同已知技术。例如，我们可以参考称为“解角器”、增量数字编码器或绝对编码器的位置传感器。

然而，这些已知技术存在缺点。的确，已知的位置传感器都具有与转子机械相连的旋转部分。这是影响需要向其中集成位置传感器的机器的设计的主要限制因素。作为一般规则，角位置传感器的旋转部分旋转经由驱动管驱动。作为一般规则，这样的驱动管穿过定子，且经常具有很高的惯性，因此可能减慢角度位置的测量。此类测量造成的精度不足，造成了机器性能的改变。此外，其必须穿过机器以收集角度位置信息的事实，显著地增加了整体复杂性。这意味着要使用更大数目的机械部件，增加了故障风险。

此外，在已知同步机的初始调试中，必须由转换器进行称为校准的操作。在此操作期间，机器转动，而转换器测量对应于穿过零电动势的角度。该维护操作在维护操作后，例如更换传感器，更换转子或定子或电磁部件，或改变整个机器之后，必须执行校准操作。此类校准操作往往执行难度大，特别是对于长车辆，如铁路车辆，因为所述车辆必须被升起以允许校准期间车轮自由取向。

但是，校准操作尤为重要，因为转子的测得角度位置及其真实位置之间的角度偏移，会使得转矩大幅下降。例如，1°机械角度的偏移，会导致大约5％的下降，而2°机械角度的偏移，则产生20％的转矩下降。

已知同步机也会由于永磁体的老化而导致性能降低。事实上，由永磁体产生的磁感应随时间而减小。因此，合理做法是定期更换永磁体。更换永磁体可能导致备件、人力和/或机器固定方面的高成本。通常情况下，实施更换若发生过早，则产生无谓的费用，或若太迟，又会导致所使用的同步机性能下降。

在文件US2002/175674中，存在旨在检测油电混合动力或全电动车辆的马达中的永磁体劣化的已知方法和设备。将电压监测装置直接连接到牵引马达和/或电动马达上，来检测在预定速度下且无法负载时电机永磁体的感应电压。控制器将所检测的感应电压与参照电压进行比较，指示预定速度下充分磁化的期望感应电压。该控制装置根据参照电压、所检测的感应电压和预定速度来产生对磁化的指示。记录对磁化的指示以作为后续参考。此外，当磁化指示低于安全阈值时，安全指示器产生信号以警告车辆使用者。

文件US 2002/175674中所述的装置涉及一种被缠绕定子包封的集中式永磁体转子。在该文件中，磁化是由缠绕在转子的齿周围并掺入其中的绕组来测量的。

文件US 2002/175674中所述的装置不能在负载下，也就是当机器负载或提供转矩时，检测电动马达的永磁体的劣化，也就是在机器下负载或耗材扭矩，但仅是在自由转动的电动马达中。这是一个重大的缺点。实际上，文件US 2002/175674中，转子磁体的磁化场是通过测量缠绕在转子的齿上的绕组中的感应电流来进行测量的。由于该磁化场依赖于在绕组中循环的电流强度，且该电流取决于电动马达负载，因此绕组磁化场响应于该电动马达的诱导而变化。当电动马达有负载时，绕组的磁化场总是随着电动马达的诱导而变化，且检测感应电压因此无法与代表全磁化预期感应电压的参考电压相比。同样地，对缠绕在转子的齿上的绕组的测量，不能区分定子绕组磁化场和由转子磁体产生的磁化场，因此，文件US 2002/175674中所述的装置，必须在定子绕组磁化场为零时，相当于说，必须驱动电动马达自由转动，来进行测量。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服上述缺陷，并提出一种用于测定同步机老化水平的新方法。

本发明的又一目的在于，利用若干简单、可靠、低成本的装置来实现所述用于测定老化水平的方法。

本发明的目的的达成，是通过：一种用于测量包括定子和转子的多相同步机中的永磁体老化的方法，所述同步机配备有至少一个转子角位置传感器，所述定子包括设计为以电流供给的绕组，所述转子包括设计为绕所述定子运动的永磁体，所述角位置传感器包括至少两个磁感应测量传感器和至少一个电子单元，所述固定的磁感应测量传感器与所述定子集成一体，在所述转子的与永磁体的轴向边缘相对并紧邻的轴端延伸，其特征在于，其包括：

j1)在所述同步机的有负载或无负载转动阶段期间停止时，通过连接至所述电子单元上的所述磁感应测量传感器测量最大磁感应值；

j2)将测得的所述最大磁感应值与参照值相比较；和

j3)若所述最大磁感应值小于所述参照值且具有相对于所述参照值而言的确定偏移，则通过所述电子单元产生警告信息，若否，则返回步骤j1)。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括使用在所述同步机的初始使用期间测得的最大磁感应值作为参照值。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括使用理论值或预定值作为参照值。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括使用随时间递减的值作为参照值。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括使用线性递减值作为参照值。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括在当所述偏移等于或大于20％时产生所述警告信息。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法应用于车辆车轮马达上。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法用于车轮马达维护操作期间的测量台上。

根据本发明所述的一个实施例，当所述同步机有负载时，所测得的所述最大磁感应值VM_max与存储在包括向所述同步机供给的给定电流强度下的最大磁感应值的数据组中的预定参照值相比较。

根据本发明所述的一个实施例，所述包括向所述同步机供给的给定电流强度下的最大磁感应值的数据组存储在所述电子单元中。

用于实现根据本发明所述的方法的同步机，优选为包括轨道或道路行驶车辆的车轮马达。

根据本发明所述的测量过程还具有实时和以选定时间间隔提供对同步机中的永磁体准确测量的优点。

根据本发明所述的方法的一个突出优点在于，使用转子角位置传感器来建立磁场随时间的演化，并由此估计同步机是否完好完好，或存在可能危害同步机性能的老化问题。

还应当指出的是，根据本发明所述的方法优选为，当同步机是旋转类型的，无论其在无负载或有负载下运行，均允许测量磁场。

无负载操作是指，同步机自由转动，而有负载操作是指，同步机旋转并提供扭矩，无论是否涉及刹车或加速。

还应当指出的是，根据本发明所述的方法优选为，允许在同步机处于停止时进行测量，其中所述磁场测量是针对位于传感器表面上的磁体。要执行机器磁体的完整绘图，仅需要其旋转以使得每个磁体逐一与传感器相对。

最后，在本发明中，磁化是通过安装在可拆卸支架上的霍尔效应装置或磁阻传感器来测量的，由此，使得维护极为容易。

附图说明

本发明的其他特征和优点亦将显示在作为非限制性示例的附图中，其中：

图1展示了实施根据本发明所述的方法的同步机，所述同步机在定子的一部分上包含角位置传感器的同步机的实施例的一个示例；

图2展示了图1的剖面详细视图；

图3是所述角位置传感器的可拆卸支架的实施例的一个示例，显示为一个角度下的前视位置，设计用于插入实施根据本发明所述方法的同步机；

图4展示了操作同步机的角位置传感器所需并由此用于实施根据本发明所述的方法的电子单元的框图；和

图5以功能图的形式展示了实施根据本发明所述方法的永磁体和正弦电动势同步机的矢量控制系统的一个示例。

具体实施方式

图1展示了同步机1的实施例的一个示例，其包括安装在如图4示意图所示的定子2上的角位置传感器。图1展示了端部2a的一部分，例如，以与定子2机械性合为一体的法兰的形式。

同步机1还包括设有永磁体4的转子3。

端部2a不接触地至少部分覆盖转子3的轴端3a。轴端3a和端部2a之间的设置的一个示例更详细地说明于图2中。

定子2包括绕组(未显示)，其设计为由电子功率器件(也称为转换器或逆变器)供给多相电流。优选地，向后者供给电压和电流。

转子3优选为基本圆柱形3b，其内表面覆盖有永磁体4。转子3设计成围绕着定子2的一部分转动，该定子2在所述转子3内部所包含的自由空间中延伸。

永磁体4是，例如，以轴向方向堆叠在设于圆柱3b的内表面的轴向槽中。永磁体4组装连接到转子3内表面是以已知方式完成的。

例如，永磁体4的插入，是通过滑入轴向槽内，并由所述槽和所述永磁体4的匹配形状径向固定。

在轴向上，永磁体4由抗磁性材料的止动部5锁定在每个凹槽中，其更详细地显示在图2中。

止动部5形成防止接合在相应槽中的永磁体4发生轴向运动的挡块5a。止动部5的尺寸和形状选择为，使其不阻碍通向接合在每个槽内的最后一个永磁体4的轴向边缘4a的至少一部分的相对位置上的区域的通路。

圆柱3b的轴端3a不具有永磁体4，优选地，特意包括在径向方向上稍微挖空的形状。这种形状允许限制因止动部5的连接而产生的维度。优选地，止动部5由螺钉5b连接到圆柱3b的各槽的尽头，从而有效地锁定每行永磁体4。

同步机1还包括用于转子3的角位置传感器1a。具体而言，角位置传感器具有磁感应测量传感器6。后者设计为检测由永磁体4产生的轴向磁场的变化。这种轴向磁场的变化由磁感应测量传感器6检测并转换成电压。

角位置传感器1a还包括至少一个电子单元，该电子单元设计成从磁感应测量传感器6接收感应电压并从中减去转子3的角位置。该确定以绝对方式进行。该电子单元也可以允许涉及转子3角位置的信息实时传输到电子功率器件。

磁感应测量传感器6与端部2a机械地合为一体，并在转子3的轴端延伸，与接合在槽内的最后一个永磁体4的轴向边缘4a相对并紧邻。当转子3转动时，各轴向边缘4a因此在磁感应测量传感器6的前方经过。

优选地，磁测量传感器6连接到可拆卸的支架7。

为此目的，可拆卸支架7具有轴向支承部7a和支承端部7b。支架端部7b基本上横向延伸到轴向支架7a的一部分。磁感应测量传感器6布置在轴向支承部7a的自由端的外表面7c上。

可拆卸支架7优选为形成与转子3的曲线基本相匹配的弯曲。磁感应测量传感器6优选为连接并布置在上外表面7c上的一条曲度与永磁体4的轴向边缘4a的连续线的曲度基本相匹配的线上。

可拆卸支架7是，例如，插入到端部2a中制成的槽8内。当然，槽8的曲线与轴向支架7a的部分上的曲线相同或相似。

一旦在可拆卸支架7上设置了磁感应测量传感器6，则将可拆卸支架7轴向地插入到槽8，直到其在支架端部7b处抵靠于端部2a的外表面。可拆卸支架7的维度，且特别是轴向支承部7a的轴向长度选择为，使得磁感应测量传感器6从轴向边缘4a延伸至距离e。该距离e包括在例如1.5和2.5毫米之间，优选为等于2毫米。

所有类型的连接装置，即使未示出，也可用于使得支架端部7b与端部2a合为一体。

在本实施例的一个示例中，同步机1包括布置在可拆卸支架7上的至少3个磁感应测量传感器6。

在本实施例的另一个示例中，本发明所述的同步机1，如图1所示，包括两个各设有例如至少两个磁感应测量传感器6的可拆卸支架7。

图3是包括5个磁感应测量传感器6的可拆卸支架7的实施例的一个示例的正面示意图。相应地，根据图3所示的实施例的示例，同步机1包括两个各包括5个磁感应测量传感器6的可拆卸支架7。

优选地，轴向支承部7a的外表面7c设有温度传感器9，后者用于测量同步机1的环境温度，以便调整其控制，因为感应随温度变化。

在本实施例的一个优选示例中，可拆卸支架7至少包括一个所述电子单元的电子电路或所述电子单元的电子电路的一部分。

举例而言，电子功率器件是通过脉宽调制来控制同步机1的转换器。

所述磁感应测量传感器6优选为霍尔(Hall)效应传感器。

在同步机1的实施例的另一个示例中，磁感应测量传感器6包括称为磁阻传感器的AMR/GMR传感器。

虽然霍尔效应传感器可用于测量磁场的连续分量，但磁阻传感器是基于材料随外加磁场方向而变化的电阻来工作的。此类传感器是已知的，因此不再累述。

通过使用霍尔效应传感器或磁阻传感器，无需再进行校准角位置传感器1a的操作。事实上，所述传感器测量由永磁体4产生的磁场的空间分布，即使当同步机1处于停止。这省去了所述同步机1调试或所述同步机1维护操作之后的进行任何校准操作的必要。这是所述同步机1的一个突出优点。

图4是所述同步机1的角位置传感器1a的操作所需的电子单元的框图。因此，后者包括缠绕定子2和包括永磁体4的转子3。

因此，角位置传感器1a包括了包括感应测量传感器6的功能装置，其与用于采集信号和用于计算转子3定位角的电子单元相关联。

所述功能装置包括，例如，两个固定地安装在内的无接触地固定且朝向永磁体4的磁感应测量传感器6。来自所述感应测量传感器6的信息随后分别由放大装置10和滤波装置11放大和滤波，然后由计算机12采集。因此，该计算机12从来自感应测量传感器6的信息确定电子单元12的转子角度(转子的角位置)，并实时将转子角度发送到控制转换器14的矢量控制系统13。

转子角度通过SSI，PROFIBUS或其他种类的现场总线类型协议，传送到矢量控制系统13。另外，由计算机12所确定的转子角度的符号定义了同步机1的旋转方向。

图5中以功能图表的方式示出了具有永磁体4的同步机1的矢量控制系统13和正弦电动势。在矢量控制系统的该示例中，同步机1包括以电压供给的转换器14。

矢量控制系统13通过脉宽调制的方式控制转换器14，以在同步机1的每个相P₁,P₂,P₃上产生的平均功率供电电压，并由此在每个相P₁,P₂,P₃上产生确定电流。因此，转换器14将由直流电压源U供给的电压转换成三相电压供给同步机1。后者的操作，例如，当车辆在制动阶段时，通过牵引力和作为三相电压发生器交替。

矢量控制系统13包括转换器控制装置14、电流传感器15、电压传感器16和同步机1的角位置传感器1a。

矢量控制系统13接收，例如，所述转矩设定值C。转换器控制装置14基于源自电流传感器15、角度位置传感器1a的信息和设定值C，计算要施加到矢量所述转换器14上以使同步机1到达转矩设定值C的电压。

矢量控制系统13，特别是此类永磁体4和正弦电动势同步机1，是已知的，在此不再累述。

同步机1具有如下突出优点：包括能够直接测量由所述永磁体4产生的磁场的角度位置传感器1a，由此可以知悉磁场随时间的变化。以此方式，可以检测到永磁体4的性能的任何劣化，因此，由此可以检测到所述同步机1的性能的任何劣化。

此外，同步机1的角位置传感器1a能够检测感应因相间短路而引起的磁场陡增。

所述永磁体4和正弦电场力同步机1，优选为包括车轮马达。

本发明所述的同步机，还可以用作绞车马达或电梯马达。

因此，同步机1能够通过如下所述的依序步骤，实现根据本发明所述的用于测量永磁体4老化的方法。

在第一步骤j1)中，在所述同步机1有负载或无负载转动阶段期间停止时，通过连接至所述电子单元上的磁感应测量传感器6，测量最大磁感应值VM_max。

逐一，在无负载转动阶段期间，同步机1中产生的电流为零。

在第二步骤j2)中，将测得的所述最大磁感应值VM_max与参照值相比较。

在第三步骤j3)中，若所述最大磁感应值VM_max小于所述参照值且具有相对于所述参照值而言的确定偏移，则通过所述电子单元产生警告信息S，若否，则返回步骤j1)。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括使用在所述同步机1的初始使用期间测得的最大磁感应值VM_max作为参照值。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括使用理论值或预定值VT_max作为参照值。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括使用随时间递减的值VM_max作为参照值。此类递减得到例如线性曲线。由此一来，该递减曲线的初始参照值可以是测量值VM_max或是理论值或预定值VT_max。

根据本发明所述的一个实施例，所述方法包括在当所述偏移等于或大于20％时产生所述警告信息S。也可以选择较小的偏移，而不会脱离本发明的框架范围。

依靠计算机12，可以根据上述方法，共同确定转子3的绝对角位置和永磁体4或部分永磁体4的正常或过早损耗。因此，计算机12可以确定保留当前性能所需更换哪一个永磁体4，即便测量是在同步机1的旋转阶段时进行的。

如上所述，根据本发明所述的方法优选为，无论在同步机1有负载或无负载运作，例如在车轮马达的情形中的牵引或制动，均可测量磁场。在负载下，磁场的这种测量依赖于供给到电动机的电流强度，这意味着必须对机器绘图以获得根据向同步机供给的电流强度的期望磁场参照曲线。

在新机器中，同步机的这种绘图优选为在厂商处进行。其包括在同步机1的操作期间通过霍尔效应传感器或磁阻传感器来测量磁场。然后，所述测量传输到电子单元，并接收来自电流传感器的马达电流相关信息。随后，这些值可以用来产生用于新同步机1操作的图表或其他参照数据组。

例如，该参照数据存储在角位置传感器1a的电子单元中。

相应地，对于供给到同步机1的给定电流强度，存在对应的磁场参照值。当针对给定马达电流的磁场测量不对应于磁场的期望参照值时，通过该电子单元来发送警报信息S。

本发明的方法可以通过使用本发明所述的角位置传感器1a，用于有负载的同步机1，因为其集成到同步机1当中。当然，其可以在对同步机1的维护操作期间用于测量台，例如作为停止或自由转动，而无需牵引或制动。

根据本发明所述的方法还能够在同步机1处于停止时，测量朝向磁感应测量传感器6的永磁体4的磁场。

显然，本说明并不局限于明确描述的示例，而是还扩展到其他实施例和/或实施方法。相应地，所描述的特征可以由等同的技术特征取代，而不会脱离本发明的框架范围。

Claims (10)

1.用于测量包括定子(2)和转子(3)的多相同步机(1)中的永磁体(4)老化的方法，所述同步机(1)配备有至少一个转子角位置传感器(1a)，所述定子(2)包括设计为被供给电流的绕组，所述转子(3)包括设计为绕所述定子(2)运动的永磁体，所述角位置传感器(1a)包括至少两个磁感应测量传感器(6)和至少一个电子单元，所述固定的磁感应测量传感器(6)与所述定子(2)集成一体，在所述转子(3)的与永磁体(4)的轴向边缘(4a)相对并紧邻的轴端(3a)延伸，其特征在于，所述方法包括：

j1)在所述同步机(1)的有负载或无负载转动阶段期间停止时，通过连接至所述电子单元的所述磁感应测量传感器(6)测量最大磁感应值VM_max；

j2)将测得的所述最大磁感应值VM_max与参照值相比较；和

j3)若所述最大磁感应值VM_max小于所述参照值且具有相对于所述参照值而言的确定偏移，则通过所述电子单元产生警告信息S，若否，则返回步骤j 1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用在所述同步机的初始使用期间测得的最大磁感应值VM_max作为参照值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用理论值或预定值VT_max作为参照值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用随时间递减的值作为参照值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用线性递减值作为参照值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在当所述偏移等于或大于20％时产生所述警告信息S。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法实现于车辆车轮马达上。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法实现于车轮马达维护操作期间的测量台上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，当所述同步机(1)有负载时，将测得的所述最大磁感应值VM_max与一预定参照值相比较，该预定参照值存储在包括向所述同步机(1)供给的给定电流强度下的最大磁感应值的数据组中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述包括向所述同步机(1)供给的给定电流强度下的最大磁感应值的数据组存储在所述电子单元中。