CN108233636A - 利用热等效电路的电机的温度计算系统 - Google Patents

利用热等效电路的电机的温度计算系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种利用热等效电路的电机的温度计算系统，其包括：轭部、第一齿部和第二齿部、以及线圈构件，轭部设置为沿着内圆周表面，第一齿部和第二齿部布置在轭部的内圆周表面上，同时具有在圆周方向上设定的间隔，线圈构件形成于第一齿部和第二齿部之间并包括多个线圈，该系统形成线圈构件的热等效电路并计算线圈构件的设定部分的温度，其中，通过利用使用线圈构件的内一侧的温度Tc的径向传导阻抗来计算线圈构件的外圆周表面温度和内圆周表面温度，通过利用来自线圈构件的内一侧的温度的补偿阻抗、线圈构件的热容量、以及形成于线圈构件内的线圈的热量来计算线圈构件的平均温度，以及通过利用平均温度中的轴向传导阻抗来计算端部表面的温度。

Description

利用热等效电路的电机的温度计算系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年12月12日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号第10-2016-0168905号的优先权和权益，并通过引用将其全文纳入本文。
技术领域
本发明涉及一种利用热等效电路的电机的温度计算系统。
背景技术
在电子装置中，将会举例描述内置永磁同步电机(interior permanent magnetsynchronous motor，IPMSM)，并会将其称为电机。
由于IPMSM同时具有由永磁体和电枢电流所引起的磁性扭矩分量和由d-q轴电感差而引起的磁阻扭矩分量，所以其每单位体积可以获得高扭矩。
但是，根据IPMSM的驱动特性，在高速区域中会发生过度的铁损，并且由于需要大输入电流来控制高输出，因此会发生铜损。热源中发生这样的事件会导致电机的温度上升的缺点，不利的是，电机的温度上升不仅影响电机的寿命，而且还会影响在高温下具有退磁特性的基于稀土的永磁体的特性。
因此，当设计电机时，首先应当考虑电机的温度特性。
为此，已经提出了电机的各种热分析技术，例如，利用集总参数法的热等效电路网络法、利用有限元法和有限差分法的分布参数法等。
这些方法中，为了计算电机的热性能，通常利用有限元法和有限差分法。
但是，利用有限元法和有限差分法的热分析可能要耗费较长时间来划分元并且计算矩阵以分析复杂的区域。
即，存在难以应用至电机的整个形状区域的问题。
出于这个原因，需要这样的方法：与分布参数法相比，对热分析的计算相对简单，并且在电机各个部分处的整体温度分布可以容易确定。
公开于该背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对本发明背景技术的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
韩国专利公开出版物第10-2006-0008373号和韩国专利出版物第10-1394548号与本申请相关。
发明内容
本发明已致力于提供一种利用热等效电路的电机的温度计算系统，所述热等效电路配置成考虑对流和传导现象的最优元件，其具有优势在于：与常规热分析方法相比，缩短了热分析时间并还适用于各种分析条件。
本发明的示例性实施方案提供了一种利用热等效电路的电机的温度计算系统，包括：轭部、第一齿部和第二齿部、以及线圈构件，轭部设置成沿着内圆周，第一齿部和第二齿部布置在轭部的内圆周表面上，同时具有在圆周方向上设定的间隔，线圈构件形成于第一齿部和第二齿部之间并包括多个线圈，所述系统形成线圈构件的热等效电路并计算线圈构件的设定部分的温度，其中，通过利用使用线圈构件的内一侧的温度Tc的径向传导阻抗来计算线圈构件的外圆周表面温度和内圆周表面温度，通过利用来自线圈构件的内一侧的温度的补偿阻抗、线圈构件的热容量、以及形成于线圈构件内的线圈的热量来计算线圈构件的平均温度，以及通过利用平均温度中的轴向传导阻抗来计算端部表面的温度。
线圈构件可以包括多个线圈，并且绝缘纸插置于线圈与第一齿部和第二齿部之间。
线圈构件可以包括形成于线圈的外圆周表面上的涂覆构件，以及形成于线圈之间的空气间隙。
可以通过利用对应于线圈的线圈传导阻抗和对应于绝缘纸的绝缘纸传导阻抗、根据平均温度来计算线圈构件中的第一齿部侧面的温度。
所述线圈传导阻抗和所述绝缘纸传导阻抗可以为预设值。
径向传导阻抗、补偿阻抗、热容量、线圈的热量、以及轴向传导阻抗可以为预设值。
可以通过输入至电机的功率来计算线圈的热量。
当确定出每个计算出的温度为每个设定值或更大，或者大于每个设定值时，可以调节输入至电机的功率以进行降低，或者可以产生紧急信号。
根据本发明的实施方案，在执行电子设备(例如，电机)的热分析时，可以通过提供电机的温度计算方法，从而在相对短的时间内计算电机的温度，所述温度计算方法利用基于部件形成的热等效电路、根据传导和对流特性、根据输入功率来计算每个部件的温度。
也即，可以通过利用与电系统相同的原理，分析电机的热系统，从而缩短计算时间，并且可以通过几乎实时地推导出电机的每个元件的温度，从而提前防止电机的热故障并且提高电机的耐久性。
此外，根据本发明，可以在考虑传导和对流现象的情况下，精准且快速地计算线圈构件的设定位置的温度。
附图说明
图1为根据本发明的示例性实施方案的利用热等效电路的电机的温度计算系统的示意性框图。
图2为示出了根据本发明的示例性实施方案的根据输入功率和效率的热部件(heating part)的要素的示意性框图。
图3为示出了根据本发明的示例性实施方案的传导热等效电路的等式。
图4为示出了根据本发明的示例性实施方案的对流热等效电路的等式。
图5为比较根据本发明的示例性实施方案的热系统和电系统的图表。
图6为根据本发明的示例性实施方案的利用热等效电路的电机的温度计算方法的流程图。
图7为根据本发明的示例性实施方案的在选择形状的步骤中的电机的部分截面图。
图8(a)至图8(c)示出了根据本发明的示例性实施方案在选择热阻抗模型的步骤中的各个模型。
图9为根据本发明的示例性实施方案的利用热等效电路的电机的温度计算系统的具体模型。
具体实施方式
本发明涉及一种利用热等效电路的电机的温度计算系统，其可以根据用于车辆的驱动电机的驱动条件来计算每个部件的温度，并且可以根据驱动电机的温度来保护部件。
下面将参考所附附图对本发明的示例性实施方案进行具体描述。
由于为了便于解释，附图中所示出的各个部件的尺寸和厚度是任意示出的，因此本发明不必须限制于附图中所示出的内容，并且为了清楚起见，多个部分和区域的厚度可能被夸大。
附图和说明书应当被认为本质上是示意性的而非限制性的。在整个说明书中，同样的附图标记表示同样的元件。
在以下详细的描述中，由于配置具有相同的名称，因此将配置的命名分类为第一、第二等，以对配置进行分类，并且在下文中的详细描述中，本发明不必须限制于上述顺序。
图1为根据本发明的示例性实施方案的利用热等效电路的电机的温度计算系统的示意性框图。
参考图1，电机的温度计算系统包括：电机112、电机驱动单元110、控制单元100、输入单元120以及计算单元130，并且输入至输入单元120的输入值150包括实时输入值150a和设定的输入值150b(其为预设的)。另外，由计算单元130计算的温度值140包括电机的每个元件的温度值。
实时输入值150a包括输入功率、扭矩、外部温度、转速等，而设定的输入值150b包括属性值，例如，效率、对流/传导特性、热传导性、热容量和比热，并且设定的输入值150b包括形状，所述形状包括厚度和尺寸。
控制单元100可以利用输入数据来计算电机的元件中的热部件的温度，并且控制单元100可以在元件之间利用对流热等效电路或传导热等效电路来计算元件的每一个的温度，而当确定出计算的温度超过设定值时，控制单元100可以控制电机的驱动单元110，以控制针对电机112的输入功率或转速输入。
另外，当确定出计算的温度超过设定值时，控制单元100可以产生过热信号，并且可以控制显示单元(未示出)来显示过热状态，从而使得用户可以确认过热状态。
控制单元100可以实施为一个或多个由设定的程序运行的微处理器，并且设定的程序可以包括用于执行根据本发明的示例性实施方案的方法的一系列指令，如下文所述。
图2为示出了根据本发明的示例性实施方案的根据输入功率和效率的热部件的要素的示意性框图。
参考图2，输入功率被实时输入，热部件的温度根据电机112的效率来计算。热部件可以包括定子的线圈、定子的芯、转子的芯、轴承部件、摩擦部件和转子的磁体。
另外，根据本发明的示例性实施方案，电机112的转速可以和输入功率一起输入，并且摩擦部件的温度和轴承部件的温度可以通过电机的转速来计算。
图3为示出了根据本发明的示例性实施方案的传导热等效电路的等式。
参考图3，传导热等效电路(或热传导等效电路)可以由各个元件之间的温度差(T1-T2)、热阻抗Rcond和热传导性Q’cond来表示。
因此，当热阻抗、热传导性和T1输入时，可以计算出T2。相反地，当热阻抗、热传导性和T2输入时，可以计算出T1。
图4为示出了根据本发明的示例性实施方案的对流热等效电路的等式。
参考图4，对流热等效电路(或热对流等效电路)可以由各个元件之间的温度差(T1-T2)、热阻抗Rconv和热对流率Q’conv来表示。
因此，当热阻抗、热对流率和T1输入时，可以计算出T2。相反地，当热阻抗、热对流率和T2输入时，可以计算出T1。
图5为比较根据本发明的示例性实施方案的热系统和电系统的图表。
参考图5，在热系统中，热等式由温度差(ΔT)、热传导性(对流率)(Q’)、阻抗(R)和热容量(C)形成，而在电系统中，热等式由电压(V)、电流(I)、阻抗(R)和电容(C)形成。
根据本发明的实施方案，通过利用与电系统相同的原理，分析电机112的热系统，可以缩短计算时间，并且通过几乎实时地推导出电机的每个元件的温度，可以提前防止电机112的热故障并且提高电机的耐久性。
图6为根据本发明的示例性实施方案的利用热等效电路的电机的温度计算方法的流程图。
参考图6，温度计算方法包括：选择线圈构件730的形状(S600)，选择线圈构件730的热阻抗模型(S610)，选择线圈构件730的热阻抗系数(S620)，以及计算线圈构件730的设定位置的温度(S630)。
将参照图7描述选择线圈构件730的形状的方法，将参照图8(a)至图8(c)描述选择热阻抗模型的方法，并且将参照图9描述选择热阻抗系数以及计算温度的方法。
图7为根据本发明的示例性实施方案的在选择形状的步骤中的电机的部分截面图。
参考图7，电机包括：轭部700、第一齿部710和第二齿部720、以及线圈构件730，其中，轭部700固定于电机壳体的内圆周表面，第一齿部710和第二齿部720固定于轭部700的内圆周表面并且设置成同时具有沿着轭部的圆周方向设置的间隔，而线圈构件730设置于第一齿部710和第二齿部720之间。
这里，轭部700、第一齿部710和第二齿部720可以一体形成，并且可以在热阻抗模型中分开。
如所示出的，线圈构件730对应于形成在第一齿部710和第二齿部720之间的狭槽的形状，第一齿部710和第二齿部720配置为电机的定子，线圈构件730包括围绕狭槽缠绕的线圈760、封闭线圈760的涂覆构件765、形成于线圈760和涂覆构件765之间的空气间隙767、以及紧密附着至第一齿部710和第二齿部720的绝缘纸750，并且线圈760、涂覆构件765、空气间隙767以及绝缘纸750等同于一个线圈构件730。
因此，并没有配置针对线圈760、涂覆构件765、空气间隙767以及绝缘纸750的每一个的热等效电路，而配置了针对一个线圈构件的热等效电路。
图8(a)至图8(c)示出了根据本发明的示例性实施方案的在选择热阻抗模型的步骤中的各个模型。
参考图8(a)，轴向热阻抗模型可以通过利用具有管道形状的结构来计算线圈构件730的长度方向上的中心部分的内中心部分温度Tc，并且可以通过利用轴向传导阻抗R1a和R2a来计算两个端部表面的温度T3和T4。
此外，参考图8(b)，轴向热阻抗模型可以通过利用具有管道形状的结构来计算线圈构件730的长度方向上的中心部分的内中心部分温度Tc，并且可以通过利用径向传导阻抗R1r和R2r来计算内圆周表面温度T1和外圆周表面温度T2。
也即，参照图8(c)，内圆周表面温度T1和外圆周表面温度T2以及两个端部表面的温度T3和T4可以通过利用各个方向的设定位置以及热传导阻抗的线圈构件730的内部温度Tc来进行计算。这里，R1r表示径向外热传导阻抗，R2r表示径向内热传导阻抗，并且R1a表示轴向热传导阻抗。
图9为根据本发明的示例性实施方案的利用热等效电路的电机的温度计算系统的具体模型。
参考图9，计算或选择线圈构件730的内一侧的温度Tc，并且线圈构件730的外圆周表面温度T1和内圆周表面温度T2通过分别利用径向传导阻抗Rc4或Rc5来计算。
此外，通过利用预设补偿阻抗Rc2、从线圈构件730产生的热量(电流源1)、以及线圈构件730的热容量Cc来计算或选择线圈构件730的平均温度Ta。
如果计算了线圈构件730的平均温度，则通过利用轴向传导阻抗来计算或选择线圈构件的一侧的端部表面的温度T3，并且通过利用线圈构件730的传导阻抗Rc2’或Rc2以及配置线圈构件730的绝缘纸750的传导阻抗Rc6’或Rc6来计算或选择线圈构件730中的第一齿部侧的温度TTeeth1以及第二齿部侧的温度TTeeth2。
根据本发明的示例性实施方案，将线圈构件730的设定位置的经计算的温度用作数据以计算针对电机的整个系统的温度，并且当确定出线圈构件730的设定位置的温度大于设定值或者为设定值或更多时，控制单元100可以控制电机的驱动单元110以控制输入至电机112的输入功率或转速。
另外，当确定出计算的温度超过设定值时，控制单元100可以产生过热信号，并且可以控制显示单元(未示出)来显示过热状态，从而使得用户可以确认过热状态。
虽然已经结合目前被认作实际的示例性实施方案描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施方案。相反，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (20)

1.一种利用热等效电路的电机的温度计算系统，所述系统包括：轭部、第一齿部和第二齿部、以及线圈构件，所述轭部设置为沿着电机壳体的内圆周表面，所述第一齿部和第二齿部布置在轭部的内圆周表面上，同时具有在圆周方向上设定的间隔，所述线圈构件形成于第一齿部和第二齿部之间并包括多个线圈，所述系统形成线圈构件的热等效电路并计算线圈构件的设定部分的温度，其中：
通过利用使用线圈构件的内一侧的温度Tc的径向传导阻抗来计算线圈构件的外圆周表面温度和内圆周表面温度，
通过利用来自线圈构件的内一侧的温度的补偿阻抗、线圈构件的热容量、以及形成于线圈构件内的线圈的热量来计算线圈构件的平均温度，
通过利用平均温度中的轴向传导阻抗来计算端部表面的温度。
2.根据权利要求1所述的利用热等效电路的电机的温度计算系统，其中：
所述线圈构件包括多个线圈，并且绝缘纸插置于线圈与第一齿部和第二齿部之间。
3.根据权利要求2所述的利用热等效电路的电机的温度计算系统，其中：
所述线圈构件包括形成于线圈的外圆周表面上的涂覆构件，以及形成于线圈之间的空气间隙。
4.根据权利要求3所述的利用热等效电路的电机的温度计算系统，其中：
通过利用对应于线圈的线圈传导阻抗和对应于绝缘纸的绝缘纸传导阻抗，根据平均温度来计算线圈构件中的第一齿部的侧面的温度。
5.根据权利要求4所述的利用热等效电路的电机的温度计算系统，其中：
所述线圈传导阻抗和所述绝缘纸传导阻抗为预设值。
6.根据权利要求1所述的利用热等效电路的电机的温度计算系统，其中：
所述径向传导阻抗、所述补偿阻抗、所述热容量、多个线圈的热量、以及所述轴向传导阻抗为预设值。
7.根据权利要求1所述的利用热等效电路的电机的温度计算系统，其中：
通过输入至电机的功率来计算多个线圈的热量。
8.根据权利要求1所述的利用热等效电路的电机的温度计算系统，其中：
当确定出每个计算的温度为每个设定值或更大，或者大于每个设定值时，将输入至电机的功率调节为降低，或者产生紧急信号。
9.一种电机的温度计算系统，其包括：
轭部，其固定在电机壳体的内圆周表面上；
第一齿部和第二齿部，其固定在轭部的内圆周表面上，所述第一齿部和第二齿部由在轭部的圆周方向上设定的间隔分开；
线圈构件，其设置于第一齿部和第二齿部之间并包括多个线圈，其中，所述温度计算系统配置为：
利用包括轭部、第一齿部、第二齿部、线圈构件以及多个线圈的热等效电路，使得：
形成针对线圈构件的热等效电路，
计算线圈构件的设定部分的温度，
利用使用线圈构件的内一侧的温度的径向传导阻抗，计算线圈构件的外圆周表面温度和内圆周表面温度，
利用来自线圈构件的内一侧的温度的补偿阻抗、线圈构件的热容量、以及形成于线圈构件内的线圈的热量，计算线圈构件的平均温度，
利用线圈构件的平均温度中的轴向传导阻抗，计算端部表面的温度。
10.根据权利要求9所述的电机的温度计算系统，其中，所述轭部、所述第一齿部、以及所述第二齿部一体地形成。
11.根据权利要求9所述的电机的温度计算系统，其中：
所述线圈构件包括插置在多个线圈与第一齿部以及第二齿部之间的绝缘纸。
12.根据权利要求11所述的电机的温度计算系统，其中：
所述线圈构件包括形成于线圈的外圆周表面上的涂覆构件，以及形成于多个线圈之间的空气间隙。
13.根据权利要求12所述的电机的温度计算系统，其中：
通过利用对应于线圈的线圈传导阻抗和对应于绝缘纸的绝缘纸传导阻抗，根据平均温度来计算线圈构件中的第一齿部的侧面的温度。
14.根据权利要求13所述的电机的温度计算系统，其中：
所述线圈传导阻抗和所述绝缘纸传导阻抗为预设值。
15.根据权利要求9所述的电机的温度计算系统，其中：
所述径向传导阻抗、所述补偿阻抗、所述热容量、多个线圈的热量、以及所述轴向传导阻抗为预设值。
16.根据权利要求9所述的电机的温度计算系统，其中：
通过输入至电机的功率计算多个线圈的热量。
17.根据权利要求9所述的电机的温度计算系统，其中：
当确定出每个计算出的温度为每个设定值或更大，或者大于每个设定值时，将输入至电机的功率调节为降低，或者产生紧急信号。
18.根据权利要求9所述的电机的温度计算系统，其中，所述线圈构件对应于形成于第一齿部与第二齿部之间的狭槽的形状，第一齿部以及第二齿部配置成电机的定子，其中多个线圈围绕狭槽缠绕，其中所述线圈构件包括封闭多个线圈的涂覆构件，形成于多个线圈与涂覆构件之间的空气间隙、以及紧密附着至第一齿部和第二齿部的绝缘纸，并且其中，多个线圈、涂覆构件、空气间隙以及绝缘纸等同于线圈构件。
19.根据权利要求18所述的电机的温度计算系统，其中，未配置针对多个线圈、涂覆构件、空气间隙以及绝缘纸的每一个的热等效电路，而配置了针对线圈构件的热等效电路。
20.一种计算电机的温度的方法，其包括：
利用包括轭部、第一齿部、第二齿部、线圈构件、以及多个线圈的热等效电路，形成针对线圈构件的热等效电路，并计算线圈构件的设定部分的温度，其中，轭部固定于电机壳体的内圆周表面上，第一齿部和第二齿部固定于轭部的内圆周表面上，第一齿部通过在轭部的圆周方向上设定的间隔而与第二齿部分开，线圈构件设置在第一齿部与第二齿部之间；
利用使用线圈构件的内一侧的温度的径向传导阻抗，计算线圈构件的外圆周表面温度和内圆周表面温度，
利用来自线圈构件的内一侧的温度的补偿阻抗、线圈构件的热容量、以及形成于线圈构件内的线圈的热量，计算线圈构件的平均温度；
利用线圈构件的平均温度中的轴向传导阻抗，计算端部表面的温度。
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