CN108712136B

CN108712136B - 永磁同步电动机温升预测及保护方法、系统和装置

Info

Publication number: CN108712136B
Application number: CN201810393534.3A
Authority: CN
Inventors: 张碧陶; 姚科; 高福荣
Original assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Current assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: CN108712136A

Abstract

本发明公开了永磁同步电动机温升预测及保护方法、系统和装置，方法包括：对电机定子的发热量进行计算；对电机的散热量进行计算；对电机转子的温度进行计算；根据计算的电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，对电机的整体温度进行计算；根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制；系统包括电机定子发热量计算模块、介质散热能量计算模块、电机转子磁体发热量计算模块、电机整体温度计算模块和电机冷却控制模块；装置包括存储器和处理器。本发明降低了温升计算的误差，结果更加准确且适用范围广，可广泛应用于电机控制技术领域。

Description

永磁同步电动机温升预测及保护方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是永磁同步电动机温升预测及保护方法、系统和装置。

背景技术

永磁同步电动机主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。其中，永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似，而转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极。永磁同步电动机具有结构简单，体积小、效率高、功率因数高等优点。目前，永磁同步电动机已经广泛应用在新能源汽车、注塑机以及机器人等设备。但是，永磁同步电动机在长时间的运行中会出现“温升”现象，如果温升超过一定值，则会造成永磁同步电动机的磁体失磁，致使永磁同步电动机失控。

为了解决电机“温升”的问题，专利文献(CN 104124666 A)公开了一种永磁同步电机的温升保护方法和系统。该专利公开了通过计算永磁同步电机的定子损耗以及介质的散热公式，计算出电机总的温升动态方程，并经过归一化处理后得出电机电流与时间的反时限曲线，并根据反时限曲线实施过载保护。专利文献(CN 104124666 A)利用反时限曲线可以通过动作时间和过载电流之间的关系将温升控制在最大允许温升范围内，因此能够达到温升保护的目的。但这种通过限制永磁同步电动机过载电流的动作时间来限制温升，具有以下问题：

1)、该方法只考虑了永磁同步电动机定子的发热，并没有考虑永磁同步电动机转子(即磁体)的发热。因此，温升计算存在较大的误差；

2)、通过限制永磁同步电动机过载电流的动作时间来限制温升，意味着一旦过载电流超过反时限曲线规定的值，则需要通过减小电流来抑制温升。这种方法不适用于对转矩要求较高的场合，如注塑过程的保压阶段，要求永磁同步电动机持续提供恒定的大扭矩，由此会造成永磁同步电动机的温升增速，如果此时按照专利文献(CN 104124666 A)提出的方法，则需要减小永磁同步电动机的电流以及缩减保压阶段的工作时间，这样会造成永磁同步电动机扭矩下降，无法实现保压功能，进而影响了产品质量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种误差小且适用范围广的永磁同步电动机温升预测及保护方法、系统和装置。

本发明所采取的第一技术方案是：

永磁同步电动机温升预测及保护方法，包括以下步骤：

对电机定子的发热量进行计算；

对电机的散热量进行计算；

对电机转子的温度进行计算；

根据计算的电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，对电机的整体温度进行计算；

根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制。

进一步，所述对电机定子的发热量进行计算这一步骤，包括以下步骤：

对电机定子的外部注入能量进行计算，所述外部注入能量的计算公式为：

其中，i_a、i_b和i_c分别为电机的a、b和c三相电流；R_a、R_b和R_c分别为电机的a、b和c三相电阻；t为电机运行时间；

对电机定子的自励能量进行计算，所述自励能量的计算公式为：

其中，E为电机反电动势；R为电机等效电阻；t为电机运行时间。

进一步，所述对电机的散热量进行计算这一步骤，包括以下步骤：

对电机的自然冷却热量进行计算，所述自然冷却热量的计算公式为：

w_h＝σ×s×ΔT×t，

其中，σ是介质导热系数；s是电机定子与空气的接触面积；ΔT是电机初温和末温之间的温差；t为电机运行时间；

对电机的强制风冷热量进行计算，所述强制风冷热量的计算公式为：

w_p＝ρ×Cp×ΔT×Qf×t，

其中，ρ是空气的密度；Cp是空气的比热；Qf是通风量；ΔT是电机初温和末温之间的温差；t为电机运行时间。

进一步，所述对电机转子的温度进行计算这一步骤，包括以下步骤：

对电机转子的磁通密度进行计算；

根据计算的电机转子的磁通密度，对电机转子的温度进行计算，所述电机转子的温度的计算公式为：

其中，T为电机转子的温度；ψ_f是电机转子的磁通密度；x₁代表电机转子磁体材料的第一温度值；y₁代表对应x₁温度下的磁通密度；x₂代表电机转子磁体材料的第二温度值；y₂代表对应x₂温度下的磁通密度。

进一步，所述根据计算的电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，对电机的整体温度进行计算这一步骤，包括以下步骤：

根据计算的电机定子的发热量和电机的散热量，计算电机初温和末温之间的温差，所述电机初温和末温之间的温差的计算公式为：

其中，ΔT是电机初温和末温之间的温差；i_a、i_b和i_c分别为电机的a、b和c三相电流；R_a、R_b和R_c分别为电机的a、b和c三相电阻；c为物质的比热容；m为永磁体的质量；E为电机反电动势；R为电机等效电阻；P为散热能量；

根据计算的电机初温和末温之间的温差以及电机转子的温度，计算电机的整体温度，所述电机的整体温度的计算公式为：

T_h＝T+△T，

其中，T_h为电机的整体温度；T为电机转子的温度；ΔT是电机初温和末温之间的温差。

进一步，所述根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制这一步骤，具体为：

判断电机的整体温度是否大于设定阈值，若是，则采用强制风冷的方式对电机进行冷却控制；反之，则采用自然冷却的方式对电机进行冷却控制。

本发明所采取的第二技术方案是：

永磁同步电动机温升预测及保护系统，包括：

电机定子发热量计算模块，用于对电机定子的发热量进行计算；

介质散热能量计算模块，用于对电机的散热量进行计算；

电机转子磁体发热量计算模块，用于对电机转子的温度进行计算；

电机整体温度计算模块，用于根据计算的电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，对电机的整体温度进行计算；

电机冷却控制模块，用于根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制。

进一步，所述电机定子发热量计算模块包括：

外部注入能量计算单元，用于对电机定子的外部注入能量进行计算；

自励能量计算单元，用于对电机定子的自励能量进行计算。

进一步，所述电机整体温度计算模块包括：

温差计算单元，用于根据计算的电机定子的发热量和电机的散热量，计算电机初温和末温之间的温差；

整体温度计算单元，用于根据计算的电机初温和末温之间的温差以及电机转子的温度，计算电机的整体温度。

本发明所采取的第三技术方案是：

永磁同步电动机温升预测及保护装置，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载程序，以执行如第一技术方案所述的永磁同步电动机温升预测及保护方法。

本发明的有益效果是：本发明通过计算电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，然后计算电机的整体温度，最后对电机进行冷却控制，相较于现有只考虑定子发热量的温升计算方法，新增了电机转子温度的计算，降低了温升计算的误差，结果更加准确；另外，本发明采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制，相较于现有通过减小电流和工作时间来抑制升温的方法，本发明能够维持电机的工作电流和工作时间，适用于对转矩要求较高的场合，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的永磁同步电动机温升预测及保护方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明的永磁同步电动机温升预测及保护方法，包括以下步骤：

对电机定子的发热量进行计算；

对电机的散热量进行计算；

对电机转子的温度进行计算；

进一步作为优选的实施方式，所述对电机定子的发热量进行计算这一步骤，包括以下步骤：

其中，外部注入能量是指外部对电机通电时，电流通过电机后产生的热量；自励能量是指电机本身电磁感应所产生的热量。

进一步作为优选的实施方式，所述对电机的散热量进行计算这一步骤，包括以下步骤：

w_h＝σ×s×ΔT×t，

其中，σ是介质导热系数；s是电机定子与空气的接触面积，实际计算过程中要根据电机定子的形状来确定接触面积的大小；ΔT是电机初温和末温之间的温差；t为电机运行时间；

w_p＝ρ×Cp×ΔT×Qf×t，

本发明根据电机的散热状态计算电机的散热量，当电机处于自然冷却状态时，对电机的自然冷却热量进行计算；当电机处于强制风冷状态时，对电机的强制风冷热量进行计算。

进一步作为优选的实施方式，所述对电机转子的温度进行计算这一步骤，包括以下步骤：

对电机转子的磁通密度进行计算；

进一步作为优选的实施方式，所述根据计算的电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，对电机的整体温度进行计算这一步骤，包括以下步骤：

T_h＝T+△T，

进一步作为优选的实施方式，所述根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制这一步骤，具体为：

与图1的方法相对应，本发明的永磁同步电动机温升预测及保护系统，包括：

介质散热能量计算模块，用于对电机的散热量进行计算；

进一步作为优选的实施方式，所述电机定子发热量计算模块包括：

自励能量计算单元，用于对电机定子的自励能量进行计算。

进一步作为优选的实施方式，所述电机整体温度计算模块包括：

与图1的方法相对应，本发明的永磁同步电动机温升预测及保护装置，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载程序，以执行本发明的永磁同步电动机温升预测及保护方法。

下面以PC33的电机永磁体材料为例，详细介绍本发明的永磁同步电动机温升预测及保护方法的具体步骤流程：

S1、对电机定子的发热量进行计算；

其中，步骤S1具体包括以下步骤：

S11、对电机定子的外部注入能量进行计算，所述外部注入能量的计算公式为：

S12、对电机定子的自励能量进行计算，所述自励能量的计算公式为：

S2、对电机的散热量进行计算；

其中，步骤S2包括以下步骤：

S21、对电机的自然冷却热量进行计算，所述自然冷却热量的计算公式为：

w_h＝σ×s×ΔT×t，

S22、对电机的强制风冷热量进行计算，所述强制风冷热量的计算公式为：

w_p＝ρ×Cp×ΔT×Qf×t，

S3、对电机转子的温度进行计算；

其中，步骤S3包括以下步骤：

S31、对电机转子的磁通密度进行计算；

其中，步骤S31具体为：

根据永磁同步电动机的等效方程，计算电机转子的磁通密度；

所述永磁同步电动机的等效方程为：

其中，u_d是电机直轴(d轴)上的定子电压；u_q是电机交轴(q轴)上的定子电压；R_s是定子电阻；λ_q是电机交轴上的定子磁链；λ_d是电机直轴上的定子磁链；ω_f是电机的电角度；ω_r是电机的给定转速；ψ_f是电机转子的磁通密度；i_d是电机直轴(d轴)上的定子电流；i_q是电机交轴(q轴)上的定子电流；L_d是电机直轴(d轴)上的电感分量；L_q是电机交轴(q轴)上的电感分量；L_md是电机定子的相电感；I_df是等效电流；n_p是电机定子的磁极对数；

令等效方程中的i_d＝0和i_q＝0，则I_df＝0，由等效方程计算得到：

当i_d＝0和i_q＝0时，得到u_q＝E，E为电机反电动势，

进而计算得到电机转子的磁通密度：

S32、根据计算的电机转子的磁通密度，对电机转子的温度进行计算，所述电机转子的温度的计算公式为：

本发明计算出电机永磁体的磁通密度后，再根据永磁体的材料特性，算出永磁体的磁通-温度规律方程，进而算出对应磁通量的温度值。为了不失一般性，本发明选取永磁体材料的任意两个温度-磁通值：(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，然后代入计算得到的磁通密度，得到电机转子的温度计算公式。

表1为不同永磁体材料的磁通密度及温度关系表，如表1所示，本发明选用材料型号为PC33的电机永磁体材料，根据表中的饱和磁通量密度列，随机选取对应的温度-磁通值：(25°，520)和(100°，440)，然后把这两个参数值代入电机转子的温度的计算公式，进而计算得到电机转子的温度，得到：

表1

S4、根据计算的电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，对电机的整体温度进行计算；

其中，步骤S4具体包括以下步骤：

S41、根据计算的电机定子的发热量和电机的散热量，计算电机初温和末温之间的温差，所述电机初温和末温之间的温差的计算公式为：

本发明综合电机定子的发热量和电机转子的温度，得到：

其中，c代表比热容；m代表永磁体的质量；P的定义式如下：

代入P的定义式后得到电机初温和末温之间的温差的计算公式：

S42、根据计算的电机初温和末温之间的温差以及电机转子的温度，计算电机的整体温度，所述电机的整体温度的计算公式为：

T_h＝T+△T，

其中，T_h为电机的整体温度；T为电机转子的温度；ΔT是电机初温和末温之间的温差；

分别代入T和△T后得到：

S5、根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制。

其中，步骤S5具体为：判断电机的整体温度是否大于设定阈值，若是，则采用强制风冷的方式对电机进行冷却控制；反之，则采用自然冷却的方式对电机进行冷却控制。

综上所述，本发明的永磁同步电动机温升预测及保护方法、系统和装置具有以下优点：

1)、本发明通过循环切换自然冷却和强制风冷的冷却控制方式，使得电机维持在一定温度，能够保持永磁同步电动机长时间的工作，不降低电机扭矩且不影响电机使用性能。

2)、本发明根据电机实时温度上限和下限实施强制风冷，能够有效节能。

3)、本发明基于电机整体温度的计算，能够实现电机性能的最优发挥。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.永磁同步电动机温升预测及保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

对电机定子的发热量进行计算；

对电机的散热量进行计算；

对电机转子的温度进行计算；

根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制；

所述对电机定子的发热量进行计算这一步骤，包括以下步骤：

对电机定子的外部注入能量进行计算，所述外部注入能量w_e的计算公式为：

对电机定子的自励能量进行计算，所述自励能量w_i的计算公式为：

其中，E为电机反电动势；R为电机等效电阻；t为电机运行时间；

所述对电机的散热量进行计算这一步骤，包括以下步骤：

对电机的自然冷却热量进行计算，所述自然冷却热量w_h的计算公式为：

w_h＝σ×s×ΔT×t，

对电机的强制风冷热量进行计算，所述强制风冷热量w_p的计算公式为：

w_p＝ρ×Cp×ΔT×Qf×t，

其中，ρ是空气的密度；Cp是空气的比热；Qf是通风量；ΔT是电机初温和末温之间的温差；t为电机运行时间；

所述对电机转子的温度进行计算这一步骤，包括以下步骤：

对电机转子的磁通密度进行计算；

其中，T为电机转子的温度；ψ_f是电机转子的磁通密度；x₁代表电机转子磁体材料的第一温度值；y₁代表对应x₁温度下的磁通密度；x₂代表电机转子磁体材料的第二温度值；y₂代表对应x₂温度下的磁通密度；

所述根据计算的电机定子的发热量、电机的散热量和电机转子的温度，对电机的整体温度进行计算这一步骤，包括以下步骤：

T_h＝T+△T，

所述根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制这一步骤，具体为：

2.永磁同步电动机温升预测及保护系统，其特征在于：包括：

介质散热能量计算模块，用于对电机的散热量进行计算；

电机冷却控制模块，用于根据电机的整体温度，采用强制风冷和自然冷却中的任一种对电机进行冷却控制；

所述电机定子发热量计算模块包括：

自励能量计算单元，用于对电机定子的自励能量进行计算；

所述电机整体温度计算模块包括：

3.永磁同步电动机温升预测及保护装置，其特征在于：包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载程序，以执行如权利要求1所述的永磁同步电动机温升预测及保护方法。