CN110880838A - 一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置及方法，所述装置包括：磁敏传感器，设置于电机定子端盖或电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置，用于实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号；信号放大电路，用于对所述磁敏传感器检测到的磁场强度信号进行放大处理；模数转换电路，用于对经所述信号放大电路放大后的模拟的磁场强度信号进行模数转换成数字的磁场强度信号；微处理器，用于对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体当前的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的。

Description

一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置及方法。

背景技术

永磁同步电动机(英文名称为permanent magnet synchronous motor，简称PMSM)主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。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，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，根据在转子上安放永磁体的位置的不同，永磁同步电动机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构。

一般来说，对于长期运转的设备或机车等高安全的电机，控制温升对安全生产非常必要，因此，对于永磁同步电机转子的温度测量越来越受到关注。

对于永磁同步电机转子的温度测量，目前常用的技术分为两种：

1、软件测量法：常见的方法是利用永磁同步电机反电势间接估计永磁体温度，其主要是基于永磁材料随着工作温度的升高，在一定温度范围内出现可逆退磁的现象，并且永磁材料的温度系数在一定温度范围内为定值。永磁体温度升高，其剩余磁通密度减少，此时测量得到的永磁体反电势也降低。然而这种方法的根本局限性表现在：

(a)空载反电势与温度变化成近似反比关系，在正常工作时，无法精确检测空载反电势；需要将正常运行状态切换到空载测试，既影响驾驶的舒适感，长时间在高速时，由于高反电势还无法进行测试。

(b)空载反电势的变化范围小，难以高精度检测转子温度。比如我司采用的磁钢剩磁温度系数为-0.11～-0.12％/℃，即使变化100度，反电势变化11％-12％。

2、测量法包括接触式测温和非接触式测温两种方法：1)接触式测温法在转子内部埋置温度传感器，并通过特定的信号传输方式将温度信号引出，引出的方法有机械式滑环或者无线传输技术如红外、蓝牙等，该方法如果通过机械滑环方式传送温度信号，由于接触电阻变化大，可靠性较低；而如果采用无线传输，由于电机内部恶劣的电磁环境，通信的可靠性较低；2)非接触式测温，即间接测量法，一般采用电机的热模型实现，然而由于无法准确知道电机的热模型，需要大量的试验研究，存储大量表格，而且电机热模型与散热条件有关，对于转子温度的估计存在很大的局限性。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置及方法，以实现高精度、不受电机运行状态影响、实时非接触式检测转子永磁体温度的目的。

为达上述目的，本发明提出一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，包括：

磁敏传感器，设置于电机定子端盖或电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置，用于实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号；

信号放大电路，用于对所述磁敏传感器检测到的磁场强度信号进行放大处理；

模数转换电路，用于对经所述信号放大电路放大后的模拟的磁场强度信号进行模数转换成数字的磁场强度信号；

微处理器，用于对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体当前的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的。

优选地，所述磁敏传感器用于检测电机转子端部轴向永磁体漏磁产生的磁场强度信号。

优选地，所述磁敏传感器的检测磁场方向与电机转子端部永磁体轴向相同。

优选地，在所述转子端部安装一块或者等间距安装数块与所述转子永磁体材质相同的检测永磁体。

优选地，所述磁敏传感器用于检测在所述转子端部预埋的所述检测永磁体的磁场强度信号。

优选地，所述微处理器采用如下公式计算所述转子永磁体的当前温度：

其中，T0为设定温度，T为当前待测温度，BrT0为温度T0℃时永磁体剩余磁通密度，BrT为当前温度T℃时检测获得的永磁体剩余磁通密度，α为温度T0时的永磁体温度系数。

为达到上述目的，本发明还提供一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法，包括如下步骤：

步骤S1，于电机定子端盖或电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置设置一磁敏传感器，利用所述磁敏传感器实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号；

步骤S2，利用信号放大电路对磁敏传感器检测到的磁场强度信号进行放大处理；

步骤S3，对放大后的模拟的磁场强度信号利用模数转换电路进行模数转换成数字的磁场强度信号；

步骤S4，利用微处理器对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体当前的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的。

优选地，利用所述磁敏传感器检测电机转子端部轴向永磁体漏磁产生的磁场强度信号。

优选地，于所述电机转子端部安装一块或者等间距安装数块与转子永磁体材质相同的检测永磁体，利用所述磁敏传感器检测在所述电机转子端部预埋的检测永磁体的磁场强度信号。

优选地，于步骤S4中，采用如下公式计算所述转子永磁体的当前温度：

其中，T0为设定温度，T为当前待测温度，BrT0为温度T0℃时永磁体剩余磁通密度，BrT为当前温度T℃时检测获得的永磁体剩余磁通密度，α为温度T0时的永磁体温度系数。

与现有技术相比，本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置及方法通过于电机转子端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置设置磁敏传感器，利用所述磁敏传感器实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号，并对检测到的磁场强度信号进行放大、模数转换处理，最后由微处理器对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体当前的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的，通过本发明，可实现高精度、不受电机运行状态影响、实时非接触式检测转子永磁体温度的目的。

附图说明

图1为本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置的结构示意图；

图2为本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图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示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，包括：

磁敏传感器101，设置于电机定子端盖或者电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置，用于实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号，在本发明具体实施例中，利用磁敏传感器101检测获得电机转子端部永磁体剩余磁通密度；在本发明中，电机端盖及定子端盖采用铝质等非导磁材质，因此磁敏传感器101及相关的检测电路可以安装在电机定子端盖内部，也可以安装在电机定子端盖外部，均不影响检测结果的有效性，本发明不以此为限。

在本发明一实施例中，所述磁敏传感器101用于检测电机转子端部轴向永磁体漏磁产生的磁场强度，同时为了避免干扰，该磁敏传感器的检测磁场方向与电机转子端部永磁体轴向相同。

在本发明另一实施例中，为了消除转子永磁体漏磁受电机定子的影响，本发明还包括一块或数块检测永磁体，所述检测永磁体设置于转子端部，也就是说，在转子端部安装一块或者等间距安装数块与转子永磁体材质一样的检测永磁体，只用于端部磁场检测，这个检测的前提是认为，转子通过热传导，转子永磁体、转子铁芯与端盖检测的永磁体达到了一个热平衡。磁敏传感器101用于检测在该转子端部预埋的永磁体的磁场强度信号。

信号放大电路102，用于对磁敏传感器101检测到的磁场强度信号进行放大处理。优选地，信号放大电路102还可包括对信号进行温度漂移、零偏校准以及软硬件滤波处理等措施，由于上述功能为信号放大电路的常规功能，在此不予赘述。

模数转换电路103，用于对经信号放大电路102放大后的模拟的磁场强度信号进行模数转换成数字的磁场强度信号。在本发明具体实施例中，模数转换电路103可以是微处理器内部自带的电路，也可以是外置的电路，本发明不以为为限。

微处理器104，用于对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的。在本发明具体实施例中，微处理器104通过CAN通信，即CAN接口，将转子永磁体温度传送给电机控制器。

对于目前永磁同步电机使用的两类高性能永磁材料钕铁硼和钐钴合金二者温度系数在电机正常工作范围内(不包括永磁同步电机运行温度过高超过电机设计的绝缘耐热等级造成永磁体不可逆失磁的工作状态)可以认为是常值，其中钕铁硼温度系数为-0.13％/K～-0.09％/K，钐钴合金温度系数为-0.01％/K～-0.03％/K。永磁同步电机运行过程中转子永磁体剩余磁通密度随温度升高而逐渐减少，如式(1)所示

BrT＝BrT0×(1+α(T-T0)) (1)

上式中，T0为设定温度如常温，T为待测温度，BrT0是温度T0℃时永磁体剩余磁通密度，单位T(特斯拉)；BrT是温度T℃时永磁体剩余磁通密度，单位T；α为温度T0时的永磁体温度系数，为负值，单位％/K。

根据式(1)，如果检测出当前的磁体剩余磁通密度BrT，则转子永磁体的温度T就可以求出，具体计算公式如下公式(2)所示。

在本发明具体实施例中，当温度降低，温度T小于T0时，检测到BrT大于BrT0，温度降低一般不会对电机运转造成不良影响，此时不需将其传送至电机控制器。

图2为本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法，包括如下步骤：

步骤S1，于电机定子端盖或者电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置设置一磁敏传感器，利用所述磁敏传感器实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号。在本发明中，电机端盖及定子端盖采用铝质等非导磁材质，因此磁敏传感器及相关的检测电路可以安装在电机定子端盖内部，也可以安装在电机定子端盖外部，均不影响检测结果的有效性，本发明不以此为限。

在本发明一实施例中，利用所述磁敏传感器检测电机转子端部轴向永磁体漏磁产生的磁场强度，同时为了避免干扰，该磁敏传感器的检测磁场方向与电机转子端部永磁体轴向相同。

在本发明另一实施例中，为了消除转子永磁体漏磁受电机定子的影响，可在电子转子端部安装一块或者等间距安装数块与转子永磁体材质一样的永磁体，以用于电机转子端部的磁场检测，即，利用所述磁敏传感器检测在该转子端部预埋的永磁体的磁场强度信号。

步骤S2，利用信号放大电路对磁敏传感器检测到的磁场强度信号进行放大处理。优选地，在对磁场强度信号进行放大处理的同时还可包括对信号进行温度漂移、零偏校准以及软硬件滤波等处理措施，由于上述功能为信号放大电路的常规功能，在此不予赘述。

步骤S3，对放大后的模拟的磁场强度信号利用模数转换电路进行模数转换成数字的磁场强度信号。在本发明具体实施例中，模数转换电路可以是微处理器内部自带的电路，也可以是外置的电路，本发明不以为为限。

步骤S4，利用微处理器对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体的当前温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的。在本发明具体实施例中，微处理器通过CAN通信，即CAN接口，与电机控制器通信，将转子永磁体温度传送给电机控制器。

在本发明具体实施例中，利用如下永磁体温度计算公式计算出转子永磁体的当前温度：

其中，T0为设定温度如常温，T为当前待测温度，BrT0为温度T0℃时永磁体剩余磁通密度，单位T(特斯拉)；BrT为当前温度T℃时永磁体剩余磁通密度，即检测获得的当前磁场强度信号，单位T；α为温度T0时的永磁体温度系数，为负值，单位％/K。

在本发明具体实施例中，当温度降低，温度T小于T0时，检测到BrT大于BrT0，温度降低一般不会对电机运转造成不良影响，此时不需将其传送至电机控制器。

综上所述，本发明一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置及方法通过于电机定子端盖或电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置设置磁敏传感器，利用所述磁敏传感器实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号，并对检测到的磁场强度信号进行放大、模数转换处理，最后由微处理器对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体当前的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的，通过本发明，可实现高精度、不受电机运行状态影响、实时非接触式检测转子永磁体温度的目的。

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。任何本领域技术人员均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与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，包括：

磁敏传感器，设置于电机定子端盖或电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置，用于实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号；

信号放大电路，用于对所述磁敏传感器检测到的磁场强度信号进行放大处理；

模数转换电路，用于对经所述信号放大电路放大后的模拟的磁场强度信号进行模数转换成数字的磁场强度信号；

微处理器，用于对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体当前的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，其特征在于：所述磁敏传感器用于检测电机转子端部轴向永磁体漏磁产生的磁场强度信号。

3.如权利要求2所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，其特征在于：所述磁敏传感器的检测磁场方向与电机转子端部永磁体轴向相同。

4.如权利要求1所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，其特征在于：在所述转子端部安装一块或者等间距安装数块与所述转子永磁体材质相同的检测永磁体。

5.如权利要求4所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，其特征在于：所述磁敏传感器用于检测在所述转子端部预埋的所述检测永磁体的磁场强度信号。

6.如权利要求4所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测装置，其特征在于，所述微处理器采用如下公式计算所述转子永磁体的当前温度：

其中，T0为设定温度，T为当前待测温度，BrT0为温度T0℃时永磁体剩余磁通密度，BrT为当前温度T℃时检测获得的永磁体剩余磁通密度，α为温度T0时的永磁体温度系数。

7.一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法，包括如下步骤：

步骤S1，于电机定子端盖或电机端盖的内部或者外部与转子永磁体相对的位置设置一磁敏传感器，利用所述磁敏传感器实时检测电机转子端部永磁体磁场强度信号；

步骤S2，利用信号放大电路对磁敏传感器检测到的磁场强度信号进行放大处理；

步骤S3，对放大后的模拟的磁场强度信号利用模数转换电路进行模数转换成数字的磁场强度信号；

步骤S4，利用微处理器对数字信号形式的磁场强度信号进行分析处理，根据磁场强度峰值大小的变化来计算转子永磁体当前的温度，并将其传送至电机控制器，由电机控制器根据当前的转子永磁体温度对电机进行控制，达到保护电机的目的。

8.如权利要求7所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法，其特征在于：利用所述磁敏传感器检测电机转子端部轴向永磁体漏磁产生的磁场强度信号。

9.如权利要求7所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法，其特征在于：于所述电机转子端部安装一块或者等间距安装数块与转子永磁体材质相同的检测永磁体，利用所述磁敏传感器检测在所述电机转子端部预埋的检测永磁体的磁场强度信号。

10.如权利要求7所述的一种永磁同步电动机转子永磁体温度检测方法，其特征在于，于步骤S4中，采用如下公式计算所述转子永磁体的当前温度：

其中，T0为设定温度，T为当前待测温度，BrT0为温度T0℃时永磁体剩余磁通密度，BrT为当前温度T℃时检测获得的永磁体剩余磁通密度，α为温度T0时的永磁体温度系数。

Images