CN111998971B - 测量电机定子绕组温度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量电机定子绕组温度的装置及方法，所述装置包括：连接组件、温度采集单元、数据传输单元及上位机；连接组件连接待测电机定子绕组；温度采集单元设于连接组件上；温度采集单元连接数据传输单元；数据传输单元连接上位机，上位机以待测点的温度为依据计算并显示待测电机定子绕组的温度。所述方法包括步骤：确定待测点，将所述温度采集单元设于待测点处；获取待测点处的温度；获取待测电机定子绕组的温度同待测点温度的逻辑关系；以待测点的温度及逻辑关系为依据，得到待测电机定子绕组的温度。本发明用于解决现有技术中由于电机内部没有预留温度传感器或者使用环境复杂只能通过电机外壳测温所导致的无法感知电机内部温度的问题。

Description

测量电机定子绕组温度的装置及方法

技术领域

本发明涉及电动机领域，具体涉及一种测量电机定子绕组温度的装置及方法。

背景技术

现今，电机在各行各业中有着举足轻重作用，新能源汽车、工业领域快速发展，大功率、高转速电机得到普遍的应用，然而高温一直制约着电机的性能，特别是电机绕组部位的温度，过高温度可能对电机造成不可逆转的影响；电机内部还有绝缘物质，高温也会致使失效并损坏。

在工业应用中，有些电机内部没有预留温度传感器位置或者使用环境复杂，只能通过电机外壳测温，这就导致无法感知电机内部温度，即无法对电机运行状态做出合理地预估，同时也会对电机的保养维护造成一定的影响。

发明内容

针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种测量电机定子绕组温度的装置及方法，用于解决现有技术中由于电机内部没有预留温度传感器或者使用环境复杂只能通过电机外壳测温所导致的无法感知电机内部温度，无法对电机状态做出合理地预估、同时会对电机的包养维护造成一定影响的问题。

本发明提供一种测量电机定子绕组温度的装置，所述装置包括：

连接组件、温度采集单元、数据传输单元及上位机；所述连接组件电性连接待测电机定子绕组；所述温度采集单元设于所述连接组件上；所述温度采集单元连接所述数据传输单元；所述数据传输单元通过通信网络连接所述上位机，所述上位机以接收到的连接组件上的待测点的温度为依据计算并显示待测电机定子绕组的温度。

在一个实施方式中，所述上位机包括：

数据接收单元、数据处理单元、以及结果显示单元；

所述数据传输单元连接所述数据接收单元；所述数据接收单元还连接所述数据处理单元；所述数据处理单元以接收到的连接组件上的待测点的温度为依据计算待测电机定子绕组的温度；所述数据处理单元还连接所述结果显示单元。

在一个实施方式中，所述连接组件包括至少一组连接部件，每组连接部件包括连接端子与连接导线，所述连接端子与连接导线电性连接。

在一个实施方式中，所述连接端子为接线柱。

在一个实施方式中，所述装置还包括壳体，所述连接端子设于所述壳体内部，所述壳体上设有通孔，所述连接导线穿过所述通孔，所述温度采集单元设于位于所述壳体外部的任一连接导线上。

本发明还提供一种利用所述装置实现的方法，包括步骤：

确定待测点，将所述温度采集单元设于待测点处；

获取待测点处的温度；

获取待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系；

以所述待测点的温度以及所述逻辑关系为依据，得到所述待测电机定子绕组的温度。

在一个实施方式中，获取待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系的步骤包括：

获取待测电机定子绕组同待测点之间的能量守恒关系式；

获取待测电机定子绕组同待测点之间的各部件之间的热阻网络模型；

获取待测电机定子绕组同待测点之间的各部件与环境之间的热阻网络模型。

在一个实施方式中，获取待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系的步骤还包括：

获取待测电机定子绕组同待测点之间的各部件的等效热阻。

在一个实施方式中，获取待测电机定子绕组同待测点之间的各部件的等效热阻的步骤包括：

通过红外扫描法、电测法、瞬态热测试界面法或稳态热测试界面法，获取电机同待测点之间的各部件的等效热阻。

综上所述，本发明是利用测量接入电机的电源线(即连接导线)的温度并结合热量传递等式逆序计算出定子绕组的温度的一种方法。在测量电机定子绕组温度的装置的近端，温度传感器测量电源线的温度，并经由数据传输单元与通信网络传递至上位机。上位机的数据实时监测不断更新；此过程需要电机工作一定的时间，使线圈有较为明显的温升，温度采集模块采集的数据会更精准，通过对温度的监测，观察上位机中电机升温的变化趋势，有利于保护电机的安全运行。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1显示为本发明一实施方式所述的测量电机定子绕组温度的装置的结构示意图；

图2显示为本发明一实施方式所述的上位机的结构示意图；

图3显示为本发明一实施方式所述的连接组件与壳体的结构示意图；

图4显示为本发明一实施方式所述的测量电机定子绕组温度的方法的流程图；

图5显示为本发明一实施方式所述的获取待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系的流程图；

图6显示为本发明一实施方式所述的待测电机定子绕组-待测点之间的能量守恒示意图；

图7显示为本发明一实施方式所述的待测电机定子绕组-待测点之间的热阻网络模型示意图。

元件标号说明

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它优点与功效。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。

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形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，一种测量电机定子绕组温度的装置，所述装置包括：连接组件1、温度采集单元2、数据传输单元3及上位机4；所述连接组件1电性连接待测电机定子绕组01；所述温度采集单元2设于所述连接组件1上；所述温度采集单元2连接所述数据传输单元3；所述数据传输单元3通过通信网络连接所述上位机4，所述上位机4以接收到的连接组件1上的待测点的温度为依据计算并显示待测电机定子绕组的温度。所述温度采集单元2除了采集待测点上的温度外，还用于采集环境温度，所述的待测点位于连接组件上。

上位机4内具有待测电机定子绕组的温度与待测点的温度之间的逻辑关系，通过该逻辑关系，利用上位机4的数据处理能力能够计算出待测电机定子绕组的温度。

因此，通过上述的测量电机定子绕组温度的装置，无需对现有电机做出硬件上的改动，便能够准确有效的得出待测电机定子绕组的温度。

在某一实施方式中，温度采集单元2例如为温度传感器。所述温度传感器可以为各种温度计、热电偶温度传感器或其他热敏元器件。

如图2所示，在某一实施方式中，所述上位机4包括：数据接收单元41、数据处理单元42、以及结果显示单元43；所述数据传输单元3连接所述数据接收单元41；所述数据接收单元41还连接所述数据处理单元42；所述数据处理单元42以接收到的连接组件1上的待测点的温度为依据计算待测电机定子绕组的温度；所述数据处理单元42还连接所述结果显示单元43。

在某一实施方式中，通信网络可为有线方式如RS232、USB等或无线方式如蓝牙、WIFI等协议开发实现。

如图3所示，在某一实施方式中，所述连接组件1包括至少一组连接部件11，每组连接部件11包括连接端子111与连接导线112，所述连接端子111与连接导线112电性连接。所述的连接导线112例如为电机的电源线。

如图3所示，在某一实施方式中，所述连接端子111为接线柱。所述接线柱将连接导线112及电机定子绕组连接在一起，其与电机定子绕组可通过螺柱连接、螺丝连接、焊接、胶接或其他方式连接，其材料可选用铁、铜、铝金、银、合金等金属或金属合成物。连接导线112为绝缘导线，其电线芯材料可为铜、铝、金、银、合金等金属或金属合成物。

如图3所示，在某一实施方式中，所述装置还包括壳体5，所述连接端子111设于所述壳体5内部，所述壳体5上设有通孔6，所述连接导线112穿过所述通孔5，所述温度采集单元2设于位于所述壳体5外部的任一连接导线112上。

在本发明所述的不同实施方式中，通过待测电机定子绕组的温度与待测点的温度之间的逻辑关系，然后利用待测点的温度得出待测电机定子绕组的温度，以感知电机内部温度，从而能够对电机运行状态做出合理地预估，同时也会为电机的保养维提供有效的保障。

如图4所示，本发明还提供一种测量电机定子绕组温度的方法，所述方法利用上述装置实现，包括步骤：

S1，确定待测点，将所述温度采集单元设于待测点处；

S2，获取待测点处的温度及环境温度；

S3，获取待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系；

S4，以所述待测点的温度、环境温度以及所述逻辑关系为依据，得到所述待测电机定子绕组的温度。

本发明是利用测量接入电机的电源线(即连接导线112)的温度并结合热量传递等式逆序计算出定子绕组的温度的一种方法。在测量电机定子绕组温度的装置的近端，温度传感器测量电源线的温度，并经由数据传输单元3与通信网络传递至上位机4。上位机的数据实时监测不断更新；此过程需要电机工作一定的时间，使线圈有较为明显的温升，温度采集模块采集的数据会更精准，通过对温度的监测，观察上位机结果显示单元中电机升温的变化趋势，有利于保护电机的安全运行。

如图5所示，在某一实施方式中，获取待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系的步骤包括：

S31，获取待测电机定子绕组同待测点之间的能量守恒关系式；S32，获取待测电机定子绕组同待测点之间的各部件之间的热阻网络模型；需要说明的是所述的待测电机定子绕组同待测点之间的各部件可以是同一组连接组件上的各个部件，也可以是不同组连接组件上的各个部件，当是不同组连接组件上的各个部件时，则需要保证所采用的各个部件在待测电机定子绕组-待测点之间的能量守恒的完备性。例如，所述的待测电机定子绕组同待测点之间的各部件可以由以下关系构成：第一组连接组件上的连接端子，第二组连接组件上的连接导线以及位于第三组连接组件上的待测点。S33，获取待测电机定子绕组同待测点之间的各部件与环境之间的热阻网络模型；其中，S32中所述的待测电机定子绕组同待测点之间的各部件之间的热阻网络模型及S33中所述的待测电机定子绕组同待测点之间的各部件与环境之间的热阻网络模型可以通过上位机中的MATLAB进行建立，并由MATLAB进行数据计算，MATLAB位于数据处理单元42中，并且能够将计算结果传输至结果显示单元43。S34，获取待测电机定子绕组同待测点之间的各部件的等效热阻，在步骤S34中，可以通过红外扫描法、电测法、瞬态热测试界面法或稳态热测试界面法，获取电机同待测点之间的各部件的等效热阻。具体地：

如图6所示，由能量守恒可得：

其中，q₂，q₄，q₆，q₈分别表示待测电机定子绕组与环境的换热功率，待测电机定子绕组与接触点之间导线与环境的换热功率，接触点与环境的换热功率，接触点与待测点之间导线与环境的换热功率，q₁表示待测电机定子绕组处热源热功率，q₃，q₅，q₇，q₉分别表示待测电机定子绕组至导线传导热热功率，导线至接触点传导热热功率，接触点至导线传导热热功率及导线至待测点的传导热热功率。

由图6和式(1)可知上述涉及到的热量主要可以分为两类，一类是由材料的欧姆内阻和边界接触热阻产生的热，另一类是材料与环境的散热。又因为热量的直观表现为温度，因此可将上述能量守恒转化为热阻网络图如图7所示：

其中，T_Amb表示环境温度，该温度也可经由温度采集单元2测得，T₁表示待测电机定子绕组处温度，T₂与T₃表示待测电机定子绕组与连接导线界面处温度，且T₂＝T₃，T₄与T₅表示导线与接线柱界面处温度，且T₄＝T₅，T₆与T₇表示接线柱与另一处导线界面处温度，且T₆＝T₇，T₈与T₉表示导线与待测点界面处的温度，且T₈＝T₉，T₁₀表示待测点的温度。

当电机、导线、接线柱和热电偶选型确定后，上述各参数主要可以分为两类，一类为环境温度和导线上测量点处的温度T₁₀，其大小可以通过温度信息采集单元测得。另一类为各零部件之间或零部件与环境之间的等效热阻，其中，各材料之间的直接接触和非理想连接导致的等效热阻可以由红外扫描法、电测法、瞬态热测试界面法或稳态热测试界面法等方法通过实验测量得到，具体方法内容此处不赘述。

进一步地，等式(2)表示热阻的概念，其中，T_1x为物体一端的温度，T_2x为物体另一端的温度，q为发热源的功率。

进一步地，相较于电机表面温度，计算电机发热功率较为容易，电机发热功率可由等式(3)计算，如下所示：

其中，I表示电机定子绕组工作电流，r表示电机定子绕组内阻，A表示电机定子绕组表面积。

由图7可知，当已知各零部件之间及零部件与环境之间的等效热阻以及测量点的温度，即可得到等式(4)，如下式所示：

其中，R_motor表示待测电机定子绕组等效热阻，R_motor,pkg,cv表示待测电机定子绕组与环境由对流传热引起的等效热阻，R_wire1表示待测电机定子绕组至接线柱之间导线的等效热阻，R_wire1,pkg,cv表示待测电机定子绕组至接线柱之间导线与环境由对流传热引起的等效热阻，R_wire1,con表示待测电机定子绕组至接线柱之间的导线与接线柱的非理想接触表面引起的等效热阻，R_con,pkg,cv表示接线柱与环境之间由对流传热引起的等效热阻，R_con,wire2表示接线柱与接线柱至待测点之间的导线之间的等效热阻，R_wire2,pkg,cv表示接线柱至待测点之间的导线与环境由对流传热引起的等效热阻，R_wire2,ther表示接线柱至监测点之间的导线与监测点处热电偶之间由于非理想接触引起的等效热阻。

各等效热阻R可由红外扫描法、电测法、瞬态热测试界面法或稳态热测试界面法等方法测量，待测点的温度T₁₀可由温度采集单元测量，基于辨识得到的参数及等式(1)-(4)即可逆推得到最终的待测电机的定子绕组的温度。

由于上述测量得到的等效热阻为随温度等变化而变化的值，且各参数之间相互偶合，因此其计算较为复杂，可以借助上位机4中的数据处理单元42进行数值计算，并由结果显示单元43进行计算结果显示。

综上所述，本发明是利用测量接入电机的电源线的温度并结合热量传递等式逆序计算出定子绕组的温度的一种装置及方法。温度传感器测量电源线的温度，温度传感器测得的数据信号通过数据传输单元3发送给上位机，上位机的数据实时监测不断更新；此过程需要电机工作一定的时间(该时间的具体范围为某一设定的时间范围值)，使电机定子绕组有较为明显的温升，温度采集单元采集的数据会更精准，利用本发明所述装置及方法通过对待测点的温度的监测，观察上位机4中的结果显示单元43显示的电机升温的变化趋势，有利于保护电机的安全运行。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。

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，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种测量电机定子绕组温度的装置，其特征在于，所述装置包括：

壳体、连接组件、温度采集单元、数据传输单元及上位机；所述连接组件包括至少一组连接部件，每组连接部件包括连接端子和连接导线，所述连接端子在所述壳体内电性连接待测电机定子绕组，所述连接端子设于所述壳体内部，所述壳体上设有通孔，所述连接导线穿过所述通孔，所述温度采集单元设于位于所述壳体外部的任一连接导线上、并位于所述连接组件的待测点处，以检测所述连接组件的所述待测点的温度和环境温度；所述温度采集单元连接所述数据传输单元；所述数据传输单元通过通信网络连接所述上位机，所述上位机以接收到的所述连接组件上的所述待测点的温度为依据计算并显示所述待测电机定子绕组的温度；

其中，所述装置采用以下步骤来测量所述待测电机定子绕组的温度：

确定所述待测点，将所述温度采集单元设于所述待测点处；

获取所述待测点处的温度；

获取所述待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系；以及

以所述待测点的温度以及所述逻辑关系为依据，得到所述待测电机定子绕组的温度；

其中，所述获取所述待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系的步骤包括：

获取所述待测电机定子绕组同所述待测点之间的能量守恒关系式；

获取所述待测电机定子绕组同所述待测点之间的各部件之间的热阻网络模型；

获取所述待测电机定子绕组同所述待测点之间的各部件与环境之间的热阻网络模型。

2.根据权利要求1所述的测量电机定子绕组温度的装置，其特征在于，所述上位机包括：

数据接收单元、数据处理单元、以及结果显示单元；

所述数据传输单元连接所述数据接收单元；所述数据接收单元还连接所述数据处理单元；所述数据处理单元以接收到的所述连接组件上的所述待测点的温度为依据计算所述待测电机定子绕组的温度；所述数据处理单元还连接所述结果显示单元。

3.根据权利要求1所述的测量电机定子绕组温度的装置，其特征在于，所述连接端子为接线柱。

4.根据权利要求1所述的测量电机定子绕组温度的装置，其特征在于，所述获取所述待测电机定子绕组的温度同所述待测点温度的逻辑关系的步骤还包括：

获取所述待测电机定子绕组同所述待测点之间的各部件的等效热阻。

5.根据权利要求4所述的测量电机定子绕组温度的装置，其特征在于，所述获取所述待测电机定子绕组同所述待测点之间的各部件的等效热阻的步骤包括：

通过红外扫描法、电测法、瞬态热测试界面法或稳态热测试界面法，获取电机同所述待测点之间的各部件的等效热阻。

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