CN112242803B - 内嵌式永磁同步电机转子永磁体的温度估算方法 - Google Patents

Abstract

一种内嵌式永磁同步电机转子永磁体的温度估算方法，通过仿真的方式得到包括仿真的永磁体温度及各种损耗，并将这些损耗制作为表格，当电机运行于不同的工况下时，通过查表的方式将这些损耗作为输入传递给温度估算算法，通过算法计算得到永磁体的实时温度。本发明能够在永磁体温度变化时准确得到永磁体的磁通量，使电机输出的实时扭矩计算更精确。

Description

内嵌式永磁同步电机转子永磁体的温度估算方法

技术领域

本发明涉及的是一种电机领域的技术，具体是一种内嵌式永磁同步电机转子永磁体的温度估算方法。

背景技术

为了达到电机输出扭矩控制精度的要求，以及扭矩安全目标ASIL等级的需求，需要对电机输出的实时扭矩进行计算。由于电机长时间运行，电流产生的热量经热传递会使永磁体的Flux产生不同程度的减弱，导致电机实际输出扭矩下降，因此，采用永磁体温度估算的方法可以在永磁体温度变化时，准确得到永磁体的磁通量，使电机输出的实时扭矩计算更加精确。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种内嵌式永磁同步电机转子永磁体的温度估算方法，能够在永磁体温度变化时准确得到永磁体的磁通量，使电机输出的实时扭矩计算更精确。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种内嵌式永磁同步电机转子永磁体的温度估算方法，其包括以下步骤：

1)将三相Y型绕组连接的内嵌式永磁同步电机与三相逆变控制器系统中释放热量和带走热量的部件等效为节点，等效节点包括：定子绕阻(Winding)、定子轭部(Yoke)、定子齿部(Tooth)、冷却水(Coolant)和永磁体(Magnet)，将节点通过热阻、热容连接起来，得到电机及三相逆变控制器系统的热传递等效节点网络模型。

所述的电机为内嵌式三相永磁同步电机，三相永磁同步电机定子中绕组采用多层绕组设计，定子绕组采用Y型连接，定子绕组不同部位安装有三个温度传感器，三相永磁同步电机转子永磁体带有斜极。

所述的热传递等效节点网络模型是指：对电机与三相逆变控制器系统中的主要热相关部件进行等效，依据电机控制器系统内部的热量传递规律，对电机主要部件建立的等效节点热平衡方程网路模型。

2)运用类似节点电流法得出各节点热平衡方程：

定子绕组节点的热平衡方程为

定子轭部节点的热平衡方程为

定子齿部节点的热平衡方程为

Magnet节点的热平衡方程为

其中：R1、R2、R3、R4、R5和R6为等效热阻，Cp_winding、Cp_yoke、Cp_tooth和Cp_magnet为等效传热系数，T_winding为绕组温度，T_yoke为颚部温度，T_tooth为齿部温度，T_magnet为永磁体温度，T_coolant为冷却水温度，Q_CuLoss为铜损，Q_YokeLoss为颚部损耗，Q_ToothLoss为齿部损耗，Q_CoreLoss为铁损，从而生成热网络模型。

3)得到电机定子绕组电阻与绕组温度的关系函数R＝fun(R₀,t)，其中：R₀为初始温度下的相电阻阻值，t为当前温度，通过公式Q_CuLoss＝I²×R，计算定子绕组热损耗；

4)通过仿真的方式得到电机在不同转速和电流工况下的定子轭部热损耗Q_YokeLoss、定子齿部热损耗Q_ToothLoss、转子涡流铁损耗Q_{RotorCoreLoss}，并且针对电机的不同工作点，将电机不同工作点下的工作转速(单位RPM)和永磁同步电机定子绕组电流有效值Is(单位A)作为输入，并将电机的不同损耗作为表格的内容，制作成以转速和电流为输入，损耗为输出的二维表格(单位W)。

所述的仿真的方式是指使用MaxWell仿真软件，通过设定电机的工作转速和定子相电流，得到在不同转速和电流工作点下的电机损耗：定子轭部热损耗Q_YokeLoss、定子齿部热损耗Q_ToothLoss、转子涡流铁损耗Q_{RotorCoreLoss}、定子绕组热损耗Q_CuLoss。

5)采用负温度系数热敏电阻测量电机冷却液入水口冷却液温度T_Coolant，简化步骤2中的节点热平衡方程，得状态空间方程：

其中：T₁＝T_winding，T₂＝T_yoke，T₃＝T_tooth，T₄＝T_magnet，C₁＝C_pwinding，C₂＝C_pyoke，C₃＝C_ptooth，C₄＝C_pmagnet；

6)对状态空间方程进行周期离散化，即以不同计算时刻表示的离散方程，通过Matlab中的Simulink建模，利用EmbeddedCoder生成代码，在周期为T的任务中执行函数，得到可以在硬件数字控制器(如DSP)上执行的软件，当电机运行于不同的工况下时，通过该软件计算得到永磁体的实时温度。

所述的离散化是指：以指定永磁体温度估算法在数字控制器中的执行周期为T；运用MATLAB提供的函数命令进行离散化，得到离散化系数矩阵[G,H]＝c2d(factor_Vector_A,factor_Vector_B,T)，其中：

所述的周期离散化是指：对于用连续控制系统的概念设计的控制系统，使用不同的离散化方法，将连续控制系统转化为可以在数字控制器上以不同执行周期运行的离散系统的方法。

所述的建模，建立得到的模型是：用离散化方程表示的，带有指定执行周期的，可以实现永磁体温度估算功能，并可用以仿真和代码生成的Simulink模型。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：连续时间系统模块、输入信号采集模块、MaxWell仿真模块、MotorCAD仿真模块、连续时间系统离散化模块、Simulink模型搭建及代码生成模块、实验测试模块以及仿真与实验结果对比模块，其中：连续时间系统模块完成连续时间系统模型建立，输入信号采集模块采集模型输入信号，MaxWell仿真模块计算损耗，MotorCAD模块仿真得到永磁体温度，连续时间系统离散化模块得到可以在DSP等数字处理器上运行的离散化模型，Simulink模型搭建及代码生成模块得到可以实现仿真与代码生成的Simulink模型，实验测试模块得到永磁体估算温度，仿真结果与实验对比模块得到优化后的模型系数。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用永磁体温度估算方法能够在永磁体温度变化时，准确得到永磁体的磁通量，不受由于电机长时间运行所导致的永磁体磁通量下降的影响，能够实时计算电机输出的扭矩以满足对电机输出扭矩计算精度的要求。

附图说明

图1为热传递等效节点网络模型示意图；

图2为将Maxwell仿真得到的损耗输入到MotorCAD中，在一组运行工况下通过MotorCAD仿真得到的组成电机各部件的温度分布图，图中可以清晰看到冷却水温度、电机绕组(Winding)温度、齿部(Tooth)温度、轭部(Yoke)温度、永磁体(Magnet)温度；

图3为将电机运行在一组仿真测试环境下，电机各部件温度达到稳态后，在MotorCAD中生成的热路网络模型示意图，图中可以看到各节点的热阻R和热容C；

图4为实施流程示意图；

图5为永磁体温度估算算法实现后，在对拖台架上测试后得到的一组永磁体温度估算算法结果。

具体实施方式

如图4所示，本实施例提供了一种内嵌式永磁同步电机转子永磁体温度估算方法，其步骤如下：

步骤①将电机的释放热量和带走热量的部件定义为节点，包括：绕阻(Winding)、轭部(Yoke)、齿部(Tooth)和永磁体(Magnet)，将节点通过热阻连接起来，得到如图1所示的热传递等效节点网络模型；

步骤②运用类似节点电流法得出各节点的热平衡方程：

定子绕组节点的热平衡方程为

定子轭部节点的热平衡方程为

定子齿部节点的热平衡方程为

Magnet节点的热平衡方程为

其中：R1、R2、R3、R4、R5和R6为等效热阻，Cp_winding、Cp_yoke、Cp_tooth和Cp_magnet为等效传热系数，T_winding为绕组温度，T_yoke为颚部温度，T_tooth为齿部温度，T_magnet为永磁体温度，T_coolant为冷却水温度，Q_CuLoss为铜损，Q_YokeLoss为颚部损耗，Q_ToothLoss为齿部损耗，Q_CoreLoss为铁损，在MotorCAD中生成如图2和图3所示的热网络模型；

步骤③得到电机定子绕组电阻与绕组温度的关系函数R＝fun(R₀,t)，其中：R₀为初始温度下的电阻阻值，t为当前绕组温度；

步骤④通过公式Q_CuLoss＝I²×R，计算定子绕组热损耗；

步骤⑤通过仿真的方式得到电机在不同转速和扭矩的工况下的定子轭部热损耗Q_YokeLoss、定子齿部热损耗Q_ToothLoss、转子涡流铁损耗Q_{RotorCoreLoss}，并且制作为查表；

步骤⑥运用负温度系数热敏电阻测量T_Coolant；

步骤⑦简化Winding、Yoke、Tooth和Magnet的节点热平衡方程，得状态空间方程：

其中：T₁＝T_winding，T₂＝T_yoke，T₃＝T_tooth，T₄＝T_magnet，C₁＝C_pwinding，C₂＝C_pyoke，C₃＝C_ptooth，C₄＝C_pmagnet；

步骤⑧周期离散化以指定永磁体温度估算法在数字控制器中的执行周期为T；

步骤⑨运用MATLAB命令进行离散化，得到离散化系数矩阵，

令[G,H]＝c2d(factor_Vector_A,factor_Vector_B,T)，其中：

步骤⑩运用Matlab中的Simulink建模，利用EmbeddedCoder生成代码，在周期为T的任务中执行函数。

本实例具体通过电机、逆变器二合一控制器作为测试平台，结合具体永磁体温度估算的案例，将连续控制系统的离散化建模、设计、实现作了详细的阐述，指明了永磁体温度估算的技术路线与实现方法。不仅能够估算永磁体温度，同时也能估算状态空间方程中其余热网络节点的温度。

本方法通过建模仿真的方式得到永磁体温度的仿真结果以及电机控制器系统的损耗。将电机控制器系统的损耗，即：定子绕阻(Winding)损耗、定子轭部(Yoke)损耗、定子齿部(Tooth)损耗、冷却水(Coolant)温度和永磁体(Magnet)损耗，作为温度估算算法的输入。将电机运行于不同的转速、扭矩工况下，得到在不同运行工况下的永磁体温度。通过在不同运行工况下的测试，修正状态方程的系数，并将算法估算的永磁体温度结果与通过软件仿真的结果进行对比，进一步提高永磁体估算温度的精度。

如图5所示，给出了使用优化后的模型进行永磁体温度估算的一组测试结果，通过本发明实现的温度估算算法，在数字运算控制器(DSP)上运行后，得到的在一组测试条件下估算出的永磁体实时温度曲线。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种内嵌式永磁同步电机转子永磁体的温度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将三相Y型绕组连接的内嵌式永磁同步电机与三相逆变控制器系统中释放热量和带走热量的部件等效为节点，等效节点包括：定子绕阻、定子轭部、定子齿部、冷却水和永磁体，将节点通过热阻、热容连接起来，得到电机及三相逆变控制器系统的热传递等效节点网络模型；

2)运用节点电流法得出各节点热平衡方程：

定子绕组节点的热平衡方程为

定子轭部节点的热平衡方程为

定子齿部节点的热平衡方程为

Magnet节点的热平衡方程为

其中：R1、R2、R3、R4、R5和R6为等效热阻，Cp_winding、Cp_yoke、Cp_tooth和Cp_magnet为等效传热系数，T_winding为绕组温度，T_yoke为颚部温度，T_tooth为齿部温度，T_magnet为永磁体温度，T_coolant为冷却水温度，Q_CuLoss为铜损，Q_YokeLoss为颚部损耗，Q_ToothLoss为齿部损耗，Q_CoreLoss为铁损，从而生成热网络模型；

3)得到电机定子绕组电阻与绕组温度的关系函数R＝fun(R₀,t)，其中：R₀为初始温度下的电阻阻值，t为当前绕组温度，通过公式Q_CuLoss＝I²×R，计算定子绕组热损耗；

4)通过仿真的方式得到电机在不同转速和电流工况下的定子轭部热损耗Q_YokeLoss、定子齿部热损耗Q_ToothLoss、转子涡流铁损耗Q_{RotorCoreLoss}，并且针对电机的不同工作点，将电机不同工作点下的工作转速和永磁同步电机定子绕组电流有效值Is作为输入，并将电机的不同损耗作为表格的内容，制作成以转速和电流为输入，损耗为输出的二维表格；

5)采用负温度系数热敏电阻测量电机冷却液入水口冷却液温度T_Coolant，简化步骤2中的节点热平衡方程，得状态空间方程：

其中：T₁＝T_winding，T₂＝T_yoke，T₃＝T_tooth，T₄＝T_magnet，C₁＝C_pwinding，C₂＝C_pyoke，C₃＝C_ptooth，C₄＝C_pmagnet；

6)对状态空间方程进行周期离散化，即以不同计算时刻表示的离散方程，通过Matlab中的Simulink建模，利用EmbeddedCoder生成代码，在周期为T的任务中执行函数，得到可以在硬件数字控制器上执行的软件，当电机运行于不同的工况下时，通过该软件计算得到永磁体的实时温度；

所述的热传递等效节点网络模型是指：对电机与三相逆变控制器系统中的主要热相关部件进行等效，依据电机控制器系统内部的热量传递规律，对电机主要部件建立的等效节点热平衡方程网路模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的电机为内嵌式三相永磁同步电机，三相永磁同步电机定子中绕组采用多层绕组设计，定子绕组采用Y型连接，定子绕组不同部位安装有三个温度传感器，三相永磁同步电机转子永磁体带有斜极。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的仿真的方式是指使用MaxWell仿真软件，通过设定电机的工作转速和定子相电流，得到在不同转速和电流工作点下电机损耗：定子轭部热损耗Q_YokeLoss、定子齿部热损耗Q_ToothLoss、转子涡流铁损耗Q_{RotorCoreLoss}、定子绕组热损耗Q_CuLoss。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的离散化是指：以指定永磁体温度估算法在数字控制器中的执行周期为T；运用MATLAB提供的函数命令进行离散化，得到离散化系数矩阵[G,H]＝c2d(factor_Vector_A,factor_Vector_B,T)，其中：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的周期离散化是指：对于用连续控制系统的概念设计的控制系统，使用不同的离散化方法，将连续控制系统转化为可以在数字控制器上以不同执行周期运行的离散系统的方法。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的建模，建立得到的模型是：用离散化方程表示的，带有指定执行周期的，可以实现永磁体温度估算功能，并可用以仿真和代码生成的Simulink模型。

7.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：连续时间系统模块、输入信号采集模块、MaxWell仿真模块、MotorCAD仿真模块、连续时间系统离散化模块、Simulink模型搭建及代码生成模块、实验测试模块以及仿真与实验结果对比模块，其中：连续时间系统模块完成连续时间系统模型建立，输入信号采集模块采集模型输入信号，MaxWell仿真模块计算损耗，MotorCAD模块仿真得到永磁体温度，连续时间系统离散化模块得到在数字处理器上运行的离散化模型，Simulink模型搭建及代码生成模块得到可以实现仿真与代码生成的Simulink模型，实验测试模块得到永磁体估算温度，仿真结果与实验对比模块得到优化后的模型系数。

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