CN112564580B - 考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，该方法在原有的反电势估算方法的基础上增加了饱和系数，对永磁体的温度估算公式进行了改进，并对磁参数进行了修正，贴合表贴式永磁同步电机的结构特点，建立了精确的永磁体温度估算数学模型。该方法通过建立表贴式永磁同步电机的有限元模型，以便获取所需要的磁通密度，以及电压电流等参数，另外根据电机的材料属性，并通过查表的方法获取定子轭部处的磁压降修正系数，最终计算出永磁体温度系数。该估算方法整个过程不需要温度传感器，降低了成本以及实际操作的难度，大大提升了估算精度。

Description

考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法。

背景技术

近年来，永磁同步电机的高效率以及高性能引起了人们的广泛关注。在永磁同步电机的设计中，精确的永磁体温度信息起着至关重要的作用。过高的永磁体温度会导致电机性能和效率下降，甚至导致电机故障。例如，永磁体温度的升高会削弱永磁体的强度，并且这种削弱可能是永久的。获取永磁体温度可以通过直接测量永磁体温度，其中包括利用接触式温度传感器安装在转子上，或者通过非接触式传感器(如红外线)进行测量。而对于永磁体温度估计方法目前可分为热模型，通过有限元软件建立电机的三维模型，模拟出电机各部分的发热情况，第二种方法是基于定子侧高频信号的注入，利用可测量的电变量来估计永磁体温度，第三种基于反电动势的方法，利用磁链对永磁体的温度进行估算。

然而，由于直接测量永磁体温度在大多数工程中并不实用，例如接触式温度传感器通常用于电机定子温度的测量，想要测量转子部分的温度需要通过滑环和电刷连接到旋转部件上，因此不容易安装。另外通过非接触式传感器进行测量，这种解决方案要求磁铁表面是可见的，这对于已经制作完成的电机是不可行的。在目前永磁体温度进行估算的方法中热模型计算量较大；对电机注入高频信号的方法可能需要相对较低的频率，这会给电机增加过多的干扰；而反电动势估算方法是基于电机不饱和情况下的数学模型推导出来，当负载条件增加时，电机的饱和程度越来越严重，这种方法就不再适用，且饱和情况下永磁体温度测量的精确度和准确度都不高，估算误差较大。

因此，需要设计一种适合负载条件增加时的于永磁体温度计算方法，从而在不增加硬件成本和提高测量难度的情况下，提升永磁体温度的估算精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明提供考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，从磁通密度的角度出发，在反电动势方法的基础上增加饱和系数，饱和系数的计算贴合表贴式永磁同步电机的结构特点，以专门的对永磁温度估算公式进行了改进。最后，建立了精确的数学模型来完成永磁体的温度估算，且整个过程不需要温度传感器，降低了成本以及实际操作的难度，提升了估算精度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，在反电动势估算方法中，当电机负载逐渐饱和时，通过添加一个饱和系数K_i来修正数学模型来计算永磁体温度T₁，所述饱和系数的设计具体如下：

通过引入饱和系数K_i对主磁通随剩余磁通密度的变化方程进行修正，K_i计算方式为：

式中，F_δ是气隙中的磁动势；F_t是定子齿部的磁动势；F_j是定子轭部的磁动势；

式中，μ_o,μ_j,μ_t分别为气隙、定子轭部和定子齿部的磁导率，Bδ，B_j，B_t分别为气隙、定子轭部和定子齿部的磁通密度，C_j为定子轭部处的磁压降修正系数并能够通过查表得出，L_j和L_t为定子磁路的计算长度，计算方法如公式(11)表示，式中，L_j和L_t由定子结构决定，H_tr是定子齿根部的磁场强度，H_t/2是定子齿中部的磁场强度，H_tt是定子齿顶部的磁场强度，p是极对数。

其中，h₁₁为定子齿顶部到槽口的距离，h₂₁为定子齿宽沿其高度变化不大的长度，r₂₁为梨型槽底端部的半径，h_j1为实际定子齿联轭高度，h_s1为定子齿部总长度，D₁为定子外径，D_i1为定子内径，最后通过公式(17)计算得出所述的永磁体温度T₁：

其中，U_s0,U_s1,i_e0,i_e1分别是空载和负载下的定子电压和定子电流，ε₀，ε₁分别是空载和负载下的定子电流和定子电压之间的夹角，T₀是空载下的永磁体温度。

进一步的，所述夹角ε₀和ε₁能通过计算定子电流和定子电压的过零点时间差得到：

ω＝2πn ε＝ω·△t (18)

其中，ω是角速度，n是转速，△t是电流和电压过零点之间的时间差。

进一步的，所述永磁体温度T₁为电机负载逐渐饱和情况下一段时间内的永磁体温度平均值。

进一步的，所述永磁同步电动机为高功率密度永磁同步电动机，电机的定子结构为梨形槽结构。

进一步的，所述考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法中的数学模型建立与分析具体利用有限元软件获取电机各部分的磁密，利用磁密得出饱和系数K_i，再将饱和系数代入数学模型中从而得出估算的永磁体温度。

此外，本发明还公开了一种考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算系统，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法。

此外，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法。

(三)有益效果

本发明温度估算方法的优点在于，在原有的反电势估算法的基础上增加了饱和系数，对永磁体的温度估算公式进行了改进，并对磁参数进行了修正，贴合表贴式永磁同步电机的结构特点，建立了精确的永磁体温度估算数学模型。该方法通过建立表贴式永磁同步电机的有限元模型，以便获取所需要的磁通密度，以及电压电流等参数，另外根据电机的材料属性，并通过查表的方法获取定子轭部处的磁压降修正系数，最终计算出永磁体温度系数。

在需要获取永磁体温度信息的时候，可以不使用温度传感器，只需要利用本发明的方法就可以对表贴式永磁同步电机的永磁体温度进行精确的估算，防止了永磁体因高温而发生的不可逆退磁。本发明方法简单，不仅满足了永磁体温度估算所需要的精度，且成本低，并且为电机的优化设计提供了参考价值，适于通过软件实现。

附图说明

图1为本发明中表贴式永磁同步电动机的定子槽结构图；

图2为本发明实施例中利用有限元软件得到的定子电压波形示意图；

图3为本发明实施例中负载条件下的定子电压和定子电流波形示意图；

图4为本发明实施例中电机的定子磁密分布示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，包括考虑磁饱和情况下永磁体温度估算的数学模型建立与分析，利用有限元软件获取电机各部分的磁密，利用磁密得出饱和系数，再将饱和系数代入数学模型中从而得出估算的永磁体温度。

首先，分析在表贴式永磁同步电机未饱和情况下的永磁体温度估算方法：

在正常工作温度范围内，随着温度的升高，永磁体的剩磁密度和矫顽力都会降低。在一定范围内这是一个可逆过程，当温度降低时，剩磁密度和矫顽力会恢复到原来的值。在电机正常运行时，温度系数α₀可以近似地认为是不变的。剩磁密度变化的公式如下：

B_r1＝B_r0[1+α₀(T₁-T₀)] (1)

其中T₁和T₀是温度，B_r1和B_r0是当温度为T₁和T₀时的磁通密度，α₀是当温度为T₀时的温度系数，由于α₀随温度的变化几乎不变，因此将其视为一个常数。主磁通随剩余磁通密度的变化可以表示为：

Φ_m为永磁体提供的主磁通量；A_m为磁通量的横截面积；b_m为永磁体的工作点系数；σ_m为漏磁系数。b_m和σ_m都会随负载变化。当电动机空载运行或电动机磁路饱和水平不高时，b_m和σ_m都可以近似地看作常数。主磁通随剩余磁通密度的变化可以表示为：

式中，Ψ_f1和Ψ_f0是温度为T₁和T₀时的永磁体磁链，从同步转子坐标系下永磁同步电机的基本模型出发，建立了用反电动势发估算永磁体温度的数学模型，在d-q轴坐标系中的电压和磁链方程可表示为：

式中，U_d,U_q,i_d和i_q分别是d-q轴的电压和电流，L_d,L_q,Ψ_q和Ψ_d是d-q轴的电感和磁链；Ψ_f是永磁体磁链；ω是转子的转速；R分别是定子电阻。由于定子电阻很小，电阻随温度的变化很小，所以电阻的变化可以忽略不计将公式(6)代入公式(4)中可以得到公式(7)。当T₁和T₀以相同速度旋转时，公式(7)可表示为公式(8)：

式中，U_q1和i_q1为电机空载时的参数，U_q0和i_q0为电机负载时的参数。

以上是电机未饱和情况下的数学模型，当电机逐渐饱和时，本发明通过添加专门改进设计的一个饱和系数来修正数学模型，饱和系数的设计具体如下：

当磁路逐渐饱和时，随负载变化的参数b_m和σ_m会随电机饱和程度的变化显著。在这种情况下，b_m和σ_m不能视为固定的常数，方程(4)则不能适用。通过引入饱和系数对方程(4)进行修正。K_i为饱和系数：

式中，F_δ是气隙中的磁动势；F_t是定子齿部的磁动势；F_j是定子轭部的磁动势。

式中，μ_o,μ_j,μ_t分别为气隙、定子轭部和定子齿部的磁导率，B_δ，B_j，B_t分别为气隙、定子轭部和定子齿部的磁通密度，C_j为定子轭部处的磁压降修正系数并能够通过查表得出，L_j和L_t为定子磁路的计算长度，计算方法如公式(11)表示，式中，L_j和L_t由定子结构决定，H_tr是定子齿根部的磁场强度，H_t/2是定子齿中部的磁场强度，H_tt是定子齿顶部的磁场强度，p是极对数。

对于高功率密度永磁同步电动机，定子结构通常采用梨形槽，永磁同步电动机定子槽结构如图1所示，其中，h₁₁为定子齿顶部到槽口的距离，h₂₁为定子齿宽沿其高度变化不大的长度，r₂₁为梨型槽底端部的半径，h_j1为实际定子齿联轭高度，h_s1为定子齿部总长度，D₁为定子外径，D_i1为定子内径。

值得一提的是，本发明的F_t和F_j是根据高功率密度永磁同步电机的构造和结构参数L_j和L_t特地设计计算计算得出的磁动势量，其设计方法不属于本领域技术人员的常规手段。

由于磁通链Ψ_f与气隙长度δ成反比，当考虑磁饱和的影响时，气隙长度δ需要用等效气隙长度δ_e来表示：

δ_e＝δ·K_i (12)

此时Ψ_f1磁链应通过修正表示为：

将饱和系数代入式(4)，得到修正后的永磁体温度估算公式(14)-(15)：

最后用公式(15)估算磁饱和状态下的永磁体温度T₁。

对于表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算的具体运用方法如下：

对于表贴式永磁同步电机来说可以将公式(5)中的U_d,U_q,i_d,i_q用公式(16)表示。

式中i_e和U_s是定子电流和电压，ε是定子电流和定子电压之间的夹角，β＝0是q轴电流i_q和定子电流i_e之间的夹角，在这种情况下，方程式(15)可以写成公式(17)。

其中U_s0,U_s1,i_e0,i_e1分别是空载和负载下的定子电压和定子电流，ε₀，ε₁分别是空载和负载下的定子电流和定子电压之间的夹角，T₀是空载下的永磁体温度。

本发明的永磁体温度估算方法可通过软件来实施，利用有限元软件得到的定子电压波形，例如图2所示。

夹角ε₀，ε₁可通过计算定子电流和定子电压的过零点时间差得到。

ω＝2πn ε＝ω·△t (18)

其中，ω是角速度，n是转速，△t是电流和电压过零点之间的时间差。由于ε₀＝0为空载状态下的角度，因此只需计算负载条件下的角度ε₁，例如图3。

接着利用有限元软件，可以得到气隙、定子齿部和轭部的磁密，并将其代入公式(9)-(11)中，得到饱和系数K_i，最后将K_i值代入(17)得到永磁体的平均温度T₁,其中图2-3对应的电机的定子磁密分布例如图4所示。经过发明人实验，得出的到永磁体的温度T₁的准确度和精确度大大提高，从而使得本领域技术人员能够进一步根据得出的高永磁体温度进行电机状态的实时监测或者减低永磁体老化等工作的研究。

需要说明的是，上述本发明考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的控制系统中执行，且其计算程序简单快速。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，其特征在于，在反电动势估算方法中，当电机负载逐渐饱和时，通过添加一个饱和系数K_i来修正数学模型来计算永磁体温度T₁，所述饱和系数的设计具体如下：

通过引入饱和系数K_i对主磁通随剩余磁通密度的变化方程进行修正，K_i计算方式为：

式中，F_δ是气隙中的磁动势；F_t是定子齿部的磁动势；F_j是定子轭部的磁动势；

式中，μ_o,μ_j,μ_t分别为气隙、定子轭部和定子齿部的磁导率，B_δ，B_j，B_t分别为气隙、定子轭部和定子齿部的磁通密度，C_j为定子轭部处的磁压降修正系数并能够通过查表得出，L_j和L_t为定子磁路的计算长度，计算方法如公式(11)表示，式中，L_j和L_t由定子结构决定，H_tr是定子齿根部的磁场强度，H_t/2是定子齿中部的磁场强度，H_tt是定子齿顶部的磁场强度，p是极对数；

(11)其中，h₁₁为定子齿顶部到槽口的距离，h₂₁为定子齿宽沿其高度变化不大的长度，电机的定子结构为梨形槽结构，r₂₁为梨型槽底端部的半径，h_j1为实际定子齿联轭高度，h_s1为定子齿部总长度，D₁为定子外径，D_i1为定子内径，最后通过公式(17)计算得出所述的永磁体温度T₁：

其中，U_s0,U_s1,i_e0,i_e1分别是空载和负载下的定子电压和定子电流，ε₀，ε₁分别是空载和负载下的定子电流和定子电压之间的夹角，T₀是空载下的永磁体温度；其中，δ为气隙长度，α₀是当温度为T₀时的温度系数，R是定子电阻。

2.根据权利要求1所述的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，其特征在于，所述夹角ε₀和ε₁能通过式(18)计算定子电流和定子电压的过零点时间差得到：

ω＝2π n；ε＝ω·△t (18)

其中，ω是角速度，n是转速，△t是电流和电压过零点之间的时间差，其中，ε₀＝0为空载状态下的角度，因此只需计算负载条件下的角度ε₁。

3.根据权利要求1所述的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，其特征在于，所述永磁体温度T₁为电机负载逐渐饱和情况下一段时间内的永磁体温度平均值。

4.根据权利要求1所述的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，其特征在于，所述永磁同步电机为高功率密度永磁同步电动机。

5.根据权利要求1所述的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法，其特征在于，所述考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法中的数学模型建立与分析具体利用有限元软件获取电机各部分的磁密，利用磁密得出饱和系数K_i，再将饱和系数代入数学模型中从而得出估算的永磁体温度。

6.一种考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至5任一项所述的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至5任一项所述的考虑磁饱和的表贴式永磁同步电机的永磁体温度估算方法。

Images