用于热监测永磁电动机的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201210178050.X | 申请日 | 2012-06-01 | 公开(公告)号 | CN102809440A | 公开(公告)日 | 2012-12-05 |
| 申请人 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司; | 发明人 | L.郝; Y.张; S.程; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于热监测永磁 电动机 的方法和装置，具体提供了一种用于确定包括 定子 绕组的电动机的 温度 的方法，包括：以与电动机控制 频率 同步的频率将交流 电流 注入定子绕组的D轴电流；确定直流相电流；确定与直流相电流和施加 电压 相对应的定子绕组的 电阻 ；以及根据定子绕组的电阻确定电动机温度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于确定包括定子绕组的电动机的温度的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 用于热监测永磁电动机的方法和装置技术领域[0001] 本公开涉及电动机及其热监测。 背景技术[0002] 本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息并且可能不构成现有技术。 [0003] 已知的电动机包括将电能转变成机械转矩的永磁电动机和其它感应电动机。永磁电动机可以是多相内置式永磁(IPM)电动机，多相内置式永磁电动机包括埋在转子铁芯内且与旋转轴线纵向对准的永磁体。已知的定子包括环形的定子铁芯和多个电绕组。已知的定子铁芯包括多个径向向内突出的齿元件，这些齿元件平行于电动机的纵轴线并且限定定子的内圆周。相邻的径向向内突出的齿元件形成了径向取向的纵向槽。电绕组是由合适导电材料(例如铜或铝)的股线所构成并且织造或以其它方式布置成线圈组，这些线圈组插入各齿元件之间的径向取向的槽中。电绕组以环周方式环绕定子铁芯的圆周电串联地布置，每个电绕组与电动机的一相相关联。电绕组的每个线圈组提供电动机运行的一相的一个极。定子铁芯中径向取向槽的数量取决于电动机电线绕组的相数和极数。因此，三相二极电动机将具有配置成六个线圈组的电绕组。利用流经电绕组的电流产生旋转磁场，旋转磁场作用于转子从而在转子轴上产生转矩。 [0005] 已知的电动机包括处在定子齿元件与转子外表面之间的气隙。气隙是一种设计特征，其将转子零件与定子零件物理隔开从而适应制造公差并使组装容易，并且应对其它的已知因素。优选地使气隙最小化，因为气隙增大与磁通量下降及相关的电动机输出转矩下降有关。 [0006] 当电流流经定子绕组时沿着电绕组感应出磁场，磁场作用于转子元件的转子磁体。磁场在转子旋转轴上引起转矩。当磁场引起的转矩足以克服轴承摩擦和在轴上所产生的任何转矩负荷时，转子使轴旋转。 [0007] 电动机的设计包括与磁学、力学、热力学、电子学、声学和材料科学有关的因素。已知的是性能要求、包装限制和成本对电动机设计施加影响设计特征的限制。已知的性能要求包括：最大电动机转矩输出、转矩脉动、和齿槽转矩（cogging torque），其会影响电动机的噪声、振动和声振粗糙度性能。已知的永磁电动机具有由永磁体和电枢磁动势导致的、相对于转子角度位置是非正弦的磁通分布。 [0008] 包括内置式永磁电动机在内的永磁电动机由于具有高效率和高功率密度因而可用于车辆推进用途。可根据预计的负荷曲线(例如车辆的占空比以及总效率和功率损失)来设计电动机的尺寸。永磁电动机的运行温度(例如绕组温度)取决于实际运行负荷和占空比。在包括以峰值输出功率进行的长时间运行在内的运行状态下，电动机会过热。过热会加速定子绕组上的绝缘老化和劣化并且使永磁体消磁，因而降低电动机的性能并且减小电动机的寿命。 [0009] 已知的内置式永磁电动机可利用直接测量系统来监测绕组温度，例如通过在定子绕组内安装热电偶或热敏电阻装置。温度测量系统增加了部件，增大了线束复杂性并且需要信号监测的硬件和软件。已知的热模型可利用电动机运行参数来估计绕组温度并具有相关的估计误差。发明内容 [0010] 一种用于确定包括定子绕组的电动机的温度的方法，包括：以与电动机控制频率同步的频率将交流电流注入定子绕组的D轴电流；确定直流相电流；确定与直流相电流和施加电压相对应的定子绕组的电阻；以及根据定子绕组的电阻确定电动机温度。 [0011] 本发明还涉及以下技术方案。 [0012] 方案1. 一种用于确定包括定子绕组的电动机的温度的方法，包括：以与所述电动机的控制频率同步的频率将交流电流注入定子绕组的D轴电流； 确定直流相电流； 确定与所述直流相电流和施加电压相对应的所述定子绕组的电阻；以及 根据所述定子绕组的电阻来确定所述电动机的温度。 [0013] 方案2. 如方案1所述的方法，其中，将交流电流仅注入所述定子绕组的D轴电流。 [0014] 方案3. 如方案1所述的方法，其中，不将交流电流注入所述定子绕组的Q轴电流。 [0015] 方案4. 如方案1所述的方法，其中，还根据所述定子绕组的材料的温度系数来确定所述电动机的温度。 [0016] 方案5. 如方案1所述的方法，其中，确定直流相电流包括：监测并过滤所述电动机的测量的相电流。 [0017] 方案6. 如方案1所述的方法，其中，通过监测电性联接到逆变器模块的高电压直流电源的电压而确定所述施加电压，所述逆变器模块被配置成操作所述电动机。 [0018] 方案7. 一种用于确定包括定子绕组的电动机的温度的方法，包括：以与所述电动机的控制频率同步的频率将交流电流注入定子绕组的D轴电流； 监测所述电动机的相电流从而确定直流相电流； 确定施加电压； 确定与所述直流相电流和所述施加电压相对应的所述定子绕组的电阻；以及根据所述定子绕组的电阻来确定所述电动机的温度。 [0019] 方案8. 如方案7所述的方法，其中，将交流电流仅注入所述定子绕组的D轴电流。 [0020] 方案9. 如方案8所述的方法，其中，不将交流电流注入所述定子绕组的Q轴电流。 [0021] 方案10. 如方案7所述的方法，其中，还根据所述定子绕组的材料的温度系数来确定所述电动机的温度。 [0022] 方案11. 如方案7所述的方法，其中，确定直流相电流包括：监测所述电动机的测量的相电流。 [0023] 方案12. 如方案7所述的方法，其中，确定施加电压包括：监测电性联接到逆变器模块的高电压直流电源的电压，所述逆变器模块被配置成操作所述电动机。 [0024] 方案13. 一种用于确定包括定子绕组的电动机的温度的方法，包括：将交流电流仅注入定子绕组的D轴电流并且不将交流电流注入定子绕组的Q轴电流； 确定相应的直流相电流； 计算与所述直流相电流和施加电压相对应的所述定子绕组的电阻；以及 根据所述定子绕组的电阻来确定所述电动机的温度。 [0025] 方案14. 如方案13所述的方法，其中，确定相应的直流相电流包括：监测所述电动机的测量的相电流。 [0027] 现在将通过例子并参照附图来描述一个或多个实施例。 [0028] 图1示意性地示出了根据本公开的电性连接到逆变器模块的电动机的剖视图，所述逆变器模块电性连接到高电压直流电源。 [0029] 图2是根据本公开的用于监测永磁电动机温度的过程的流程图。 [0030] 图3是根据本公开的温度与逝去时间的数据图，该数据图绘出了作为逝去的运行时间的函数的测量的定子温度和相应的估计的定子温度。 具体实施方式[0031] 现在参照附图，其中各附图仅以说明某些示例性实施例为目的而不是以限制其为目的，图1示意性地示出了电性连接到逆变器模块20的永磁电动机10的剖视图，逆变器模块20电性连接到高电压直流电源40。永磁电动机10包括安装在轴13上的转子12。轴13的中心线限定纵轴线，该纵轴线是转子20的旋转轴线15。转子12包括多个永磁体16，永磁体16安装到或以其它方式附接到转子12的外表面或者外表面附近。转子12插入同轴的中空圆柱形定子14中。定子14包括以多相方式布置的多个定子绕组19。永磁电动机10包括具有端盖的外壳，转子12的轴13可旋转地安装在端盖的支承表面上。图示的永磁电动机10的剖视图正交于转子12的旋转轴线15。适当地安装旋转位置传感器36来监测转子12的角度位置37从而测定转子的转速。可理解的是，永磁电动机10可被感应电机、绕线同步电机、或者具有类似效果的另一种合适的电动机代替。 [0032] 逆变器模块20包括多个栅极驱动器（gate drive）22和相关的控制模块30。各对栅极驱动器22与永磁电动机10的定子绕组19的选定部分相对应，通过以合适的方式布置各对栅极驱动器22来控制永磁电动机10的各个相。如图所示，存在布置成三对的六个栅极驱动器22，用于在三个相中控制流向永磁电动机10的电功率流。栅极驱动器22可包括IGBT或其它合适装置。 [0033] 逆变器模块20使用一定数量的与所述多个定子绕组19相对应的电引线电性连接到永磁电动机10，这些电引线包括与相A、B和C相对应的电引线24、26和28。电流监测传感器32和34被配置成分别监测流经用于相A和相B的引线24和26的电流，因而产生被控制模块30监测的相应的电流信号33和35。 [0034] 在运行中，控制模块30按顺序启动栅极驱动器22从而将来自高电压直流电源40的电流输送给定子绕组19的各相中的一个相。电流在定子绕组19中感应出磁场，磁场作用于永磁体16并引起轴13上的转子12围绕旋转轴线15旋转。用旋转位置传感器36监测转子12的角度位置37，并且用电流监测传感器32和34监测电流流量33和35。控制器20控制栅极驱动器22启动的定时从而控制永磁电动机10的转速和转矩输出。 [0035] 图2以流程图形式示出了用于监测永磁电动机温度的过程100。过程100是针对参考图1所述的永磁电动机10和逆变器模块20来描述的。因此，应理解的是当以本文中所描述方式执行过程100时它能够仅利用电气布线配置来监测永磁电动机10的温度，可利用所述电气布线配置来控制永磁电动机10而无需附加的硬件(例如温度传感器)以及相关线束和信号处理硬件。 [0036] 过程100包括以与电动机10控制频率同步的频率将交流电流注入电动机10的D轴电流。将交流电流注入永磁电动机10的D轴电流等同于将直流相电流和二阶谐波电流注入电机相电流。通过监测相应的直流输出而确定永磁电动机10的定子绕组19的直流电阻。直流电阻与定子绕组的温度有关联。 [0037] 优选地周期性地反复由控制器30执行过程100从而估计永磁电动机10的温度。由于热惯性和发热，永磁电动机10的热时间常数可处于秒或分钟的量级。因此，在一个实施例中，周期性地每10秒执行一次过程100。可以确定用于执行过程100的其它合适时间周期。 [0038] 以与参照图2所述的过程100相关的索引表的形式给出表1，其中用数字标注的方框和相应功能展示如下：表1 压 电 相 流 直 和 流 电 相 流 直 出 算计 度温 而， 组 压 绕 电 子 加 定 施 的 流 的 应 电 路 对 轴 回 相 Q 制 数 和 控 系 轴 流 度 D 电 温 的 自 料 流 机 来 材 电 电 压 和 阻 组 准 制 电 流 电 绕 基 控 加 电 流 和 轴 来 施 相 直 阻 D 路 定 的 的 电 入 回 确 量 相 流 注 制 并 测 单 直 流 控 流 所 的 子 容 电 流 电 滤 子 定 内 流 电 相 过 定 与 框 动 交 行 量 过 算 定 方 起 将 执 测 通 计 确 框方 201 401 601 801 011 211 411 [0039] 通过将交流电流注入永磁电动机10的D轴电流，而周期性地执行过程100(102)。正如可理解的，D轴和Q轴是在将同步的A-B-C向D-Q的转变应用于电机三相轴之后电机的虚拟轴。以与永磁电动机10的控制频率同步的频率注入交流电流(104)。所测定的交流电流的量值与电流监测传感器32和34的精度有关，优选地与用于控制转矩的基准相电流相比为较小的量值。优选地，控制器30被配置成控制选定对的栅极驱动器22的启动，从而控制电机转速和转矩并且以与运行永磁电动机10的控制频率同步的频率将交流电流注入永磁电动机10的D轴电流。 [0040] 优选地，以充分利用铁芯材料的方式运行永磁电动机。因此，在持续运行期间在铁芯材料中磁通密度可以处在或者接近饱和程度。由于直流电流注入而引起的Q轴电流的任何变化可改变永磁电动机的饱和程度，从而影响任何定子电阻估计的精度并降低永磁电动机的动态性能，因而增加铁芯损耗。 [0041] 将直流电流(Idc)直接注入三相绕组(如方程式1、2和3中所示)等同于在同步的A-B-C向D-Q转换之后分别将交流电流即ΔId和ΔIq注入D轴绕组和Q轴绕组，如以下方程式4和5中所示：[1] [2] [3] [4] [5]。 [0042] 以同步频率将交流电流仅注入永磁电动机10的D轴基准电流但不注入Q-轴基准电流可被示为等同于将直流电流注入三相绕组。以同步频率将交流电流仅注入永磁电动机10的D轴基准电流可表示如下： [6] [7]。 [0044] 方程式8、9和10表明注入直流电流，即将直流电流注入永磁电动机10的定子绕组19，能通过将等效的交流电流仅注入D轴从而利用一些附加的二阶谐波电流而实现。二阶谐波电流会感生出一些二阶和四阶电压谐波，但这将不会影响来自高电压直流电源40的直流电压输出的幅度。任何在D轴基准电流中所引起的变化可仅轻微地影响永磁电动机10的饱和程度，这是因为在永磁电动机10中沿D轴的气隙相对较大。 [0045] 由永磁电动机10产生的电磁转矩T可用电动机磁通λm、分别为Ld和Lq的D轴和Q轴电感、以及分别为Id和Iq的D轴和Q轴电流来表示，如下所示：[11]。 [0046] 当把直流电流注入永磁电动机的定子绕组时，D轴电流Id在定子频率下发生脉动。因此，在定子频率下电磁转矩会引起转矩震荡。应理解的是，较大的直流电流注入导致定子电阻估计的较高精度，尽管有较大的转矩震荡。可对转矩震荡的可接受水平与定子电阻估计及相关的绕组温度估计的精度加以权衡。如前所述，永磁电动机的热时间常数是在秒或分钟的量级，因此可相应地实施定子电阻估计而使转矩震荡的影响最小化。 [0047] 与以同步频率将交流电流仅注入永磁电动机10的D轴基准电流同时地执行电流控制回路(106)。优选地，利用测量的相电流信号33和35来测量相电流(108)。通过监测并过滤测量的相电流信号33和35，或者可替代地通过监测永磁电动机10的其它现有的传感装置和系统，而计算出相电流的直流部分。 [0048] 优选地，通过监测并过滤高电压直流电源40的施加电压亦即来自电流控制回路的输出，而计算出相电压的直流部分(110)。 [0049] 可以计算出定子绕组19的直流电阻，它是相电压直流部分与相电流直流部分的比率(112)。 [0050] 可用定子绕组19的直流电阻和绕组材料的温度系数来估计或者以其它方式确定定子绕组19的温度(114)。应理解的是，定子绕组中所使用导电材料(例如铜)的电阻率是以可预测的方式随温度相对于基准温度T0的变化而变化。这可以表示如下：[12] 其中，R(T)是在所选择温度T下的电阻， R0代表在基准温度T0下的基准电阻，且 α是导电材料的温度系数； 例如，铜的温度系数为α=0.004041。应理解的是，方程式12的关系可在控制模块30中以作为所选择温度的函数的可执行方程式和可查找表中的一个或者两个的形式来实施。 [0051] 可相对于基准电阻R0用已确定的定子电阻R，来确定定子绕组温度Tsw，如下所示：[13] 因此，应理解的是永磁电动机的定子电阻与定子绕组温度Tsw直接相关。 [0052] 图3示出了与x轴上的时间(秒)320相对应的y轴上的温度(℃)310，并且绘出了作为逝去的运行时间的函数的、测量的定子温度305和相应的估计的定子温度315。测量的定子温度305是利用合适的温度监测系统来确定的，估计的定子温度315是以本文中所描述方式利用参照图2所述过程100的实施例来确定的。对定子温度315进行估计包括：以大约每3秒一次的频率周期性地将交流电流注入D轴电流。如图3中所示，当周期性地注入直流电流时，估计的定子温度315对应在测量的定子温度305的4℃以内。 [0053] 应理解的是将交流电流注入D轴电流会引起转矩震荡。在一个实施例中，与将交流电流注入D轴电流相关联的Id的震荡为11.53%，Iq电流的震荡为0.33%。就一个特定的运行状态而言，相应的电磁转矩的震荡为4.53%。转矩震荡的持续时间小于500 ms。应理解的是传动系的减震和惯性可使转矩震荡向转速震荡的转换最小化。然而，优选的是避免以接近动力系统、传动系和车辆的共振频率的电动机旋转频率将交流电流注入D轴电流。 [0054] 控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器以及类似的术语表示以下构件中的一个或多个的任何合适的一种或者各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或者例行程序的中央处理单元(优选微处理器)及相关的内存和存储器(只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调理及缓冲电路、以及提供所述功能的其它合适构件。软件、固件、程序、指令、例行程序、代码、算法以及类似的术语表示包括校准和查找表在内的任何控制器可执行指令集。所述控制模块具有一组控制例行程序，通过执行这组例行程序而提供期望的功能。例行程序由例如中央处理单元所执行，例行程序可操作以监测来自各传感装置和其它联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例行程序而控制各执行器的操作。在持续的发动机工作和车辆运行期间，可以以有规律的间隔(例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒)执行例行程序。可替代地，可响应于一个事件的发生而执行例行程序。 |
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