永磁同步电机的永磁体温度估算方法及装置与流程

1.本发明涉及永磁同步电机安全监控技术领域，具体地涉及一种永磁同步电机的永磁体温度估算方法及一种永磁同步电机的永磁体温度估算装置。


背景技术：

2.随着国内电动汽车、混合动力汽车的飞速发展，永磁同步电机作为电动汽车、混合动力汽车的主要动力装置，而永磁同步电机的永磁体特性随着温度的变化而改变，一方面由于永磁体温度的升高会导致永磁同步电机输出的转矩能力变小，另一方面当永磁体温度过高超过临界值时，会导致永磁体退磁，退磁现象是对于永磁体而言不可逆损伤，因此监控永磁体的温度是非常必要的。目前，一般采用安装温度传感器的方式来监控永磁体温度，但由于电机工作时转子始终在旋转，在转子上安装温度传感器难度、成本非常高，即使克服成本及难度将温度传感器安装在转子上，由于转子长期高速运转，故障率也非常高，因而往往将温度传感器安装在电机定子绕组上，但温度传感器检测的定子的温度与永磁体的温度并不一致，存在一定的偏差，影响永磁同步电机安全性能的监控及真实扭矩的估算，同时不能及时的对永磁体进行安全监控及保护，一旦超过温度临界点，会造成永磁体退磁这种不可逆的损伤，而如果过早的进行保护，则导致电机输出转矩能力下降，并且永磁体温度的精度会影响转矩计算的精度。


技术实现要素：

3.本发明实施方式的目的是提供一种永磁同步电机的永磁体温度估算方法及装置，以解决现有方法无法准确获取永磁同步电机的永磁体温度的问题。
4.为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供一种永磁同步电机的永磁体温度估算方法，所述永磁同步电机包括定子绕组、定子轭部、定子齿部、转子铁芯、设置在转子铁芯上的永磁体及用于冷却定子轭部及永磁体的冷却液，所述方法包括：
5.建立表征所述定子绕组与所述定子轭部、所述定子齿部之间热平衡关系的定子绕组热平衡模型，表征所述定子轭部与所述定子绕组、所述定子齿部、冷却液之间热平衡关系的定子轭部热平衡模型，表征所述定子齿部与所述定子轭部、所述定子绕组、永磁体之间热平衡关系的定子齿部热平衡模型，所述永磁体与所述定子齿部、冷却液之间热平衡关系的永磁体热平衡模型；
6.获取电机的运行参数、热阻参数及冷却液温度，经所述定子绕组热平衡模型、所述定子轭部热平衡模型、所述定子齿部热平衡模型及所述永磁体热平衡模型估算定子绕组的温度、定子轭部的温度、定子齿部的温度及永磁体的温度。
7.可选地，所述热阻参数包括：
8.定子绕组与定子轭部之间的第一热阻、定子绕组轭部与冷却液之间的第二热阻、定子轭部与定子齿部之间的第三热阻、定子齿部与永磁体之间的第四热阻、永磁体与冷却液之间的第五热阻、定子绕组与定子齿部之间的第六热阻。
9.可选地，所述定子绕组热平衡模型基于所述定子绕组的吸热量、所述定子绕组的放热量及所述定子绕组的铜损功率之和与使得所述定子绕组温度改变所需的热量之间的平衡关系建立；
10.所述定子轭部热平衡模型基于所述定子轭部的吸热量、所述定子轭部的放热量及所述定子轭部的铁损功率之和与所述定子轭部温度改变所需的热量之间的平衡关系建立；
11.所述定子齿部热平衡模型基于所述定子齿部的吸热量、所述定子齿部的放热量及所述定子齿部的铁损功率之和与使得所述定子齿部温度改变所需的热量之间的平衡关系建立；
12.所述永磁体热平衡模型基于所述永磁体的吸热量、所述永磁体的放热量及所述转子铁芯的铁损功率之和与使得所述永磁体温度改变所需的热量之间的平衡关系建立。
13.可选地，所述定子绕组的放热量包括：
14.所述定子绕组对所述定子轭部的放热量及所述定子绕组对所述定子齿部的放热量之和；
15.所述定子绕组对所述定子轭部的放热量为所述定子绕组的温度和所述定子轭部的温度差与所述第一热阻的比值，所述定子绕组对所述定子齿部的放热量为所述定子绕组的温度和所述定子齿部的温度之差与所述第六热阻的比值。
16.可选地，所述方法还包括：
17.建立所述定子绕组的电阻与所述定子绕组的温度之间的关系模型，并基于所述关系模型确定所述定子绕组的当前电阻；
18.所述电机的运行参数包括所述定子绕组的三相电流，所述定子绕组的铜损功率为所述定子绕组的每一相电流与所述定子绕组的当前电阻的乘积之和。
19.可选地，所述定子轭部的吸热量包括所述定子绕组对所述定子轭部的放热量及所述定子齿部对所述定子轭部的放热量，所述定子齿部对所述定子轭部的放热量为所述定子齿部和所述定子轭部的温度差与所述第三热阻的比值；
20.所述定子轭部的放热量包括所述定子轭部对所述冷却液的放热量，所述定子轭部对所述冷却液的放热量为所述定子轭部的温度和所述冷却液的温度差与所述第二热阻的比值。
21.可选地，所述定子齿部的吸热量包括所述定子绕组对所述定子齿部的放热量；
22.所述定子齿部的放热量包括所述定子齿部对所述永磁体的放热量及所述定子齿部对所述定子轭部的放热量，所述定子齿部对所述永磁体的放热量为所述定子齿部的温度和所述永磁体的温度差与所述第四热阻的比值。
23.可选地，所述永磁体的吸热量包括所述定子齿部对所述永磁体的放热量；
24.所述永磁体的放热量包括所述永磁体对所述冷却液的放热量，所述永磁体对所述冷却液的放热量为所述永磁体的温度和所述冷却液的温度差与所述第五热阻的比值。
25.可选地，所述电机的运行参数包括电机转速，所述方法还包括：
26.依据所述定子绕组的三相电流及所述电机转速，通过预先建立的铁损功率表获取所述定子绕组的三相电流及所述电机转速对应的铁损总功率；
27.依据第一比例与所述铁损总功率的乘积得到所述定子轭部的铁损功率、依据第二比例与所述铁损总功率的乘积得到所述定子齿部的铁损功率、依据第三比例与所述铁损总
功率的乘积得到所述转子铁芯的铁损功率；
28.所述铁损功率表包括所述定子绕组的三相电流及所述电机转速在不同值时对应的铁损功率。
29.在本发明的第二方面，提供一种永磁同步电机的永磁体温度估算装置，应用上述的永磁同步电机的永磁体温度估算方法，所述装置包括：
30.模型构建模块，被配置为建立表征所述定子绕组与所述定子轭部、所述定子齿部之间热平衡关系的定子绕组热平衡模型，表征所述定子轭部与所述定子绕组、所述定子齿部、冷却液之间热平衡关系的定子轭部热平衡模型，表征所述定子齿部与所述定子轭部、所述定子绕组、永磁体之间热平衡关系的定子齿部热平衡模型，所述永磁体与所述定子齿部、冷却液之间热平衡关系的永磁体热平衡模型；
31.温度计算模块，被配置为获取电机的运行参数、热阻参数、定子绕组的电阻及冷却液温度，经所述定子绕组热平衡模型、所述定子轭部热平衡模型、所述定子齿部热平衡模型及所述永磁体热平衡模型估算定子绕组的温度、定子轭部的温度、定子齿部的温度及永磁体的温度。
32.本发明上述技术方案基于永磁同步电机的热平衡原理，建立包括定子绕组，定子齿部，定子轭部，永磁体及冷却液5个节点的永磁同步电机热模型，以电机的运行参数、热阻参数及冷却液温度作为已知变量，经构建的定子绕组热平衡模型，定子齿部热平衡模型，定子轭部热平衡模型及永磁体热平衡模型得到永磁体的温度。通过本发明得到永磁体温度相比现有技术准确率更高，从而可以实现对永磁同步电机的永磁体温度进行安全监控，并及时进行保护，避免造成永磁体退磁等不可逆的损伤，同时该温度用于计算电机转矩，使电机转矩的计算满足高精度要求。
33.本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
34.附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
35.图1是本发明优选实施方式提供的一种永磁同步电机的永磁体温度估算方法的方法流程图；
36.图2是本发明优选实施方式提供的永磁同步电机热模型示意图；
37.图3是本发明优选实施方式提供的永磁体温度估算流程图；
38.图4是本发明优选实施方式提供的一种永磁同步电机的永磁体温度估算装置的装置框图。
39.附图标记说明
40.210-模型构建模块，220-温度计算模块。
具体实施方式
41.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
42.如图1所示，在本发明的第一方面，提供一种永磁同步电机的永磁体温度估算方法，永磁同步电机包括定子绕组、定子轭部、定子齿部、转子铁芯、设置在转子铁芯上的永磁体及用于冷却定子轭部及永磁体的冷却液，方法包括：
43.s100、建立表征定子绕组与定子轭部、定子齿部之间热平衡关系的定子绕组热平衡模型，表征定子轭部与定子绕组、定子齿部、冷却液之间热平衡关系的定子轭部热平衡模型，表征定子齿部与定子轭部、定子绕组、永磁体之间热平衡关系的定子齿部热平衡模型，永磁体与定子齿部、冷却液之间热平衡关系的永磁体热平衡模型；
44.s200、获取电机的运行参数、热阻参数及冷却液温度，经定子绕组热平衡模型、定子轭部热平衡模型、定子齿部热平衡模型及永磁体热平衡模型估算定子绕组的温度、定子轭部的温度、定子齿部的温度及永磁体的温度。
45.如此，本实施方式上述技术方案基于永磁同步电机的热平衡原理，建立包括定子绕组、定子齿部、定子轭部、永磁体及冷却液5个节点的永磁同步电机热模型，以电机的运行参数、热阻参数、定子绕组的电阻及冷却液温度作为已知变量，经构建的定子绕组热平衡模型，定子齿部热平衡模型，定子轭部热平衡模型及永磁体热平衡模型得到永磁体的温度。通过本实施方式得到永磁体温度相比现有技术准确率更高，从而可以实现对永磁同步电机的永磁体温度进行安全监控，并及时进行保护，避免造成永磁体退磁等不可逆的损伤，同时该温度用于计算电机转矩，使电机转矩的计算满足高精度要求。
46.具体的，如图2所示为本实施方式建立的永磁同步电机热模型示意图，热模型包括定子绕组、定子齿部、定子轭部、永磁体及冷却液5个节点，在永磁同步电机的运行过程中，每个节点之间由于温度不同存在能量的传递，即热传递，例如，定子绕组在永磁同步电机运行过程中产生的热量会传递至定子轭部及定子齿部、定子轭部的热量会传递给冷却液、定子齿部的热量会传递给定子轭部及永磁体、永磁体的热量又会传递给冷却液。因此，基于永磁同步电机热模型，依据能量守恒定律及热平衡原理，分别建立表征定子绕组与定子轭部、定子齿部之间热平衡关系的定子绕组热平衡模型，表征定子轭部与定子绕组、定子齿部、冷却液之间热平衡关系的定子轭部热平衡模型，表征定子齿部与定子轭部、定子绕组、永磁体之间热平衡关系的定子齿部热平衡模型，永磁体与定子齿部、冷却液之间热平衡关系的永磁体热平衡模型，通过获取的电机的运行参数、热阻参数、定子绕组的电阻及冷却液温度，经定子绕组热平衡模型、定子轭部热平衡模型、定子齿部热平衡模型及永磁体热平衡模型即可估算永磁体的温度。
47.在本实施方式中，热阻参数包括：定子绕组与定子轭部之间的第一热阻r1、定子绕组轭部与冷却液之间的第二热阻r2、定子轭部与定子齿部之间的第三热阻r3、定子齿部与永磁体之间的第四热阻r4、永磁体与冷却液之间的第五热阻r5、定子绕组与定子齿部之间的第六热阻r6。每个节点的热平衡方程关系式为：
[0048][0049]
其中，mn为单位体积对应部位的质量，cn为相应部位对应质量的比热容，m
ncn
表示单位温度变化量所需的热量，即温度变化1℃所需的热量，为温度tn对时间t的导数，表示温度tn的变化率，则表示节点n的温度变化量对应所需的热量；q
nin
表示节点
n吸收的热量，q
nout
表示节点n释放的热量，q
nloss
表示节点n的铜损功率或贴损功率，则，根据能量守恒定律，节点n的温度变化量所需的热量与节点n的吸收热量和释放热量的差值与节点n的铜损功率或贴损功率之和构成平衡关系；其中，m
ncn
及节点之间的热阻r1、r2、r3、r4、r5可以预先根据不同的永磁同步电机软件分析得到，并作为常量存储在数据库中以供读取，其分析方法为现有技术，此处不再赘述。
[0050]
基于关系式(1)，定子绕组热平衡模型基于定子绕组的吸热量、定子绕组的放热量及定子绕组的铜损功率之和与使得定子绕组温度改变所需的热量之间的平衡关系建立，依据构建的永磁同步电机热模型及热平衡原理可知，节点1-定子绕组的吸热及放热关系式分别为：
[0051]q1in
＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(11)；
[0052][0053]
根据热传递关系，定子绕组的吸热量q
1in
为0，其放热量q
1out
包括定子绕组对定子轭部的放热量及定子绕组对定子齿部的放热量之和；定子绕组对定子轭部的放热量为定子绕组的温度和定子轭部的温度差与第一热阻的比值，即定子绕组对定子齿部的放热量为定子绕组的温度和定子齿部的温度之差与第六热阻的比值，即t1为定子绕组温度，t2为定子轭部温度，t3为定子齿部温度。
[0054]
将关系式(11)与(12)代入到关系式(1)中，可得到节点1-定子绕组的热平衡方程为：
[0055][0056]
其中，本实施方式的方法还包括：建立所述定子绕组的电阻与所述定子绕组的温度之间的关系模型，并基于所述关系模型确定所述定子绕组的当前电阻；电机的运行参数包括定子绕组的三相电流，定子绕组的铜损功率为定子绕组的每一相电流与定子绕组的当前电阻的乘积之和，即：铜损功率q
culoss
只考虑电机定子绕组电阻，铜损功率按如下关系式进行计算：
[0057]qculoss
＝i
arms
*r i
brms
*r i
crms
*r
ꢀꢀ
(6)；
[0058]
由于定子绕组的电阻随定子绕组的温度变化，为了进一步提高永磁体温度计算的精确度，因此，本实施方式中，定子绕组的电阻按以下关系式确定：
[0059]
r＝r0*[1 0.00393(t
1-t0)]
ꢀꢀ
(61)；
[0060]
其中，i
arms
为定子绕组的a相电流，i
brms
为定子绕组的b相电流，i
crms
定子绕组的c相电流，t0为常温20℃，r0为常温20℃下对应的定子绕组电阻值，t1为定子绕组的估算温度。
[0061]
同理，基于关系式(1)，定子轭部热平衡模型基于定子轭部的吸热量、定子轭部的放热量及定子轭部的铁损功率之和与使得定子轭部的温度改变所需的热量之间的平衡关系建立，依据构建的永磁同步电机热模型及热平衡原理可知，节点2-定子轭部的吸热及放热关系式分别为：
[0062][0063][0064]
根据热传递关系，定子轭部的吸热量q
2in
包括定子绕组对定子轭部的放热量及定子齿部对定子轭部的放热量，定子绕组对定子轭部的放热量为定子齿部对定子轭部的放热量为定子轭部的放热量q
2out
包括定子轭部对冷却液的放热量，定子轭部对冷却液的放热量q
2out
为t5为冷却液温度，其中，冷却水温度t5可以由电机控制器上的冷却液温度传感器采样获得。
[0065]
将关系式(21)与(22)代入到关系(1)中，可得到节点2-定子轭部的热平衡方程(23)：
[0066][0067]
其中，q
yokeloss
为定子轭部的铁损功率。
[0068]
基于关系式(1)，定子齿部热平衡模型基于定子齿部的吸热量、定子齿部的放热量及定子齿部的铁损功率之和与使得定子齿部温度改变所需的热量之间的平衡关系建立，依据构建的永磁同步电机热模型及热平衡原理可知，节点3-定子齿部的吸热及放热关系式分别为：
[0069][0070][0071]
其中，定子齿部的吸热量q
3in
包括定子绕组对定子齿部的放热量定子齿部的放热量q
3out
为定子齿部对永磁体的放热量及定子齿部对定子轭部的放热量之和，t4为永磁体温度。
[0072]
将关系式(31)与(32)代入关系式(1)中，可得到节点3-定子齿部的热平衡方程(33)：
[0073][0074]
其中，q
toothloss
为定子齿部的铁损功率。
[0075]
基于关系式(1)，永磁体热平衡模型基于永磁体的吸热量、永磁体的放热量及转子铁芯的铁损功率之和与使得永磁体温度改变所需的热量之间的平衡关系建立，依据构建的永磁同步电机热模型及热平衡原理可知，节点4-永磁体的吸热及放热关系式分别为：
[0076]
[0077][0078]
其中，永磁体的吸热量q
4in
包括定子齿部对永磁体的放热量永磁体的放热量q
4out
包括永磁体对冷却液的放热量
[0079]
将关系式(41)与(42)代入到方程(1)中，可得到节点4-永磁体的热平衡方程(43)：
[0080][0081]
其中，q
rotorcoreloss
为转子铁芯的铁损功率。
[0082]
本实施方式中，电机的运行参数包括电机转速，方法还包括：
[0083]
依据定子绕组的三相电流及电机转速，通过查表法对预先建立的铁损功率表进行查表以获取定子绕组的三相电流及电机转速对应的铁损总功率；其中，铁损功率表包括定子绕组的三相电流及电机转速在不同值时对应的铁损功率。铁损功率表可以是定子绕组的其中一相电流与电机转速在不同值时对应的铁损功率，也可以是定子绕组的三相电流的平均值与电机转速在不同值时对应的铁损功率，例如，定子绕组的三相电流的平均值i
avg1
、电机转速s1对应铁损总功率q
totalcoreloss1
，定子绕组的三相电流的平均值i
avg2
、电机转速s2对应铁损总功率q
totalcoreloss2
，以此类推；其中，铁损总功率包括集肤效应损耗，铁损功率表的可以由电机电磁设计仿真分析得到。
[0084]
这样，永磁同步电机运行过程中，通过获取定子绕组的三相电流及电机转速，即可通过查表获取铁损总功率，将铁损总功率按设定比例划分即可得到定子轭部铁损功率q
yokeloss
，定子齿部铁损功率q
toothloss
和转子铁芯铁损功率q
rotorcoreloss
，具体关系式如下：
[0085]
f1 f2 f3＝1
ꢀꢀꢀ
(7)；
[0086]qyokeloss
＝f1*q
totalcore loss
ꢀꢀꢀ
(71)；
[0087]qtoothloss
＝f2*q
totalcore loss
ꢀꢀꢀ
(72)；
[0088]qrotorcoreloss
＝f3*q
totalcoreloss
ꢀꢀꢀ
(73)，其中第一比例因子f1、第二比例因子f2及第三比例因子f3可以根据不同的电机确定，第一比例因子f1、第二比例因子f2及第三比例因子f3的划分可预先根据仿真结果确定。由于永磁同步电机的运行过程的机械损耗主要影响轴承的温度，因此本实施方式不考虑机械损耗。
[0089]
如图3所示，通过建立的表征定子绕组与定子轭部、定子齿部之间热平衡关系的定子绕组热平衡模型，表征定子轭部与定子绕组、定子齿部、冷却液之间热平衡关系的定子轭部热平衡模型，表征定子齿部与定子轭部、定子绕组、永磁体之间热平衡关系的定子齿部热平衡模型，以及表征永磁体与定子齿部、冷却液之间热平衡关系的永磁体热平衡模型，得到以定子绕组温度t1、定子轭部温度t2、定子齿部温度t3以及永磁体温度t4为变量的方程组，通过获取的定子绕组三相电流、热阻参数、定子绕组的电阻及冷却液温度为输入，经建立的热平衡模型，解算由方程(13)(23)(33)(43)组成的方程组，可得到如(5)(51)(52)所示结果：
[0090][0091][0092][0093]
这样，基于解算上述关系式(5)(51)(52)(6)(61)(7)(71)(72)(73)，即可得到永磁体的估算温度t4，定子绕组的估算温度t1，定子轭部的估算温度t2以及定子齿部的估算温度t3，其解算过程可以通过现有软件实现，例如，通过matlab构建上述模型实现对模型的解算，其具体计算过程为现有技术，此处不再赘述。
[0094]
如图4所示，在本发明的第二方面，提供一种永磁同步电机的永磁体温度估算装置，应用上述的永磁同步电机的永磁体温度估算方法，装置包括：
[0095]
模型构建模块210，被配置为建立表征定子绕组与定子轭部、定子齿部之间热平衡关系的定子绕组热平衡模型，表征定子轭部与定子绕组、定子齿部、冷却液之间热平衡关系的定子轭部热平衡模型，表征定子齿部与定子轭部、定子绕组、永磁体之间热平衡关系的定子齿部热平衡模型，永磁体与定子齿部、冷却液之间热平衡关系的永磁体热平衡模型；
[0096]
温度计算模块220，被配置为获取电机的运行参数、热阻参数、定子绕组的电阻及冷却液温度，经定子绕组热平衡模型、定子轭部热平衡模型、定子齿部热平衡模型及永磁体热平衡模型估算定子绕组的温度、定子轭部的温度、定子齿部的温度及永磁体的温度。
[0097]
综上所述，本实施方式根据永磁同步电机的机械结构，将永磁同步电机划分为5个节点以建立热模型，可以更清晰的分析热量的传递过程；基于建立的热模型，建立每个节点的热平衡模型，依据每个节点的温度传递过程，确定每个节点吸收的热量及释放的热量关系，进而确定每个节点的热平衡模型的方程表达式；同时，本实施方式依据估算出的电机定子绕组的温度来计算定子绕组在不同温度下的电阻值，从而使得每次计算时铜损的计算更精确，进而使得得到的永磁体温度更精确。通过本实施方式的方法，可以获得高精度的永磁同步电机永磁体的真实温度，从而可以有效避免永磁体温度过高超过临界值而造成的永磁体退磁这种不可逆的损伤，同时不需要安装温度传感器便可获得永磁体的温度，节约了硬件成本，减小了故障率，且估算出的永磁体温度可以用于电机实时转矩的估算，很大程度的
提高了电机实时转矩的计算精度，保证了电机控制系统的控制精度及安全保护，保护了电机并保证了整车行使安全。
[0098]
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
[0099]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0100]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。