本发明涉及电机， 尤其涉及电机绕组温度的检出方法和电机绕 组温度的检出装置及电机热说保护方法和电机 热保护装置。 背景技术

电机在工作时， 电能一部分转化为机械能输出， 一部分转化为 热能， 通过电机结构材料， 緩慢传播到书空气中或者其他介质中。 如 果该热能不能被及时传输到电机以外的介质， 则电机绕组的温度就 会上升， 达到一定程度， 电机就有被烧毁的可能。

通用的电机绕组温度检测或检出方法是 "过流保护法"， 这种方 法检测电机的运行电流， 并在运行电流达到规定值时， 进行规定的 保护电机的动作。 由于电机运行电流并不是导致电机绕组发热升 温 的唯一因素， 绕组温度增长速度还与绕组的热特性和负荷量 有关， 因而 "过流保护法" 有不足之处。

另外比较适用的方法， 是通过在电机内部危险热源部位埋置热 敏元件， 直接检测电机热源温度， 当温度超过允许值时， 就会启动 对电机热保护的相关动作。 该方法具有检测温度准确的优点， 但是， 他需要添加辅助装置， 成本高； 另外对于一些小型电机， 安装热敏 元件往往比较复杂。 另外热敏元件所检测的温度必须充分接近危险 热源才能检测到实际的危险热源温度， 而对于电机， 这个实现起来 难度是非常大的。 发明内容

本发明的一个目的在于提供一种电机绕组温度 的检出方法， 以 提高电机绕组温度检出的准确性， 同时， 本发明还提供了一种电机 绕组温度的检出装置。 本发明的另一个目的还在于提供一种电机的 热保护方法和电机的热保护装置。 本发明的目的还在于提供一种具 有热保护装置的电机。

为此， 本发明的一方面提供了一种电机绕组温度的检 出方法， 包括以下步骤：

A ) 获得电机在一时间步长的前一时刻的电机绕组 温度 ；

B ) 计算电机的等效热功率 和散热功率 并且利用第一 式计算电机在运转一时间步长 后的转子等效体的温升 ΔΓ；

C ) 利用第二式计算电机在运转时间步长 后的电机绕组温度

T.

'； 其中第一式为： , 其中， C为电机转子的 等效比热容， M为电机转子的质量； 第二式为： 。

根据本发明的另一方面，提供了一种电机的热 保护方法， 包括： 根据上面所描述的电机绕组温度的检出方法中 的步骤 A和步骤

B和步骤 C: 将步骤 C获得的当前时刻的电机绕组的温度与温度门 槛值相比较，若电机绕组温度大于温度门槛值 则启动电机的热保护， 否则允许电机继续工作。

根据本发明的又一方面，提供了一种电机绕组 温度的检出装置， 包括：

电机绕组温度记录器， 用于获得电机在一时间步长的前一时刻 的电机绕组温度 ⁷ ^ i ; 电机绕组温度计算单元，用于计算电机的等效 热功率 和散热 功率 0^； 并且利用第一式计算电机在运转一时间步长 Δ 后的转子 等效体的温升 ΔΓ； 并且利用第二式计算电机在运转时间步长 后 的电机绕组温度

其中， 第一式为： CM , 其中， C为电机转子的等效 比热容， ^为电机转子的质量； 第二式为： 。

根据本发明的又一方面， 提供了一种电机绕组热保护装置， 包 括： 根据上面所描述的电机绕组温度的检出装置， 用于检出当前时 刻的电机绕组温度； 以及

热保护控制器， 用于将电机绕组温度的检出装置检出的当前时 刻的电机绕组的温度与温度门槛值相比较， 若电机绕组温度大于温 度门槛值则启动电机的热保护， 否则允许电机继续工作。

本发明还提供了一种电机， 包括根据上面所描述的电机绕组热 保护装置。

与现有技术相比， 本发明通过温度的迭代计算过程检出电机绕 组温度，充分反映了电机转子等效体热量累计 导致温度升高的效果， 使得温度的实时监控得以实现。

在本发明的电机热保护方法中， 热保护启动标准， 是以绕组允 许的温度为基准， 对于冷态过电流， 热态过电流， 以及频繁过电流， 都是以绕组温度允许值为动作条件， 发挥了电机的能力， 并提高了 灵敏度。

另外， 在本发明中， 引入电机等效热阻， 更加直接地反应电机 本身的传热特性， 更好地反应了环境温度对绕组温度的影响； 引入 了等效比热容， 可以同时体现出转子本身对热能的容纳能力和 电机 散热能力之间的关系。

另夕卜， 本发明考虑了温度对材料属性的影响， 这里的材料属性， 主要包括等效比热容， 等效热阻以及绕组电阻。 实时计算出绕组瞬 时温度， 并将该温度反馈给以上参数的计算单元， 就可以得到特定 温度下的材料属性参数， 提高了绕组温度模拟的精度。

除了上面所描述的目的、 特征、 和优点之外， 本发明具有的其 它目的、 特征、 和优点， 下面将结合附图作进一步详细的说明。 附图说明

构成本说明书的一部分、 用于进一步理解本发明的附图示出了 本发明的优选实施例， 并与说明书一起用来说明本发明的原理。 图 中：

图 1示出了根据本发明的电机绕组温度的检出方� �的流程图； 图 2示出了根据本发明的电机绕组温度检出装置� �结构框图； 图 3示出了根据本发明的电机热保护方法的流程� �；

图 4示出了根据本发明的电机绕组温度检出装置� �结构框图； 图 5示出了根据本发明的电机绕组温度检出方法� �第一实施例 的原理 411图；

图 6示出了 居本发明的电机绕组温度检出装置的第一实施 例 的结构图；

图 7示出了根据本发明的电机绕组温度检出装置� �第二实施例 的结构图。 具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明 ， 但是本发明可 以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施 。

图 1示出了根据本发明的电机绕组温度的检出方� �的流程图。 如图 1所示， 本发明的检出方法包括以下步骤： S10: 获得前一时刻 的电机绕组温度； S20:计算运行一时间步长后的转子等效体的温� �； 以及 S30: 利用前一时刻的电机绕组温度和运行一时间步 长后的转 子等效体的温升相叠加的方式计算后一时刻的 电机绕组温度。

前一时刻的电机绕组温度获得方式与电机的运 行状态有关， 若 电机刚开始启动， 则前一时刻的电机绕组温度为环境温度， 如此， 电机在运行一时间步长后， 后一时刻的电机绕组温度则等于环境温 度和在该一时间步长内转子等效体的温升的叠 加值。 若电机继续运 行， 则后一时刻的电机绕组温度则为下一个时间步 长的前一时刻的 电机绕组温度。 若电机由休眠唤醒， 则使用休眠时的电机绕组温度 作为前一时刻的电机绕组温度。

转子等效体的温升的计算步骤如下： 先获得电机运行时的参数 (优选为电机的电压和转速），然后计算电机� �等效热功率和散热功 率，并利用等效热功率和散热功率计算一个时 间步长内的滞留热量， 再利用该滞留热量和等效比热容计算转子等效 体的温升。

本发明的电机绕组温度的检出方法可以由根据 本发明的电机绕 组温度的检出装置来实现。 图 2示出了根据本发明的电机绕组温度 检出装置的结构框图， 如图 2所示， 电机绕组温度的检出装置包括： 电机绕组温度记录器， 用于获得电机在一时间步长的前一时刻的电 机绕组温度 7 _,； 电机绕组温度计算单元， 用于计算转子等效体在运 行一时间步长后的温升， 以及利用该温度和前一时刻的电机绕组温 度叠加计算后一时刻的电机绕组温度。

图 3示出了根据本发明的电机热保护方法的流程� �图。 如图 3 所示， 在图 1所示流程基础上， 增加了步骤 S40, 即将步骤 S30得 到的电机绕组温度与绕组的温度门槛值进行比 较， 并根据比较结果 来确定是否启动热保护。 若电机绕组温度大于温度门槛值， 则启动 电机的热保护； 否则， 允许所述电机继续工作。 装置来实现。 如图 4所示， 电机绕组热保护装置包括 居本发明的 电机绕组温度检出装置和热保护控制器。 其中， 热保护控制器 （或 称为热保护控制单元）将电机绕组温度检出装 置提供的当前时刻的 电机绕组温度与电机绕组的温度门槛值相比较 并根据比较结果来确 定是否启动热保护。 若电机绕组温度大于温度门槛值， 则启动电机 的热保护； 否则， 允许所述电机继续工作。 在本发明中， 优选地， 通过给出电机电压、 电机转速和环境温 度这三个输入条件， 利用计算单元进行处理， 即可检出包括当前时 刻在内的各时刻的电机绕组温度。

电机绕组温度检出方法的第一优选实施例

图 5示出了根据本发明电机绕组温度检出方法的� �一优选实施 例的原理框图。 如图 5所示， 首先， 根据检出的电压、 转速及环境 温度计算电机的等效热功率和电机的散热功率 ； 然后利用等效热功 率和散热功率计算电机在时间步长内的转子等 效体的温升； 最后将 时间步长内的转子等效体的温升和前一时刻的 电机绕组温度相叠加 以获得当前时刻的电机绕组温度。

在本发明中， 将电机的转子看作一个质量等效体来进行考察 。 电机等效热功率的说明： 本发明的电机等效热功率即电机单位 时间内产生的热量^由式 （ 1 ) 来计算， 这里仅考虑电能转化为两 部分： 电机 出机械能以及热能。

上式中， t/是电机电压， 是电流系数， W是电机转速， 是 绕组电阻， 77是电机的机械效率， 摩擦生热以及铁损生热均通过机 械效率来体现。 可见利用电机的机械效率来计算电机的等效热 功率 提高了电机绕组温度检出精度。

w为电刷上所消耗的电压， 那么 ί/- 就是加在绕组两端的 电压， ^υ — ^Κ ' ^ω 就是绕组的电流， 绕组电流乘以电流系数 就是电机

R

的输出扭矩。 电机的输出扭矩再乘以转速 就是输出功率， 然后通 过电机本身的效率就可以进一步计算出电机的 等效热功率。

电机等效热阻的说明： 由传热学可知， 反应传热难易程度的参 数就是热阻， 其单位是。 C/W (或者摄氏度 /瓦）， 热阻是与材料特性息 这里引入电机等效热阻^。 ^越大， 则转子所产生的热量越不容易 传出去。

电机散热功率 （即电机等效热传出功率） 的说明： 有了电机的 等效热阻， 就可以 居式（ 2 )计算单位时间内由电机转子向外传递 热量 2。„,的多少。

T - T

^ ( 2 ) 上式中， _!是电机前一时刻的温度， 是环境温度。

在上述（ 1 )式和（2 )式中， 得到了电机产生的热功率 以及 散热功率 β。„,， 将这两部分叠加， 就可以计算单位时间内滞留在电 机内部即转子上的热量的多少， 由滞留热量、 等效比热容以及转子 的质量就可以计算出电机转子的温升 ΔΓ , 以下是计算温升的表达 式：

上述表达式（3 )中， 为电机的等效热功率即电机单位时间 产生的热量， β。„,为电机的散热功率即电机单位时间的散 热量， tt 为时间步长， C为转子的等效比热容， Μ为转子的质量。

电机转子等效比热容 C的说明： 根据传热学， 比热容的单位是 J/ ( ° kg ), 他反应的是单位质量的某种介质， 当温度上升或者下降 1摄氏度所要消耗的热量。

比热容与材料本身的性质有很大关系， 这里引入电机转子的等 效比热容是因为转子的组成材料包括多种， 铜绕组、 硅钢片以及刚 轴， 这些材料各自的比热容是不同的， 因此， 需要对他们进行加权 平均， 加权平均后的比热容就是电机转子的等效比热 容。 加权平均 法计算电机的等效比热容是理论方法， 实际上， 电机转子的等效比 热容， 需要通过相关的热学实-睑来获得。 上述电流系数 、 绕组电阻 、 电机的等效热阻 A、 上述转子 的等效比热容 ^c 均是距离当前时刻一时间步长的前一时刻 的电机 绕组温度 ⁷ ^的函数， 即 / ₂ α o， ^c = M ^R K _{Ti l} ), 更优选地上述电流系数 、 绕组电阻 W、 电机的等效热

函数， 由此可得到比较精确的计算结果。 需要指出的是， 电流系数 ^κ 绕组电阻^、 电机的等效热阻 A、 上述转子的等效比热容 c分 别与电机绕组温度 之间的线性函数需要通过热学实验获得，该热 学实验方法属于本领域技术人员所掌握的常规 实验手段， 因此具体 试睑方法不再赘述。 当然， 也可利用更高次函数来拟合这四个参数 与温度电机绕组温度 - ¹ 的关系， 如此， 可使计算结果更加精确。

将时间步长 内的转子等效体的温升 ΔΓ和前一时刻的电机绕 组温度 ―！代入以下表达式可获得当前时刻的温度 7：

Τ^ Τ^ + ΑΤ ( 4 )

以上四个表达式可以合并为以下两式：

在使用过程中， 可以根据实际工况对上述各表达式进行进一步 修正。

对于在某些特定场合使用的电机来说， 电机自身已带有能够釆 集到电机电压、 电机转速以及环境温度的传感器和处理这三个 信号 的控制单元， 如此， 利用本发明的方法可以非常简便地计算出电机 绕组的温度， 并可对不同负载下电机绕组温度进行艮踪。 当计算的 绕组模拟温度超过温度门槛值时， 就启动热保护动作， 对电机进行 保护。

电机绕组温度的检出装置的第一优选实施例：

图 6示出了根据本发明电机绕组温度检出装置的� �一优选实施 例的结构图。 如图 6所示， 电机绕组温度的检出装置包括：

电机绕组温度 ^己录单元， 用于获得电机在一时间步长的前一时 刻的电机绕组温度 7；·—，。 具体地， 电机绕组温度己录单元记录前一 时刻电机绕组温度 7； ， 如果电机刚刚启动， 则 7— ,直接等于环境温 度值。

电机绕组温度的检出装置还包括霍尔传感器、 电压检测端子和 温度传感器， 其中， 霍尔传感器是电机自身携带的， 用于采集电机 转速 ， 电压检测端子采集电机在一时间步长内的电机 电压 , 温 度传感器釆集环境温度 。

电机绕组温度的检出装置还包括第一等效热功 率计算单元， 用 于根据式 （1 ) 计算得出电机的等效热功率 0^的值， 其中， 式 （ 1 ) 中的 Α为绕组的电阻， ；/为电机的机械效率， 为电流系数； 式（1 ) 中的 和 分别由电压检测端子和霍尔传感器提供。

电机绕组温度的检出装置还包括散热功率计算 单元， 用于根据 式 （2 ) 计算散热功率 2。w， 其中， 式 （2 ) 中的^为电机的等效热 阻， 是环境温度， 由温度传感器提供。

电机绕组温度的检出装置还包括电机绕组温度 计算单元， 根据 通过上述方式获得的电机的等效热功率^和散� �功率 0^， 利用式 ( 3 ) 计算电机在运转所述一时间步长 后的转子等效体的温升 AT ; 并且利用式（4 )计算电机在运转时间步长 Δ 后的电机绕组温 度 7；; 其中， 式（3 ) 中的 C为电机转子的等效比热容， M为电机 转子的质量； 由 ,计算等效比热容 、 等效热阻^、 绕组电阻 Α以及电流 系数 K _t , 并将以上四个参数输入各个计算单元。 如果电机是刚刚启 动，则 1直接代入环境温度值计算；如果电机是由休� �唤醒，则 用先前程序计算的终了值代入计算。

电机绕组温度计算单元每隔给定时间就将计算 结果传输给电机 控制单元， 并由电机控制单元将该计算结果与温度门槛值 比较， 如 果大于温度门槛值， 则关闭电机， 否则什么也不用 文。

电机绕组温度检出方法的第二优选实施例

本实施例与上述实施例不同之处在于， 电机等效热功率由铜损 功率和铁损功率两部分损耗之和计算。 铜损计算式为： ~~ ^L - ( 5 )

K

其中， w为绕组的电阻， ί/为所述电机电压， 为电流系数， ω为所述电机的转速。

在铁芯 因主磁通交变引起磁滞及涡流损耗， 按下式计算基本 (单位： W) ( _{6 )} 其中， Λ _/5 。为频率 50Ηζ、 磁密 IT 时铁芯材料的单位损耗 ( W/kg ); B为铁芯磁通密度 （T ); /为交变频率 （Hz ); G _Fe 为 k 芯质量。 为考虑铁芯加工、 磁通密度分布不均匀等因素使铁损耗 增加的修正系数。 则， 电机等效热功率： Q _w = P _Cu + P _Fe 。

需要指出的是， 根据本发明的第一优选实施例的电机绕组温度 的检出方法比第二优选实施例的检出方法的技 术效果更好。

电机绕组温度的检出装置的第二优选实施例：

图 7示出了 居本发明电机绕组温度检出装置的第二优选实 施 例的结构图。 如图 7所示， 该实施例与电机绕组温度的检出装置的 第一优选实施例相比， 其区别在于： 将电机绕组温度的检出装置中 的第一等效热功率计算单元更换为第二等效热 功率计算单元。

第二等效热功率计算单元，用于利用铜损功率 R _Cu 和铁损功率 P _Fe 两部分损耗之和来计算等效热功率^的值； 其中， 铜损功率 _cu 由 式 （5 ) 计算得出， 铁损功率 由式 （6 ) 计算得出， 其中式 （5 ) 中的 为绕组的电阻， 为电机电压， _t 为电流系数， 为电机转 速； 式 （ 6 ) 中的 Ρ、 _/50 为频率 50赫兹、 磁密 1特斯拉时铁芯材料的 单位损耗； Β为铁芯磁通密度； /为交变频率； G _Fe 为铁芯质量， K 为铁损耗修正系数， /。为 50赫兹。

本发明的优点在于以简易的方法检测引起电机 发热升温的热 量； 引入电机等效热阻， 更加直接的反应电机本身的传热特性， 更 好的反应了环境温度对绕组温度的影响； 引入了等效比热容， 可以 同时体现出转子本身对热能的容纳能力和电机 散热能力之间的关 系。

同时， 温度的迭代计算过程， 充分反映了电机转子等效体热量 累计导致温度升高的效果， 所有这些， 使得温度的实时监控得以实 现。 且热保护启动标准， 是以绕组允许的温度为基准， 对于冷态过 电流， 热态过电流， 以及频繁过电流， 都是以绕组温度允许值为动 作条件， 发挥了电机的能力， 并提高了灵敏度。

本发明同时考虑了温度对材料属性的影响， 这里的材料属性， 主要包括等效比热容， 等效热阻以及绕组电阻。 实时计算出绕组瞬 时温度， 并将该温度反馈给以上参数的计算单元， 就可以得到特定 温度下的材料属性参数， 如此， 提高了绕组温度模拟的精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对 于本领域的技术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本 发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均 应包含在本发明的保护范围之内。