專利名稱：高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子溫度分布測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子溫度的測量方法，用于對高速旋轉(zhuǎn)的永磁同 步電機永磁轉(zhuǎn)子的表面溫度分布進行測量。
技術(shù)背景永磁同步電機中的永磁轉(zhuǎn)子對溫度非常敏感，溫度變化會導(dǎo)致其磁性發(fā)生變化。特別對 于釹鐵硼永磁轉(zhuǎn)子，當電機在一定負載狀況下長時間運行，永磁體和鐵心中的渦流以及由于 電機電源和齒槽等影響所引起的諧波使得電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的損耗，這些損耗大都轉(zhuǎn)化為熱 量散發(fā)出去，于是引起電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)較高溫升，在較高的溫度下，永磁體會退磁，嚴重時會 失磁，致使電機帶負載能力大大下降。明確永磁同步電機在不同運行工況下的轉(zhuǎn)子溫度數(shù)值 和溫度分布對維護電機的安全可靠運行至關(guān)重要，也是正確指導(dǎo)永磁同步電機設(shè)計的重要依 據(jù)。傳統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子溫升測量主要有兩種方式， 一種是停機斷電測量， 即斷電停機后馬上接上儀表測量轉(zhuǎn)子表面的溫度，這樣僅能測得轉(zhuǎn)子某些點處的溫度數(shù)值， 而且這樣測量時電機轉(zhuǎn)子由高速到停轉(zhuǎn)時間段內(nèi)的溫度損失無法計算，造成較大測量誤差。 另一種方式是帶電在線測量，即在電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中測量溫度數(shù)值，在線測量的難點在于 傳感器在永磁轉(zhuǎn)子上的安裝以及測量信號由電機內(nèi)部向外可靠傳輸問題。信號傳輸通常采用 無觸點方式，常見的交換媒介有光，電，磁等，但由于電機在運行時自身要產(chǎn)生強大的磁場 和電場，用電和磁作為信息傳送的媒介都存在難以避免的干擾，因此在實際應(yīng)用的信息傳遞 媒介中，光的傳輸最為普遍。實用新型專利"電機轉(zhuǎn)子測溫儀"(申請?zhí)?0266970. 6)涉及 一種電機轉(zhuǎn)子測溫裝置，將紅外傳感器裝在定子表面，并于電機轉(zhuǎn)子相對，光纖與紅外傳感 器內(nèi)收集器的焦點連接。該方法雖然不失為一種簡單可行的轉(zhuǎn)子測溫方法，但其在高速下測 量電機轉(zhuǎn)子的溫度分布受限于紅外溫度響應(yīng)時間，其可行性值得商榷。光纖和收集器是測量 過程中的重要轉(zhuǎn)換部件，其必須能準確傳輸和收集轉(zhuǎn)子輻射的能量，否則難以保證測量的準 確度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子溫度分布的測量方法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子溫 度分布的單傳感器非接觸多點連續(xù)測量，避免高速轉(zhuǎn)子上傳感器的安裝和強電磁環(huán)境下的數(shù) 據(jù)傳輸問題；解決因傳感器響應(yīng)時間限制造成高速下溫度分布難以測量的難題。本發(fā)明的測量步驟如下l)在永磁同步電機的定子齒上鉆孔，將紅外溫度傳感器固定于孔中，使紅外傳感器探頭直接與永磁轉(zhuǎn)子表面相對，使紅外溫度傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)相連接；2) 測量時，利用變頻調(diào)速器使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在5 20秒內(nèi)降為臨界測量轉(zhuǎn)速以下，并 穩(wěn)定運行，該臨界測量轉(zhuǎn)速是指永磁同步電機供電頻率為紅外溫度傳感器采樣頻率的1/20時 所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄紅外溫度傳感器測得的轉(zhuǎn)子降速過程中表面平均溫度的變化以及在 臨界測量轉(zhuǎn)速以下穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)子表面溫度分布，二者相加得到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的溫度分 布。自然界中任何物體的溫度高于絕對零度時，會向外界輻射能量，紅外溫度傳感器即通過 收集被測物體的熱輻射能量而進行溫度測量，因此具有很高的測量精度，可以實現(xiàn)溫度的非 接觸測量。此外，紅外傳感器由非金屬材料制成，為無源器件，適用于強電磁場環(huán)境下的溫 度測量。鑒于此，通過在永磁同步電機定子齒上鉆孔，將紅外傳感器固定于孔中，使紅外傳 感器探頭直接與永磁轉(zhuǎn)子表面相對，實現(xiàn)在定子側(cè)的轉(zhuǎn)子溫度測量。其優(yōu)點是①.傳感器安 裝方便，將傳感器置于靜止的定子齒孔中明顯易于安裝在高速旋轉(zhuǎn)且表面光滑的永磁轉(zhuǎn)子上 ②避免數(shù)據(jù)傳輸，無論何種傳輸方式都難免造成傳輸誤差，而且傳輸媒介和轉(zhuǎn)換電路的使用 無疑會增加測量成本以及測量過程的復(fù)雜性。對于高速旋轉(zhuǎn)的永磁轉(zhuǎn)子而言，受傳感器響應(yīng)時間所限，單傳感器在高速下無法實現(xiàn)轉(zhuǎn) 子表面的多點溫度測量。本發(fā)明提出用低速測量代替高速測量的方法，測量轉(zhuǎn)子表面溫度分 布時，使用調(diào)速器將電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速將至臨界測量轉(zhuǎn)速以下，使得具有較快響應(yīng)時間的紅 外溫度傳感器可以較準確測量轉(zhuǎn)子表面溫度分布。臨界測量轉(zhuǎn)速定義為永磁同步電機供電頻 率為紅外溫度傳感器響應(yīng)頻率的1/20時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即保證理論上轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周紅外溫度 傳感器可以測量20個以上的溫度點，轉(zhuǎn)速越低，溫度分布測量結(jié)果越準確。由于在減速過程 中，轉(zhuǎn)子溫度會有降落，可通過平均溫度補償?shù)姆椒?。采用?shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下紅外傳感器 所測的永磁轉(zhuǎn)子高速到低速的平均溫度變化，低速下的溫度分布與平均溫度差相加就可以得 到高速時的永磁電機轉(zhuǎn)子溫度分布。低速代替高速進行溫度分布測量的方法，實現(xiàn)了高速旋 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子表面溫度分布的單傳感器多點連續(xù)測量。


圖l為永磁同步電動機定子齒開孔和紅外溫度傳感器安裝方式示意圖。圖中，l一定子齒孔；2 —定子槽；3 —紅外溫度傳感器；4一定子齒；5 —轉(zhuǎn)子；6 —信號線。圖2為高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子表面溫度分布測量流程圖。圖3為由低速溫度分布推算高速溫度分布的示意圖。圖中a表示推算所得高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子表面的溫度分布；b表示在臨界測量轉(zhuǎn)速以下電機穩(wěn)定運行時所測的溫度分布；C表示速度下降過程中的轉(zhuǎn)子表面溫度變化；則a^+c。圖4為實施例中測得永磁電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1500r/min運行時的轉(zhuǎn)子表面溫度分布。
具體實施方式
本發(fā)明所涉及的高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子表面溫度分布測量方法，其具體操作過程 如下l)在永磁同步電機的定子齒上鉆孔，將紅外溫度傳感器固定于孔中，使紅外傳感器 探頭直接與永磁轉(zhuǎn)子表面相對，使紅外溫度傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接(如圖 1所示)，這樣永磁轉(zhuǎn)子由于溫度升高而輻射之能量可被紅外探頭收集轉(zhuǎn)化為溫度信號并傳 輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。紅外溫度傳感器應(yīng)選擇具有較快響應(yīng)時間的紅外溫度傳感器。2) 測量時，利用變頻調(diào)速器使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在5 20秒內(nèi)降為臨界測量轉(zhuǎn)速以下， 并穩(wěn)定運行，該臨界測量轉(zhuǎn)速是指永磁同步電機供電頻率為紅外溫度傳感器采樣頻率的1/20時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；3) 數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)記錄紅外溫度傳感器測得的轉(zhuǎn)子降速過程中表面平均溫度的變化以及在臨界測量轉(zhuǎn)速以下穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)子表面溫度分布，二者相加得到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的溫度分布。如圖3所示?？傮w操作流程示于圖2。實施例選擇額定功率為30kW、額定電壓為380V、額定電流為49. 5A、額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的 三相永磁同步電機作為測量對象，該電機由普林依托CFV-G3/P3變頻調(diào)速器進行控制，測溫 用紅外溫度傳感器選擇EXERGEN公司生產(chǎn)的ix IRt/c紅外溫度傳感器，其響應(yīng)頻率為20Hz。在永磁同步電機的一定子齒上開孔，將y IRt/c紅外溫度傳感器置于孔中，使該傳感器 探頭與永磁轉(zhuǎn)子表面直接相對。u IRt/c紅外溫度傳感器輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，本實 施例數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。現(xiàn)測量永磁同步電機在額定負載下以額定轉(zhuǎn)速1500r/min運行2小時后的電機轉(zhuǎn)子表面 的溫度分布，根據(jù)紅外溫度傳感器的響應(yīng)頻率，測量臨界轉(zhuǎn)速為30r/min。設(shè)定變頻調(diào)速器， 測量轉(zhuǎn)速設(shè)為22. 5r/min，永磁同步電機轉(zhuǎn)速由1500r/min減速至22. 5r/min的時間設(shè)定分 別設(shè)為5秒、10秒和20秒。測量時，變頻調(diào)速器控制永磁同步電機分別在5秒、10秒和20 秒內(nèi)轉(zhuǎn)速從1500r/min降為22. 5r/min，并以22. 5r/min穩(wěn)定運行。與此同時，u IRt/c紅外 溫度傳感器所測量減速過程中轉(zhuǎn)子表面溫度變化和22. 5r/min下的溫度分布由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 采集。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速22. 5r/min下的表面溫度分布與轉(zhuǎn)子表面平均溫度變化相加得到轉(zhuǎn)速 1500r/min下的表面溫度分布。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，減速時間分別為5秒、10秒和20秒時，所測得 的1500r/min下的轉(zhuǎn)子表面溫度分布比較接近，無明顯變化。圖4給出了永磁同步電機轉(zhuǎn)子 表面溫度在10秒內(nèi)從1500r/min減速至22. 5r/min所得到的1500r/min下的轉(zhuǎn)子表面溫度 分布。
權(quán)利要求
1. 一種高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子溫度分布測量方法，其特征在于該測量方法的步驟如下1)在永磁同步電機的定子齒上鉆孔，將紅外溫度傳感器固定于孔中，使紅外傳感器探頭直接與永磁轉(zhuǎn)子表面相對，使紅外溫度傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接；2)測量時，利用變頻調(diào)速器使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在5～20秒內(nèi)降為臨界測量轉(zhuǎn)速以下，并穩(wěn)定運行，該臨界測量轉(zhuǎn)速是指永磁同步電機供電頻率為紅外溫度傳感器采樣頻率的1/20時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄紅外溫度傳感器測得的轉(zhuǎn)子減速過程中表面平均溫度的變化以及在臨界測量轉(zhuǎn)速以下穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)子表面溫度分布，二者相加得到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的溫度分布。
全文摘要
一種高速旋轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子溫度分布測量方法，用于對高速旋轉(zhuǎn)的永磁同步電機永磁轉(zhuǎn)子的表面溫度分布進行測量。本發(fā)明首先在定子齒上鉆孔，將紅外溫度傳感器固定于孔中，使傳感器探頭直接與轉(zhuǎn)子表面相對；利用變頻調(diào)速器使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在短時間內(nèi)降為臨界測量轉(zhuǎn)速以下，并穩(wěn)定運行；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄傳感器測得的轉(zhuǎn)子減速過程中表面平均溫度的變化以及在臨界測量轉(zhuǎn)速以下穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)子表面溫度分布，二者相加得到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的溫度分布。本發(fā)明實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子溫度分布的單傳感器非接觸多點連續(xù)測量，避免了高速轉(zhuǎn)子上傳感器的安裝和強電磁環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸問題，解決了因傳感器響應(yīng)時間限制造成高速下溫度分布難以測量的難題。
文檔編號G01J5/00GK101275871SQ20081011166
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者吳德會, 董甲瑞, 偉 趙, 郝寬勝, 黃松嶺 申請人:清華大學(xué)