高速旋转永磁同步电机转子温度分布测量方法

摘要

一种高速旋转永磁同步电机转子温度分布测量方法，用于对高速旋转的永磁同步电机永磁转子的表面温度分布进行测量。本发明首先在定子齿上钻孔，将红外温度传感器固定于孔中，使传感器探头直接与转子表面相对；利用变频调速器使高速旋转的转子在短时间内降为临界测量转速以下，并稳定运行；数据采集系统记录传感器测得的转子减速过程中表面平均温度的变化以及在临界测量转速以下稳定运行时的转子表面温度分布，二者相加得到转子高速旋转时的温度分布。本发明实现了转子温度分布的单传感器非接触多点连续测量，避免了高速转子上传感器的安装和强电磁环境下的数据传输问题，解决了因传感器响应时间限制造成高速下温度分布难以测量的难题。

权利要求

1.一种高速旋转永磁同步电机转子温度分布测量方法，其特征在于该测量方法的步骤如下：

1)在永磁同步电机的定子齿上钻孔，将红外温度传感器固定于孔中，使红外温度传感器探头直接与永磁转子表面相对，使红外温度传感器的输出端与数据采集系统相连接；

2)测量时，变频调速器控制永磁同步电机分别在5秒、10秒和20秒内降为临界测量转速以下，即转速从1500r/min降为22.5r/min，并以22.5r/min稳定运行，该临界测量转速是指永磁同步电机供电频率为红外温度传感器采样频率的1/20时所对应的转速；

3)数据采集系统记录红外温度传感器测得的转子减速过程中表面平均温度的变化以及在临界测量转速以下稳定运行时的转子表面温度分布，二者相加得到转子高速旋转时的温度分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速旋转永磁同步电机转子温度的测量方法，用于对高速旋转的永磁同步电机永磁转子的表面温度分布进行测量。

背景技术

永磁同步电机中的永磁转子对温度非常敏感，温度变化会导致其磁性发生变化。特别对于钕铁硼永磁转子，当电机在一定负载状况下长时间运行，永磁体和铁心中的涡流以及由于电机电源和齿槽等影响所引起的谐波使得电机转子产生较大的损耗，这些损耗大都转化为热量散发出去，于是引起电机转子出现较高温升，在较高的温度下，永磁体会退磁，严重时会失磁，致使电机带负载能力大大下降。明确永磁同步电机在不同运行工况下的转子温度数值和温度分布对维护电机的安全可靠运行至关重要，也是正确指导永磁同步电机设计的重要依据。
传统高速旋转永磁同步电动机的转子温升测量主要有两种方式，一种是停机断电测量，即断电停机后马上接上仪表测量转子表面的温度，这样仅能测得转子某些点处的温度数值，而且这样测量时电机转子由高速到停转时间段内的温度损失无法计算，造成较大测量误差。另一种方式是带电在线测量，即在电机转子旋转过程中测量温度数值，在线测量的难点在于传感器在永磁转子上的安装以及测量信号由电机内部向外可靠传输问题。信号传输通常采用无触点方式，常见的交换媒介有光，电，磁等，但由于电机在运行时自身要产生强大的磁场和电场，用电和磁作为信息传送的媒介都存在难以避免的干扰，因此在实际应用的信息传递媒介中，光的传输最为普遍。实用新型专利“电机转子测温仪”(申请号：00266970.6)涉及一种电机转子测温装置，将红外传感器装在定子表面，并于电机转子相对，光纤与红外传感器内收集器的焦点连接。该方法虽然不失为一种简单可行的转子测温方法，但其在高速下测量电机转子的温度分布受限于红外温度响应时间，其可行性值得商榷。光纤和收集器是测量过程中的重要转换部件，其必须能准确传输和收集转子辐射的能量，否则难以保证测量的准确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速旋转永磁同步电机转子温度分布的测量方法，实现转子温度分布的单传感器非接触多点连续测量，避免高速转子上传感器的安装和强电磁环境下的数据传输问题；解决因传感器响应时间限制造成高速下温度分布难以测量的难题。
本发明的测量步骤如下：
1)在永磁同步电机的定子齿上钻孔，将红外温度传感器固定于孔中，使红外传感器探头直接与永磁转子表面相对，使红外温度传感器的输出端与数据采集系统相连接；
直接与永磁转子表面相对，使红外温度传感器的输出端与数据采集系统相连接；
2)测量时，利用变频调速器使高速旋转的转子在5～20秒内降为临界测量转速以下，并稳定运行，该临界测量转速是指永磁同步电机供电频率为红外温度传感器响应频率的1/20时所对应的转速；
3)数据采集系统记录红外温度传感器测得的转子降速过程中表面平均温度的变化以及在临界测量转速以下稳定运行时的转子表面温度分布，二者相加得到转子高速旋转时的温度分布。
自然界中任何物体的温度高于绝对零度时，会向外界辐射能量，红外温度传感器即通过收集被测物体的热辐射能量而进行温度测量，因此具有很高的测量精度，可以实现温度的非接触测量。此外，红外传感器由非金属材料制成，为无源器件，适用于强电磁场环境下的温度测量。鉴于此，通过在永磁同步电机定子齿上钻孔，将红外传感器固定于孔中，使红外传感器探头直接与永磁转子表面相对，实现在定子侧的转子温度测量。其优点是：①.传感器安装方便，将传感器置于静止的定子齿孔中明显易于安装在高速旋转且表面光滑的永磁转子上②避免数据传输，无论何种传输方式都难免造成传输误差，而且传输媒介和转换电路的使用无疑会增加测量成本以及测量过程的复杂性。

附图说明

对于高速旋转的永磁转子而言，受传感器响应时间所限，单传感器在高速下无法实现转子表面的多点温度测量。本发明提出用低速测量代替高速测量的方法，测量转子表面温度分布时，使用调速器将电机转子转速迅速将至临界测量转速以下，使得具有较快响应时间的红外温度传感器可以较准确测量转子表面温度分布。临界测量转速定义为永磁同步电机供电频率为红外温度传感器响应频率的1/20时所对应的转速，即保证理论上转子旋转一周红外温度传感器可以测量20个以上的温度点，转速越低，温度分布测量结果越准确。由于在减速过程中，转子温度会有降落，可通过平均温度补偿的方法。采用数据采集系统记录下红外传感器所测的永磁转子高速到低速的平均温度变化，低速下的温度分布与平均温度差相加就可以得到高速时的永磁电机转子温度分布。低速代替高速进行温度分布测量的方法，实现了高速旋转转子表面温度分布的单传感器多点连续测量。
图1为永磁同步电动机定子齿开孔和红外温度传感器安装方式示意图。图中，1-定子齿孔；2-定子槽；3-红外温度传感器；4-定子齿；5-转子；6-信号线。
图2为高速旋转永磁同步电机转子表面温度分布测量流程图。
图3为由低速温度分布推算高速温度分布的示意图。图中：a表示推算所得高速旋转时转子表面的温度分布；b表示在临界测量转速以下电机稳定运行时所测的温度分布；c表示速度下降过程中的转子表面温度变化；则a＝b+c。

具体实施方式

图4为实施例中测得永磁电机转子转速为1500r/min运行时的转子表面温度分布。
本发明所涉及的高速旋转永磁同步电机转子表面温度分布测量方法，其具体操作过程如下：
1)在永磁同步电机的定子齿上钻孔，将红外温度传感器固定于孔中，使红外传感器探头直接与永磁转子表面相对，使红外温度传感器的输出端与数据采集系统相连接(如图1所示)，这样永磁转子由于温度升高而辐射之能量可被红外探头收集转化为温度信号并传输至数据采集系统。红外温度传感器应选择具有较快响应时间的红外温度传感器。
2)测量时，利用变频调速器使高速旋转的转子在5～20秒内降为临界测量转速以下，并稳定运行，该临界测量转速是指永磁同步电机供电频率为红外温度传感器响应频率的1/20时所对应的转速；
3)数据采集系统记录红外温度传感器测得的转子降速过程中表面平均温度的变化以及在临界测量转速以下稳定运行时的转子表面温度分布，二者相加得到转子高速旋转时的温度分布。如图3所示。
总体操作流程示于图2。
实施例：
选择额定功率为30kW、额定电压为380V、额定电流为49.5A、额定转速为1500r/min的三相永磁同步电机作为测量对象，该电机由普林依托CFV-G3/P3变频调速器进行控制，测温用红外温度传感器选择EXERGEN公司生产的μIRt/c红外温度传感器，其响应频率为20Hz。
在永磁同步电机的一定子齿上开孔，将μIRt/c红外温度传感器置于孔中，使该传感器探头与永磁转子表面直接相对。μIRt/c红外温度传感器输出端与数据采集系统相连，本实施例数据采集系统由数据采集卡和计算机组成。
现测量永磁同步电机在额定负载下以额定转速1500r/min运行2小时后的电机转子表面的温度分布，根据红外温度传感器的响应频率，测量临界转速为30r/min。设定变频调速器，测量转速设为22.5r/min，永磁同步电机转速由1500r/min减速至22.5r/min的时间设定分别设为5秒、10秒和20秒。测量时，变频调速器控制永磁同步电机分别在5秒、10秒和20秒内转速从1500r/min降为22.5r/min，并以22.5r/min稳定运行。与此同时，μIRt/c红外温度传感器所测量减速过程中转子表面温度变化和22.5r/min下的温度分布由数据采集系统采集。转子在转速22.5r/min下的表面温度分布与转子表面平均温度变化相加得到转速1500r/min下的表面温度分布。经比较发现，减速时间分别为5秒、10秒和20秒时，所测得的1500r/min下的转子表面温度分布比较接近，无明显变化。图4给出了永磁同步电机转子表面温度在10秒内从1500r/min减速至22.5r/min所得到的1500r/min下的转子表面温度分布。