電動機及用於控制該電動機的方法

2023-10-07 02:47:29

專利名稱：電動機及用於控制該電動機的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於電動工具的電動機。具體地，該電動機包括用於防止電動機的過熱的部件。本發明還涉及用於估計電動機中的轉子溫度的方法以及用於控制電動機以防止電動機的過熱的方法。
背景技術：
在傳統的交流電動機中，平均轉子電流測量通常適於估計轉子溫度。這種電動機的實例為用於驅動各種動力工具和其他設備的通用電動機、以及專門適於某種應用的電動機，諸如用於動力切割器或用於鑽孔機的電動機，且具體是用於通過水冷齒輪箱驅動空心鑽的鑽頭的電動機。在後一種情況中，電動機可滑動地安裝在鑽臺上，該鑽臺錨定至地面/ 地板，並且空心鑽安裝在待通過電動機可旋轉地驅動的齒輪箱的輸出軸上。電動機沿著鑽臺緩慢地滑下使鑽頭更深地進給到待鑽孔的地面/地板/結構中。轉子通常為具有外定子和裝配有轉子繞組的內轉子/中心轉子的交流電動機中最暴露於溫度下的部分。在高負荷時，轉子繞組使轉子明顯變暖，並且取決於設計、大小和功率尺寸標註，轉子在某些操作條件下可能冒著過熱的風險。例如，轉子可能要承受高達 180°C的溫度，但是在更高的溫度下將會過熱並出現故障。由於難以測量實際的轉子溫度， 並且這種測量昂貴，所以可由估計代替。例如，在提供有過熱保護的Elgard 胡斯華納電動機中，測量通過轉子的電流，並且如果該電流達到某一閾值，那麼將電動機切換到脈動模式中，在該脈動模式中，流入轉子的電流脈動。典型的脈動周期為0.5秒。如果電動機的負荷在脈動過程中沒有減小，那麼如果電動機負荷在預定的時間段內沒有減小，則完全切斷電流。由於轉子溫度不僅取決於轉子電流，而且取決於其他操作條件，所以電動機(和轉子) 的全電勢並非總是可獲得的。為了給電動機在某一功率範圍內提供優良的可靠性，因此通常要求是電動機超尺寸的。然而，超尺寸使得電動機比所需要的更龐大、更重且更昂貴。

發明內容
鑑於以上，本發明的一個目的在於提供一種可替代的和/或改進的電動機以及通過估計其轉子溫度來控制電動機的方法。具體地，另一目的在於提供一種用於控制用於施工機械的通用電動機(優選地為交流電動機)以防止電動機的過熱的方法。根據本發明，此目的通過用於電動工具的電動機來實現，本電動機包括定子、具有中心轉子軸和轉子繞組的轉子組件、以及電動機控制系統，電動機控制系統包括電流測量裝置，用於直接地或間接地測量轉子繞組中的電流，提供一個轉子電流值/多個轉子電流值；環境溫度測量/估計裝置，用於測量或估計環境空氣溫度，提供一個空氣溫度值/ 多個空氣溫度值；以及轉子溫度估計裝置，用於確定新的轉子溫度估計，所述新的轉子溫度估計至少基於該一個轉子電流值/多個轉子電流值和該一個空氣溫度值/多個空氣溫度值。
優選地，電動機控制系統進一步包括電壓限制裝置，所述電壓限制裝置用於如果新的轉子溫度估計超出預定的過熱閾值則通過限制轉子繞組上的電壓來防止轉子組件的過熱/燃燒。優選地，電動機控制系統進一步包括聲音和/或光信號裝置(signaling means)， 所述聲音和/或光信號裝置用於如果新的轉子溫度估計超出預定的第二閾值則優選地通過提供聲音和/或光信號來向用戶發出轉子溫度接近或處於過熱/燃燒溫度的信號，所述第二閾值優選地低於第一閾值。優選地，電動機控制系統進一步包括轉子速度測量/估計裝置，所述轉子速度測量/估計裝置用於測量或估計轉子速度，提供一個轉子速度值/多個轉子速度值，所述轉子溫度估計裝置布置成在確定新的轉子溫度估計時利用該一個轉子速度值/多個轉子速度值。優選地，電動機控制系統進一步包括用於存儲先前的一個轉子溫度估計/多個轉子溫度估計的存儲器，當確定新的轉子溫度估計時，利用先前的該一個轉子溫度估計/多個轉子溫度估計。本發明還涉及一種通過估計其轉子溫度來控制電動機的方法，本方法包括以下步驟a)通過測量轉子繞組中的電流來確定一個轉子電流值/多個轉子電流值，b)通過測量或估計環境空氣溫度來確定一個空氣溫度值/多個空氣溫度值，c)通過測量或估計轉子的旋轉速度來確定一個轉子速度值/多個轉子速度值，d)基於步驟a)的所述轉子電流值、步驟b)的所述空氣溫度值以及步驟C)的所述轉子速度值來確定新的轉子溫度估計。優選地，本方法進一步包括以下步驟中的一個或多個e)將步驟d)的估計的轉子溫度與預定的閾值相比較，以及f)根據步驟e)的比較，如果估計的轉子溫度大於預定的閾值，則起動限制轉子繞組上的電壓。g)將步驟d)的估計的轉子溫度與預定的第二閾值相比較，以及h)根據步驟e)的比較，如果估計的轉子溫度大於預定的第二閾值，則提供光和/
或聲音信號。i)如果步驟f)的限制電壓起作用，那麼如果電動機負荷減小，優選地通過感測到轉子繞組中的電流減小，則使之不起作用。j)如果步驟f)的限制電壓已在超出斷開閾值的時間段內起作用，則斷開電動機。


通過下面參照附圖對本解決方案的實施例的說明性而非限制性的詳細描述，將更好地理解本解決方案的其他目的、特徵以及優點，在附圖中，相同的參考標號將用於相似的元件，其中圖1為沿著根據本發明的單相電動機的優選實施例的圖2中的線I-I截取的橫截面圖；圖2為圖1的單相電動機的俯視圖3為安裝在鑽臺上的空心鑽機的透視圖；以及圖4為用於估計電動機的轉子溫度的硬體-軟體結構的方框圖。
具體實施例方式圖1示出了額定功率輸出為2. 7kff的單相電動機100。該電動機待以230V、50Hz 或120V、60Hz供電。電動機殼體1容納定子組件2、轉子組件3、入口空氣調節器4、出口空氣調節器5、以及風扇6。轉子組件3包括轉子繞組7以及具有縱向中心軸線9的轉子軸8。 轉子軸8在轉子軸8的上端11處可旋轉地支撐在第一滾珠軸承10中並在轉子繞組7下方的支承點13處可旋轉地支撐在第二滾珠軸承12中。與轉子軸8的上端11相對的下端14 構成用於連接至齒輪箱200(圖3)的電動機100的輸出軸，所述齒輪箱用於以適宜的旋轉速度驅動可旋轉的工作工具300(圖幻。風扇6固定地附接至轉子軸8，用於以與轉子軸8 相同的速度旋轉。因此，風扇6通過入口空氣調節器4將環境空氣吸入電動機殼體1中並通過出口空氣調節器5將環境空氣抽出，在操作過程中，通過轉子組件3的流動空氣冷卻轉子組件和其他電動機部件。電動機100進一步包括手柄15以及具有用於開啟和關閉電動機的開關按鈕21的開關16。設置電動機控制系統400以用於控制電動機100的速度，並且所述電動機控制系統包括硬體401-405、413以及軟體406-412。當然，電動機控制系統400包括其他硬體(未示出)，以執行軟體406-412。在圖4中，示出了根據本發明的用於電動機控制的電動機控制系統400的HW-SW結構的程序流圖。用於對軟體進行輸入的硬體單元401-404、413為溫度存儲器401、轉子電流測量裝置402、轉子速度測量/估計裝置(優選地為轉子rpm傳感器40 、環境溫度測量/估計裝置(優選地為溫度傳感器404)、以及定時器413。硬體還包括電壓限制裝置405，所述電壓限制裝置用於通過限制轉子繞組7上的電壓(優選地通過轉子繞組7上的電壓的脈動)來防止轉子組件3的過熱/燃燒。軟體被示出為框406-412。存儲器401為內部存儲器或外部存儲器並用於存儲轉子溫度估計。被稱為先前的轉子溫度估計TMt。,,k的存儲的轉子溫度估計由軟體框406讀取，並傳遞至軟體框407，以用於在用於估計新的轉子溫度估計k+1的公式中進行迭代。先前的轉子溫度估計Trato, k 還傳遞至軟體框411。新的轉子溫度估計Trato, k+1從軟體框407中返回至軟體框406，以代替先前的轉子溫度估計Trate,k而存儲在存儲器401中。在起動電動機100時，軟體框406接收來自存儲器401的最後存儲的轉子溫度估計(即斷開電動機時的溫度估計且在此被稱為TratoJ或者可用於計算轉子溫度的值、由環境空氣溫度傳感器404測量的環境空氣溫度值Tai,、以及表示自斷開電動機以來已經過多長時間的來自計時器413的計時器值。計時器例如可由備用電容器(未示出)供電，所述電容器具有足以為計時器供以幾個小時的動力的能量(如果從斷開開始的時間長到以致耗盡電容器，那麼推測待冷卻的電動機已經過足夠長的時間，並且因此將用於迭代的起始值 Trotora於是設定為環境空氣溫度值Tair)。否則，起始值通過公式Trateil = i (t，Trotorj0, Tair) 來計算，其中U)為所考慮的函數，斷開時電動機的溫度，即TratItl、環境空氣溫度U低的環境空氣溫度將比更高的環境空氣溫度更快地冷卻電動機)、以及自斷開電動機以來已經過多長時間t(已經過的時間t越長，電動機100已冷卻得越多，並且因此隨著時間t的增力口，起始值Tratt^1將接近環境空氣溫度Tair。
優選地，存儲器401為永久性存儲器，即在沒有持續電源的情況下保持信息。轉子電流測量裝置402(例如換能器)測量轉子電流並將輸出的轉子電流值I傳遞至軟體框408。軟體408在取決於轉子電流值I和常數a的函數f(a，I)中使用轉子電流值I，並將結果傳遞至框407。轉子電流值越大，越有助於框407的溫度估計。常數a可基於諸如轉子繞組7中的電阻的因數、炭刷、以及炭刷與轉子集電器之間的接觸(炭刷和轉子集電器在圖中未示出)來確定。常數a與電動機構造和設計密切相關，並且因此優選地對於每個所討論的電動機變體根據經驗測試該常數。用於感測/測量轉子軸8的轉速的轉子rpm傳感器403位於電動機中(傳感器為普通類型且因此已從圖1和圖2的顯示中省去)。轉子rpm傳感器403例如可為位於第一滾珠軸承10附近的感測位於轉子軸8的上端11處的磁體的旋轉的霍爾效應傳感器。轉子 rpm傳感器403連接至軟體框409和410，以用於將轉子速度值Nrate連續地傳送至此。軟體409在取決於轉子速度值Nratm和常數b的函數g(b，Nrotor)中使用轉子速度值Nrato，並將結果傳遞至框407。轉子速度值Nrate越大，來自摩擦的熱量貢獻越大，並且因此隨著電動機速度的增大，函數g(b，Nrotor)將提供更大的值。常數b取決於轉子的機械摩擦，並且優選地對於每個所討論的電動機變體根據經驗測試該常數。還將來自轉子rpm傳感器403的轉子速度值Nrate傳遞至框410。為了方便地測量環境空氣溫度，環境空氣溫度傳感器404位於定子組件2上(所述環境空氣溫度傳感器也是普通類型且因此從圖1和圖2中未示出)。可替代地，為了方便地測量環境空氣溫度，環境空氣溫度傳感器404可位於電動機100中的任何地方。環境空氣溫度傳感器404將實際空氣溫度值Tai,連續地傳送至軟體框411。作為環境空氣溫度傳感器404的可替代方案，電動機100可改為設置有用於估計環境空氣溫度的裝置，並且將估計的空氣溫度值傳送至該軟體。例如，可測量其溫度至少部分地取決於環境空氣溫度的元件的溫度，例如，如果還測量電動機電流和轉子速度，那麼控制電動機電流的三端雙向可控矽開關元件的溫度可用於估計環境空氣溫度，因為元件的溫度取決於這些參數。軟體框411還接收來自框406的先前的溫度估計Trate,k。從來自框406的當前的轉子溫度值(即先前的溫度估計Trate,k)中減去由傳感器404感測的環境空氣溫度值T&， 並將所得到的溫差Trate, k_Tair供給至框410。在軟體框410處，通過函數h (c，Nrotor, Trotor, k-Tair)處理來自轉子rpm傳感器403 的轉子速度以及來自軟體框411的溫差Trat ,k-Tair，並將結果發送至框407。該函數適於溫差Trato,越大提供越大的值。高溫差比更小的溫差將更多得冷卻轉子(只要環境空氣溫度比轉子溫度低)。在環境溫度更高的少有情況下，由函數h得到的值將變號。轉子速度還影響轉子冷卻，因為冷卻的風扇6隨著轉子軸一起旋轉。因此，更高的轉子速度增大了通向轉子組件3的冷卻空氣的量，並且因此函數h適於轉子速度值Nrate越大提供越大的值。常數c取決於冷卻電動機100的風扇6的效率，並且優選地對於每個所討論的電動機變體根據經驗測試該常數，常數c越大風扇越有效。函數h適於常數c越大提供越大的值。在軟體框407中，基於由軟體框406接收的先前的轉子溫度估計Trato,k、由軟體框 408接收的轉子電流值I以及由軟體框409接收的轉子速度值Nrat。,來估計新的轉子溫度估計TMt , w。優選地，新的轉子溫度估計還基於先前的轉子溫度估計Trate, k與空氣溫度
7之間的差值，即Trat ,k-Tair。這通過接收來自軟體框406-410的輸入來完成。在有利的實例中，迭代公式寫為Trotor，k+1 一 Trotor k+f (a I)+g(b，Nrotor) _h (c, Nrotor Trotor，k_Tair)Trotor, k為來自框406的輸出。f(a，I)為來自框408的輸出。g(b，Nrotor)為來自框409的輸出。h(c, Nrotor，Trotorjk-Tair)為來自框 410 的輸出。k = 1，...為用於迭代的指數。將新的轉子溫度估計TMt。,,k+1傳遞至框412，在該框中，將新的轉子溫度估計與第一預定的過熱閾值相比較。如果轉子溫度估計超出第一閾值，那麼將起動電動機電流脈動裝置405，因此電流以大約為0. 5秒的周期脈動。然後，如果負荷減小，例如通過測量到降低的電動機電流，那麼電動機控制系統400切換回正常操作。另外，如果負荷在預定的時間段(斷開閾值(例如3-6秒))內沒有減小，那麼電動機控制系統400斷開電動機100。 第一閾值已通過測試而設定並適當地加入安全裕度。例如，第一閾值可為約180°C。在一個實施例中，如果轉子溫度估計TMte,k+1沒有超出第一閾值，那麼將轉子溫度估計TMt ,k+1與預定的第二閾值相比較，所述第二閾值低於第一閾值。如果轉子溫度估計 Trotor,k+1超出第二閾值，那麼電動機控制系統將聲音/光信號作為溫度正接近過熱的警告提供給用戶。例如，第二閾值可為約160°c。當然，轉子溫度估計變得越大，可具有提供越強烈的警告信號的甚至越多的閾值。例如，當溫度估計TMt ,k+1變得更大時，光裝置從綠色轉變為橙色並轉變為紅色。在另一實施例中，電動機控制系統400沒有設置電動機電流脈動裝置405。而是如在先前的段落中所描述地將通過聲音和/或光信號警告用戶。在此，如果超出比所有警告閾值大的預定值和/或超出比預定時間段長的閾值，那麼可斷開電動機。可替代地，電動機控制系統400從不斷開電動機；而是如果警告用戶那麼該用戶決定是否應斷開。圖3示出了安裝在鑽臺31上的空心鑽機。根據本解決方案的電動機100連接至齒輪箱200，所述齒輪箱具有三個不同的齒輪，以用於通過變速旋鈕32選擇最佳鑽孔速度。 齒輪箱200由電動機輸出軸(在這種情況下為轉子軸8，圖3中不可見)驅動。齒輪箱輸出軸33固定地附接至可旋轉的工作工具，在這種情況下為圍繞其向下面向待鑽孔的地板、地面、或結構的下端圓周設置有切割刀頭(cutting segment) 34的圓柱形空心鑽300。鑽臺 31進一步包括栓接在待鑽孔的地板、地面、或結構上的底板35。底板35還可面向待鑽孔的地板、地面、或結構通過底板中的空腔(未示出)中的真空抽吸附接。在那種情況下，密封件(未示出)確保真空腔與待鑽孔的地板、地面、或結構之間的氣密性。鑽臺31進一步包括用於在進行鑽孔時使鑽孔機沿著柱狀件37向下移動的託架36。雖然已結合本發明的優選實施例示出和描述了本發明，但應理解的是，在以下權利要求書的預期廣義範圍內，可做出多種修改、替代、以及添加。例如，轉子速度測量/估計裝置已以轉子rpm(轉速，每分鐘轉數)傳感器403進行例證，還可通過使用來自電流測量裝置402的轉子電流值以及來自測量轉子繞組7的電壓的電壓測量裝置的轉子電壓來估計轉子速度值。優選地，當估計轉子速度值時，這種估計可利用電動機特徵。
此外，轉子電流測量裝置402還可間接地測量轉子電流，例如通過使用來自電壓測量裝置的轉子電壓值以及來自轉子rpm傳感器403的轉子速度值。同樣，在這種間接測量中，可利用電動機特徵。此外，即使不同的函數已通過使用單個值進行例證，但當然可使用幾個值，例如通過形成移動平均數或通過其他公知的統計處理。
權利要求
1.一種電動工具的電動機(100)，所述電動機包括定子O)、具有中心轉子軸(8)和轉子繞組(7)的轉子組件(3)、以及電動機控制系統000)，所述電動機控制系統包括電流測量裝置002)，用於直接地或間接地測量所述轉子繞組(7)中的電流，提供一個轉子電流值/多個轉子電流值；環境溫度測量/估計裝置G04)，用於測量或估計環境空氣溫度，提供一個空氣溫度值 /多個空氣溫度值；以及轉子溫度估計裝置006、407、408、409、410、411)，用於利用所述一個轉子電流值/多個轉子電流值以及所述一個空氣溫度值/多個空氣溫度值來確定新的轉子溫度估計。
2.根據權利要求1所述的電動機，其中，所述電動機控制系統(400)進一步包括電壓限制裝置005)，所述電壓限制裝置用於如果所述新的轉子溫度估計超出預定的第一閾值 (412)則通過限制所述轉子繞組(7)上的電壓來防止所述轉子組件(3)的過熱/燃燒。
3.根據權利要求1所述的電動機，其中，所述電動機控制系統(400)進一步包括聲音和/或光信號裝置，所述聲音和/或光信號裝置用於如果所述新的轉子溫度估計超出預定的第二閾值則優選地通過提供聲音和/或光信號來向用戶發出轉子溫度接近或處於過熱/ 燃燒溫度的信號，所述第二閾值優選地低於所述第一閾值。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的電動機，其中，所述電動機控制系統(400)進一步包括轉子速度測量/估計裝置G03)，所述轉子速度測量/估計裝置用於測量或估計轉子速度，提供一個轉子速度值/多個轉子速度值，並且所述轉子溫度估計裝置G06、407、408、 409,410,411)還布置成當確定所述新的轉子溫度估計時利用所述一個轉子速度值/多個轉子速度值。
5.根據權利要求4所述的電動機，其中，所述轉子速度測量/估計裝置(40 包括用於測量所述轉子組件(3)的轉子速度的轉子rpm傳感器003)。
6.根據權利要求4所述的電動機，其中，所述轉子速度測量/估計裝置(40 布置成通過使用來自所述電流測量裝置(40 的所述一個轉子電流值/多個轉子電流值以及來自測量所述轉子繞組(7)的電壓的電壓測量裝置的一個轉子電壓/多個轉子電壓來估計所述一個轉子速度值/多個轉子速度值。
7.根據權利要求6所述的電動機，其中，所述轉子速度測量裝置(40 還布置成當估計所述一個轉子速度值/多個轉子速度值時利用電動機特徵。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的電動機，其中，所述電動機控制系統(400)進一步包括用於存儲先前的一個轉子溫度估計/多個轉子溫度估計的存儲器(401)，並且所述轉子溫度估計裝置^)6、407、408、409、410、411)還布置成當確定所述新的轉子溫度估計時利用所述先前的一個轉子溫度估計/多個轉子溫度估計。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的電動機，其中，所述電壓限制裝置(405)布置成當起動時重複地切斷所述轉子繞組上的電壓。
10.一種用於控制電動工具的電動機(100)的方法，所述電動機包括定子( 以及具有轉子軸(8)和轉子繞組(7)的轉子組件(3)，所述方法包括步驟a)通過測量所述轉子繞組(7)中的電流來確定一個轉子電流值/多個轉子電流值，b)通過測量或估計環境空氣溫度來確定一個空氣溫度值/多個空氣溫度值，c)通過測量或估計所述轉子(3)的旋轉速度來確定一個轉子速度值/多個轉子速度值，d)基於步驟a)的所述轉子電流值、步驟b)的所述空氣溫度值以及步驟c)的所述轉子速度值來確定新的轉子溫度估計。
11.根據權利要求10所述的方法，進一步包括步驟e)將步驟d)的估計的轉子溫度與預定的第一閾值相比較，以及f)根據步驟e)的比較，如果估計的轉子溫度大於所述預定的第一閾值，則起動限制所述轉子繞組(7)上的電壓。
12.根據權利要求10或11所述的方法，進一步包括步驟g)將步驟d)的估計的轉子溫度與預定的第二閾值相比較，以及h)根據步驟e)的比較，如果估計的轉子溫度大於所述預定的第二閾值，則提供光和/ 或聲音信號。
13.根據權利要求10-12中任一項所述的方法，其中，在步驟d)中，還基於先前的一個轉子溫度估計/多個轉子溫度估計來確定所述新的轉子溫度估計。
14.根據權利要求10-13中任一項所述的方法，其中，在步驟f)中，通過重複地切斷所述轉子繞組上的電壓來實現限制所述轉子繞組(7)上的電壓。
15.根據權利要求10-14中任一項所述的方法，其中，所述方法包括另一步驟i)如果步驟f)的限制所述電壓起作用，那麼如果電動機負荷減小，優選地通過感測到所述轉子繞組(7)中的電流減小，則使不起作用。
16.根據權利要求10-14中任一項所述的方法，其中，所述方法包括另一步驟j)如果步驟f)的限制所述電壓已在超出斷開閾值的時間段內起作用，則斷開所述電動機。
全文摘要
一種具有電動機控制系統(400)的電動機(100)，該電動機控制系統包括電流測量裝置(402)，用於直接地或間接地測量轉子繞組(7)中的電流，提供一個轉子電流值/多個轉子電流值；環境溫度測量/估計裝置(404)，用於測量或估計環境空氣溫度，提供一個空氣溫度值/多個空氣溫度值；轉子溫度估計裝置(406、407、408、409、410、411)，用於至少基於該一個轉子電流值/多個轉子電流值以及該一個空氣溫度值/多個空氣溫度值來估計轉子溫度；以及限流裝置(405)，用於當估計的轉子溫度超出預定的過熱閾值(412)時通過限制通向轉子繞組(7)的電流來防止轉子組件(3)的過熱/燃燒。
文檔編號H02P29/00GK102549910SQ200980161716
公開日2012年7月4日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者烏爾夫·彼得森, 安德斯·埃雷斯塔姆 申請人:胡斯華納有限公司