電機中的定子繞組電阻的確定的製作方法

2023-06-01 01:40:16

本公開總體上涉及電機組件中的定子繞組電阻的確定。

背景技術：

諸如內部永磁電機的電機通常包括具有交替極性的多個磁鐵的轉子。轉子可在定子內旋轉，定子通常包括多個定子繞組和交替極性的磁極。諸如馬達的電機在電勢差和電流方面吸收電能，從而將其轉換為機械功。因為電機並非100％有效，所以某些電能由於繞組的電阻的緣故而以熱量形式損耗。定子繞組在高轉子轉速下的電阻與操作溫度和電流一起大幅度地變化。

技術實現要素：

電機組件包括具有定子和轉子的電機。定子具有定子繞組溫度(tS)下的定子繞組，並且轉子配置為以轉子轉速(ω)旋轉。控制器可操作地連接至電機並且配置為接收轉矩指令(T*)。控制器具有處理器和有形的非暫時性存儲器，所述存儲器上記錄了用於執行確定定子繞組電阻的方法的指令。通過處理器來執行指令使得控制器確定定子繞組的高速電阻係數(rH)。高速電阻係數(rH)是至少部分基於轉矩指令(T*)、定子繞組溫度(tS)、轉子轉速(ω)、特徵轉矩誤差以及電機的極對(P)的數量。

控制器可以進一步配置為至少部分地基於預先定義的導線係數(α)、在預先定義測量溫度(t0)下測量的定子電阻(r0)和定子繞組溫度(tS)與預先定義的測量溫度(t0)之間的溫度差來確定定子繞組的低速電阻係數(rL)，使得rL＝[r0(1+α*(tS-t0)]。控制器可以進一步配置為至少部分基於加權係數(k)以及高速電阻係數和低速電阻係數來確定定子繞組的總電阻(R)，使得R＝[k*rH+(1-k)*rL]且0＜k＜1。控制器可以操作來至少部分基於定子繞組的總電阻(R)來控制電機的至少一個操作參數，以實現改進的性能和/或效率。

第一溫度傳感器可以操作地連接至控制器並且配置為測量定子繞組溫度(tS)。第二溫度傳感器可以操作地連接至控制器並且配置為測量轉子溫度。磁通量傳感器可以操作地連接至控制器並且配置為測量電機的磁通量。提供了一種用於確定高速和低速電阻係數以及總電阻(R)的方法。本文所述的方法和組件最大限度地減少了使用廣泛查找表和複雜曲線擬合來估算不同轉子轉速下定子電阻的變化。方法利用所估算的磁通量(來自磁通量傳感器或FEA模型)和兩個獨立的轉矩估算值，諸如使用基於電流的(通量圖)估算值和基於有功功率的估算值。

當轉子轉速(ω)相對較高時，高速電阻係數(rH)說明了定子電阻的變化。當轉子轉速(ω)相對較低時，低速電阻係數(rL)說明了定子電阻的變化。當轉子轉速(ω)等於或高於預先定義的高速閾值(例如ω＞5000rpm)時，加權係數(k)可以是1。當轉子轉速(ω)等於或低於預先定義的低速閾值(例如ω＜3000rpm)時，加權係數(k)可以是0。

確定高速電阻係數(rH)包括：經由控制器獲得第一函數(F1)，所述第一函數(F1)是查找係數與轉矩指令(T*)的乘積，其中查找係數至少是部分基於轉子轉速、定子繞組溫度(tS)和特徵轉矩誤差。特徵轉矩誤差可以被定義為由機器產生的轉矩的任何兩個獨立或不同估算值之間的差值。第二函數(F2)可以經由控制器而獲得，所述第二函數(F2)是第一函數(F1)、轉子溫度下所達到的轉矩(Ta)以及預定義的第一常數(Y)的總和，使得：F2＝(F1+Ta+Y)。

第三函數(F3)可以經由控制器而獲得，所述第三函數(F3)是基線溫度下的定子繞組電阻(rC)與基線溫度下所達到的轉矩(TC)的乘積，使得F3＝(TC*rC)。第四函數(F4)可以經由控制器而獲得，所述第四函數(F4)是轉子溫度下的磁通量(ψtr)與基線溫度下的磁通量(ψC)之間的差值，使得：F4＝(ψtr-ψC)。第五函數(F5)可以經由控制器獲得，所述第五函數(F5)是極對(P)、轉子轉速(ω)、指令電流和電感係數(Ld0)的乘積，使得：

高速電阻係數(rH)可以至少部分基於第二函數(F2)、第三函數(F3)、第四函數(F4)以及第五函數(F5)而獲得，使得：rH＝[1/(2*F2)][2*F3-(3*F4*F5)]。

結合附圖，本公開的以上特徵和優點以及其它特徵和優點通過以下對用於實行本公開的最佳模式的說明容易變得顯而易見。

附圖說明

圖1是具有帶有定子繞組的定子的電機組件的示意性局部部分截面圖；

圖2是用於確定圖1的定子繞組的高速電阻係數(rH)、低速電阻係數(rL)以及總電阻(R)的方法的流程圖；

圖3是用於獲得在圖2的方法中使用的查找係數的示例性圖；

圖4是圖1的組件的示例性轉矩對電機速度圖。

具體實施方式

參考附圖，其中相同的參考數字是指相同部件，圖1示意地說明了電機組件10。組件10包括電機12。組件10可以是裝置11的部件。裝置11可以是客車、性能車輛、軍用車輛、工業車輛、機器人、農用工具、運動相關設備或任何其它類型的設備。

參考圖1，電機12包括定子14和轉子16。轉子16可以包括在轉子鐵芯22的外圍周圍的交替極性的第一永磁鐵18和第二永磁鐵20。轉子16可以包括任何數量的永磁鐵；為了簡單起見僅僅示出了兩個永磁鐵。轉子16可在定子14內以轉子轉速(ω)旋轉。雖然圖1中所示的實施例說明了三相、單極對(即，兩極)機器，但是應當理解的是，可以採用任何數量的相位或極對。

定子14包括定子鐵芯24，該定子鐵芯24可以是具有中空內部的圓柱形形狀。定子鐵芯24可以包括由間隙或狹槽28分離的多個向內突出的定子齒26A-F。在圖1中所示的實施例中，定子繞組30可以操作地連接至定子鐵芯24，諸如例如在定子齒26A-F周圍纏繞。電機12可以採用許多不同形式並且包括多個和/或交替部件和設施。雖然圖中示出了示例性電機12，但圖中說明的部件不旨在具有限制性。實際上，可以使用另外或替代性部件和/或實施方案。

在定子繞組30中流動的電流在定子14中產生旋轉磁場。參考圖1，定子繞組30可以包括六組繞組；一組繞組用於三相(通過定子繞組30A和30D的第一相、通過定子繞組30B和30E的第二相以及通過定子繞組30C和30F的第三相)中的每一相。或者，可以採用滑環或電刷(未示出)。參考圖1，示出了正交(q)磁軸32和直流(d)磁軸34。第一永磁鐵18和第二永磁鐵20產生磁場和磁通量。當轉子角36為零時，第一永磁鐵18和第二永磁鐵20的磁通量對準。如先前所提及，電機12可以是任何類型，包括但不限於感應式電機和同步電機。

參考圖1，組件10包括控制器40，其可操作地連接到電機12或與電機12電子通信。控制器40配置為接收轉矩指令(T*)。參考圖1，控制器40包括至少一個處理器42和至少一個存儲器44(或任何非暫時性有形計算機可讀存儲介質)，該存儲器上存儲有用於執行方法100的指令，如圖2所示，該方法用於確定定子繞組3的電阻，包括高速電阻係數(rH)、低速電阻係數(rL)和總電阻(R)。存儲器44可以存儲控制器可執行指令集，並且處理器42可以執行存儲在存儲器44中的控制器可執行指令集。本文所述的方法100和組件10最大限度地減少了使用廣泛查找表和複雜曲線擬合來估算不同轉子轉速下定子電阻的變化。

圖1的控制器40被專門編程用來執行方法100的步驟(如下文參照圖2所詳細討論的)，並且可以從各種傳感器接收輸入。參照圖1，組件10可以包括與控制器40通信(例如，電子通信)的第一溫度傳感器46(例如熱敏電阻或熱電偶)，如圖1所示。第一溫度傳感器46能夠測量定子繞組30A-F的溫度，並將輸入信號發送到控制器40。第一溫度傳感器46可以安裝或設置在定子繞組30A-F中的一個上。或者，可以採用本領域技術人員已知的無傳感器定子繞組溫度估算技術，包括但不限於：高頻載波信號注入技術以及基於機器幾何形狀及其熱電性能所計算的電機熱模型。第二溫度傳感器48可以與控制器40通信，並可以配置為測量轉子16的溫度，本文稱為「轉子溫度」。

參照圖1，組件10可以包括與控制器40通信(例如，電子通信)的磁通量傳感器50。磁通量傳感器50能夠測量從電機12發出的磁通量，例如轉子16中永磁鐵18，20的通量線，並將輸入信號發送到控制器40。在一個示例中，磁通量傳感器50是霍爾效應傳感器，但是，也可以採用本領域技術人員已知的任何類型的磁通量感測裝置。另外，控制器40可以被編程用來在不採用任何傳感器的情況下基於其他方法來確定磁通量，例如有限元分析(FEA)或本領域技術人員已知的任何方法或機制。電池組56可操作地連接到機器12作為直流電壓源。

現在參照圖2，示出了存儲在圖1的控制器40上並可由其執行的方法100的流程圖。方法100不需要按照本文所述的特定順序進行。此外，應當理解的是，可以省去一些步驟。方法100利用估算的磁通量(來自磁通量傳感器50或FEA模型)和兩個獨立的電機轉矩估算值，例如使用基於電流的(通量圖)和基於有功功率的估算值。參照圖2，方法100可以從步驟102開始，其中控制器40被編程或配置為獲得高速電阻係數(rH)。步驟102包括子步驟102A至102F。

在圖2的步驟102A中，控制器40被編程或配置為獲得第一函數(F1)，其是查找係數和轉矩指令(T*)的乘積。響應於操作人員輸入或自動送入的由控制器40監測到的條件，轉矩指令(T*)可以由控制器40接收。如果裝置11是車輛，控制器40可以通過油門踏板52和剎車踏板54基於來自操作人員的輸入信號來確定轉矩指令(T*)，如圖1所示。

為了獲得查找係數，取得基線溫度(C)下不同轉子轉速(ω)的特徵數據。基線溫度(C)可以基於特定的應用而變化。在一個示例中，基線溫度(C)是90攝氏度。查找係數至少部分地基於轉子轉速(ω)、定子繞組溫度(tS)和特徵轉矩誤差。特徵轉矩誤差(ΔT)被定義為第一轉矩估算值T1(即，使用第一方法估算的轉矩)與第二轉矩估算值T2(即，使用第二方法估算的轉矩)之間的差值，使得(ΔT＝T1-T2)。估算轉矩的第一種方法可以是基線溫度(C)下的基於電流的通量圖方法，這對於本領域技術人員是已知的。估算轉矩的第二種方法可以是基線溫度(C)下的基於有功功率的方法，這對於本領域技術人員是已知的。也可以採用本領域技術人員已知的估算轉矩的任何兩種不同方法。

參照圖3，示出了用於獲得查找係數的示例性圖。在圖3中，垂直軸202表示作為速度的函數的基於通量圖方法估算的轉矩與有功功率方法估算的轉矩之間的差值【二者均在基線溫度(C)下】。水平軸204表示轉矩指令(T*)(單位為牛頓-米)。軌跡206、208和210表示轉子轉速值分別為1000rpm、1500rpm和2000rpm時的數據。

如圖3所示，軌跡206、208和210表示高指令轉矩值下的非線性，例如，超過峰值轉矩指令的約80％。參照圖3，查找係數可以作為部分212的斜率，其中軌跡208和210重合。可以採用本領域技術人員已知的任何插值方法來獲得查找係數，例如簡單的線性逼近或多項式曲線擬合法任何其它曲線擬合法。查找係數可以將由兩種不同方法(均在基線溫度下)估算的轉矩之間的誤差表徵為轉子轉速(這種情況下為500rpm和2000rpm之間)的函數，高達峰值轉矩的80％。

在圖2的步驟102B中，控制器40配置為獲得第二函數(F2)，其是第一函數(F1)、轉子溫度下所達到的轉矩(Ta)以及預定義的第一常量(Y)的總和，使得F2＝(F1+Ta+Y)。預定義的第一常量(Y)可以作為軌跡部分208的Y截距。在一個示例中，Y值取5％。所達到的轉矩(Ta)被理解為電磁轉矩，並可以被定義為所達到的低速轉矩(TLS)和所達到的高速轉矩(THS)的加權總和，使得Ta＝[(1-K)*TLS+K*THS]。

圖4是圖1的機器的示例性轉矩與轉子轉速圖，並且可以用來獲得所達到的轉矩(Ta)。該數據可以在測試發電機或實驗室條件下獲得。在圖4中，垂直軸302表示所達到的轉矩(單位為牛頓-米)，而水平軸304表示電機速度(單位為RPM)。第一部分306表示相對較低轉子轉速下所達到的低速轉矩(TLS)，例如小於第一速度(ω1)的轉矩速度，由線308表示。第二部分310表示相對較高轉子轉速下所達到的高速轉矩(THS)，例如大於第二速度(ω2)的轉矩速度，由線312表示。第三部分314表示「混合區」中所達到的轉矩，其中轉子轉速處於第一速度和第二速度(ω1和ω2)之間。可以獲得特定轉子轉速(ω)的加權係數，其為：K＝(ω-ω1)/(ω2-ω1)。上邊界316和下邊界318示出了所達到的轉矩的誤差320的限制。所達到的低速轉矩(TLS)和所達到的高速轉矩(THS)還可以估算為：和其中

本發明中，Pmech被定義為電機的機械輸出功率，Pdc被定義為輸入電機12的DC功率並且可以作為DC鏈路電壓(Vdc)(例如，來自可操作地連接到電機12的電池組56的電壓)和DC電流(idc)的乘積而獲得。此外，Pinv_loss被定義為逆變器損耗(將直流轉換為交流)。基於本領域技術人員已知的逆變器模型，它可以是非線性多項式。Pstat-loss被定義為定子繞組30中的損耗或所耗散的熱量。所耗散熱量的值可以在電機12未使用時利用傳感器或FEA模型進行表徵或獲得。

在圖2的步驟102C中，控制器40配置為獲得第三函數(F3)，其是基線溫度(C)下定子繞組電阻(rC)和基線溫度(C)下所達到的轉矩(TC)的乘積，使得F3＝(TC*rC)。基線溫度(例如90攝氏度)下的定子繞組電阻(rC)和所達到的轉矩(TC)可以通過在實驗室環境或試驗間中進行測量而獲得。

在圖2的步驟102D中，控制器40配置為獲得第四函數(F4)，其是轉子溫度下的磁通量(ψtr)和基線溫度下的磁通量(ψC)之間的差值，使得：F4＝(ψtr-ψC)。磁通量可以使用磁通量傳感器50進行測量或者如前所述地進行估算。

在圖2的步驟102E中，控制器40配置為獲得第五函數(F5)，其是極對(P)、轉子轉速(ω)、指令電流和電感係數(Ld0)的乘積，使得：DQ參考幀電流(id，iq)是從電機的檢測電流(Ia、Ib和Ic)獲得，該DQ參考幀電流使用電機位置或轉子角36(如圖1所示)而轉換為DQ參考幀。可以採用位置傳感器51來確定轉子角36。使用查找表，基於轉矩指令(T*)獲得指令電流可以通過本領域技術人員已知的任何方法來獲得定子繞組的電感(L)。在一個示例中，獲得電感(L)，其作為定子繞組中的匝數(N)、繞組芯材的相對磁導率(μ)、單位為平方米的繞組/線圈的面積和單位為米的繞組/線圈的平均長度(1)的函數，使得：L＝(N2*μ*A/l)。

在圖2的步驟102F中，控制器40配置為至少部分地基於第二函數(F2)、第三函數(F3)、第四函數(F4)和第五函數獲得高速電阻係數(rH)，使得：

rH＝[1/(2*F2)][2*F3-(3*F4*F5)]。

在圖2的步驟104中，控制器40配置為至少部分地基於預先定義的導線係數(α)、在預先定義的溫度(t0)下所測得的定子電阻(r0)、以及定子繞組溫度(tS)和預先定義的測量溫度(t0)之間的溫度差獲得定子繞組的低速電阻係數(rL)，使得：r2＝[r0(1+α*(tS-t0)]。當轉子轉速(ω)相對較低時，低速電阻係數(rL)說明了定子電阻的變化。

在圖2的步驟106中，控制器40配置為至少部分地基於加權係數(K)與第一和低速電阻係數獲得定子電阻的總電阻值(R)，使得：

R＝[k*rH+(1-k)*rL]且0＜k＜1。

當轉子轉速(ω)等於或高於預先定義的高速閾值(例如，ω＞5000rpm)時，加權係數(k)可以是1。當轉子轉速(ω)等於或低於預先定義的低速閾值(例如，ω＞3000rom)時，加權係數(k)可以是0。

總之，由控制器40執行方法100確定了對應於轉矩指令(T*)的高電機速度下的定子繞組電阻，其包括已知隨著定子繞組溫度變化的AC電阻。方法100利用了磁通量(來自磁通量傳感器50或FEA模型)和兩個獨立的轉矩估算值之間的差值，例如，使用轉矩的基於電流的(通量圖)估算值和基於有功功率的估算值。高速下的定子電阻變化是非線性的，並隨操作溫度和電流而變化。定子繞組電阻的實時精確估算實現了可用DC鏈路(例如由電池組56提供的)的改進利用，從而增加了峰值轉矩和電機效率。

控制器40(和方法100的執行)通過確定具有所需最小校準值的複雜系統的定子繞組電阻來改進組件10的運作。圖1的控制器40可以是組件10的其他控制器的一體部分，或者可以是可操作地連接到組件10的其他控制器的單獨模塊。

圖1的控制器40包括計算機可讀介質(也稱為處理器可讀介質)，其包括參與提供可由計算機(例如計算機的處理器)讀取的數據(例如指令)的任何非暫時性(例如有形)介質。這種介質可採取多種形式，包括但不限於非易失性介質和易失性介質。非易失性介質可以包括例如光碟或磁碟以及其他持久性存儲器。易失性介質可以包括例如動態隨機存取存儲器(DRAM)，其可以構成主存儲器。這種指令可以由一個或多個傳輸介質傳輸，傳輸介質包括同軸電纜、銅線纜和光纖，其中包括包含耦接到計算機的處理器的系統總線的導線。計算機可讀介質的一些形式包括例如軟碟片、軟盤、硬碟、磁帶、任何其他磁性介質、CD-ROM、DVD、其他任何光學介質、穿孔卡、紙帶、帶有穿孔圖案的任何其他物理介質、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其他存儲晶片或存儲盒、或任何其他計算機可讀的介質。

本文所述的查找表、資料庫、數據存儲庫或其他數據存儲裝置可以包括各種類型的用於存儲、訪問和檢索各種數據的裝置，包括層級資料庫、文件系統中的文件集、專用格式的應用資料庫、關係資料庫管理系統(RDBMS)等等。每個這樣的數據存儲裝置可以包括在採用諸如上述其中一個的計算機作業系統的計算機設備中，並可以以各種方式中的任何一種或多種方式通過網絡進行訪問。文件系統可以從計算機作業系統進行訪問，並可以包括以各種格式存儲的文件。除了用於創建、存儲、編輯和執行所存儲的程序的語言之外，RDBMS還可以採用結構化查詢語言(SQL)，例如上述PL/SQL語言。

詳細說明和附圖或數字是用來支持和描述本公開內容，但本公開內容的範圍僅由權利要求書限定。雖然已詳細描述了用於實施所要求保護的公開內容的一些最佳模式和其他實施例，但還存在用於實施所附權利要求書中所限定的公開內容的各種替代設計和實施例。此外，圖中所示的實施例或本說明書中提到的各種實施例的特徵不一定要被理解為相互獨立的實施例。相反，實施例的其中一個示例中所描述的每個特徵都可以與其他實施例的一個或多個其他所需特徵相結合，從而形成未用文字或未參考附圖進行描述的其他實施例。因此，這些其他實施方式落入所附權利要求書的範圍的框架內。