一种电机线圈的发热状态监测方法、相关设备和介质与流程

【技术领域】

本发明涉及直线电机技术领域，尤其涉及一种电机线圈的发热状态监测方法、相关设备和介质。

背景技术：

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。

无论是作为动力输出，还是产生触觉效果，电机的工况监控始终都是一个重要的话题。特别是在电机工作过程中线圈的发热问题，不仅会影响动力输出、触觉效果表现，还会带来一定的安全隐患。所以，如何对电机线圈的发热状态进行监控是保障电机安全、高效工作的重要环节。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种电机线圈的发热状态监测方法、相关设备和介质，用于解决对电机线圈的发热状态进行实时监控问题。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供了一种电机线圈的发热状态监测方法，包括：

采集同一时刻线圈的导线内的样本电流值和上述线圈的样本温度值；

获取预设的温度条件参数；

以上述预设的温度条件参数、上述同一时刻对应的上述样本电流值和上述样本温度值为一组样本数据；根据多组上述样本数据和预设热传导方程进行拟合计算，获得上述预设热传导方程的模型参数；

根据上述预设热传导方程和上述模型参数建立三维热传导模型，上述三维热传导模型用于在采集到上述线圈的导线内的瞬时电流值时，根据上述瞬时电流值计算获得上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

可选的，上述根据上述预设热传导方程和上述模型参数建立三维热传导模型之后，上述方法还包括：

采集上述线圈的导线内的瞬时电流值；

将上述瞬时电流值输入上述三维热传导模型进行计算，输出上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

可选的，上述将上述瞬时电流值输入上述三维热传导模型进行计算，输出上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻，包括：

将上述瞬时电流值输入上述三维热传导模型，根据上述模型参数和上述瞬时电流值，使用上述预设热传导方程进行计算，获得上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

可选的，上述模型参数包括发热源的散热系数e1和温升系数cm、第一空气域的散热系数e2和温升系数cm1；上述第一空气域的温度因上述发热源传导来的部分能量而上升，上述第二空气域的温度不受上述第一空气域传导来的能量变化，上述发热源为线圈本体。

可选的，上述预设的温度条件参数包括：

上述线圈的导线的初始电阻值re(t＝0)、上述发热源的初始温度值t(t＝0)、上述第一空气域的初始温度值t1(t＝0)、上述第二空气域的温度值t0和电阻随温度变化速率kt。

可选的，上述预设热传导方程包括发热源热传导方程和第一空气域热传导方程。

可选的，上述根据多组上述样本数据和预设热传导方程进行拟合计算，获得上述预设热传导方程的模型参数，包括：

根据上述样本电流值、上述样本温度值、上述线圈的导线的初始电阻值re(t＝0)、上述发热源的初始温度值t(t＝0)、上述第一空气域的初始温度值t1(t＝0)、上述电阻随温度变化速率kt和时间间隔δt，使用上述发热源热传导方程进行计算，获得上述发热源的散热系数e1和上述温升系数cm；

根据上述第一空气域的初始温度值t1(t＝0)、上述第二空气域的温度值t0、上述第一空气域的温度t1(t)和上述时间间隔δt，使用上述第一空气域热传导方程进行计算，获得上述第一空气域的散热系数e2和温升系数cm1。

另一方面，提供了一种电机线圈的发热状态监测装置，包括电流采集器、温度采集器、获取模块、参数拟合模块和数据处理模块，其中：

上述电流采集器和上述温度采集器，分别用于采集同一时刻线圈的导线内的样本电流值和上述线圈的样本温度值；

上述获取模块，用于获取预设的温度条件参数；

参数拟合模块，用于以上述预设的温度条件参数、上述同一时刻对应的上述样本电流值和上述样本温度值为一组样本数据；根据多组上述样本数据和预设热传导方程进行拟合计算，获得上述预设热传导方程的模型参数；

上述数据处理模块，用于根据上述预设热传导方程和上述模型参数建立三维热传导模型，上述三维热传导模型用于在采集到上述线圈的导线内的瞬时电流值时，根据上述瞬时电流值计算获得上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

另一方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，上述存储器存储有计算机程序，上述计算机程序被上述处理器执行时，使得上述处理器执行如上述第一方面及其任一种可能的实现方式的步骤。

另一方面，提供了一种存储介质，上述存储介质存储有计算机指令程序，上述计算机指令程序被处理器加载并执行如上述第一方面及其任一种可能的实现方式的步骤。

本发明的有益效果在于：可以根据实际线圈发热与散热状态，建立等效三维热传导模型，通过参数拟合获得模型参数，完善热传导关系，再通过三维热传导模型的热传导关系，可以实现根据电机线圈的实时工作电流计算追踪线圈的工作温度和电阻，以便更好地监控线圈的发热状态和工作状态。

【附图说明】

图1为本发明提供的一种电机线圈的发热状态监测方法的流程示意图；

图2为本发明提供的一种热传导模型的结构示意图；

图3为本发明提供的一种热传导关系示意图；

图4为本发明提供的一种参数拟合模块示意图；

图5为本发明提供的另一种电机线圈的发热状态监测方法的流程示意图；

图6为本发明提供的一种模型应用方式示意图；

图7为本发明提供的一种发热状态监测系统的结构示意图；

图8为本发明提供的一种电机线圈的发热状态监测装置的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例中提到的直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机也称线性电机、线性马达、直线马达、推杆马达等。

下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种电机线圈的发热状态监测方法的流程示意图。该方法可包括：

101、采集同一时刻线圈的导线内的样本电流值和上述线圈的样本温度值。

102、获取预设的温度条件参数。

103、以上述预设的温度条件参数、上述同一时刻对应的上述样本电流值和上述样本温度值为一组样本数据；根据多组上述样本数据和预设热传导方程进行拟合计算，获得上述预设热传导方程的模型参数；

104、根据上述预设热传导方程和上述模型参数建立三维热传导模型，上述三维热传导模型用于在采集到上述线圈的导线内的瞬时电流值时，根据上述瞬时电流值计算获得上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

本发明实施例的执行主体可以为一种电机线圈的电阻追踪装置，该装置可以对电机线圈的电阻进行追踪。电机线圈的电阻追踪装置可以根据实际电机线圈发热与散热状态，建立等效的三维热传导模型，并应用在实时电阻追踪应用中。在可选的实施方式中，上述电机线圈的电阻追踪装置可以为包括直线电机的系统，也可以为电子设备，上述电子设备可以为终端设备，包括但不限于诸如膝上型计算机、平板计算机之类的其它便携式设备或者台式计算机。

本发明实施例中主要包括：三维热传导模型、三维热传导参数拟合方法、三维热传导模型在实时电阻追踪中应用三个部分。

为了更清楚地描述本发明实施例中的方法，首先对热传导模型进行介绍。本发明实施例中将电机线圈发热及热传导的实际工作环境，划分为发热源、第一空气域、第二空气域这三维传导单元。

图2为本发明实施例提供的一种热传导模型的结构示意图，如图2所示，在该模型结构中线圈作为发热源，空气域1为与该发热源接触的一个空间区域，空气域0为与空气域1接触的一个空间区域。

进一步地，图3为本发明实施例提供的一种热传导关系示意图，该热传导关系也是对图2所示热传导模型结构的描述，其中：

发热源(线圈)：通过电能形式获得能量输入q，其中一部分能量qt导致发热源温度t上升，另一部分能量q1则以散热方式传导给周围环境；

空气域1：发热源传导过来的能量q1，一部分能量qt导致空该域温度t1上升，另一部分能量q2则以散热方式传导给外部环境；

空气域0：空气域1传导过来的能量q2，快速向周围扩散，不会引起该域的温度t0变化。

本发明实施例中的三维热传导模型的结构可以如上上述。依据上述热传导模型结构和上述热传导关系，可以建立具体的三维热传导模型，此处为软件模型，其中模型的热传导关系可以通过预设热传导方程来描述。为了建立三维热传导模型，需要进行三维热传导参数拟合，来获得模型参数，即确定热传导方程中的未知参数。

本发明实施例中建立的三维热传导模型，根据线圈实际工作环境中的热传导特性建立，具有较高的准确性与合理性，可以根据应用需要，提取模型中任意的状态量(例如，线圈温度、线圈电阻、空气域温度等)，而传统的盲建模并不能实现。

本发明实施例中，可以进行实验数据采集，获得参数拟合的数据采集。具体的，可以通过电流采集器和温度采集器分别采集线圈的导线内的电流和线圈的温度，获得多组同一时刻线圈的导线内的样本电流值和线圈的样本温度值。

具体的，上述预设的温度条件参数可包括：

上述线圈的导线的初始电阻值re(t＝0)、上述发热源的初始温度值t(t＝0)、上述第一空气域的初始温度值t1(t＝0)、上述第二空气域的温度值t0和电阻随温度变化速率kt。

该模型参数拟合的方法即可以为：以上述预设的温度条件参数、同一时刻对应的样本电流值和样本温度值为一组样本数据，根据这样的多组样本数据和预设热传导方程进行拟合计算，获得预设热传导方程的模型参数。

在一种实施方式中，上述模型参数包括发热源的散热系数e1和温升系数cm、第一空气域的散热系数e2和温升系数cm1；上述第一空气域的温度因上述发热源传导来的部分能量而上升，上述第二空气域的温度不受上述第一空气域传导来的能量变化，上述发热源为线圈本体，具体可以参见图2所示的模型结构。

本发明实施例在参数拟合处理中可采用最小二乘法拟合，是工程上普遍且高效的拟合方法，具有准确度高，实现难度低的优点。

进一步地，在一种实施方式中，上述步骤103具体可包括：

根据上述样本电流值、上述样本温度值、上述线圈的导线的初始电阻值re(t＝0)、上述发热源的初始温度值t(t＝0)、上述第一空气域的初始温度值t1(t＝0)、上述电阻随温度变化速率kt和时间间隔δt，使用上述发热源热传导方程进行计算，获得上述发热源的散热系数e1和上述温升系数cm；

根据上述第一空气域的初始温度值t1(t＝0)、上述第二空气域的温度值t0、上述第一空气域的温度t1(t)和上述时间间隔δt，使用上述第一空气域热传导方程进行计算，获得上述第一空气域的散热系数e2和温升系数cm1。

在一种可选的实施方式中，上述预设热传导方程包括发热源热传导方程和第一空气域热传导方程。

具体的，三维热传导方程在实际计算中，信号为随机变化的离散信号，所以方程中变量很难用显示表达式表示，故本模型求解，采用差分方程形式求解。上述发热源热传导方程可包括：

1、发热源能量来源：

δq(t)＝i(t)²re(t)δt

q(t+δt)＝q(t)+δq(t)

其中，q为发热源的总能量输入，δq(t)为时间δt内的总能量输入，i(t)为导线内的瞬时电流，re(t)为导线的瞬时电阻，t为时间变量，δt为时间间隔(该值为小量)。

2、发热源散热：

其中，q1为发热源传导到空气域1的总能量，δq1(t)为时间δt内发热源散发热能，e1为散热系数(与散热体材料属性、材料面积有关)，t(t)为发热源自身温度，t1(t)为空气域1温度。

3、发热源温升：

其中，cm为发热源的温升系数(实际为质量与比热容乘积，本发明实施例中综合称为“温升系数”)，δqt(t)为时间δt内的发热源能量增量，δt(t)为时间δt内的温度增量。

4、发热源电阻变化：

re(t+δt)＝t(t)+kt·δt(t)

其中，kt为电阻随温度变化速率。

上述第一空气域热传导方程可包括：

1、空气域1散热：

其中，δq2为时间δt内空气域1散发热能，e2为空气域1的散热系数，t0为空气域2的温度，在本发明实施例中默认该域散热较快，温度默认不变，为测试环境温度。

2、空气域1温升：

式中，cm1为空气域1的温升系数，δqt1为时间δt内空气域1能量增量，δt1为空气域1温度增量。

可以将上述热传导方程所表示的传递关系，集成在数据处理器中，采用样本数据进行拟合，确定式中的模型参数：e1、cm、e2、cm1，则确定参数的热传导方程可以应用于实际的线圈发热状态监测中，通过线圈的导线内的实时电流计算线圈的实际温度和/或电阻。

线圈的电阻受到温度影响较为明显，且两者的关系可以在特定的条件下测得。所以，在实时监控中，线圈的温度与线圈的电阻可以相互转换，求得其一即可。

本发明实施例中根据实际线圈发热与散热状态，建立等效三维热传导模型，通过参数拟合获得模型参数，完善热传导关系，再通过三维热传导模型的热传导关系，可以实现根据电机线圈的实时工作电流计算追踪线圈的工作温度和电阻，以便更好地监控线圈的发热状态和工作状态。

具体的，可以参见图4所示的一种参数拟合模块示意图，如图4所示，该参数拟合模块包括预设的三维热传导方程(此处使用初始模型参数)，以样本数据：回采电流i、采集线圈温度t和初始条件(预设的温度条件参数)为输入，通过前述方式拟合模型参数，即可实现完整的三维热传导建模。可选的，上述模型中的结构体积小、部分参数为耦合参数，所以无法直接进行精确计算。故该模型参数可以通过ls拟合参数替代直接求解参数，以便于快速准确得到结果。

本发明实施例中的预设热传导方程中涉及四个模型参数：e1、cm、e2、cm1，在初步建立方程时这些模型参数属于未知量，即需要通过前述多组样本数据代入上述方程来拟合获得，方程中的初始条件：re(t＝0)、t(t＝0)、t1(t＝0)、t0、kt，根据实际情况给出即可。

本发明实施例中采用三维热传导差分方程形式建模，在离散信号处理中具有明显优势，可以用于实时状态量(例如，线圈温度、线圈电阻、空气域温度等)追踪算法。该方法不仅限与实时算法应用，通过采集数据，在离线中也可使用该算法计算状态量，本发明实施例对此不做限制。

图5是本发明实施例提供的另一种电机线圈的发热状态监测方法的流程示意图。如图5所示，该方法可以在图1所示实施例中的步骤之后执行，并作为图1所示实施例获得的三维热传导模型的一种应用方式。该方法包括：

501、采集线圈的导线内的瞬时电流值；

502、将上述瞬时电流值输入三维热传导模型进行计算，输出上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

在可选的实施方式中，上述步骤502包括：

将上述瞬时电流值输入上述三维热传导模型，根据上述模型参数和上述瞬时电流值，使用上述预设热传导方程进行计算，获得上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

其中，热传导方程的模型参数即为图1所示实施例中基于样本数据拟合获得的，从而获得了完整的预设热传导方程，建立三维热传导模型。

此时的预设热传导方程可包括如前述所示的公式，此处不再赘述。

可以参见如图6所示的一种模型应用方式示意图，本发明实施例中，数据处理模块包括预设热传导模型，根据前述的参数拟合模块拟合出模型参数，将该模型参数作为模型的热传导方程的参数，预设在数据处理模块中，则在实际应用中，可以根据线圈实时回采电流(瞬时电流值)，输入数据处理模块，通过预设热传导方程，计算出实际线圈温度或线圈电阻。

本发明实施例中根据实际线圈发热与散热状态，建立等效三维热传导模型，通过参数拟合获得模型参数，完善热传导关系，再通过三维热传导模型的热传导关系，可以实现根据电机线圈的实时工作电流计算追踪线圈的工作温度和电阻，以便更好地监控线圈的发热状态和工作状态。在实际应用时，对于工作中的电机，可以采集线圈的导线内的瞬时电流值，并将上述瞬时电流值输入上述三维热传导模型进行计算，输出上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻，即只需要根据电机线圈的实时电流可以快速准确地检测线圈的实时温度或电阻，及时方便地获得线圈的发热状态和工作状态。

图7为本发明实施例提供的一种发热状态监测系统的结构示意图，如图7所示，整个发热状态监测系统700可包括依次连接的信号发生器71、电机72、电流采集器73、数据处理器74和线圈温度(电阻)输出75，信号发生器71使电机72工作，通过电流采集器73可以采集电机72线圈的实时电流，并提供给数据处理器74，该数据处理器74可以执行如图5所示实施例中的发热状态监测方法，根据采集的实时电流计算获得线圈的温度和/或线圈的电阻，并通过输出设备75输出。

基于上述电机线圈的发热状态监测方法实施例的描述，本发明实施例还公开了一种电机线圈的发热状态监测装置。请参见图8，电机线圈的发热状态监测装置800包括获取模块810、参数拟合模块820和数据处理模块830，其中：

获取模块810，用于采集同一时刻线圈的导线内的样本电流值和上述线圈的样本温度值；

上述获取模块810还用于获取预设的温度条件参数；

上述参数拟合模块820，用于以上述预设的温度条件参数、上述同一时刻对应的上述样本电流值和上述样本温度值为一组样本数据；根据多组上述样本数据和预设热传导方程进行拟合计算，获得上述预设热传导方程的模型参数；

上述数据处理模块830，用于根据上述预设热传导方程和上述模型参数建立三维热传导模型，上述三维热传导模型用于在采集到上述线圈的导线内的瞬时电流值时，根据上述瞬时电流值计算获得上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻。

跟据本发明的一个实施例，图1和图5所示的方法所涉及的各个步骤均可以是由图8所示的电机线圈的发热状态监测装置800中的各个模块执行的，此处不再赘述。

本发明实施例中的电机线圈的发热状态监测装置800，可以通过采集同一时刻线圈的导线内的样本电流值和上述线圈的样本温度值，获取预设的温度条件参数，根据多组样本数据和预设三维热传导映射关系，拟合获得上述预设三维热传导模型的模型参数，上述样本数据包括上述样本电流值、上述样本温度值和上述预设的温度条件参数，再将包含上述模型参数的上述预设三维热传导模型存储在数据处理模块中，以用于在采集到上述线圈的导线内的瞬时电流值时，基于上述预设三维热传导模型，根据上述瞬时电流值和上述模型参数计算获得上述线圈的工作温度和/或上述线圈的工作电阻；可以根据实际线圈发热与散热状态，建立等效三维热传导模型，通过参数拟合获得模型参数，再通过三维热传导模型可以实现根据电机线圈的实时工作电流追踪线圈的工作温度和电阻，以便更好地监控线圈的发热状态和工作状态。

基于上述方法实施例以及装置实施例的描述，本发明实施例还提供一种电子设备。该电子设备至少包括处理器和存储器，上述存储器存储有计算机存储介质。

计算机存储介质可以存储在电子设备的存储器中，上述计算机存储介质用于存储计算机程序，上述计算机程序包括程序指令，上述处理器用于执行上述计算机存储介质存储的程序指令。处理器701(或称cpu(centralprocessingunit，中央处理器))是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或多条指令，具体适于加载并执行一条或多条指令从而实现相应方法流程或相应功能；在一个实施例中，本发明实施例上述的处理器可以用于进行一系列的处理，包括如图1和图5所示实施例中方法的任意步骤等等。

本发明实施例还提供了一种计算机存储介质(memory)，上述计算机存储介质是电子设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机存储介质既可以包括电子设备中的内置存储介质，当然也可以包括电子设备所支持的扩展存储介质。计算机存储介质提供存储空间，该存储空间存储了电子设备的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或多条的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器；可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器的计算机存储介质。

在一个实施例中，可由处理器加载并执行计算机存储介质中存放的一条或多条指令，以实现上述实施例中的相应步骤；具体实现中，计算机存储介质中的一条或多条指令可以由处理器加载并执行图1和/或图5中方法的任意步骤，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，该模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所显示或讨论的相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行该计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。该计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过该计算机可读存储介质进行传输。该计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digitalsubscriberline，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是只读存储器(read-onlymemory，rom)，或随机存储存储器(randomaccessmemory，ram)，或磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带、磁碟、或光介质，例如，数字通用光盘(digitalversatiledisc，dvd)、或者半导体介质，例如，固态硬盘(solidstatedisk，ssd)等。