温度限值的确定方法、永磁同步电机的控制方法及装置与流程

1.本发明涉及永磁同步电机技术领域，特别涉及一种永磁同步电机温度限值的确定方法、永磁同步电机的控制方法及装置、风机发电机组以及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.由于永磁同步电机具有高功率密度、高效率的特点，因此其在工业生产中被广泛地使用。在永磁同步电机的运行过程中，各种损耗例如铜耗、铁耗、永磁体涡流损耗等会使各部件的温度升高。当温度超过材料允许的范围时，部件可能产生不可逆的损坏，从而使得电机性能下降甚至发生损坏。现有永磁同步电机中常用的稀土型永磁体对温升比较敏感，当永磁体温度过高时，可能产生不可逆退磁，尤其是同时发生短路故障时。因此，通常会设定一个温度限值，当接近或超过温度限值时进行适当的调控，例如控制电机立刻停止运行，以确保电机安全，待电机温度下降至温度限值之后重新运行。
3.然而，在短路故障模式下时的短路电流强度会更大，如果按照之前设定的固定温度限值，可能无法保证电机的安全。在一些情况下也有可能出现更小强度的短路电流，如果按照之前设定的固定温度限值，会导致电机设计裕度过大，从而降低电机的运行性能。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中永磁同步电机的温度限值固定导致电机安全无法保证或者电机运行性能降低的缺陷，提供一种温度限值的确定方法、永磁同步电机的控制方法及装置。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.本发明的第一方面提供一种永磁同步电机温度限值的确定方法，包括以下步骤：
7.根据与目标运行区间对应的参数值设置永磁同步电机的运行参数，其中，所述目标运行区间为运行区间中的任意一个，运行区间由所述永磁同步电机可能运行的参数值所确定；
8.将所述永磁同步电机的运行模式切换至故障模式，并根据切换至故障模式后电磁性能指标的变化量确定与所述故障模式对应的温度限值；
9.根据与至少一种故障模式对应的温度限值确定与所述目标运行区间对应的温度限值。
10.可选地，所述确定方法还包括：
11.针对至少一个运行参数，获取所述永磁同步电机可能运行的参数值；
12.根据获取的参数值分别确定与每个运行参数对应的子区间；
13.将所有子区间进行组合得到运行区间。
14.可选地，所述根据与目标运行区间对应的参数值设置永磁同步电机的运行参数的步骤具体包括：
15.根据目标子区间的平均参数值设置永磁同步电机的运行参数，其中，所述目标子
区间为所述目标运行区间对应的子区间。
16.可选地，所述根据切换至故障模式后电磁性能指标的变化量确定与所述故障模式对应的温度限值的步骤包括：
17.计算预设温度下切换至故障模式后电磁性能指标的变化量；
18.根据所述电磁性能指标的变化量调整所述预设温度，并根据调整后的预设温度确定与所述故障模式对应的温度限值。
19.可选地，所述根据所述电磁性能指标的变化量调整所述预设温度，并根据调整后的预设温度确定与所述故障模式对应的温度限值的步骤具体包括：
20.若所述电磁性能指标的变化量不满足条件，则降低所述预设温度直至所述预设温度下所述电磁性能指标的变化量满足条件，并将最终降低后的预设温度设置为与所述故障模式对应的温度限值；
21.或者，若所述电磁性能指标的变化量满足条件，则升高所述预设温度直至所述预设温度下所述电磁性能指标的变化量不满足条件，并将最后一次升高前的预设温度设置为与所述故障模式对应的温度限值。
22.可选地，所述根据与至少一种故障模式对应的温度限值确定与所述目标运行区间对应的温度限值的步骤具体包括：
23.将与至少一种故障模式对应的温度限值中的最小值作为与所述目标运行区间对应的温度限值。
24.可选地，所述运行参数包括以下中的至少一种：转速、定子电流幅值、相位角。
25.可选地，所述故障模式包括三相短路故障模式、两相短路故障模式、单相短路故障模式或者单相开路故障模式。
26.可选地，所述电磁性能指标包括平均电磁转矩、反电动势、转矩波动、齿槽转矩或者涡流损耗。
27.本发明的第二方面提供一种永磁同步电机的控制方法，包括以下步骤：
28.监测永磁同步电机的运行参数和运行温度；
29.若所述运行温度超过与所述运行参数对应的温度限值，则控制所述永磁同步电机停止运行。
30.可选地，所述若所述运行温度超过与所述运行参数对应的温度限值，则控制所述永磁同步电机停止运行的步骤具体包括：
31.确定所述运行参数所对应的目标运行区间；
32.若所述运行温度超过与所述目标运行区间对应的温度限值，则控制所述永磁同步电机停止运行。
33.可选地，与所述目标运行区间对应的温度限值是利用第一方面所述的确定方法确定的。
34.本发明的第三方面提供一种永磁同步电机的控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述永磁同步电机的控制方法。
35.本发明的第四方面提供一种风力发电机组，包括永磁同步电机以及第三方面提供的永磁同步电机的控制装置，其中，所述控制装置与所述永磁同步电机电连接。
36.本发明的第五方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的永磁同步电机温度限值的确定方法或者第二方面所述的永磁同步电机的控制方法。
37.本发明的积极进步效果在于：根据永磁同步电机可能运行的参数值划分多个运行区间，并确定每个运行区间对应的温度限值。具体地，针对目标运行区间，根据与目标运行区间对应的参数值设置永磁同步电机的运行参数，并根据切换至至少一种故障模式前后电磁性能指标的变化量确定与故障模式对应的温度限值，以及根据与所有故障模式对应的温度限值确定与所述目标运行区间对应的温度限值，从而在永磁同步电机的不同运行区间实时切换不同的温度限值，确保永磁同步电机在全生命周期面对多种故障风险仍然可以保持较高的可靠性。
附图说明
38.图1为本发明实施例1提供的一种永磁同步电机温度限值的确定方法的流程图。
39.图2为本发明实施例1提供的一种永磁同步电机的局部结构示意图。
40.图3为本发明实施例1提供的永磁同步电机在三相短路故障模式下的电路结构示意图。
41.图4为本发明实施例1提供的永磁同步电机在两相短路故障模式下的电路结构示意图。
42.图5为本发明实施例1提供的一种永磁材料从60℃到85℃的退磁曲线示意图。
43.图6为本发明实施例1提供的永磁同步电机在三相短路故障模式下的电流示意图。
44.图7为本发明实施例1提供的将永磁同步电机切换至故障模式后的退磁分布示意图。
45.图8为本发明实施例1提供的永磁同步电机的平均电磁转矩在退磁前后的对比效果图。
46.图9为本发明实施例1提供的一种双三相永磁同步电机的局部结构示意图。
47.图10为本发明实施例1提供的双三相永磁同步电机在正常运行工况下三相短路故障模式的电路结构示意图。
48.图11为本发明实施例1提供的双三相永磁同步电机在容错运行工况下三相短路故障模式的电路结构示意图。
49.图12为本发明实施例2提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程图。
具体实施方式
50.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
51.实施例1
52.本实施例提供一种永磁同步电机温度限值的确定方法，如图1所示，包括以下步骤s101～s103：
53.步骤s101、根据与目标运行区间对应的参数值设置永磁同步电机的运行参数。其中，所述目标运行区间为运行区间中的任意一个，运行区间由所述永磁同步电机可能运行
的参数值所确定。
54.在具体实施中，上述运行参数可以包括转速、定子电流幅值、相位角等。在一个具体的例子中，上述运行参数仅包括转速。在另一个具体的例子中，上述运行参数包括转速和定子电流幅值。在另一个具体的例子中，上述运行参数包括转速、定子电流幅值以及相位角。
55.需要说明的是，永磁同步电机可能运行的参数值是指在永磁同步电机实际应用的过程中，其生命周期内可能运行的参数值。其中，永磁同步电机可以应用在风力发电、航空航天等领域。
56.其中，根据不同运行参数的参数值可以确定永磁同步电机的多个运行区间，目标运行区间为多个运行区间中的一个。针对目标运行区间r1，执行一次步骤s101～s103可以确定出与目标运行区间r1对应的温度限值。针对目标运行区间r2，需要重复执行步骤s101～s103确定与目标运行区间r2对应的温度限值。
57.在可选的一种实施方式中，在步骤s101之前，上述确定方法还包括以下步骤s100a～s100c：
58.步骤s100a、针对至少一个运行参数，获取所述永磁同步电机可能运行的参数值。在具体实施中，可以通过记录永磁同步电机在不同工况下各个运行参数的参数值进行获取。
59.步骤s100b、根据获取的参数值分别确定与每个运行参数对应的子区间。其中，对于每一个运行参数，可以对获取的参数值进行等间距或者非等间距地划分，从而得到与该运行参数对应的子区间。在一个具体的例子中，永磁同步电机可能运行的转速n为0～100r/min，可以将其进行等间距划分，得到与转速对应的5个子区间，分别为0<n≤20r/min、21<n≤40r/min、41<n≤60r/min、61<n≤80r/min、81<n≤100r/min。
60.步骤s100c、将所有子区间进行组合得到运行区间。具体地，将所有运行参数对应的所有子区间进行组合，从而得到若干个运行区间。在一个具体的例子中，永磁同步电机的转速对应5个子区间，且定子电流幅值对应4个子区间，那么进行组合后可以得到5*4＝20个运行区间。
61.需要说明的是，永磁同步电机包括转子铁芯、永磁体、定子铁芯以及定子绕组。在一个具体的例子中，单三相永磁同步电机包括180极540槽，其局部结构如图2所示，针对转速n、定子电流幅值i
m
以及相位角三个运行参数，分别获取该永磁同步电机可能运行的参数值。根据获取的参数值将转速划分为3个子区间、将定子电流幅值划分为3个子区间以及将相位角划分为3个子区间，具体如表1所示。
62.表1
[0063][0064]
将上述三个运行参数对应的9个子区间进行组合，可以得到3*3*3＝27个运行区间。
[0065]
在步骤s101的具体实施中，可以根据目标子区间的平均参数值设置永磁同步电机的运行参数，也可以根据目标子区间的最大参数值设置永磁同步电机的运行参数，还可以根据目标子区间的最小参数值设置永磁同步电机的运行参数。其中，所述目标子区间为所述目标运行区间对应的子区间。
[0066]
在上述例子中，可以将表1中每个子区间的平均参数值作为对应子区间的稳态运行参数值，如表2所示。
[0067]
表2
[0068][0069]
对9个子区间进行组合后可以得到27个运行区间，这27个运行区间的稳态运行参数值如表3所示。
[0070]
表3
[0071][0072][0073]
以#27运行区间为目标运行区间为例，其所对应的子区间包括与转速对应的子区间#3、与定子电流幅值对应的子区间#3以及与相位角对应的子区间#3。根据与转速对应的
子区间#3的平均参数值8.33r/min设置永磁同步电机的转速，根据与定子电流幅值对应的子区间#3的平均参数值9.33ka设置永磁同步电机的定子电流幅值，以及与相位角对应的子区间#3的平均参数值
‑
205deg设置永磁同步电机的相位角。在具体实施中，可以通过仿真软件将磁同步电机的转速设置为8.33r/min、定子电流幅值设置为9.33ka以及相位角设置为
‑
205deg。
[0074]
步骤s102、将所述永磁同步电机的运行模式切换至故障模式，并根据切换至故障模式后电磁性能指标的变化量确定与所述故障模式对应的温度限值。其中，电磁性能指标的变化量是指切换至故障模式后的电磁性能指标与切换至故障模式前的电磁性能指标之间的差值的绝对值。
[0075]
在具体实施中，上述故障模式可以包括三相短路故障模式、两相短路故障模式、单相短路故障模式、单相开路故障模式等。在以图2所示永磁同步电机的例子中，其三相短路故障模式的电路结构如图3所示，其两相短路故障模式的电路结构如图4所示。
[0076]
其中，上述电磁性能指标包括平均电磁转矩、反电动势、转矩波动、齿槽转矩、涡流损耗等。
[0077]
在步骤s102的具体实施中，可以包括以下步骤s102a和s102b：
[0078]
步骤s102a、计算预设温度下切换至故障模式后电磁性能指标的变化量。在具体实施中，可以根据永磁同步电机在额定状态下永磁体的温度设置预设温度。
[0079]
步骤s102b、根据所述电磁性能指标的变化量调整所述预设温度，并根据调整后的预设温度确定与所述故障模式对应的温度限值。
[0080]
在步骤s102b可选的一种实施方式中，若所述电磁性能指标的变化量不满足条件，则降低所述预设温度直至所述预设温度下所述电磁性能指标的变化量满足条件，并将最终降低后的预设温度设置为与所述故障模式对应的温度限值。
[0081]
在步骤s102b可选的另一种实施方式中，若所述电磁性能指标的变化量满足条件，则升高所述预设温度直至所述预设温度下所述电磁性能指标的变化量不满足条件，并将最后一次升高前的预设温度设置为与所述故障模式对应的温度限值。
[0082]
在具体实施中，若(电磁性能指标的变化量/切换至故障模式前的电磁性能指标)*100％大于预设阈值，则认为电磁性能指标的变化量不满足条件；若(电磁性能指标的变化量/切换至故障模式前的电磁性能指标)*100％小于等于预设阈值，则认为电磁性能指标的变化量满足条件。
[0083]
在步骤s102b的具体实施中，可以设置预设温度的调整步长为δt，例如每次将预设温度降低δt，或者每次将预设温度升高δt。其中，调整步长δt的选择可以参考永磁材料的温度系数、电机应用场合需要以及电磁性能指标精确度要求等条件进行综合考虑。
[0084]
图5用于示出永磁材料从60℃到85℃的退磁曲线。图6用于示出永磁同步电机在三相短路故障模式下的电流。图7用于示出将永磁同步电机切换至故障模式后的退磁分布。图8用于示出永磁同步电机的平均电磁转矩在退磁前后的对比效果。
[0085]
在上述#27运行区间为目标运行区间的例子中，设置预设温度为70℃，将永磁同步电机的运行模式切换至三相短路故障模式，产生的三相电流如图6所示。参考图5中永磁材料为70℃的退磁曲线计算切换至三相短路故障模式之前即退磁前的平均电磁转矩为12.51mnm，永磁同步电机的永磁体在切换至三相短路故障模式之后发生退磁，退磁分布如
图7所示，图中的灰色代表永磁体的未退磁部分，黑色代表永磁体的退磁部分。计算退磁后的平均电磁转矩为12.40mnm，退磁前后的对比效果如图8所示。由于(电磁性能指标的变化量/切换至故障模式前的电磁性能指标)*100％＝(12.51
‑
12.40)/12.51*100％＝0.88％大于预设阈值0.5％，因此，以δt＝5℃依次降低预设温度，直至电磁性能指标的变化量满足条件，即(电磁性能指标的变化量/切换至故障模式前的电磁性能指标)*100％小于等于预设阈值0.5％。在实际计算中，将预设温度降低为60℃时，电磁性能指标的变化量满足条件。因此，将60℃作为与三相短路故障模式对应的温度限值。
[0086]
步骤s103、根据与至少一种故障模式对应的温度限值确定与所述目标运行区间对应的温度限值。
[0087]
在上述例子中，分别针对两相短路故障模式、单相短路故障模式以及单相开路故障模式重复执行步骤s101～s103，得到与两相短路故障模式对应的温度限值为70℃、与单相短路故障模式对应的温度限值为60℃、与单相开路故障模式对应的温度限值为75℃。
[0088]
在一些可靠性要求非常高的场合中，可以将与至少一种故障模式对应的温度限值中的最小值作为与所述目标运行区间对应的温度限值。在上述例子中，与四种故障模式对应的温度限值分别为60℃、70℃、60℃、75℃，将其中的最小值60℃作为与#27运行区间对应的温度限值。
[0089]
在一些可靠性要求较高的场合中，可以根据各个温度限值对应故障模式的概率分布对温度限值进行加权求和，从而得到与目标运行区间对应的温度限值。在上述例子中，经统计，发生三相短路故障的概率为0.1，发生两相短路故障的概率为0.3，发生单相短路故障的概率为0.2，发生单相开路故障的概率为0.4。那么对四种故障模式对应的温度限值进行加权求和，得到60℃*0.1+70℃*0.3+60℃*0.2+75℃*0.4＝69℃，将69℃作为与#27运行区间对应的温度限值。
[0090]
在一些可靠性要求一般或者发生故障易维护的场合中，还可以将与至少一种故障模式对应的温度限值中的平均值、均方根或者中位数作为与所述目标运行区间对应的温度限值。
[0091]
需要说明的是，本实施例根据电磁性能指标的变化量确定的温度限值实际上是永磁同步电机中永磁体的温度限值。由于永磁体对温升比较敏感，因此在永磁同步电机的实际应用中，可以将永磁体的温度限值作为永磁同步电机的温度限值。
[0092]
本实施例中，根据不同故障模式确定永磁同步电机在不同运行区间的温度限值，使得在永磁同步电机的不同运行区间可以实时切换对应的温度限值，确保永磁同步电机在全生命周期面对多种故障风险仍然可以保持较高的可靠性。
[0093]
下面以双三相永磁同步电机为例介绍上述永磁同步单机温度限值的确定方法。
[0094]
本例子中的双三相永磁同步电机与上述例子中的单三相永磁同步电机具有相同的几何尺寸，区别在于绕组结构不同。双三相永磁同步电机的局部结构如图9所示，白色部分为一套绕组，灰色为另一套绕组。对于双三相永磁同步电机结构，通常假设每套绕组的定子电流幅值是单三相永磁同步电机的定子电流幅值的一半，而相位角保持不变。双三相永磁同步电机中27个运行区间的稳态运行参数如表4所示。
[0095]
表4
[0096][0097][0098]
与上述单三相永磁同步电机不同的是，双三相永磁同步电机具有两种运行工况：双绕组运行工况即正常运行工况、以及单绕组运行工况即容错运行工况。
[0099]
对于双绕组运行工况即正常运行工况，将其中一套绕组切换至不同的故障模式，另一套绕组维持正常电流，重复上述步骤s101～s103即可获得正常运行工况下不同运行区间对应的温度限值。其中，在以图9所示双三相永磁同步电机的例子中，其正常运行工况下在三相短路故障模式的电路结构如图10所示。针对双三相永磁同步电机在正常运行工况下的27个运行区间，将双三相永磁同步电机分别切换至三相短路故障模式、两相短路故障模式、单相短路故障模式以及单相开路故障模式，计算得到的温度限值如表5所示。
[0100]
表5
[0101]
[0102][0103]
对于单绕组运行工况即容错运行工况，其中一套绕组处于开路，只有一套绕组可以正常工作。针对可以正常工作的绕组重复上述步骤s101～s103即可获得容错运行工况下不同运行区间对应的温度限值。在以图9所示双三相永磁同步电机的例子中，其容错运行工况下三相短路故障模式的电路结构如图11所示。针对双三相永磁同步电机在容错运行工况下的27个运行区间，将双三相永磁同步电机分别切换至三相短路故障模式、两相短路故障模式、单相短路故障模式以及单相开路故障模式，计算得到的温度限值如表6所示。
[0104]
表6
[0105]
运行区间的序号温度(℃)运行区间的序号温度(℃)运行区间的序号温度(℃)#180#1070#1965#280#1170#2065#380#1270#2165#475#1365#2260#575#1465#2360#675#1565#2460#770#1665#2550#870#1765#2650#970#1865#2750
[0106]
对于双三相永磁同步电机，在正常运行工况和容错运行工况下，分别根据不同故障模式确定永磁同步电机在不同运行区间的温度限值，使得在永磁同步电机不同运行工况的不同运行区间可以实时切换对应的温度限值，确保永磁同步电机在全生命周期面对多种故障风险仍然可以保持较高的可靠性。
[0107]
实施例2
[0108]
本实施例提供一种永磁同步电机的控制方法，如图12所示，包括以下步骤s201～s203：
[0109]
步骤s201、监测永磁同步电机的运行参数和运行温度。
[0110]
步骤s202、判断所述运行温度是否超过与所述运行参数对应的温度限值，若是，则执行步骤s203，若否，则返回步骤s201，继续监测永磁同步电机的运行参数和运行温度。
[0111]
在可选的一种实施方式中，步骤s202具体包括：
[0112]
步骤s202a、确定所述运行参数所对应的目标运行区间；
[0113]
步骤s202b、判断所述运行温度超过与所述目标运行区间对应的温度限值。
[0114]
本实施方式中，根据永磁同步电机的运行区间实时切换不同的温度限值，确保永磁同步电机在全生命周期面对多种故障风险仍然可以保持较高的可靠性。
[0115]
在可选的一种实施方式中，利用实施例1中永磁同步电机温度限值的确定方法确定步骤s202b中与所述目标运行区间对应的温度限值。需要说明的是，实施例1中永磁同步
电机温度限值的确定方法根据电磁性能指标的变化量确定的温度限值实际上是永磁同步电机中永磁体的温度限值。由于永磁体对温升比较敏感，因此在永磁同步电机的实际应用中，可以将永磁体的温度限值作为永磁同步电机的温度限值。
[0116]
步骤s203、控制所述永磁同步电机停止运行。
[0117]
本实施例还提供一种永磁同步电机的控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述永磁同步电机的控制方法。
[0118]
实施例3
[0119]
本实施例提供一种风力发电机组，包括永磁同步电机以及实施例2所述的永磁同步电机的控制装置。其中，所述控制装置与永磁同步电机电连接，用于控制永磁同步电机的运行。
[0120]
本实施方式中，可以根据永磁同步电机的运行区间实时切换不同的温度限值，确保永磁同步电机在全生命周期面对多种故障风险仍然可以保持较高的可靠性，同时可以保证永磁同步电机在风险较小的运行状态下能够充分发电。
[0121]
实施例4
[0122]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现实施例1的永磁同步电机温度限值的确定方法或者实施例2的永磁同步电机的控制方法。
[0123]
其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。
[0124]
在可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行实现实施例1的永磁同步电机温度限值的确定方法或者实施例2的永磁同步电机的控制方法。
[0125]
其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的程序代码，所述程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。
[0126]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。