异步电机定子绕组温度的检测方法

吴诗宇，温万昱，潘力溧

（重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

异步电机定子绕组温度的检测方法

吴诗宇，温万昱，潘力溧

（重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

电动汽车中异步电机的应用越来越多，温升是影响异步电机甚至整车性能的关键因素。传统定子绕组温度的检测方法存在一些问题，针对这些问题，本文提出基于自适应系统的定子绕组平均温度在线检测方法，并验证其可行性，为电动汽车的异步电机温升的检测提供了参考。

电动汽车；异步电机；定子绕组温度；自适应系统；平均温度在线检测

电动汽车的异步电机由于体积较小，冷却问题较为突出，电机的温升是重要检测指标。电机温升不允许超过电机内绝缘材料的耐热等级，如果电机温升超过耐热等级，会造成绝缘材料损坏，电机内部短路，最终电机烧毁。不管是电机过载能力，长期负载能力还是电机轻小型化，都受限于绝缘材料的耐热等级（即电机温升限值）。较小的电机温升会使得电机具有较大的过载能力［1］，同时电机温升也是电机长时间负载运行能力的关键影响因素［2］，另外电机的轻小型化也取决于电机温升［3］。如果电机温升过高，为了避免烧毁电机，车辆动力性需降额运行，这种情况大多发生在大型电动汽车长时间爬坡过程中。故电机的温升是影响电机甚至整车性能的关键因素。

异步电机发热后，一般最有可能因为绝缘损坏而烧毁电机的是电机定子绕组［1］，由于定子绕组温升由定子绕组温度和冷却介质温度决定，故检测异步电机温升难度在于检测定子绕组温度，这也是本文研究的主题。

1 传统检测方法存在的问题

主流传统的电机定子绕组温升检测方法有：温度传感器直接采集法和电阻外推法。

1）温度传感器直接采集法 在电机定子绕组表面装设热电阻或其他温度传感器直接采集温度。对于交流异步电机，定子绕组温度过高可能导致电机损坏，此方法最为直接而简单，但对采集点要求很高，采集点温度也不能反应绕组的平均温度；另外，装配在电机内部的温度传感器无法计量，第三方检测机构不能使用这个方法进行电机定子绕组的温度检测。

2）电阻外推法 此方法依据定子绕组这种材料的电阻与温度的关系，根据断能瞬间的电阻值，得到定子绕组温度，此温度为电机绕组的平均温度。这种方法不涉及到计量问题，是国家标准［4-5］中规定的检测方法，较适合第三方检测机构使用。

在电机运行前，测得绕组冷态电阻Rc，并记录环境温度θc（℃）。当电机运行到要求的时刻断能停机，从此时刻开始记时，每隔一定时间记录这一定子绕组电阻值。在半对数坐标上，绘制绕组电阻与时间曲线，在图上外推得到断能时的电阻值R0。把这些数据代入公式（1）中，得到电机绕组的平均温度θ。

对于铜绕组采用式（1），对于铝绕组，式（1）中的235改为225。

但此方法无法在线监控电机定子绕组温度；并且，在半对数坐标上进行外推，相当于用半对数坐标去拟合实际的温度与电阻曲线，这样的检测会有一定的误差。

鉴于以上2种方法存在的问题，亟需研究一种针对交流异步电机的定子绕组在线式平均温度检测方法。

2 基于自适应系统的温度辨识方法

本文中研究的方法仍利用异步电机定子绕组的电阻与温度的关系。首先根据异步电机原理［6］，把电机三相电压和三相电流转换到α、β坐标上。

式中：iA、iB、iC——三相电流；uA、uB、uC——三相电压；uα、uβ——定子电压的α、β分量；iα、iβ——定子电流的α、β分量。

定子电压方程

式中：ψα、ψβ——定子磁链的α、β分量；Rs——定子电阻；p——微分算子。

转子电压方程

定子磁链方程

式中：Ls——定子自感；Lr——转子自感；Lm——定转子互感。

以上是自适应的参数辨识方法，自适应系统可分为前馈和反馈，当前馈部分的传递函数为正时，且反馈环节满足一定的条件［7］，自适应参数辨识是收敛的。满足此条件的自适应算法为

将式（4）～（7）整理得到电压模型

同时得到电流模型

式（10）中不含定子电阻，而式（9）中含有待辨识变量，采用自适应辨识方法［8］，以电流模型为参考模型，电压模型为可调模型，利用2个模型输出转子磁链的误差构成自适应律，实时调节可调模型的定子电阻，以达到可调模型跟踪参数模型的目的。根据式（8）可以得到图1中的自适应算法。

选择合适的比例、积分系数K1、K2可加速响应、减小超调量。自适应律如图1所示。

从上面的电流模型和电压模型可以看出，算法中涉及到积分，运行中测量误差或参数变化会引起积分误差累计。另一方面，算法中涉及到电机漏感，运行中漏感也会发生变化。

图1 自适应律

将式（13）作为参考模型，式（12）作为可调模型，这样的系统不含积分和电机漏感，参考图1可以得出优良的自适应律，进而达到定子电阻的自适应辨识。利用异步电机定子绕组的电阻与温度的关系，可得到定子绕组温度。

3 电机定子绕组温度检测系统及其验证

新的温度检测系统采集电机三相电压电流及旋转变压器的信号，通过自适应系统辨识出异步电机定子绕组温度，不会对电机正常运行造成干扰。温度检测系统原理图如图2所示。

图2 定子绕组温度辨识系统原理图

以上检测系统主要由三相电流霍尔传感器、信号处理电路及自适应算法执行计算机组成。此系统主要是利用了现代计算机快速计算的能力，保证自适应系统的反复迭代得以实现，可调模型不断接近参考模型，辨识定子绕组电阻，根据定子绕组电阻与温度的关系，得出定子绕组温度。为验证检测系统的可行性，采用异步电机定子绕组的多个温度采样点的平均值与系统辨识的温度值进行比较。2种结果对比如图3所示。

图3 多个温度采样点平均值与自适应系统辨识的温度值

从图3可看出，辨识的温度在很小误差范围内完全跟踪上多个温度采样点的温度值，可以看出这样的温度辨识算法是可行的。

4 结语

基于自适应系统的温度辨识算法可以实现定子绕组平均温度的在线辨识。这种方法克服了传统温度检测方法的不足，可作为电动汽车用异步电机的定子绕组温度检测的辅助手段，进而为电动汽车的异步电机温升的检测提供了参考。

［1］ 谭梦，喻皓，洪兢.新能源汽车发电机温升问题改进［J］.机电工程技术，2013，42 （6）：226-228.

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［5］ GB/T 18488.2—2015，电动汽车用驱动电机系统 第2部分：试验方法［S］.

［6］ 秦广炜.三相异步电动机仿真及在高效再制造中的应用研究［D］.南宁：广西大学，2016：59-68.

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［8］杨燕，曹建光，田志宏.交流电机模型参考自适应控制系统的仿真［J］.电气传动，2007，37（5）：13-15.

Research on Stator Winding Temperature Detection Method of Asynchronous Motors

WU Shi-yu，WEN Wan-yu，PAN Li-li
（Chongqing Vehicle Test amp; Research Institute Co.，Ltd.，National Bus Quality Supervision amp; Inspection Center，Chongqing 401122，China）

Asynchronous motors are more and more used in electric vehicles. Temperature rise is the key factor that affects the performance of asynchronous motors and even whole vehicles. There are some problems in the traditional method of stator winding temperature detection. In order to solve these problems，an adaptive system based on stator winding mean temperature on-line detection method is proposed in this paper. The feasibility of the method is verified. It provides a reference for the temperature rise test of asynchronous motors in electric vehicles.

electric vehicle；asynchronous motor；stator winding temperature；adaptive system；average temperature on-line detection

U469.72

A

1003-8639（2017）11-0009-03

2017-07-27

吴诗宇 （1986-），男，硕士，工程师，主要从事电动汽车电机检测技术的研究。

（编辑 杨 景）