一种适应非线性散热条件的短时激励温升等效测试方法与流程

本发明属于电机测试技术领域，具体涉及一种适应非线性散热条件的短时激励温升等效测试方法。

背景技术：

电机温升影响着电机中绝缘的可靠性和使用寿命，与电机及其应用设备的安全性和可靠性密切相关。因此，准确获取电机额定、过载等特定负载工作状态的温升，对于验证电机设计的合理性和可靠性有着重要的意义。

目前对于特定工作状态温升测试的方法是对电机持续加载并维持在期望测试状态，待温度稳定后通过温度传感器或绕组热态电阻值来得到电机的温升值，也可使用电机状态量与电机损耗通过热模型计算得到温升值。现有方法对电机特定工作状态温升的测量需要电机一直处于该负载状态，存在电机烧毁的风险和能耗较高的缺点，比如：在电机设计验证阶段，在对温升裕度把握不足时，以现有的额定温升状态测量的方法进行测试，会造成电机烧毁，对于短时工作制电机测试难度更大；对于一些大功率电机，温升时间长，需要长时间维持电机额定功率或额定损耗，能耗较高。

专利号为zl201711273636.3的发明专利公开了“一种短时负载激励的电机温升等效测试方法”，该方法可利用电机负载短时激励状态下的测试数据准确还原出电机负载持续激励状态下温升数据。该方法在大部分电机温升测试时可获得满意的效果，但是，在发热体直接接触非线性热交换边界(主要为自然对流、其次为热辐射)时，发热体表面会产生大量的非线性换热的现象，导致原方法结果产生较大的误差。例如分装式电机，当其发热部件绕组直接暴露在空气中进行自然对流时，该方法对该绕组的测试会产生较大的误差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有短时负载激励的电机温升等效测试方法在非线性散热条件影响下精度下降的问题，提供一种适应非线性散热条件的短时激励温升等效测试方法。

本发明具体的是一种利用电机负载短时激励状态下的测试数据准确还原出电机负载持续激励状态下温升数据的测试方法。负载短时激励下的电机温度低于负载持续激励下的电机温度，获取该状态下的温升状态测试数据可有效避免绕组高温烧毁，也可有效减少能耗。

本发明不依赖精确热模型，它利用模型基本属性的叠加性，是一种在电机负载短时激励状态下的测试数据还原出电机负载持续激励状态下温升数据的测试方法，该方法在涉及自然对流、热辐射等非线性散热的条件下也能获得较小的误差，有效提高了非线性散热系数影响下短时激励等效测试方法的精度。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种适应非线性散热条件的短时激励温升等效测试方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤一：本方法共需两次不同加载程度的电机短时测试，为方便表述，将加载程度较小的一次记为测试一，将加载程度较大的一次记为测试二，测试二加载程度为测试一的k倍，1＜k＜3；

首先，电机以测试一的加载工况短时工作，使电机在测试一负载条件下从起始时刻t0开始工作至t1时刻，随后在t1时刻去掉负载，使电机在与加载时相同的冷却条件下进行冷却，在整个短时加载测试过程中记录电机本次测试中温升随时间变化的数据tr1(t)，所述温升为所测试的电机部件温度与环境温度之差；

其次，电机以测试二的加载工况短时工作，测试过程与电机以测试一的加载工况短时工作相同，在整个短时加载测试过程中记录电机在本次测试中温升随时间变化的数据tr2(t)；

步骤二：数据运算，通过短时加载时测得的温升值tr1(t)和tr2(t)来还原得到电机在持续负载激励时的温升数据t′r1(t)和t′r2(t)；

式中，g(t)，f(t)，trr(t)分别为补偿变量、比例变量的中间变量及比例变量，k为加载倍数，t为时间；

t′r1(t)为测试一条件下电机持续负载激励时的温升数据，t′r2(t)为测试二条件下电机持续负载激励时的温升数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明以电机负载短时激励状态下的测量数据间接得出电机负载持续激励状态下的温升数据，测试过程中电机温升低于负载持续激励时的温升值，降低了电机高温损坏的风险。

(2)即使在非线性散热影响条件下本方法等效测试的误差也在可接受范围内。

(3)只需要短时对电机进行激励，电机可长时间处于自然冷却状态，能有效降低能耗。

(4)计算过程简单，运算仅包括已知数据的加法和已知常系数的乘除法，易于操作，无需使用电机模型、损耗模型及系统相关属性等先验知识，无需获取热传递函数和阶数及具体参数。

附图说明

图1为实施例1的发明效果对比图，其中图1(a)为背景技术中披露的一种短时负载激励的电机温升等效测试方法的效果图，图1(b)为本发明方法在测试一条件下通过短时负载激励温升数据计算持续负载激励温升的结果的效果图；

图2为实施例2的发明效果对比图，其中图2(a)为背景技术是披露的一种短时负载激励的电机温升等效测试方法的效果图，图2(b)为本发明方法在测试一条件下通过短时负载激励温升数据计算持续负载激励温升的结果的效果图；

图3为实施例3的发明效果图，其中图3(a)为两次测试的短时加载功率效果图，图3(b)为两次短时负载激励下测得的温升值效果图，图3(c)为对测试一本发明方法与已有方法在还原持续激励温升时的效果图，图3(d)为对测试二本发明方法与已有方法在还原持续激励温升时的效果图；

图4为实施例4的发明效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。

具体实施方式一：本实施方式记载了一种适应非线性散热条件的短时激励温升等效测试方法，所述方法步骤如下：

步骤一：本方法共需两次不同加载程度的电机短时测试，为方便表述，将加载程度较小的一次记为测试一，将加载程度较大的一次记为测试二，测试二加载程度为测试一的k倍，1＜k＜3；

首先，电机以测试一的加载工况短时工作，使电机在测试一负载条件下从起始时刻t0开始工作至t1时刻，随后在t1时刻去掉负载，使电机在与加载时相同的冷却条件(指自然冷却、风冷等，状态不变)下进行冷却，在整个短时加载测试过程中记录电机本次测试中温升随时间变化的数据tr1(t)，所述温升为所测试的电机部件温度与环境温度之差；

其次，电机以测试二的加载工况短时工作，测试过程与电机以测试一的加载工况短时工作相同，在整个短时加载测试过程中记录电机在本次测试中温升随时间变化的数据tr2(t)；

步骤二：数据运算，通过短时加载时测得的温升值tr1(t)和tr2(t)来还原得到电机在持续负载激励时的温升数据t′r1(t)和t′r2(t)；

式中，g(t)，f(t)，trr(t)分别为补偿变量、比例变量的中间变量及比例变量，k为加载倍数，t为时间；

t′r1(t)为测试一条件下电机持续负载激励时的温升数据，t′r2(t)为测试二条件下电机持续负载激励时的温升数据。

功率无确数，不同电机的功率值都不同。而且期望条件的功率也不同，可能是额定功率，或者是过载时额定功率的数倍，或者是感兴趣的功率，可能是任意一种状态。

实施例1：

实施例1记载了一种适应非线性散热条件的短时激励温升等效测试方法，为一阶热传递关系，其发热体的发热表面直接接触空气，因而受自然对流的影响最为严重。其中自然对流换热系数α与温升δt呈非线性关系，表达式约为:

具体测试步骤如下：

步骤一：本实施例共需两次不同加载程度的电机短时测试，为方便表述，将加载程度较小的一次记为测试一，加载功率为100w，将加载程度较大的一次记为测试二，加载功率为200w，测试二加载程度为测试一的2倍，k＝2；

首先，电机以测试一的加载工况短时工作。首先使电机在测试一负载条件下工作一段时间，短时加载时间为800s。随后去掉负载，使电机在与加载时相同的冷却条件下进行冷却至6000s。在整个加载与冷却测试过程中记录电机本次测试中温升随时间变化的数据tr1(t)，温升为所测试的电机部件温度与环境温度之差；

其次，电机以测试二的加载工况短时工作。测试过程与上述步骤相同，在整个短时加载测试过程中记录电机在本次测试中温升随时间变化的数据tr2(t)；

步骤二：数据运算，通过短时加载时测得的温升值tr1(t)和tr2(t)来还原得到电机在持续负载激励下的温升数据t′r1(t)和t′r2(t)；

式中，g(t)，f(t)，trr(t)分别为补偿变量、比例变量的中间变量及比例变量，t′r1(t)为测试一条件下电机持续负载激励时的温升，t′r2(t)为测试二条件下电机持续负载激励时的温升；

由图1(a)和图1(b)对比分析可知，原有方法(即背景技术中披露的一种短时负载激励的电机温升等效测试方法)在非线性散热影响下计算结果有较大误差，而非本发明方法的还原较为准确，误差在5％以内。

实施例2：

实施例2记载了一种适应非线性散热条件的短时激励温升等效测试方法，为三阶热传递关系，其发热体的热量传递到其他物体，在最外侧物体的散热表面直接接触空气，温升测试点为最外侧物体散热表面。散热表面受自然对流影响，其自然对流换热系数α与温升δt呈非线性关系，其表达式约为:具体测试步骤如下：

步骤一：本方法共需两次不同加载程度的电机短时测试，为方便表述，将加载程度较小的一次记为测试一，加载功率为100w，将加载程度较大的一次记为测试二，加载功率为200w，测试二加载程度为测试一的2倍，k＝2；

首先，电机以测试一的加载工况短时工作，使电机在测试一负载条件下工作一段时间，短时加载时间为800s，随后去掉负载，使电机在与加载时相同的冷却条件下进行冷却至6000s。在整个加载与冷却测试过程中记录电机本次测试中温升随时间变化的数据tr1(t)，温升为所测试的电机部件温度与环境温度之差；

其次，电机以测试二的加载工况短时工作，测试过程与上述步骤相同，在整个短时加载测试过程中记录电机在本次测试中温升随时间变化的数据tr2(t)；

步骤二：数据运算，通过短时加载时测得的温升值tr1(t)和tr2(t)来还原得到电机在持续负载激励下的温升数据t′r1(t)和t′r2(t)；

式中，g(t)，f(t)，trr(t)分别为补偿变量、比例变量的中间变量及比例变量，t′r1(t)为测试一条件下电机持续负载激励时的温升，t′r2(t)为测试二条件下电机持续负载激励时的温升。

由图2(a)和图2(b)可以看出，三阶热传递对象呈现出与一阶热传递函数不同的特征，具体表现在温升起始斜率为零，短时激励去掉负载后温度依然上升，温升曲线不满足指数规律。其次，对比图2(a)与图2(b)可以看出，原有方法在非线性散热影响下，最终计算结果有较大误差，而非本发明方法的还原较为准确，误差在3％以内。

实施例3

与实施例1相同的对象，第二次加载为第一次加载的1.1倍，即k＝1.1。

具体测试步骤如下：

步骤一：本实施例共需两次不同加载程度的电机短时测试，为方便表述，将加载程度较小的一次记为测试一，加载功率为100w，将加载程度较大的一次记为测试二，加载功率为110w，测试二加载程度为测试一的1.1倍，k＝1.1；

首先，电机以测试一的加载工况短时工作。首先使电机在测试一负载条件下工作一段时间，短时加载时间为800s。随后去掉负载，使电机在与加载时相同的冷却条件下进行冷却至6000s。在整个加载与冷却测试过程中记录电机本次测试中温升随时间变化的数据tr1(t)，温升为所测试的电机部件温度与环境温度之差；

其次，电机以测试二的加载工况短时工作。测试过程与上述步骤相同，在整个短时加载测试过程中记录电机在本次测试中温升随时间变化的数据tr2(t)；

步骤二：数据运算，通过短时加载时测得的温升值tr1(t)和tr2(t)来还原得到电机在持续负载激励下的温升数据t′r1(t)和t′r2(t)；

式中，g(t)，f(t)，trr(t)分别为补偿变量、比例变量的中间变量及比例变量，t′r1(t)为测试一条件下电机持续负载激励时的温升，t′r2(t)为测试二条件下电机持续负载激励时的温升。

两次测试的短时负载加载功率如图3(a)所示，短时加载时测得的温升值tr1(t)和tr2(t)如图3(b)所示。对于测试一，原有方法计算结果、本发明方法计算结果(t′r1(t))与实际持续激励时的测量数据的对比如图3(c)所示。对于测试二，原有方法计算结果、本发明方法计算结果(t′r2(t))与实际持续激励时的测量数据的对比如图3(d)所示。可见，原有方法(即背景技术中披露的一种短时负载激励的电机温升等效测试方法)在非线性散热影响下计算结果有较大误差，而非本发明方法的还原较为准确，误差在5％以内。

实施例4

与实施例1相同的对象，第二次加载为第一次加载的3倍，即k＝3。

具体测试步骤如下：

步骤一：本实施例共需两次不同加载程度的电机短时测试，为方便表述，将加载程度较小的一次记为测试一，加载功率为100w，将加载程度较大的一次记为测试二，加载功率为300w，测试二加载程度为测试一的3倍，k＝3；

首先，电机以测试一的加载工况短时工作。首先使电机在测试一负载条件下工作一段时间，短时加载时间为800s。随后去掉负载，使电机在与加载时相同的冷却条件下进行冷却至6000s。在整个加载与冷却测试过程中记录电机本次测试中温升随时间变化的数据tr1(t)，温升为所测试的电机部件温度与环境温度之差；

其次，电机以测试二的加载工况短时工作。测试过程与上述步骤相同，在整个短时加载测试过程中记录电机在本次测试中温升随时间变化的数据tr2(t)；

步骤二：数据运算，通过短时加载时测得的温升值tr1(t)和tr2(t)来还原得到电机在持续负载激励下的温升数据t′r1(t)和t′r2(t)；

式中，g(t)，f(t)，trr(t)分别为补偿变量、比例变量的中间变量及比例变量，t′r1(t)为测试一条件下电机持续负载激励时的温升，t′r2(t)为测试二条件下电机持续负载激励时的温升。

图4给出了原有方法和本发明方法通过短时负载激励下的温升数据对持续负载激励下的温升数据的还原效果，对比分析可知，原有方法(即背景技术中披露的一种短时负载激励的电机温升等效测试方法)在非线性散热影响下计算结果有较大误差，而非本发明方法的还原较为准确，误差在10％以内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。