永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置及应用的制作方法

本发明涉及电机热和磁场检测技术领域，尤其是涉及一种永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置。

背景技术

温度以及外磁场的变化都会引起永磁体磁性能的变化，高密度永磁电机体积小、电枢反应强、热流密度高，使得电机内永磁体存在不可逆退磁风险，特别是钕铁硼永磁材料，居里温度相对较低，在高温以及电枢反应的作用下可能发生不可逆的退磁。因此，掌握永磁电机在各种运行工况下的永磁体的温度分布及磁性能对保证安全可靠运行具有重要的价值，从而为永磁电机防退磁设计及在线防退磁控制策略设计提供实际数据支持，以及验证设计的有效性。

目前针对电机转子测量的方法主要分为接触测量与非接触测量两种。接触测量中常用的测温元件主要包括热敏电阻，及热电偶和铂热电阻。接触测量必须解决温度数据在旋转状态下的传输，通过专门的测量滑环连接，缺点是增加了制造的复杂度，并且滑环由于机械运动，碳刷接触不良容易使信号不稳。非接触测量主要包括光电测温法和红外测温法，这类测量方法需要在定子面对转子部分安装温敏元件，需要一定安装空间，对于中小功率的车用高密度永磁电机并不适用。同时永磁体在轴向方向上温度及外磁场条件分布不均，仅通过轴端或者中间一个测点无法获取永磁体温度及磁场的分布情况。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置，包括：

传感器单元，包括fpc板以及设置于该fpc板上的多个温度传感器和多个磁场传感器，通过在转子铁芯连接永磁体处沿转子铁芯轴向开槽，并将fpc板固定于槽内，使多个温度传感器和多个磁场传感器分别沿转子铁芯轴向分布并与永磁体接触。

信号采集处理单元，用于固定在电机轴上，接收和处理传感器单元的电信号，并将数据无线传输至上位机。

优选地，所述的fpc板呈长条状，一端设有fpc连接器，多个温度传感器和多个磁场传感器分别沿fpc板长度方向均匀分布，并与fpc连接器相连接。

优选地，所述的温度传感器选用pt100铂热电阻，磁场传感器选用hg106c霍尔传感器。温度传感器和磁场传感器可以选用焊接的方式固定于fpc板的一面。

优选地，所述的信号采集处理单元包括容纳体及设置于容纳体内的温度和磁场采集处理组件、主控系统组件和供电组件，所述的容纳体固定于电机轴上，fpc连接器通过fpc软排线与温度和磁场采集处理组件相连。

优选地，温度和磁场采集处理组件由温度采集处理模块和磁场采集处理模块组成；所述的温度采集处理模块以分立元器件搭建，包括恒流源供电、同向放大电路、二阶巴特沃斯滤波电路以及过压保护电路。恒流源供电电路对温度传感器供电，当温度变化时，温度传感器阻值变化引起微弱变化电压信号传递至同向放大电路将信号放大，后通过二阶巴特沃斯滤波电路以及过压保护电路，最终使输出信号接至控制器；温度采集处理模块由外部电源供电。所述的磁场采集处理模块以分立元器件搭建，包括可控恒流源供电、差分放大电路、基准电压电路、电压跟随器、滤波以及过压保护电路。可控恒流源电路一方面为霍尔传感器供电，另一方面为霍尔传感器提供校准。霍尔传感器输出端电压接至差分放大电路及基准电压电路，再传至电压跟随器后，经滤波电路和过压保护电路接至控制器；磁场采集处理模块由外部电源供电。

优选地，所述的主控系统组件主芯片、无线传输模块和本地存储模块，所述的主控系统组件将来自温度和磁场采集处理组件的数据存储到本地存储模块中，并通过无线传输模块发送到上位机，以进行实时显示并存储检测数据。

优选地，所述的主芯片采用st公司生产的stm32f103ret6，所述的无线传输模块采用wifi模块，所述的本地存储模块采用sd卡。

优选地，所述的供电组件为电池供电模块，由锂电池并联构成，为传感器单元、温度和磁场采集处理组件以及主控系统组件提供电源。

优选地，所述的上位机利用labview的tcp/ip模块进行上位机编写，实现对wifi信号的接受、处理、显示并存储。

优选地，所述的电机轴为空心轴，所述的容纳体连接于空心轴的轴端，空心轴侧壁开设有软排线入口，所述的fpc软排线经由软排线入口进入并穿过空心轴与温度和磁场采集处理组件相连。

优选地，所述的容纳体为圆柱状金属容器，圆柱状金属容器的端部与空心轴的轴端连接。并与永磁同步电机同步旋转。采用金属材质容器(例如铝制)，可以起到防止对温度和磁场采集处理组件以及主控系统组件的电磁干扰。

优选地，所述的永磁同步电机的永磁体采用v字形永磁体，所述的槽位于v字形永磁体的外侧，以减少高速旋转时离心力对温度和磁场传感器的影响。

所述的永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置的应用，该装置用于对永磁体在各种运行工况下的温度和磁场状态进行实时在线检测。从而为永磁电机防退磁设计及在线防退磁控制策略设计提供实际数据支持，以及验证设计的有效性。

本发明通过在转子铁芯连接永磁体处轴向开槽，将带有多个轴向分布(最好是均匀分布)的温度传感器和磁场传感器的fpc板固定于槽内，使其与永磁体表面接触。使带有温度传感器和磁场传感器的fpc板的输出端(该端设置有fpc连接器)通过fpc软排线穿过永磁电机空心轴，与温度和磁场采集处理组件相连接，对检测的温度及磁场进行采集及处理，解决电磁环境下的测试数据的处理及标定。温度和磁场采集处理组件通过总线与主控系统组件相连接，主控系统组件将来自温度和磁场采集处理组件的数据一方面存储到本地存储模块，另一方面通过无线传输模块发送到上位机进行实时显示并存储测量数据，以解决电磁环境下的数据无线传输问题。传感器单元、温度和磁场采集处理组件、主控系统组件由供电模块供电。温度和磁场采集处理组件、主控系统组件、供电组件被置于金属材质的容纳体内，防止对温度和磁场采集处理组件、主控系统组件、供电组件的电磁干扰，容纳体与电机轴相连，并与永磁同步电机同步旋转。

与现有技术相比，本发明在永磁体表面轴向分布的多个温度传感器和磁场传感器，比单点的温度及磁场测量更能够了解永磁体温度及表面磁场的分布情况；利用fpc板焊接温度及磁场传感器后的厚度仅2mm，使该传感器单元对永磁电机转子本身的电磁影响很小；所有传感器信号输出是通过电路连接，数据传输通过无线模式，在电磁环境下，温度及磁场采集数据准确、稳定，比过滑环装置更加科学。解决了转子上传感器的安装和电磁环境下的数据传输问题，解决了永磁电机永磁体温度及磁场分布测量问题，实现永磁电机在线各工况下对永磁体表面温度及磁场分布的多传感器连续测量。

附图说明

图1为本发明的装置的结构原理框图；

图2为本发明的转子铁芯开槽示意图；

图3为本发明的传感器单元的示意图；

图4为本发明的结构示意图。

图中，1为转子铁芯，2为槽，3为永磁体，4–1为第一温度传感器，4–2为第二温度传感器，4–3为第三温度传感器，4–4为第四温度传感器，4–5为第五温度传感器，5–1为第一磁场传感器，5–2为第二磁场传感器，5–3为第三磁场传感器，6为fpc板，7为fpc连接器，8为fpc软排线，9为空心轴，10为容纳体，11为温度和磁场采集处理组件，12为主控系统组件，13为供电组件，14为上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置，如图2～4所示，包括：

传感器单元，包括fpc板6以及设置于该fpc板6上的多个温度传感器和多个磁场传感器，通过在转子铁芯1连接永磁体3处沿转子铁芯1轴向开槽2，并将fpc板6固定于槽2内，使多个温度传感器和多个磁场传感器分别沿转子铁芯1轴向分布并与永磁体3接触，本实施例中永磁同步电机的永磁体3采用v字形永磁体，槽2位于v字形永磁体的外侧，

信号采集处理单元，用于固定在电机轴上，接收和处理传感器单元的电信号，并将数据无线传输至上位机14。

fpc板6呈长条状，一端设有fpc连接器7，多个温度传感器和多个磁场传感器分别沿fpc板6长度方向均匀分布，并与fpc连接器7相连接。本实施例中，设有五个温度传感器(分别为第一温度传感器4–1、第二温度传感器4–2、第三温度传感器4–3、第四温度传感器4–4和第五温度传感器4–5)；磁场传感器设有三个分别为第一磁场传感器5–1、第二磁场传感器5–2和第三磁场传感器5–3，温度传感器选用pt100铂热电阻，磁场传感器选用hg106c霍尔传感器。温度传感器和磁场传感器可以选用焊接的方式固定于fpc板6的一面，焊接后fpc板6的厚度为2mm，使该传感器单元对永磁电机转子本身的电磁影响很小。

如图1、图2和图4所示，本实施例中的信号采集处理单元包括容纳体10及设置于容纳体10内的温度和磁场采集处理组件11、主控系统组件12和供电组件13，容纳体10固定于电机轴上，fpc连接器7通过fpc软排线8与温度和磁场采集处理组件11相连。温度和磁场采集处理组件由温度采集处理模块和磁场采集处理模块组成；温度采集处理模块以分立元器件搭建，包括恒流源供电、同向放大电路、二阶巴特沃斯滤波电路以及过压保护电路；恒流源供电电路对温度传感器供电，当温度变化时，温度传感器阻值变化引起微弱变化电压信号传递至同向放大电路将信号放大，后通过二阶巴特沃斯滤波电路以及过压保护电路，最终使输出信号接至控制器；温度采集处理模块由外部电源供电。磁场采集处理模块以分立元器件搭建，包括可控恒流源供电、差分放大电路、基准电压电路、电压跟随器、滤波以及过压保护电路。可控恒流源电路一方面为霍尔传感器供电，另一方面为霍尔传感器提供校准。霍尔传感器输出端电压接至差分放大电路及基准电压电路，再传至电压跟随器后，经滤波电路和过压保护电路接至控制器。磁场采集处理模块由外部电源供电。

主控系统组件主芯片、无线传输模块和本地存储模块，主控系统组件将来自温度和磁场采集处理组件的数据存储到本地存储模块中，并通过无线传输模块发送到上位机，以进行实时显示并存储检测数据。主芯片采用st公司生产的stm32f103ret6，无线传输模块采用wifi模块，本地存储模块采用sd卡。供电组件为电池供电模块，由锂电池并联构成，为传感器单元、温度和磁场采集处理组件以及主控系统组件提供电源。上位机利用labview的tcp/ip模块进行上位机编写，实现对wifi信号的接受、处理、显示并存储。

本实施例的电机轴为空心轴9，容纳体10连接于空心轴9的轴端，空心轴9侧壁开设有软排线入口，fpc软排线8经由软排线入口进入并穿过空心轴9与温度和磁场采集处理组件11相连。容纳体10为圆柱状金属容器，圆柱状金属容器的端部与空心轴9的轴端连接。并与永磁同步电机同步旋转。采用金属材质容器(本实施例为铝制)，可以起到防止对温度和磁场采集处理组件以及主控系统组件的电磁干扰。

上述永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置可用于对永磁体3在各种运行工况下的温度和磁场状态进行实时在线检测。测量时，根据设定的工作点进行加载，打开测试仪器，连接设备到电脑上位机，对不同工况点进行测量，记录温度与磁场的数据。本发明种永磁同步电机永磁体温度与磁场实时在线检测装置的设计与构建，能够快速、实时地稳定测量不同工况下永磁体的温度与永磁体表面磁场。解决了转子上传感器的安装和电磁环境下的数据传输问题，解决了永磁电机永磁体温度及磁场分布测量问题，实现永磁电机在线各工况下对永磁体表面温度及磁场分布的多传感器连续测量。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。