永磁電動機轉子溫度無線監測系統設計

鄧先明， 龔書生， 季 燦， 葉宗彬(.中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 6；.國網四川省電力公司 樂山供電公司，四川 樂山 64000)

0 引 言

在“節能減排”的背景下，國家大力發展風力發電[1]。裝機容量也迅速增長，使得直驅永磁電動機組的占比得到提升，永磁電動機單機容量也越來越大[2]。電動機容量越大，其發熱量也隨之增加[3]。電動機溫升過高將導致電動機繞組絕緣層損壞；永磁電動機轉子溫升過高，將會導致永磁體磁密度下降甚至永久性退磁[4]。為了保證電動機安全可靠運行，對電動機的溫度監測顯得尤為重要，尤其是永磁電動機轉子溫度的監測。由于轉子隨電動機運行高速旋轉，測溫點也隨之運動，存在諸如電動機旋轉產生的離心力、振動對檢測裝置的影響，以及檢測信號傳輸及電磁干擾等問題。市場上對電動機轉子溫度檢測的裝置不多，本文設計的永磁電動機轉子溫度無線監測系統，對于永磁電動機的穩定安全運行具有重要的實際意義。

1 永磁同步電動機轉子溫度場分析

在對電動機轉子溫度測量前，需找到電動機轉子溫度較高的點作為溫度傳感器的測量點。因此需要對電動機轉子溫度場進行仿真分析，為傳感器的安裝提供理論依據。

本文利用有限元ANSYS軟件對一臺轉速為1 500 r/min、額定電壓為220 V、額定功率為550 W的永磁同步電動機的轉子進行溫度場仿真，電動機在帶額定負載、過載以及定子繞組故障時轉子溫度場仿真結果如圖1所示。本文將電動機電流設置為2倍額定電流來模擬過載運行的情況；通過去除電動機定子側的一相繞組，模擬電動機繞組斷線故障。

(a) 額定負載

從圖1可知，由于電動機中部不易散熱，溫度最高點主要集中在轉子中部，因此可將轉子中部的永磁體作為溫度傳感器的測溫點。不同工況下電動機轉子溫度如表1所示。從表1可以看出，電動機額定運行以及發生單相故障時，轉子溫度較低，而當電動機過載運行時，電動機轉子溫度劇增，最低溫度為92.8 ℃，最高溫度為108.3 ℃。當電動機發生單相故障時，從圖1(c)中可以看出，最高溫度點仍集中在轉子中部的永磁體上，只是溫度最高點的分布不均勻，最高溫度也比正常情況下的溫度低，只有41.1 ℃。因此對電動機轉子溫度的監測，不僅能實時掌握電動機的運行狀態，也可以根據電動機轉子溫度的異常變化判斷并找到電動機故障，對電動機的維護提供了保障。

表1 不同工況下電動機轉子溫度

2 溫度無線監測系統結構設計

永磁電動機轉子溫度無線監測系統主要包括兩部分：①下位機系統。由溫度傳感器、微處理器系統、無線發射模塊、無線供電接收模塊組成；②上位機系統。由供電發射裝置和電腦端溫度顯示界面組成，如圖2所示。當永磁電動機正常運行，安裝在電動機轉軸上的溫度采集發射裝置中的微處理器采集溫度傳感器的數據，并處理得到電動機相應被測點的溫度數值，將溫度數值通過無線發射模塊，以射頻信號的模式發射到固定在永磁電動機外殼上的接收裝置上。通過接收裝置上的無線接收模塊接收無線信號，并由微處理器控制顯示到顯示屏上，且通過USB串口與電腦連接將溫度數值傳輸到電腦里，在溫度顯示界面中顯示出來。電動機外殼上的顯示屏方便現場工作人員了解電動機轉子實時溫度，電腦溫度顯示界面方便值守人員監測電動機轉子溫度，實時了解電動機運行狀況，確保生產活動正常進行。溫度采集裝置的電源由無線供電裝置提供。

圖2 永磁電動機轉子溫度無線監測系統的原理框圖

3 硬件設計

3.1 STM32F103RCT6最小系統模塊

STM32是基于ARM架構的CortexM內核的32 bit微處理器。這款芯片有3個12 bit的逐次逼近型的ADC轉換器，擁有16個測量外部信號源和2個測量內部信號源的18個通道，且轉換分為規則和注入通道組兩個通道組，轉換速率最大可達1 MHz，同時該芯片擁有51個通用I/O口[5]。STM32F103RCT6在功能和性能上均滿足系統設計需求，其最小系統模塊如圖3所示[6]。

圖3 STM32F103RCT6最小系統組成

3.2 溫度傳感器測溫電路

溫度傳感器采用鉑熱電阻Pt100，在一定范圍內，其阻值隨溫度的變化成線性變化，因此通過測量Pt100的阻值即可得到被測物體溫度。本文采用電橋法測量Pt100的電阻值，為了減小Pt100的引線電阻引起的附加電壓對測溫造成誤差，采用三線制的接法以減小測溫誤差[79]，PT100三線制接法如圖4所示。

電動機轉子需要監測的點較多，因此設計多路溫度調理電路來進行測溫。本系統測溫板設計了4路溫度調理電路，在實際應用中如果要增加測量點的個數，可以進行相應的擴展，測量點過多可以利用選通開關來實現。圖5為4路溫度信號調理電路中的1路。

圖4 鉑熱電阻三線制連接電路

圖5 溫度信號調理電路

3.3 無線通信模塊

本系統測溫裝置的無線收發模塊采用NRF24L01無線通信模塊，工作在2.4～2.5 GHz頻段。無線模塊的供電電壓由STM32F103RCT6芯片的電源電壓提供，IRQ引腳作為可屏蔽中斷腳與STM32F103RCT6芯片PC7引腳相連；CE引腳作為控制模塊收發模式的條件之一與STM32F103RCT6芯片PC6相連；CSN作為SPI片選引腳與STM32F103RCT6芯片的PB12相連；其余引腳為無線模塊的SPI口：SCK、MISO、MOSI分別與STM32F103RCT6芯片的SPI2口中的SPI2_SCK、SPI2_MISO、SPI2_MOSI相連。NRF24L01模塊接口電路如圖6所示。

3.4 溫度顯示模塊

為了便于現場工作人員查看電動機轉子溫度，溫度接收裝置采用OLED顯示屏實時顯示電動機轉子溫度。該顯示屏體積小、能耗較低、屏幕視角寬廣、分辨率高。采用的是7針的SPI接口模式[11]，選擇連接STM32F103RCT6的SPI3作為接口。OLED顯示屏的接口電路和實物如圖7所示。

3.5 磁耦合共振無線供電裝置設計

3.5.1磁耦合共振無線供電系統

磁耦合共振無線供電系統可分為兩部分，一部分為發射電路;另一部分接收電路，如圖8所示。發射端電源可以是交流電源也可以是直流電源，如果是交流電源則需要整流濾波變成相應的直流電源。將直流電源通過高頻逆變得到高頻的交流電，通過諧振補償電路和發射線圈產生高頻的電磁波將電能發射出去，通過兩線圈的耦合共振，由接收線圈接收電能并通過整流電路得到直流電壓，再經過電壓調節電路穩壓濾波得到能夠滿足負載要求的電壓值[12]。

圖6 NRF24L01無線模塊接口電路

圖7 OLED顯示屏接口電路圖及實物圖

圖8 磁耦合共振無線供電的系統框圖

3.5.2無線供電發射裝置的設計

磁耦合共振無線供電系統的發射端電路如圖9所示。該電路的工作原理是：當直流電源通電，電壓和電流同時施加到兩個由磁環電感和開關器件組成的橋臂上，由于元器件本身的差異，導致其中一個橋臂流過的電流較大，使得該開關器件開通，另一個開關器件由二極管拉低關斷。兩個開關管推挽電流饋電，Q1、Q2不停交替開通關斷，逆變產生正弦信號，頻率由LC并聯諧振電路決定。產生的高頻電磁場通過線圈將能量發射出去。

圖9 磁耦合共振無線供電發射端電路圖

選擇價格低廉、開關速度快、寄生電容小、損耗小的IRFZ44作為高頻逆變的開關管，IRFZ44為N溝道增強型MOSFET，其性能優異，適應于高頻逆變電路。諧振電容選擇具有高絕緣電阻、穩定性好、耐高溫高壓、適合高頻電路的聚丙烯電容(CBB電容)。為了提高線圈的品質因數，同時考慮趨膚效應，因此，在制作線圈時采用線徑較粗、絕緣的銅線繞制多匝組成。兩個磁環電感選擇100 μH，D1、D2選擇型號為1N4148整流二極管。電阻采用金屬膜電阻，該類型電阻具有較好的穩定性，精度高，適合高頻電路中使用。

3.5.3無線供電接收裝置的設計

為簡化電路，采用和發射端相同材質、規格、匝數的線圈，并聯電容與發射端的電容等值。接收電路如圖10所示。

圖10 磁耦合共振無線供電接收端電路圖

整流電路采用全橋整流，提高輸出功率利用率，降低電壓紋波。整流二極管采用價格低廉、耐壓值高、反向恢復時間短、適用于高頻整流的1N4148[13]。選擇LM7805作為穩壓芯片，通過穩壓電路輸出5 V直流電壓。

4 軟件設計

整個系統分為兩個部分，一部分為發送端；另一部分為接收端。其中系統的發送端和接收端主程序的流程圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 發送端主程序流程圖

圖12 接收端主程序流程圖

5 實驗測試結果

5.1 溫度測量精度實驗

為驗證Pt100測溫裝置的測溫精度是否滿足系統設計要求[14]，在相同的條件下以不同溫度的水作為熱源進行測溫，將Pt100和紅外溫度計測量的溫度值進行對比。測溫裝置實物如圖13所示，測量溫度的數據如表2所示。

表2 測量數據

圖13 鉑熱電阻測溫裝置實物圖

由表2可知,最小測量溫度差值為0.3 ℃，最大溫度差值為1.1 ℃。溫度偏差不大，測溫精度滿足系統要求。

5.2 無線傳輸距離測試

無線模塊可在一定的距離范圍內進行有效的數據傳輸。本測試分為不連接天線和連接天線兩種，測試環境為空曠地帶測試和有墻體障礙物測試。傳輸距離和無線模塊配置的發射功率有關，發射功率越大傳輸距離越遠，因此在試驗中為了盡可能增大傳輸距離，統一將發射功率配置為0 dBm，數據傳輸速率設置為2 Mb/s。

表3 不接天線的測試結果

表4 接天線的測試結果

表3和4中，1表示能收到傳輸數據；0表示不能收到傳輸數據。從測試結果可以看出，不連接天線時，在空曠環境中能傳輸數據的最遠距離為15 m左右，有墻體障礙時為5 m左右;在連接天線的情況下，空曠環境實測距離超過220 m，有墻體障礙時能達到30 m。由于測溫裝置安裝在電動機轉子側和固定的外殼側，從測試距離來看，完全滿足電動機溫度監測系統的要求。

5.3 上位機溫度顯示測試

將無線溫度接收裝置通過USB串口連接到電腦端，上位機顯示如圖14所示。本文以兩路溫度測試為例，對溫度進行實時顯示監測[15]。

5.4 測溫裝置穩壓供電測試

圖14 溫度上位機測試結果

無線供電的發射裝置和溫度接收裝置由適配器供電，實驗連接圖如圖15所示。從實驗中可以看出，在一定范圍內測溫裝置能穩定工作。經過測試，無線供電收發線圈在相距11 cm以內，供電接收裝置的穩壓端輸出電壓均穩定在4.8 V以上，完全滿足對測溫裝置的供電要求。圖16為線圈相距11 cm處，測溫裝置端電壓及電流的波形圖。經過整流穩壓的電壓波形很平穩，U為4.80 V；電流波形I為90.1 mA，功率為0.432 W。從測試結果可知，無線供電裝置能很好的為測溫裝置供電，達到設計要求。

圖15 測溫裝置無線供電測試

圖16 測溫裝置端電壓電流波形

6 結 語

本文利用有限元ANSYS軟件對一臺轉速1 500 r/min、額定電壓為220 V、額定功率為550 W的永磁同步電動機的轉子進行溫度場仿真，為溫度監測系統設計提供了理論依據。介紹了非接觸供電方式下永磁電動機轉子溫度無線監測系統的設計，設計了基于無線射頻信號傳輸的測溫裝置，將溫度數據采集與無線信號傳輸相結合，解決了轉子溫度測量的信號傳遞問題。磁耦合共振的無線供電裝置，解決了電動機轉子測溫裝置的供電問題，實現了電動機轉子溫度的實時監測。

對無線測溫裝置的測溫精度與無線傳輸距離進行了實驗，利用無線供電裝置對測溫裝置進行無線穩壓供電實驗，滿足系統設計要求，對于永磁電動機的穩定安全運行具有重要的實際意義。

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