永磁同步電機定子溫度監測的研究方法綜述

Songze Zhao; Puqi Ning*; Tao Fan; Xiaoshuang Hui; Qibiao Shi

Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

S. Zhao, P. Ning, T. Fan, X. Hui and Q. Shi, "A Review of Research Methods for Stator Temperature Monitoring in PMSM," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, Vol. 9, No. 4, pp. 407-421, December 2025, DOI: 10.30941/CESTEMS.2025.00037.

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亮點

在分類邏輯方面，不僅涵蓋了四種主流技術類別，且搭建了更具層次的技術框架，如進一步將基于熱模型的方法中的集中參數熱網絡（LPTN）細分為白盒、灰盒和深灰盒模型。

在內容覆蓋方面，強調了交叉整合，如數據驅動算法與 LPTN 參數識別的結合，有限元分析（FEA）與計算流體動力學（CFD）在熱模擬中的耦合，并補充了諸如溫度估計的數據驅動算法等領域最新的研究進展。

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內容

2.1 基于傳感器的監測方法

• 從接觸式、非接觸式兩個角度，介紹了熱電偶、熱電阻、光纖光柵傳感器，以及紅外熱成像與輻射傳感器等器件的優缺點，分析適用場景與局限性。

2.2基于熱模型的估計方法

• 基于FEA與CFD的熱建模與仿真，分析其優勢與計算瓶頸。

• 以LPTN為典型代表的溫度估計，通過將LPTN歸納為白箱與灰箱模型，并進一步將灰箱模型劃分為淺層和深層模型，深入分析了不同模型的特點與應用場景。

• 對比與LPTN的適用場景與局限性。

2.3基于電模型的溫度估計方法

• 基于非侵入式觀測器的方法。介紹了狀態觀測器、自適應觀測器，分析模型不確定性與外部干擾對精度的影響。

• 基于信號注入的方法。介紹直流、高頻注入等技術，分析其對電機運行的干擾。
  

2.4 基于數據驅動算法的溫度估計方法

• 介紹機器學習與深度學習在溫度估計中的應用，分析各類算法的優缺點（如ET、RF、MLP、BP神經網絡等），討論了其在熱參數辨識與電參數辨識中的應用。

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思考

當前研究的局限性

• 基于傳感器方法的設計成本、制造成本、抗擾與集成問題的解決。

• 熱模型方法的實時反饋，及局部熱點和整體溫度捕捉。

• 電模型方法的模型精度與注入干擾。

• 平均溫度監測導致的準確性欠佳。

• 數據驅動方法的泛化適用、模型“老化”與計算成本。

未來展望

• 高精度傳感器及協作監測，高精度監測電路以及空間布局優化。

• 基于多節點配置與節點優化的2D 及3D熱模型。

• 包含注入幅度、時機和間隔等的信號注入策略優化。

• 多方法協同與數據融合。

• 數據驅動算法中的模型在線更新與輕量化發展。

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團隊介紹

中國科學院電工研究所高功率密度電氣驅動及電動汽車技術研究部成立于1997年，是中科院“電力電子與電氣驅動重點實驗室”的重要組成部分，主要研究方向為電力電子與電力傳動，定位于高功率密度發電/驅動系統技術及其在電動汽車等電氣化交通工具中的應用，涉及高功率密度發電、高功率密度電力電子集成、特種電機和功率模塊封裝技術。

研究部承擔并完成了數十項國家、地方的電動汽車相關重要科技攻關任務，在我國新能源汽車電機驅動研究領域處于領先地位，在國內外具有重要影響。自“九五”以來，在國內率先開展了車用高功率密度電機驅動的基礎理論和關鍵技術開發，主持研發了我國第一臺電動轎車用數字化交流電機驅動系統、第一套燃料電池輕型客車用電-電混合能源動力系統，所研發的高性能永磁電機和驅動系統關鍵技術應用于2008年北京奧運示范、2010年上海世博會示范、“十城千輛”示范和新能源汽車推廣，產生了良好的社會和經濟效益，累計發表文章400余篇、申請專利71項，獲得2012年度中國電工技術學會科學技術一等獎和中國電源學會技術發明獎一等獎等獎勵。

研究部與新能源車行業同步成長，在電動汽車電驅動技術發展方面起到了引領作用。“十三五”期間，研究部帶領國內一流大學、龍頭企業等合作團隊，獲得國家重點研發計劃支持，針對SiC器件及其在電動汽車的應用開展多學科聯合攻關。代表性成果包括：建立了“高頻場控功率器件及裝置產品質量檢驗中心”，是目前國內首個可進行大功率半導體產品檢測并獲得CNAS認證的檢測機構；成立了“電驅動系統大功率電力電子器件封裝技術北京市工程實驗室”，在2016年驗收時獲得“優秀”評價。經過十年努力研制出的飛輪發電機及控制器產品參加了國慶70周年慶祝活動。研發出國內功率密度最高的全SiC電機驅動控制器樣機（37kW/L），在2019年世界新能源汽車大會上被評為全球新能源汽車十大前沿技術之一。

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作者介紹

趙松澤，于2022年獲得燕山大學自動化專業學士學位。他目前正在中國科學院電氣工程研究所攻讀博士學位。他目前的研究興趣包括高密度永磁同步電機定子和轉子的溫度監測和健康管理。

寧圃奇（Senior Member, IEEE），于2010年獲得美國弗吉尼亞州布萊克斯堡弗吉尼亞理工學院和州立大學電氣工程博士學位。他目前在中國科學院電氣工程研究所擔任正教授。他目前的研究興趣包括高溫封裝和高密度轉換器設計。

范濤（Senior Member, IEEE），于2004年獲得清華大學電氣工程學士學位，并于2006年和2009年分別獲得中國科學院研究生院電氣工程碩士和博士學位。2009年至2011年，他在中國科學院電氣工程研究所擔任助理教授，2011年成為副教授，2017年成為教授。他的研究興趣包括特殊電機、大型發電和大功率電力推進系統的設計和分析。

回曉雙，于2021年獲得中國民航大學電氣工程學士學位。他目前正在中國科學院電氣工程研究所攻讀博士學位。他目前的研究興趣包括功率模塊的設計和測試以及高功率密度電機驅動系統的集成優化。

施其彪，于2012年獲得湘潭大學自動化學士學位，2015年獲得中國科學院大學電氣工程碩士學位。2015年至2021年，他在中國科學院電氣工程研究所擔任工程師，目前正在攻讀電氣工程博士學位。他的研究興趣包括電機和電機驅動器的預測和健康管理系統。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE的執委Don Tan博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

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