模糊綜合評(píng)判在優(yōu)化電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙輝　呂青　丁樹業(yè)

摘要：為了在電機(jī)冷卻系統(tǒng)中找出最適宜的自力性風(fēng)扇長(zhǎng)度，以一臺(tái)Y2-250M-455kw籠型異步電機(jī)為例，權(quán)衡系統(tǒng)內(nèi)各因素對(duì)電機(jī)實(shí)際功效的影響，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判方法，對(duì)其內(nèi)在因素指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在專家打分評(píng)估的基礎(chǔ)上，應(yīng)用定性與定量的綜合決策方法，結(jié)合變異系數(shù)法分配權(quán)重，進(jìn)行全面分析，得出電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，確定最佳方案以完成對(duì)內(nèi)風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；自力性風(fēng)扇；模糊綜合評(píng)判；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.020

中圖分類號(hào)：029

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2016）06-0106-05

0.引言

由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部存在多種損耗，如電流在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的繞組損耗、鐵心中磁場(chǎng)交變引起的鐵心損耗、通風(fēng)和機(jī)械摩擦引起的機(jī)械損耗等，這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，向周圍介質(zhì)傳播，為了防止絕緣系統(tǒng)的高溫和電機(jī)毀壞，電機(jī)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)顯得尤為重要，近年來電機(jī)效率已經(jīng)提高，冷卻風(fēng)扇的功率已占電機(jī)的總損耗很大的百分比.在某些情況下，風(fēng)扇可能消耗電機(jī)輸入功率的百分之二，這相當(dāng)于損耗的百分之二十，設(shè)計(jì)電機(jī)風(fēng)扇時(shí)的目標(biāo)是使冷卻風(fēng)扇的功率減到最小又使電機(jī)效率較高.在此，將改良了的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)根據(jù)其原理命名為自力性風(fēng)扇，即通過其本身的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)轉(zhuǎn)子端部氣腔內(nèi)的空氣，使其對(duì)定子端部繞組起到冷卻效果。

根據(jù)現(xiàn)有研究表明，自力性風(fēng)扇不僅影響著轉(zhuǎn)子風(fēng)摩損耗，同時(shí)對(duì)降低定子端部繞組溫升也起到很大的作用，為得出自力性風(fēng)扇的優(yōu)化方案，需要同時(shí)考慮風(fēng)扇的損耗與定子端部繞組溫升兩方面問題，以保證轉(zhuǎn)子風(fēng)摩損耗在較低水平的同時(shí)又使定子端部繞組溫升不會(huì)過高。

考慮到傳統(tǒng)的數(shù)值分析不能將不同量綱的物理量放在一起計(jì)算，相關(guān)因素對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響也不相同，本文以一臺(tái)籠型異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，將運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判方法，對(duì)其內(nèi)在因素指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，再進(jìn)一步考慮到單一賦權(quán)對(duì)賦權(quán)結(jié)果的影響，于是在專家打分評(píng)估的基礎(chǔ)上，應(yīng)用定性與定量的綜合決策方法，結(jié)合變異系數(shù)法分配權(quán)重，進(jìn)行全面分析，得出電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，確定最佳方案以完成對(duì)風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得自力性風(fēng)扇的設(shè)計(jì)更具有客觀性、可靠性、符合良好工藝性的要求。

1.模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)判的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素，將各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)一量化，并根據(jù)不同指標(biāo)對(duì)評(píng)判對(duì)象的影響程度來分配權(quán)重，從而對(duì)各評(píng)判對(duì)象作出合理的綜合評(píng)價(jià)。

它是對(duì)各因素的綜合評(píng)判，最后根據(jù)最大隸屬度原則，選擇綜合評(píng)價(jià)集B中最大的b_i所對(duì)應(yīng)的等級(jí)（評(píng)語）Vi作為綜合評(píng)判的結(jié)果.于是，得到綜合評(píng)判模型I（或記為模型M（V）。

2.冷卻系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判模型的建立

2.1模糊評(píng)判集的選取

本文以一臺(tái)Y2-250M-4、55kW籠型異步電機(jī)為例，在對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行假設(shè)及合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，建立了比較完整的全封閉自扇冷結(jié)構(gòu)電機(jī)的三維半域穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)物理模型，并基于該模型采用有限體積元方法對(duì)電機(jī)額定負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究，就3個(gè)物理量，分別是自力性風(fēng)扇長(zhǎng)度、定子端部繞組溫升、轉(zhuǎn)子風(fēng)摩損耗，得出了相應(yīng)10組數(shù)據(jù)，以此作為評(píng)判對(duì)象即評(píng)判集（見表1），由此則對(duì)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行呈現(xiàn)的整體狀態(tài)具有可比

2.3確定因素集模糊綜合評(píng)判矩陣

由于自力性風(fēng)扇是作為一個(gè)全新的概念被提出的，因此在這個(gè)新結(jié)構(gòu)領(lǐng)域下可以借用的現(xiàn)有研究成果和相關(guān)專家學(xué)者少之又少，但是從另一方面看，該領(lǐng)域的專家對(duì)所要調(diào)查的問題研究的也最為透徹、最熟悉，因此我們選擇專家經(jīng)驗(yàn)法給出相應(yīng)評(píng)判矩陣。

專家經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出模糊信息的處理算式或相應(yīng)權(quán)系數(shù)值來確定隸屬函數(shù)的一種方法，在許多情況下，經(jīng)常是初步確定粗略的隸屬函數(shù)，然后再通過“學(xué)習(xí)”和實(shí)踐檢驗(yàn)逐步修改和完善，而實(shí)際效果正是檢驗(yàn)和調(diào)整隸屬函數(shù)的依據(jù)。

本次試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的F集由5位專家對(duì)評(píng)判因素進(jìn)行評(píng)價(jià)得出。

現(xiàn)給出專家對(duì)第一組數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)情況（見表2）：

由表2知，風(fēng)扇長(zhǎng)度為0mm時(shí)屬于最優(yōu)先的隸屬度為0/5=0.同理可算出風(fēng)扇長(zhǎng)度隸屬其他評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，端部溫升和風(fēng)摩損耗中的各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度也由上述方法得到。

2.4因素權(quán)重的選取

權(quán)重是綜合評(píng)判中的一個(gè)重要的指標(biāo)體系，合理地分配權(quán)重是量化評(píng)估的關(guān)鍵，因此，權(quán)重的構(gòu)成是否合理，直接影響到評(píng)估的科學(xué)性，確定權(quán)重的方法有很多，如專家咨詢法、德爾菲法、專家排序法、層次分析法、秩和比法、變異系數(shù)法、主成分分析法和因子分析法等，考慮到在進(jìn)行單因素評(píng)判時(shí)候已經(jīng)采取了主觀的專家經(jīng)驗(yàn)法，為提高模型準(zhǔn)確性、減小誤差，我們?cè)诖诉x擇客觀賦權(quán)法中的變異系數(shù)法。

計(jì)算過程如下：

1）先根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；

2）根據(jù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算變異系數(shù)；

3）將各項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)相加，計(jì)算構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的這3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

按照最大隸屬度原則，對(duì)第1組數(shù)據(jù)得出的評(píng)價(jià)是“不優(yōu)先”；第2組得出的評(píng)價(jià)是“不優(yōu)先”；第3組得出的評(píng)價(jià)是“最優(yōu)先”；第4組得出的評(píng)價(jià)是“最優(yōu)先”；第5組得出的評(píng)價(jià)是“次優(yōu)先”；第6組得出的評(píng)價(jià)是“次優(yōu)先”；第7組得出的評(píng)價(jià)是“不優(yōu)先”；第8組得出的評(píng)價(jià)是“不優(yōu)先”；第9組得出的評(píng)價(jià)是“不優(yōu)先”；第10組得出的評(píng)價(jià)是“不優(yōu)先”。

綜合以上得出兩個(gè)最優(yōu)先的方案，即第3組和第4組值所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，這兩個(gè)值被視作自力性風(fēng)扇優(yōu)化方案中的兩個(gè)可選值，即10mm和15mm，可見方案已極大地縮小了數(shù)據(jù)范圍，進(jìn)而可根據(jù)工程實(shí)際要求，按照賦權(quán)調(diào)和的方法得出區(qū)間中的最優(yōu)解，經(jīng)過計(jì)算為12.2975mm，這一結(jié)論需要在工程中加以權(quán)衡考量，進(jìn)而合理地將理論成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)的依據(jù)。現(xiàn)已在建立的模型中取自力性風(fēng)扇長(zhǎng)度為12mm進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果理想，符合生產(chǎn)要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)論

本文將模糊綜合評(píng)判法引入電機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化問題，解決了單一從數(shù)理計(jì)算的方面無法達(dá)到數(shù)值選取要求的弊端，系統(tǒng)中涉及的各個(gè)量標(biāo)準(zhǔn)不一、量綱不同，為得到更合理的評(píng)判結(jié)果引入了一些類似于組合賦權(quán)的方法來優(yōu)化整個(gè)模型，同時(shí)為達(dá)到客觀性和實(shí)用性的要求，也做了一些細(xì)節(jié)的改善.

1）對(duì)評(píng)價(jià)集的選取進(jìn)行了創(chuàng)新，將系統(tǒng)內(nèi)3個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)看做單獨(dú)的評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)判，一方面縮小了評(píng)價(jià)范圍的寬度，另一方面提高了測(cè)評(píng)結(jié)果的精度。

2）引入了模糊統(tǒng)計(jì)法，將模糊概念明確化，可以清晰、直觀的表示出隸屬程度的客觀規(guī)律，進(jìn)一步提高了各級(jí)指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性和客觀性。

3）運(yùn)用Matlab和Excel2013編制模糊綜合評(píng)判計(jì)算表，不僅提高了數(shù)據(jù)的通用性，還減輕了評(píng)判計(jì)算的工作量，為各類模糊綜合評(píng)判決策提供了一種較為高效快捷的計(jì)算方案，具有較好的普適性。

本研究中建立的評(píng)判模型不僅可以用于電機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化問題，同時(shí)還可以用于具有相似特性的其他工科科研模型的優(yōu)化問題，可以從不同的角度給出最優(yōu)化的數(shù)據(jù)。