模糊综合评判在优化电机冷却系统中的应用

赵辉　吕青　丁树业

摘要：为了在电机冷却系统中找出最适宜的自力性风扇长度，以一台Y2-250M-455kw笼型异步电机为例，权衡系统内各因素对电机实际功效的影响，运用模糊数学的综合评判方法，对其内在因素指标进行综合评价，在专家打分评估的基础上，应用定性与定量的综合决策方法，结合变异系数法分配权重，进行全面分析，得出电机冷却系统中的模糊综合评价模型，确定最佳方案以完成对内风扇的优化设计。

关键词：异步电机；自力性风扇；模糊综合评判；冷却系统；优化设计

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.020

中图分类号：029

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）06-0106-05

0.引言

由于电机运行时，内部存在多种损耗，如电流在导体内产生的绕组损耗、铁心中磁场交变引起的铁心损耗、通风和机械摩擦引起的机械损耗等，这些损耗都转变为热量，向周围介质传播，为了防止绝缘系统的高温和电机毁坏，电机冷却系统的风扇设计显得尤为重要，近年来电机效率已经提高，冷却风扇的功率已占电机的总损耗很大的百分比.在某些情况下，风扇可能消耗电机输入功率的百分之二，这相当于损耗的百分之二十，设计电机风扇时的目标是使冷卻风扇的功率减到最小又使电机效率较高.在此，将改良了的风扇结构根据其原理命名为自力性风扇，即通过其本身的旋转扰动转子端部气腔内的空气，使其对定子端部绕组起到冷却效果。

根据现有研究表明，自力性风扇不仅影响着转子风摩损耗，同时对降低定子端部绕组温升也起到很大的作用，为得出自力性风扇的优化方案，需要同时考虑风扇的损耗与定子端部绕组温升两方面问题，以保证转子风摩损耗在较低水平的同时又使定子端部绕组温升不会过高。

考虑到传统的数值分析不能将不同量纲的物理量放在一起计算，相关因素对整体结构的影响也不相同，本文以一台笼型异步感应电动机为研究对象，将运用模糊数学的综合评判方法，对其内在因素指标进行综合评价，再进一步考虑到单一赋权对赋权结果的影响，于是在专家打分评估的基础上，应用定性与定量的综合决策方法，结合变异系数法分配权重，进行全面分析，得出电机冷却系统中的模糊综合评价模型，确定最佳方案以完成对风扇的优化设计，使得自力性风扇的设计更具有客观性、可靠性、符合良好工艺性的要求。

1.模糊综合评判法

模糊综合评判的基本思想是利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，将各项指标统一量化，并根据不同指标对评判对象的影响程度来分配权重，从而对各评判对象作出合理的综合评价。

它是对各因素的综合评判，最后根据最大隶属度原则，选择综合评价集B中最大的b_i所对应的等级（评语）Vi作为综合评判的结果.于是，得到综合评判模型I（或记为模型M（V）。

2.冷却系统模糊综合评判模型的建立

2.1模糊评判集的选取

本文以一台Y2-250M-4、55kW笼型异步电机为例，在对电机结构进行假设及合理简化的基础上，建立了比较完整的全封闭自扇冷结构电机的三维半域稳态温度场物理模型，并基于该模型采用有限体积元方法对电机额定负载稳态运行时的温度场进行了仿真研究，就3个物理量，分别是自力性风扇长度、定子端部绕组温升、转子风摩损耗，得出了相应10组数据，以此作为评判对象即评判集（见表1），由此则对冷却系统运行呈现的整体状态具有可比

2.3确定因素集模糊综合评判矩阵

由于自力性风扇是作为一个全新的概念被提出的，因此在这个新结构领域下可以借用的现有研究成果和相关专家学者少之又少，但是从另一方面看，该领域的专家对所要调查的问题研究的也最为透彻、最熟悉，因此我们选择专家经验法给出相应评判矩阵。

专家经验法是根据专家的实际经验给出模糊信息的处理算式或相应权系数值来确定隶属函数的一种方法，在许多情况下，经常是初步确定粗略的隶属函数，然后再通过“学习”和实践检验逐步修改和完善，而实际效果正是检验和调整隶属函数的依据。

本次试验对应的F集由5位专家对评判因素进行评价得出。

现给出专家对第一组数据的评价情况（见表2）：

由表2知，风扇长度为0mm时属于最优先的隶属度为0/5=0.同理可算出风扇长度隶属其他评价指标的隶属度，端部温升和风摩损耗中的各项指标的隶属度也由上述方法得到。

2.4因素权重的选取

权重是综合评判中的一个重要的指标体系，合理地分配权重是量化评估的关键，因此，权重的构成是否合理，直接影响到评估的科学性，确定权重的方法有很多，如专家咨询法、德尔菲法、专家排序法、层次分析法、秩和比法、变异系数法、主成分分析法和因子分析法等，考虑到在进行单因素评判时候已经采取了主观的专家经验法，为提高模型准确性、减小误差，我们在此选择客观赋权法中的变异系数法。

计算过程如下：

1）先根据各个指标的数据，分别计算每个指标的平均值和标准差；

2）根据均值和标准差计算变异系数；

3）将各项指标的变异系数相加，计算构成评价指标体系的这3个指标的权重。

按照最大隶属度原则，对第1组数据得出的评价是“不优先”；第2组得出的评价是“不优先”；第3组得出的评价是“最优先”；第4组得出的评价是“最优先”；第5组得出的评价是“次优先”；第6组得出的评价是“次优先”；第7组得出的评价是“不优先”；第8组得出的评价是“不优先”；第9组得出的评价是“不优先”；第10组得出的评价是“不优先”。

综合以上得出两个最优先的方案，即第3组和第4组值所对应的长度数据，这两个值被视作自力性风扇优化方案中的两个可选值，即10mm和15mm，可见方案已极大地缩小了数据范围，进而可根据工程实际要求，按照赋权调和的方法得出区间中的最优解，经过计算为12.2975mm，这一结论需要在工程中加以权衡考量，进而合理地将理论成果转化为实际生产的依据。现已在建立的模型中取自力性风扇长度为12mm进行了仿真实验，结果理想，符合生产要求和技术标准。

3结论

本文将模糊综合评判法引入电机冷却系统的优化问题，解决了单一从数理计算的方面无法达到数值选取要求的弊端，系统中涉及的各个量标准不一、量纲不同，为得到更合理的评判结果引入了一些类似于组合赋权的方法来优化整个模型，同时为达到客观性和实用性的要求，也做了一些细节的改善.

1）对评价集的选取进行了创新，将系统内3个数据指标看做单独的评价对象进行评判，一方面缩小了评价范围的宽度，另一方面提高了测评结果的精度。

2）引入了模糊统计法，将模糊概念明确化，可以清晰、直观的表示出隶属程度的客观规律，进一步提高了各级指标权重的准确性和客观性。

3）运用Matlab和Excel2013编制模糊综合评判计算表，不仅提高了数据的通用性，还减轻了评判计算的工作量，为各类模糊综合评判决策提供了一种较为高效快捷的计算方案，具有较好的普适性。

本研究中建立的评判模型不仅可以用于电机冷却系统的优化问题，同时还可以用于具有相似特性的其他工科科研模型的优化问题，可以从不同的角度给出最优化的数据。