張傳甲，程磊

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

熱管理技術(shù)是低頻大扭矩伺服電機(jī)的核心技術(shù)，對(duì)于大功率伺服電機(jī) （90 kW以上，特別是 160 kW以上）而言，當(dāng)電機(jī)處于長(zhǎng)期高負(fù)載運(yùn)行，若是電機(jī)散熱能力不足，即使采用高耐溫等級(jí)的釹鐵硼磁鐵，電機(jī)內(nèi)部溫度往往達(dá)到 80～ 100 ℃或更高，實(shí)際上此時(shí)磁鐵的磁力已經(jīng)降低許多，雖然磁鐵磁力在回到常溫后可以恢復(fù)到原有的水平，然而實(shí)際情況下，伺服電機(jī)是一直處于工作狀態(tài)下，電機(jī)內(nèi)部溫度永遠(yuǎn)是處于高溫狀態(tài)下，故而磁鐵磁力較常溫時(shí)低，因而使得永磁電機(jī)扭矩性能降低，驅(qū)動(dòng)器為了提供輸出扭矩而不斷地加大電流，造成電機(jī)溫度繼續(xù)升高，最終使得電機(jī)或設(shè)備損壞，也因此限制了伺服電機(jī)在大功率應(yīng)用上的發(fā)展。

1 低速高扭矩電機(jī)發(fā)熱分析

電動(dòng)機(jī)扭矩的極限往往受制于熱極限能力，特別是低速大扭矩下的繞組溫升限值，通過(guò)研究熱管理技術(shù)進(jìn)一步提高溫升限制觸發(fā)時(shí)的轉(zhuǎn)矩是行業(yè)亟待解決的技術(shù)難題，換句話(huà)說(shuō)，如何使同樣尺寸電動(dòng)機(jī)的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度更高，或者同樣功率密度電動(dòng)機(jī)的尺寸變的更小，從而降低鐵芯、繞組、磁鋼等有效材料的成本是目前的技術(shù)難點(diǎn)。

此外，對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，由于采用稀土永磁材料，在高溫下產(chǎn)品性能下降較快，容易失磁，因此，研究熱管理技術(shù)對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的可靠性意義更大。

本文借鑒油式變壓器的冷卻技術(shù)，對(duì)于工作過(guò)程中容易出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題的低速高扭矩的永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用油溫冷卻的方法。進(jìn)一步針對(duì)低速大扭矩伺服電機(jī)的特點(diǎn)，研發(fā)了轉(zhuǎn)定子內(nèi)油冷式冷卻散熱技術(shù)，可以將電機(jī)內(nèi)部溫度控制在 60 ℃以?xún)?nèi)，使得電機(jī)性能永不衰減。同時(shí)，能夠有效地延長(zhǎng)電機(jī)內(nèi)部部件的壽命，保障了轉(zhuǎn)矩輸出質(zhì)量以及產(chǎn)品可靠性。

低速高扭矩電機(jī)油冷卻方法如圖1所示，為使電機(jī)正常工作時(shí)因繞組銅耗、機(jī)械損耗、永磁體的渦流損耗等所產(chǎn)生的熱能夠被循環(huán)的絕緣油帶離，使電機(jī)的工作溫度顯著降低，采用換熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的油冷機(jī)座。

油循環(huán)冷卻式電機(jī)是經(jīng)熱交換器將熱油降溫冷卻， 冷卻油經(jīng)熱交換器底部與低速高扭矩電機(jī)相連的油管進(jìn)入電機(jī)的油冷機(jī)座， 油冷機(jī)座采用折返油道，電機(jī)工作產(chǎn)生損耗發(fā)熱則由冷卻油帶離。

電機(jī)繞組和鐵芯發(fā)熱量較大，傳遞至油冷機(jī)座使冷卻油的溫度升高，熱油經(jīng)油冷機(jī)座的出油口經(jīng)油箱到達(dá)熱交換器，而通過(guò)熱交換器的冷卻水可將熱油熱量帶離，油溫度降低后又回到油箱下部參加循環(huán)。

油流速過(guò)快不能充分帶走電機(jī)熱量；而油流速度過(guò)慢則在油冷機(jī)座的油道內(nèi)產(chǎn)生局部的死油區(qū)，散熱效率下降，電機(jī)鐵芯和繞組局部溫升較高，使電機(jī)絕緣老化[1,2]。因此，冷卻設(shè)計(jì)要考慮鐵芯和繞組局部過(guò)熱問(wèn)題。

熱交換器主要使用淡水作冷卻介質(zhì)，高溫油液與低溫淡水通過(guò)傳熱管交換熱量，使高溫油液的溫度降低，達(dá)到冷卻油液的目的。

2 基于工業(yè)云的熱管理平臺(tái)

為了更好實(shí)現(xiàn)低速高扭矩電機(jī)的熱控制，需要對(duì)低速高扭矩電機(jī)的油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)，其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有油溫的智能采集和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。本文基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)油溫的精準(zhǔn)采集，并將油溫信息傳送到后臺(tái)的熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油溫的可測(cè)、可控。

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的熱管理系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在低速高扭矩電機(jī)的油路關(guān)鍵出入口安置高精度的溫度傳感器，溫度傳感器具有數(shù)字化功能，將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信息，數(shù)字量的油溫信息不僅可以實(shí)現(xiàn)本地的預(yù)警，還可以傳送到后臺(tái)的熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的多信息的綜合判斷；溫度采集器是具有通信功能、存儲(chǔ)功能以及邊緣計(jì)算功能，通信方式多樣，兼具RS485、RS422、以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)通信等通信接口，可與多種溫度傳感器或物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)接，溫度采集器下行工作可實(shí)時(shí)接收溫度傳感器上傳的溫度信息數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和邊緣計(jì)算，利用邊緣計(jì)算技術(shù)可有效減少溫度采集器上行傳輸數(shù)據(jù)量，減小無(wú)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)工作壓力；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)負(fù)責(zé)接收并保存溫度采集器上送的油路溫度信息，工程人員既可以從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)自行獲取油路溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合自身需求對(duì)油路系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，也可以直接在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)低速高扭矩電機(jī)熱管理系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

圖2 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的熱管理平臺(tái)

本工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具有數(shù)據(jù)采集精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)和魯棒效果好等優(yōu)點(diǎn)，具體功能特點(diǎn)：

1）通信接口豐富，可兼容多種智能電氣設(shè)備；

2）采集精度高，A/D采集精度12位、16位，24位可選；

3）測(cè)量值的報(bào)警功能（2或4個(gè)報(bào)警點(diǎn)）；

4）安全性強(qiáng)，傳輸數(shù)據(jù)加密處理；

5）報(bào)警滯后功能；

6）智能邊緣計(jì)算功能；

7）輸入斷線(xiàn)檢測(cè)功能；

8）高度智能化，終端處理方式靈活。

3 基于模糊算法的熱管理方法

當(dāng)前低速高扭轉(zhuǎn)電機(jī)的熱管理相對(duì)簡(jiǎn)單，多采用固定閾值判斷的方法，比如當(dāng)前多以油溫達(dá)到60 ℃為分界線(xiàn)，60 ℃以上即為發(fā)熱嚴(yán)重、需要采用調(diào)整措施進(jìn)行降溫。由于固定閾值判斷的方法存在判斷標(biāo)準(zhǔn)單一、判斷結(jié)果不準(zhǔn)確問(wèn)題，為了考慮多個(gè)影響因素，使判斷結(jié)果更加全面準(zhǔn)確，本文采用模糊綜合評(píng)判方法；該算法數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)便、可從多角度對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理良好程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)判結(jié)果簡(jiǎn)單明了，便于應(yīng)用[3]。

通常為了保證電動(dòng)機(jī)正常工作，要求出口油溫t滿(mǎn)足：

為了進(jìn)一步觀察油溫變化趨勢(shì)的快慢，以更好提前進(jìn)行油溫控制，保證絕緣油的冷卻效果，令出油口t入口和進(jìn)油口油溫t出口差滿(mǎn)足：

T差值數(shù)值大說(shuō)明該電動(dòng)機(jī)油冷系統(tǒng)冷卻效果好；數(shù)值小說(shuō)明需要加快冷卻油、冷卻水的流速、增強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的循環(huán)效率，保證冷卻系統(tǒng)有效降低電動(dòng)機(jī)的溫度，使其正常工作。

永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理的模糊綜合評(píng)判的過(guò)程為：

①確定評(píng)判矩陣及評(píng)判集、權(quán)重。評(píng)判矩陣的處理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響到算法的準(zhǔn)確性；如何確定評(píng)判矩陣也是難點(diǎn)，當(dāng)前采用專(zhuān)家系統(tǒng)等方法確定扔有一定的主觀性，基于云平臺(tái)可以獲得油溫變化的大量數(shù)據(jù)，確定出的評(píng)判矩陣較優(yōu)；權(quán)重的確定方法包括特征根法、最小二乘法等，本文采用方根法計(jì)算。

②將評(píng)判矩陣及權(quán)重進(jìn)行乘法運(yùn)算后即可得出溫度對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的影響結(jié)果，該結(jié)果是一個(gè)行矩陣。

③為了更加直觀明了，用數(shù)值9、7、5、3、1分別代表評(píng)判集的五個(gè)不同等級(jí)，將表示溫度對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的影響結(jié)果即行矩陣B′轉(zhuǎn)換為直觀的綜合分值B，根據(jù)分值所處的數(shù)值判定永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理是否良好。

3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理的模糊綜合評(píng)判具體步驟

3.1.1 模糊綜合評(píng)判因素及評(píng)價(jià)等級(jí)u

描述永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理的評(píng)判因素集為U=｛u1，u2，u3｝，其中u1是電動(dòng)機(jī)出油口油液溫度，u2是電動(dòng)機(jī)進(jìn)油口及出油口油液溫差， u3是熱交換器進(jìn)油口及出油口油液溫差；評(píng)價(jià)集是對(duì)集合U的各因素即溫度（或溫差）所處狀態(tài)的若干判斷[4]，本文采用五級(jí)評(píng)價(jià)集為V={正常，注意，稍過(guò)熱，過(guò)熱，極熱｝，其中油液溫度五級(jí)評(píng)價(jià)的范圍（44.4 ℃以下），（44.4～48.3 ℃]，（48.3～52.2 ℃]，（52.2～56.1 ℃]，（56.1～60.0 ℃]，溫差五級(jí)評(píng)價(jià)范圍類(lèi)似可以得到。

3.1.2 模糊綜合評(píng)判評(píng)價(jià)矩陣及權(quán)重確定

對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理的因素集U中因素單獨(dú)進(jìn)行評(píng)判，根據(jù)五等級(jí)評(píng)價(jià)溫度范圍分別得出各因素對(duì)評(píng)價(jià)集V的隸屬度，將其組合構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣R。

權(quán)重可以代表集合U中各因素在最終評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度，令權(quán)重集A= {a1,a2,a3}，其中a1+a2+a3=1，a1，a2，a3是分別對(duì)應(yīng)集合U三個(gè)因素u1，u2，u3的權(quán)重，通過(guò)以下幾步進(jìn)行權(quán)重運(yùn)算：

1）根據(jù)電動(dòng)機(jī)出油口油液溫度、電動(dòng)機(jī)進(jìn)油口及出油口油液溫差、熱交換器進(jìn)油口及出油口油液溫三者的重要程度，由1-9標(biāo)度法[5]得三階判斷矩陣D。

2）用方根法對(duì)判斷矩陣D得出權(quán)重集，同時(shí)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[6]，步驟如下：

①逐行元素計(jì)算判斷矩陣D的行乘積Mi；

②計(jì)算Mi的三次方根；

③將計(jì)算得到的三個(gè)構(gòu)成一個(gè)行向量，則所求的權(quán)重向量，再對(duì)向量W做歸一化處理如式（3）所示：

④計(jì)算判斷矩陣D最大特征根maxλ如式（4）所示：

⑤根據(jù)判斷矩陣D的階數(shù)n可得其平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI[7]，而一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性比率CI、CR分別如式（5）、（6）所示：

經(jīng)計(jì)算CI、CR的值均小于0.1，則說(shuō)明該三階判斷矩陣D的一致性較好且通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

3.2 模糊綜合評(píng)判計(jì)算結(jié)果

根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理的影響因素，分析溫度管理對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)影響。將評(píng)判矩陣及權(quán)重進(jìn)行與運(yùn)算即可得到該影響綜合判斷結(jié)果為一行五列的行矩陣BAR′= ? 。

為了結(jié)果更加直觀明了，用數(shù)值9、7、5、3、1分別代表評(píng)判集的五個(gè)不同等級(jí)，將其與綜合評(píng)價(jià)得出的行矩陣B′對(duì)應(yīng)數(shù)值相乘，并將五個(gè)乘積加和，將行矩陣B′轉(zhuǎn)換為直觀的綜合分值B，顯然分值的范圍落在區(qū)間（9，1）上。

由模糊綜合評(píng)判得出的溫度對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的影響結(jié)果中，將綜合分值B的范圍區(qū)間（9，1）等分五份，若綜合分值運(yùn)算結(jié)果落在相應(yīng)區(qū)間，則表示評(píng)價(jià)結(jié)果相應(yīng)分別為正常、注意、稍過(guò)熱、過(guò)熱、極熱。該方法簡(jiǎn)潔易行，令溫度對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的影響一目了然，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的溫度管理有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用的低速高扭轉(zhuǎn)電機(jī)熱管理系統(tǒng)，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為核心，對(duì)油路溫度的實(shí)時(shí)探測(cè)，溫度采集器將溫度傳感器獲取的溫度信息上傳工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，熱管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)油速進(jìn)行控制。

本文采用模糊綜合評(píng)判方法，其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)便；基于云平臺(tái)獲得油溫變化的大數(shù)據(jù)從而得出評(píng)判矩陣，該方法優(yōu)于普遍采用傳統(tǒng)專(zhuān)家系統(tǒng)方法；同時(shí)可從油液溫度及油液溫差等多個(gè)維度對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)溫度管理水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，與當(dāng)前固定閾值的判斷方法比較，效果更好。