斷續(xù)周期工作制電機等效溫升試驗方法研究

丁媛媛 金寅德 周智敏 高慶云 俞芃

摘 要 為提高斷續(xù)周期工作制電機溫升試驗效率，本文提出等效溫升試驗方法，其原理是控制電機在額定電流下持續(xù)運行、快速達(dá)到額定工況下的最高溫升，以用時tk和溫升值τm為依據(jù)評估電機發(fā)熱情況;通過基于GA-BP的等效溫升試驗預(yù)測模型事先獲得tk和τm，可減少試驗測量次數(shù)，縮短試驗用時。驗證結(jié)果表明所提出的等效試驗方法可行，可在實際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 斷續(xù)周期工作制;電機溫升;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

引言

電機在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的機械損耗等會引起電機各組成部分的溫度升高，部件溫度比環(huán)境溫度高出的值稱為“溫升”，過高的溫升會損害電機的壽命，制造廠家必須對電機開展溫升預(yù)測與試驗研究。根據(jù)電機承載情況，我國將電機工作制劃分為S1-S9，共9類。斷續(xù)周期工作制（S3-S5）電機因每周期的斷能停轉(zhuǎn)時段能進行短暫散熱，其相對連續(xù)工作制（S1）電機需更多的時間方可到達(dá)熱平衡狀態(tài)，試驗效率很低。

目前國內(nèi)外對電機溫升的研究主要集中在連續(xù)工作制電機上，常采用等效熱路法和溫度場法進行溫升估算，而斷續(xù)周期工作制電機因負(fù)載復(fù)雜，用上述方法預(yù)測溫升精度極低，無法滿足電機發(fā)展需要[1-4]，為此本文提出通過讓斷續(xù)周期工作制電機在額定電流下持續(xù)運行的方式進行等效溫升試驗，通過搭建基于GA-BP的溫升預(yù)測模型可進行等效試驗電機溫升測量時間和溫升值的準(zhǔn)確預(yù)測，1次溫升試驗僅需1次測量，用時可縮短至0.7h（傳統(tǒng)方法約9h） ，可提高試驗效率，降低人工勞動強度。

1斷續(xù)周期工作制電機等效溫升試驗原理分析

圖1所示為電機電流、溫升隨時間變化曲線，虛線為連續(xù)工作制電機，在溫升試驗時，電機在額定電流下持續(xù)運行，試驗人員多次測量溫升直至其1h內(nèi)變化小于2K，此時電機進入熱平衡狀態(tài)，最高溫升τs未超過電機絕緣材料所允許的極限值，則說明該電機為合格品。實線為斷續(xù)周期工作制電機，負(fù)載時溫度升高，停轉(zhuǎn)時溫度下降，需更多的時間才能到達(dá)熱平衡，最高溫升τm小于τs。

鑒于電機結(jié)構(gòu)確定后，其各部件的發(fā)熱散熱特性也隨之決定，為提高斷續(xù)周期工作制電機試驗效率，本文提出一等效溫升試驗法：在傳統(tǒng)試驗中，電機在額定工況下用時td到熱平衡狀態(tài)，將測得的最高溫升τm與電機允許值比較，判斷電機是否合格;而在等效試驗中，電機以額定電流持續(xù)運行，無停轉(zhuǎn)散熱，用時tk即可到達(dá)τm，tk遠(yuǎn)小于td。若試驗人員tk時刻測出的溫升τx≈τm，則說明電機合格，若τx明顯大于或小于τm，則說明電機熱性能與預(yù)期不符。由此可知等效溫升試驗法的關(guān)鍵是在試驗前獲知tk和τm，此法可有效減少測量次數(shù)和試驗時長，優(yōu)化效果顯著。

2等效溫升試驗預(yù)測模型的構(gòu)建

為準(zhǔn)確預(yù)測tk和τm，本文提出借助遺傳算法（ Genetic algorithm，GA）優(yōu)化三層BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于GA-BP的斷續(xù)周期工作制電機等效溫升試驗預(yù)測模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)[5]，既有不用建立數(shù)學(xué)模型就可實現(xiàn)函數(shù)映射的優(yōu)點，也存在收斂速度慢、易陷入局部極值的缺點，而GA通過全局尋優(yōu)可求得BP網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)初始權(quán)、閾值，大幅提高網(wǎng)絡(luò)的擬合精度和收斂速度。根據(jù)電機工作原理確定模型的輸入節(jié)點為7，輸出節(jié)點為2，如圖2所示。

對20個不同型號的S5工作制電機開展傳統(tǒng)溫升試驗（獲得td、τm）和等效溫升試驗（多次測量獲得到達(dá)τm的時刻tk），將采集的數(shù)據(jù)用于預(yù)測模型訓(xùn)練。GA參數(shù)為種群規(guī)模50、最大遺傳代數(shù)120、雜交概率0.80、變異概率0.01;BP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為隱含層節(jié)點數(shù)10、訓(xùn)練算法Levenberg-Marquardt、訓(xùn)練精度0.001。訓(xùn)練結(jié)束后，向模型輸入任一S5工作制電機的7個參數(shù)，模型均能給出等效溫升試驗所需的tk和τm。

3等效溫升試驗法可行性分析

選擇不同型號的S5工作制電機進行傳統(tǒng)溫升試驗和等效溫升試驗，對比結(jié)果如圖3所示。兩種方法測得的最高溫升值誤差在-1.2至1.5K之間，誤差小，可滿足實際工程需要;等效法用時0.6-0.7h，相比傳統(tǒng)的8-9h，試驗效率提高顯著，所提出的等效溫升試驗法可行。

4結(jié)束語

由于斷續(xù)周期工作制電機存在間歇停轉(zhuǎn)，溫升試驗用時遠(yuǎn)超連續(xù)工作制電機，本文提出電機以額定電流持續(xù)運行的等效溫升試驗法，利用GA-BP算法建立模型對等效試驗的測量時間和溫升值進行預(yù)測，可大大縮短試驗時間，減少試驗設(shè)備占用率，降低人力成本，可在電機設(shè)計檢驗中廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1] 程樹康，李翠屏.不同冷卻結(jié)構(gòu)的微型電動車用感應(yīng)電機三維穩(wěn)態(tài)溫度場分析[J].中國電機工程學(xué)報，2012，30（9）：82-89.

[2] 胡浩，鐘璐.電動機溫升估算有關(guān)問題[J].電工電氣，2009，6（2）：92-93.

[3] Camilleri R，Woolmer T，Court A，et al. Investigation into the temperature profile of a liquid cooled YASA AFPM machine[C].6th IET International Conference on Power Electronics，Machines and Drives，2012：59.

[4] 張金平，黃守道，高劍.轎車車窗用永磁直流電動機溫度預(yù)測算法研究[J].微特電機，2011，39（10）：33-35.

[5] 傅薈璇，趙紅.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：83-91

[基金項目] 浙江省教育廳一般科研項目（Y201738410），浙江省教育廳訪問工程師校企合作項目（FG2018076），校級企業(yè)經(jīng)歷工程項目（XQ20180003），浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃項目（2019R454010）。