基于粗糙集理論的電傳動牽引電動機(jī)評價研究

金 晶

(吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林132200)

0 引 言

常見電傳動系統(tǒng)靠電力實(shí)現(xiàn)能量傳遞，往往采用柴電機(jī)組發(fā)電，分配傳動到輪邊牽引電機(jī)驅(qū)動，傳統(tǒng)的變速箱等機(jī)械太過沉重而被取代，這區(qū)別于混合動力汽車發(fā)動機(jī)+電池的動力供給傳遞方式。自卸車廣泛被用作露天礦山的主要運(yùn)輸工具［1］，因電傳動方式成本低、效率高、維修方便，在百噸級以上自卸車中多被采用，且裝甲車、機(jī)車等領(lǐng)域也多有應(yīng)用，形式稍有區(qū)別。電傳動系統(tǒng)中牽引電機(jī)特性對整車動力參數(shù)影響尤為突出，牽引電機(jī)與整車綜合性能匹配和評價成為亟需解決的問題，有必要建立一個以牽引電機(jī)為核心的綜合評價體系。

在實(shí)際生產(chǎn)和選購中廠家對牽引電機(jī)往往以單體進(jìn)行考慮，滿足基本特性要求即可，而沒有嵌入到整個電傳動系統(tǒng)中統(tǒng)籌考慮，只依靠臺架試驗(yàn)或基本參數(shù)匹配進(jìn)行測試，較難保證評價的準(zhǔn)確性和客觀性。國內(nèi)外對自卸車電傳動評價方面的研究較少，多針對混合動力系統(tǒng)燃油等多方面進(jìn)行分析評價［2～4］，國內(nèi)北京理工大學(xué)王偉［5］等利用灰色關(guān)聯(lián)度及實(shí)驗(yàn)?zāi)M對電機(jī)進(jìn)行了性能評價;而在國外Livint Gheorghe［6］等針對混合動力汽車控制算法進(jìn)行分析評價，Sung Chul Oh［7］利用硬件在環(huán)的方式針對電動車電機(jī)提出了評價分析，以上這些研究都沒有圍繞電傳動系統(tǒng)展開。

本文充分利用本單位在設(shè)計(jì)中積累的自卸車各方面數(shù)據(jù)，根據(jù)礦用自卸車用牽引電機(jī)及電傳動系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了根據(jù)電傳動系統(tǒng)組成及能量傳遞的不同方面來分別提出評價指標(biāo)，主要包括電動機(jī)廠家、柴電機(jī)組廠家、輪邊減速器廠家和電傳動系統(tǒng)集成廠家，以電傳動試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真平臺為評價測試手段，采用粗糙集理論的評價方法，建立了針對不同類型及特點(diǎn)的電動機(jī)機(jī)綜合性能評價體系，綜合電傳動系統(tǒng)中對驅(qū)動電機(jī)需求，又突出各類型電動機(jī)特點(diǎn)，以此檢驗(yàn)各種電機(jī)性能。

1 應(yīng)用于電傳動系統(tǒng)的電動機(jī)評價流程

電傳動系統(tǒng)對電動機(jī)需求基本一致，為了突出礦用自卸車對電機(jī)的需求特點(diǎn)及對比不同類型電機(jī)特點(diǎn)的優(yōu)劣，本文充分考慮電傳動各廠家及相互影響，提出三縱向兩橫向交織的評價網(wǎng)絡(luò)。本網(wǎng)絡(luò)圍繞電傳動車輛的牽引電動機(jī)，其三縱向主要指牽引電動機(jī)廠家、電傳動系統(tǒng)廠家和整車集成廠家，兩橫向主要指驅(qū)動電機(jī)臺架測試和各工況下計(jì)算機(jī)仿真平臺。計(jì)算機(jī)仿真平臺的建立是因?yàn)獒槍Ω鱾€類型電機(jī)的全部工況展開實(shí)測分析過于復(fù)雜，可通過軟件仿真驗(yàn)證各工況下特性。臺架試驗(yàn)在已有試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上盡可能多地測試驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)真實(shí)性能參數(shù)。體系圖如圖1 所示，本評價框架的提出，旨在包括整個電傳動系統(tǒng)，同時又突出牽引電機(jī)的重要性，數(shù)據(jù)范圍廣而精煉。

圖1 牽引電機(jī)評價體系圖

2 驅(qū)動電機(jī)評價流程

電傳動自卸車用驅(qū)動電機(jī)主要類型有:交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、有刷直流電機(jī)，永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)也有應(yīng)用實(shí)例［8］，這五種驅(qū)動電機(jī)在牽引領(lǐng)域中各有應(yīng)用，各自結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配和控制也不盡相同，較之于混合動力汽車，電傳動的驅(qū)動電機(jī)同時在控制算法下還承擔(dān)了部分轉(zhuǎn)向功能。三大類的評價指標(biāo)主要包括電機(jī)本體及控制指標(biāo)、電傳動系統(tǒng)配合指標(biāo)及循環(huán)工況配合指標(biāo)三大類。其中異步電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，為了評價直觀和充分利用已有數(shù)據(jù)，先采用異步電機(jī)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比展開討論。

2.1 電機(jī)本體及控制指標(biāo)

電動輪自卸車是將電動機(jī)直接置于車輪輪轂內(nèi)，這樣就與制動器及輪邊減速器等多個傳動環(huán)節(jié)結(jié)合為整體，此安裝和傳動形式對電機(jī)的體積提出了較高的要求，在滿足基本額定工況要求的基礎(chǔ)上，考慮礦用自卸車大噸位、大負(fù)荷的特點(diǎn)，同時要強(qiáng)調(diào)過載能力和恒功范圍，綜合提出以下六個指標(biāo)即:高效區(qū)范圍、過載能力、恒功區(qū)范圍、操控響應(yīng)時間、成本及體積。其中過載能力及操控響應(yīng)時間都是指在額定工況下的數(shù)據(jù)。應(yīng)用于電傳動系統(tǒng)的牽引電動機(jī)突出特點(diǎn)是體積要求嚴(yán)格，在完成功率要求的基礎(chǔ)上能夠裝配到輪轂限定直徑范圍內(nèi)，并與輪邊減速器形成有效配合;往往礦區(qū)的長時上下坡工況又要求牽引電機(jī)能夠適應(yīng)長時低轉(zhuǎn)速大扭矩的輸出工況，電傳動牽引電動機(jī)的這些特別要求也需要在指標(biāo)中得到突出，以區(qū)別其它領(lǐng)域電機(jī)特點(diǎn)。

2.2 電傳動系統(tǒng)配合指標(biāo)

電傳動系統(tǒng)能量傳遞從柴電機(jī)組燃油能量途徑發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)到整流逆變，最終經(jīng)過機(jī)械部分輪邊減速器與輪胎將能量最終輸出。系統(tǒng)充分高效運(yùn)行需整個系統(tǒng)各部分都能盡量運(yùn)行穩(wěn)定在高效區(qū)。本文在電動機(jī)自身高效區(qū)的定義基礎(chǔ)上提出了效率發(fā)揮程度指標(biāo)，分別為柴電機(jī)組高效利用指標(biāo)和輪邊減速器高效利用指標(biāo)。其中電動機(jī)自身高效區(qū)間ηmo_eff定義:

式中:Nmo_i為電動機(jī)工作點(diǎn)落于高效區(qū)點(diǎn)數(shù);Nmo為電動機(jī)總的工作點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)電動機(jī)與柴電機(jī)組對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系ide_mo，對于柴電機(jī)組高效利用指標(biāo)ηde_eff_i有:

式中:Nmo_de_i為電動機(jī)與柴電機(jī)組同時工作點(diǎn)落于高效區(qū)點(diǎn)數(shù);Nde_i為柴電機(jī)組總的高效工作點(diǎn)數(shù)。

對于輪邊減速器高效利用區(qū)間與柴電機(jī)組高效區(qū)間利用公式同理，需計(jì)算電動機(jī)高效轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)占輪邊減速器的高效范圍大小。

2.3 循環(huán)工況配合指標(biāo)

礦用自卸車行駛工況惡劣復(fù)雜多變，評價電機(jī)是否適合及匹配整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要重點(diǎn)考慮其車況的基本速度、轉(zhuǎn)速，在此提出，即車況高效利用區(qū)間ηR_eff_i:

式中:NR_mo_i為常見行駛工況電動機(jī)高效點(diǎn)數(shù);Nmo_i為電動機(jī)高效區(qū)間工作點(diǎn)數(shù)。

3 粗糙集評價方法

由于自卸車電傳動系統(tǒng)的研究正處于技術(shù)研究階段，高效與準(zhǔn)確等指標(biāo)的平衡存在許多不確定因素，涉及面較廣。常見主觀賦權(quán)法太過寬泛，而加權(quán)平均法對數(shù)據(jù)沒有得以突出，模糊數(shù)學(xué)理論對復(fù)雜的指標(biāo)體系權(quán)重難以準(zhǔn)確應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理需求小，這是粗糙集理論較之其它評價最為顯著特點(diǎn)，且無需提供集合之外任何數(shù)據(jù)，其思路是針對已有知識庫分析隱藏在數(shù)據(jù)中的事實(shí)。粗糙集理論正是一種處理不確定性和不完整性知識的數(shù)學(xué)工具，歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相互交織的重要程度加以處理，以區(qū)別對待數(shù)據(jù)序列及屬性的重要性［9］。評價方法一般按照如下步驟:

3.1 功能屬性

圍繞核心評價目標(biāo)，建立決策屬性集合D ={y}，主要關(guān)心電傳動系統(tǒng)評價;其評價組成條件屬性集合C={c1，c2，…，cn}。對于電機(jī)評價各類指標(biāo)某個確定評價對象的某個指標(biāo)值綜合評分可歸類，進(jìn)入知識系統(tǒng)的成為一條單獨(dú)信息，依次定義uk=(c1k，c1k，…c1k，yk)，進(jìn)而得到論域U ={u1，u2，…，um}，則uk構(gòu)成的信息總表即后期對象加以處理的關(guān)系數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而凸顯某類電機(jī)更適應(yīng)電傳動。電傳動系統(tǒng)中數(shù)據(jù)繁多，功能屬性的確定需圍繞電傳動系統(tǒng)，并結(jié)合各類型電機(jī)特點(diǎn)同時展開。

3.2 功能屬性數(shù)據(jù)處理

指標(biāo)評分的屬性指標(biāo)終究粗糙集理論是以數(shù)字量化處理為基礎(chǔ)，對不易量化的類可采取打分的形式，對易量化的指標(biāo)數(shù)據(jù)以實(shí)際測度值為精準(zhǔn)評分依據(jù)。同時統(tǒng)一數(shù)量級及消除量綱，以避免各類指標(biāo)數(shù)值的改變對評價目標(biāo)的影響差異，因此評分方法如下:

當(dāng)指標(biāo)越大越好時:

當(dāng)指標(biāo)越小越好時:

如前所述，數(shù)據(jù)需量化處理展開討論，離散化的數(shù)據(jù)才能應(yīng)用粗糙集理論。本文選取等距離法對數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化的處理，以有效快速計(jì)算，提高精度。屬性的區(qū)間長度的確定如下:

3.3 確定不同指標(biāo)屬性權(quán)重

在初始提出的各評價指標(biāo)中我們?nèi)藶橘x值其重要性，采用粗糙集理論則是突出各自不同的重要性，同時可引入新屬性觀察指標(biāo)變化特點(diǎn)進(jìn)一步確認(rèn)新系統(tǒng)中各權(quán)重。其重要度原則就足以定位多指標(biāo)評價的權(quán)重［10-11］。知識D(決策屬性指標(biāo))對知識C(評價指標(biāo)集合)的依賴程度:

計(jì)算各評價指標(biāo)的重要性σ(ci):

各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù):

4 應(yīng)用實(shí)例及實(shí)驗(yàn)

4.1 屬性及評價體系確定

以不同噸位的16 臺礦用自卸車牽引電機(jī)特性數(shù)據(jù)為樣本，1 ～6 為感應(yīng)電機(jī);7 ～10 為永磁同步電機(jī);11 ～13 為無刷直流電機(jī);14 ～16 為開關(guān)磁阻電機(jī)?；谝陨戏治?，首先建立條件屬性集合C ={c1高效區(qū)范圍，c2過載倍數(shù)，c3恒功區(qū)范圍，c4轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間，c5成本，c6體積，c7柴電機(jī)組高效利用范圍，c8輪邊減速器高效利用區(qū)范圍，c8路況高效利用范圍};建立各電機(jī)決策屬性集合D ={y 電機(jī)評價指標(biāo)平均得分}，C 如表1 所示。

表1 各類電機(jī)評價參數(shù)

續(xù)表

4.2 數(shù)據(jù)處理

觀察電機(jī)評價指標(biāo)可知，其都是數(shù)據(jù)可量化的指標(biāo)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間和成本為越小越好，其余均反之。對于評價指標(biāo)的上下限值的選取要廣泛對比各個廠家指標(biāo)以及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于電傳動系統(tǒng)也會帶來要求和實(shí)用的不同，需加以區(qū)別對待。最終確定各評價指標(biāo)的上下限值如下:

4.3 權(quán)重確定

利用式(10)計(jì)算各指標(biāo)的得分，如表2 所示;各屬性區(qū)間可根據(jù)式(6)及定義，在一定范圍內(nèi)量化并離散得到結(jié)果，如表3 所示。

表2 電機(jī)量化評分

表3 系統(tǒng)簡化表

續(xù)表

由表3 得:

U/indD={(1，2，3，4，5，6，9，12，14，15，16)，(7，8，10)，(12，13)}

U/indD 表示參照D 列構(gòu)成的等價關(guān)系集合，U/indC 等依次類推。

推導(dǎo)得相應(yīng)條件下的屬性集合正域:

根據(jù)式(7)、式(8)得到?jīng)Q策屬性對相應(yīng)知識評價指標(biāo)的依賴程度:

按照式(9)得到各個權(quán)重指標(biāo)為:

分析最終權(quán)重指標(biāo)可知:恒功區(qū)范圍及體積大小會較大的影響電機(jī)的綜合評價指標(biāo)，而過載倍數(shù)、響應(yīng)時間、成本及路況利用系數(shù)各種電機(jī)評價指標(biāo)相差不大，應(yīng)當(dāng)予以相對削弱。分析電傳動系統(tǒng)發(fā)展不斷演變和采用的電機(jī)形式也會發(fā)現(xiàn)最初的直流電機(jī)因?yàn)榫S護(hù)復(fù)雜、功率密度低而被逐步替代，控制過于復(fù)雜則成本會進(jìn)一步提升，永磁電機(jī)會凸顯自身優(yōu)勢。

取原來平均分最高的7 號永磁同步電機(jī)為例進(jìn)行分析，可知E7=74.99，在原來的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步凸顯了優(yōu)勢?？傮w來說永磁同步電機(jī)的評價指標(biāo)在成本及控制指標(biāo)方面并不是十分優(yōu)秀，但其良好的綜合高效利用率使得其綜合評價指標(biāo)較高;另一方面感應(yīng)電機(jī)雖然成本較低，但綜合利用效率卻較低，無法發(fā)揮出系統(tǒng)的最高效率。開關(guān)磁阻電機(jī)及無刷直流電機(jī)基于控制系統(tǒng)的成熟性不夠，高效區(qū)不夠，當(dāng)前綜合評價指標(biāo)在本領(lǐng)域并不高，但具有廣闊的普及前景。由此分析可知，此體系可以方便用于多電機(jī)綜合評價。對于各類型電機(jī)特性在試驗(yàn)基礎(chǔ)上可結(jié)合仿真軟件迅速獲得，圖2 為一臺試驗(yàn)所用異步電機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性曲線，進(jìn)而方便提取數(shù)據(jù)離散化處理分析。

圖2 軟件仿真電機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性

對于實(shí)際路況高效利用及柴電機(jī)組、輪邊減速器的高效利用，必須結(jié)合實(shí)車和臺架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量和分析，如上圖3 所示進(jìn)行電傳動實(shí)驗(yàn)。圖4 為輪邊電機(jī)及測功機(jī)實(shí)物照片。

圖3 柴油發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)組

圖4 輪邊電機(jī)及測功機(jī)

如前所述，表3 中數(shù)據(jù)為廠家提供基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。實(shí)測數(shù)據(jù)和廠家數(shù)據(jù)是相互驗(yàn)證關(guān)系，為了試驗(yàn)的簡化和方便，對于某些電機(jī)的數(shù)據(jù)可以通過仿真軟件數(shù)據(jù)加以填充。在試驗(yàn)過程中可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整發(fā)動機(jī)工況以適應(yīng)電動機(jī)輸出特性，觀察多個特性點(diǎn)是否滿足高效要求，并與實(shí)車測試結(jié)果相結(jié)合。表4 為實(shí)車測量數(shù)據(jù)。

表4 實(shí)測循環(huán)工況數(shù)據(jù)

通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的對比我們發(fā)現(xiàn)，對于路況利用效率差別并不大，權(quán)重應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低，而相對于電傳動這種區(qū)別于混合動力汽車的傳動方式中柴電機(jī)組和輪邊減速器利用效率差別相當(dāng)大，應(yīng)當(dāng)給予充分重視，調(diào)整權(quán)重后，永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢進(jìn)一步顯現(xiàn)出來，這也映證了我們粗糙集理論體系評價的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)電傳動系統(tǒng)主要部件及能量傳遞特點(diǎn)建立了評價指標(biāo)體系，一系列評價指標(biāo)的提出使電機(jī)評價更為客觀實(shí)用。

(2)提出基于粗糙集方法綜合評價礦用自卸車牽引電機(jī)的方法，將評價指標(biāo)利用到粗糙集評價體系中。以粗糙集展開賦權(quán)并顯示性能指標(biāo)的重要性，突出了應(yīng)用于電傳動系統(tǒng)牽引電機(jī)不同類型的特點(diǎn)，方便于選型及優(yōu)化，縮短了開發(fā)周期。

(3)綜合了臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果及生產(chǎn)廠家實(shí)車采集三方面數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了應(yīng)用粗糙集理論下牽引電動機(jī)評價方法的準(zhǔn)確性。觀察發(fā)現(xiàn)永磁同步電機(jī)具有較高的綜合評價指標(biāo)，研究價值較高。

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