商界和工业界都喜欢用于高速应用的鼠笼式感应电机。电网经理讨厌它们，因为它们在低负载下的功率因数会使电网不稳定。但是有可能设计一个鼠笼式电机，在电网上运行良好，并且仍然高效、强大和可靠。约翰尼斯堡大学(UJ)的一名电气工程研究员利用人工智能优化了转子设计。在实验室测试中，他发现经过人工智能优化的5.5千瓦电机在极低负载下以出色的功率因数高效运行。功率因数非常好，这些电机不需要外部功率因数校正，从而节省了大量成本。学分:约翰内斯堡大学特蕾莎·范怀克平面设计。打开电气化家庭、工厂或矿井的盖子，你会发现一群鼠笼式电动机一直在工作。没有这些，工业化国家就不会如此工业化。坚固可靠，这种类型的三相感应电机通常是工业上的首选。这些不会产生火花，非常适合在危险环境中使用，如炼油厂、矿山和谷物提升机，用于研磨、泵送和鼓风作业。
在家里，冰箱、洗衣机、滚筒烘干机和游泳池泵都是由单相鼠笼式电机驱动的。这些电机特别适合3000转/分以上的高速应用。更好的是，鼠笼式电机是自启动的，即使额定功率为数百马力，也不需要太多维护。
然而，鼠笼式电机会给大公司带来破坏性的电费处罚。在南非，国家广播公司经常在晚上播放广告，鼓励人们关掉家用电器和泳池泵。
商业和工业喜欢高速应用的鼠笼式感应电动机。电网经理讨厌它们，因为它们在低负载下的功率因数会使电网不稳定。但是有可能设计一个鼠笼式电机，在电网上运行良好，并且仍然高效、强大和可靠。约翰尼斯堡大学(UJ)的一名电气工程研究员利用人工智能(AI)优化了转子和辅助电容线圈的设计。在实验室测试中，他发现经过人工智能优化的5.5千瓦电机在极低负载下以出色的功率因数高效运行。功率因数非常好，这些电机不需要外部功率因数校正，这可以大大节省电费。信用:视频由约翰内斯堡大学的特蕾莎·范怀克。Mbika Muteba博士的流程图，作为“基于遗传算法的三相感应电动机气隙长度和电容辅助绕组的优化”的一部分，发表在Energies，10.3390/en14154407中。根据研究中的表9，使用数据包装器创建的图形。由姆比卡·穆特巴穆西克博士和Pixabay Music的ltamara2和Officina27利用ANSYS电机计算机辅助设计创建的转子设计。人工智能玩得很好
简而言之，对高性能、物有所值的主力电机有着巨大的需求。但是电网的管理者也要求这些电机造成有限的干扰。
约翰内斯堡大学的姆比卡·穆特巴博士训练了一个人工智能来优化鼠笼式电机的设计。这项研究发表在《能量杂志》上。人工智能通过显著提高电机的功率因数，确保优化设计对其所连接的电网几乎不会造成干扰。
在这项研究中，穆特巴为一台5.5千瓦(7.37公吨马力)鼠笼式电机建模并设计了转子和辅助电容线圈。然后他制造了转子，并在实验室进行了测试。马达的真实性能与预测的性能非常接近。
测试的第一台电机定子上没有辅助线圈，也没有经过AI优化。第二个有一个辅助线圈来提高功率因数，也没有被人工智能优化。第三个电机在定子上有一个辅助线圈，也通过人工智能算法进行了优化。遗传算法对其进行了优化，使其在不同负载下的电流消耗(每安培扭矩)达到最高性能。穆特巴用有限元分析验证了遗传算法的结果。
人工智能优化的5.5千瓦电机在实验室设置中具有出色的功率因数，从0%负载时测得的0.93到60%负载至120%负载时的0.99。人工智能优化电机满载时的效率为85.87%，在未优化电机的1%至2%范围内。与未优化的电机相比，它在负载低于30%时的效率也大大提高。
最重要的是，即使具有出色的功率因数，优化后的电机也能提供更大的扭矩，同时消耗更少的电流。人工智能优化设计的每安培扭矩比没有人工智能优化的电机提高了两位数。
与未优化版本相比，优化后的电机每安培扭矩在20%负载时提高了22%，在60%负载时提高了16%，在120%负载时提高了13%。
为什么鼠笼式电机会使电网不稳定
“鼠笼式电机的功率因数通常较差。尤其是当它们在轻负载下启动或运行时，”穆特巴说。“但电力公司希望你连接到他们电网上的所有负载，无论是池泵的电机，还是矿山的碎矿机，都有一个好的功率因数。”
三相电网提供两种电力。第一种是驱动电机并做功的有功功率。电力公司以千瓦或兆瓦为单位向客户收取电费。电网也提供无功功率。鼠笼式电动机消耗电网上的无功功率来维持转子上的磁场。没有那个磁场，鼠笼式电动机就无法运转。在所有类型的电动机中，鼠笼式电动机最需要无功功率。
将高压电力降压至家庭或工业电压的变压器也会消耗电网上的无功功率。“功率因数差的负载会消耗更多的无功功率。当数百或数千个这样的负载连接到电网时，电网的所有者不得不花钱升级电网以提供更多的无功功率，”他说。
学分:约翰内斯堡大学的Therese van Wyk。如果电网被功率因数差的负载压垮，那么电网上的所有负载，即使是功率因数好的负载，也无法获得足够的无功功率来运行，电网会变得不稳定。这会对矿山、工厂和农场的灌溉系统造成广泛的破坏。
电力公司对功率因数差的负载给予用户重罚。因此，一个国家电网可能有数万或数十万个鼠笼式电动机与之相连，作为可靠的工作工具。但是电机的组合低功率因数会使电网不可预测甚至不稳定。
大量节约
穆特巴说，对转子和辅助电容线圈的人工智能优化使得提高功率因数和性能成为可能，并且仍然有一个可靠、高效的鼠笼式电机用于具有挑战性的应用。
人工智能优化的电机在转子和定子之间有一个气隙，比未优化的电机更大。在高负载、高温和高速下，优化电机的机械性能应优于未优化电机。
Credit:约翰内斯堡大学的Therese van Wyk的平面设计和照片。“有了这些结果，我们看到在不花费数百万在无功补偿器上的情况下运行鼠笼式感应电动机是可能的，以避免公用事业公司的处罚。也没有必要采用降低效率或每安培扭矩的辅助线圈，”他补充道。
“经过人工智能优化的转子和辅助电容线圈在整个负载范围内具有出色的功率因数，并且在更高的性能下仍然更高效。”
他说，对于微电网或私有电网来说，在每个鼠笼式电机中构建一个出色的功率因数也使电网更容易管理。
设计中的人工智能优势
穆特巴说，与根深蒂固的设计实践相比，使用人工智能优化转子和辅助电容线圈设计可以节省时间。遗传算法花了27分钟来优化转子和辅助电容线圈设计，在8次执行和60代染色体处理内。
“设计工程师面临的挑战是选择气隙长度和辅助电容线圈的最佳值。在大多数情况下，他们使用执行灵敏度和参数分析的设计软件。这些过程通常很长，搜索能力有限，”穆特巴说。
“最佳搜索算法等人工智能可以通过在几分钟内搜索一个大的解空间来找到气隙长度和辅助电容线圈的最佳值。本研究中使用的基于群体的技术，即遗传算法，非常适合寻找所需的最优值。”
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