1、PDF外文：http:/ 中文 2920 字 出处： Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, 1996., Proceedings of the 1996 International Conference on. IEEE, 1996, 1: 458-462 摘要 面对日益增长的能源需求和能源危机 ， 人们曾今提出用 可再生能源 来发电或通过改善发电、输电和用电系统中所用设备的效率来节能 。异步电 动 机 应用范围很广中，而且使用数量挺大 。任何 显著改善感应电
2、机运行效率的措施都可以帮助我们 节约能源。 因此，本文使用 Rosenbrock 的方法来优化设计的 异 步电动机 ，以最大限度地减少（一）有效材料的费用 ， （二）每年消费电能的总量 （三）每年的总成本 。 简介 人们日益增长的能源 需求 和能源供应紧缺之间的矛盾使得节能成为了人们目前日益关注的焦点 。 人们曾多次试图通过 利用可再生能源 来发电 或 通过改善发电、输电和用电系统中所用设备的效率来节能， 来 解决这对矛盾 。 由于异步电动机 是 目前 主要的重负荷机器 并在办公室、住宅、农业和工业等许多领域中使用数量挺多，所以异步电动机运行效率的提高被认为 是 节约能
3、源 的主要途径之一 。 而电机的 优化设计技术 科以实现这一点。 异步电动机是 工业领域中主要的 耗 能 设备 ，大约 80%以上 电能由异步电动机所消耗 。但是，其 运行效率并不那么令人满意，所以，节能型异步电动机的 优化设计的 成为了目前电动机行业的发展趋势 。 在过去 异步电动机 设计过程中，主要考虑的是实现异步电动机 的 优良性能 和降低 其生产成本 。 它的精度性不高，仅仅靠的是一些专业经验。 计算机 的出现 ， 是许多电机的优化设计成为了可能 。 在 异步电动机 的设计优化中 ， 其 目标函数可以是 电机的某一项特定 性能 或电机的任意一种费用，也可以是电机
4、的重量 和体积等 。 在目前已经出版的一些专著中，通常将电机的有效材料成本作为 目标函数 。然而，就电机所使用的整个费用来看，其运行过程中所消耗的电费亦非常重要，尤其是在电费逐年 增加 的情况下 。因此， 在设计高效率低费用的电动机时， 其目标函数的建立应综合考虑 电机有效材料 的 费用和 电机运行过程中所消耗的电费，并给两个电费分别配以一定的有效系数 。 运行性能的高水平和总成本的最小化是设计异步电动机的 两个 重要的目标 。Bhim Singh 已经利用不同的优化技术在很大程度上 达到 了上述 目标。 但是他并没有考虑 使用现有机器的设计尺寸的可取性。 可以 指出的是，如果优化
5、设计使用现有的标准设计 尺寸 ，那将会 节省 大量的 制造 成本。没有任何一个制造商愿意改变现有机器的设计尺寸来达到设计师给所给的电机设计 要求。 在 本文的研究中 ， 试图将前人所没考虑到的标准设计尺寸包含在优化设计的过程中，并将其作为一系列限制条件。在最近的研究中， Moul 和 Rao 虽然 考虑到 了 这一特殊因素，但他们只将效率作为了目标函数。本文将考虑以三个变量作为目标函数，即：有效材料 的成本， 年消费电能的总费用 （其中考虑 了 效率和功率因数 这两个性能指标 ）和 以现有机器的设计尺寸作为限制条件后所额外增加的总成本。 二、 优化 设计 异
6、步电动机 优化设计的 数学表达式 如下： 设 12()nX x x x， ， ， 则 ()Fx 即为目标函数 约束条件( ) 0 1 , 2 , , 1 , 2 , ,jli i h ig x j mx x x i n 其中 12()nX x x x， ， ， 是 一独立 变量，函数 ()Fx是目标函数， ()jgx限制 条件，lix 和 hix 分别 变量的上下限 。 这九个基本变量的上 、下限分别 是： 1 Stack length 与 极间距 的 比
7、 10 .5 0 2 .0 0x 2 气隙磁通密度 ()T 20 .3 0 0 .6 5x 3 线负荷 ( / )Am 31 7 5 0 0 2 6 0 0 0x 4 定子铁芯 长 ()mm 41 7 .5 0 2 6 .0x 5定
8、子绕组 电流密度 ()mm 53 .0 0 8 .0 0x 6转子绕组 电流密度 2( / )A mm 64 .0 0 1 0 .0 0x 7 气隙长度 ()mm 70 .3 5 0 .7 0x 8 定子槽 的 深宽比 82 .5 0 4 .5
9、0x 9 转子槽 的 深宽比 91 .0 0 2 .0 0x 本文要求 目标函数 ()Fx的最小值，它可能与电机的性能指标、重量或体积。或 电机 的其它额外附加费用有关。在本文中，考虑了下面三个目标函数 ： (a).有效 材料 的成本：它由定子 、转子冲片的费用和绕组 所用材料的费用所组成 。这是从制造商的角度出发的 。 (b).年运行费用：在 每年的 运行费用 计算 时，假设电机每年工作 2500 小时，这是从消费者的角度出发的 。
10、 (c).年度 总费用：包括每年的运行 成本和 20%的有效材料成本。专家组认为这即是消费者的角度，也有利于整个经济体系 。 下面 是 优化设计 时的一些约束条件 ： 1 定 、 转子齿 部最大 磁通密度 2.00 2单位有效体积材料的 最大扭矩 值 1.00 3单位有效体积材料的 起动转矩 值 &nbs
11、p; 1.00 4 单位有效体积材料的 起动电流 值 6.50 5 满载转差率 0.055 6 满 载 功率因数 &nbs
12、p; 0.80 7 满 载 效率 0.80 8 单位有效体积材料的 无负载电流 0.50 9 满载 时 定 、 转子温升
13、 70.00 随着这些限制条件的变化，约束条件中变量的上下界也应做相应的调整 。标 准的数学 方程 是用于评估和计算函数 ()Fx与函数 ()jgx 优化技术 异步电动机的优化设计是一个 高度非线性 化、 多变量 且带 约束 条件的 的优化问题 ，该类问题 可以 使用直接或间接的搜索方法来解决。在本文中，我们使用了间接搜索方法，即 Rosenbrock 的 坐标旋转方法。 该方法曾被 Bhardwajetal 和Bhim Singh 用于异步电动机的优化设计 。在 此方法中，不同的变量依次在平
14、行于轴线 的方向 上沿两个方向变化 。 如果序列中在某一特定变量满足条件（即改善目标函数且满足 限制 条件 ）， 那么 原来的 步长将会被加速因子 ( 1) 放大 倍。然后再 在 程序的搜索方向上进行 下一个周期 的搜索 。但是，如果有一个 变量不满足条件 （即没有任何功能改善 或不满足 限制 条件 ） ，那么步长将在相反的方向通过下降减小因子 (0 1)减小。 该循环 将 持续 进行直到 所有的条件都满足 或当所有的变量都搜索到但任然没有结果时。到此为止，设计的第一阶段完成。 将程序持续的循环下去将会在 某一 个 或 若干的 阶段 得到一个收敛的结果 ， 或直到变量 的 增加值在
15、 连续几个阶段成为少于一些小数量 。在 本文的实例中 ， 和 分别被赋值为 3.0 和 0.5 。 设计的流程图 1 四 .结果与讨论 本文对一个典型的 5hp、 400V、 50Hz、 4 极鼠笼感应电动机进行了优化设计，并在设计过程中以现有的标准设计尺寸为约束 ， 从而得到三个目标函数的最终结果， 其结果 见 表 1。从表中的结果我们可以得到一下几点结论： 在该使用了约束条件的实例中，有效材料费用的最优 值 要比当约束条件 不存在 时的费用最优值高 。 有效材料成本的增加是显而易见的 ， 因为此时使用的标准尺寸并非是成本最小时的尺寸。 &n
16、bsp; 本文还说明，增加了标准尺寸的限制后，电机 每年的 运行费用有轻微的减少，从而表明，在设计电动机时选用标准尺寸对电动机的运行 成本 并没有多大的影响 。 在两个实例中， 每年的总 费用非常接近 。这是因为所增加的 有效材料的成本 抵消 了年运行成本中下降的部分 。 在这两个案例中，年运行费用和总费用都明显的下降，这是应为使用了较大的设计尺寸，从而使电机的运行性能得到改善的缘故。从 表 1 可以看出，效率由 0.83 提高 至 0.86，功率因数从 0.85 变化 到0.86，单位有效体积材料的最大转 矩 从 3.10 变化到 3.19。此外，起动性能也得到改善单位 有效材料的起动转 矩从 1.87 上升到 2.04， 但起动电流几乎没有任何变化 。 使用标准 尺寸后导致了电流密度的较大的变化 。 另外，具体的磁性和电负荷并没有因为使用较大的设计尺寸而有 太大的影响 。 结论
