機電類外文翻譯譯文—異步電動機優(yōu)化設計

1、<p><b>　　中文2920字</b></p><p>　　出處：Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, 1996., Proceedings of the 1996 International Conference on. IEEE, 1996, 1: 458-462</p&

2、gt;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　面對日益增長的能源需求和能源危機，人們曾今提出用可再生能源來發(fā)電或通過改善發(fā)電、輸電和用電系統中所用設備的效率來節(jié)能。異步電動機應用范圍很廣中，而且使用數量挺大。任何顯著改善感應電機運行效率的措施都可以幫助我們節(jié)約能源。因此，本文使用Rosenbrock的方法來優(yōu)化設計的異步電動機，以最大限度地減少（一）有效材料的費用

3、，（二）每年消費電能的總量（三）每年的總成本。</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　人們日益增長的能源需求和能源供應緊缺之間的矛盾使得節(jié)能成為了人們目前日益關注的焦點。人們曾多次試圖通過利用可再生能源來發(fā)電或通過改善發(fā)電、輸電和用電系統中所用設備的效率來節(jié)能，來解決這對矛盾。由于異步電動機是目前主要的重負荷機器并在辦公室、住宅、農業(yè)和工業(yè)等許

4、多領域中使用數量挺多，所以異步電動機運行效率的提高被認為是節(jié)約能源的主要途徑之一。而電機的優(yōu)化設計技術科以實現這一點。</p><p>　　異步電動機是工業(yè)領域中主要的耗能設備，大約80%以上電能由異步電動機所消耗。但是，其運行效率并不那么令人滿意，所以，節(jié)能型異步電動機的優(yōu)化設計的成為了目前電動機行業(yè)的發(fā)展趨勢。在過去異步電動機設計過程中，主要考慮的是實現異步電動機的優(yōu)良性能和降低其生產成本。它的精度性不高，僅

5、僅靠的是一些專業(yè)經驗。計算機的出現，是許多電機的優(yōu)化設計成為了可能。</p><p>　　在異步電動機的設計優(yōu)化中，其目標函數可以是電機的某一項特定性能或電機的任意一種費用，也可以是電機的重量和體積等。在目前已經出版的一些專著中，通常將電機的有效材料成本作為目標函數。然而，就電機所使用的整個費用來看，其運行過程中所消耗的電費亦非常重要，尤其是在電費逐年增加的情況下。因此，在設計高效率低費用的電動機時，其目標函數的

6、建立應綜合考慮電機有效材料的費用和電機運行過程中所消耗的電費，并給兩個電費分別配以一定的有效系數。</p><p>　　運行性能的高水平和總成本的最小化是設計異步電動機的兩個重要的目標。Bhim Singh已經利用不同的優(yōu)化技術在很大程度上達到了上述目標。但是他并沒有考慮使用現有機器的設計尺寸的可取性?？梢灾赋龅氖?，如果優(yōu)化設計使用現有的標準設計尺寸，那將會節(jié)省大量的制造成本。沒有任何一個制造商愿意改變現有機器的

7、設計尺寸來達到設計師給所給的電機設計要求。</p><p>　　在本文的研究中，試圖將前人所沒考慮到的標準設計尺寸包含在優(yōu)化設計的過程中，并將其作為一系列限制條件。在最近的研究中，Moul和Rao雖然考慮到了這一特殊因素，但他們只將效率作為了目標函數。本文將考慮以三個變量作為目標函數，即：有效材料的成本，年消費電能的總費用（其中考慮了效率和功率因數這兩個性能指標）和以現有機器的設計尺寸作為限制條件后所額外增加的總

8、成本。</p><p><b>　　二、優(yōu)化設計</b></p><p>　　異步電動機優(yōu)化設計的數學表達式如下：</p><p><b>　　設</b></p><p><b>　　則 即為目標函數</b></p><p><b>　　約束條

9、件 </b></p><p>　　其中是一獨立變量，函數是目標函數，限制條件，和分別變量的上下限。</p><p>　　這九個基本變量的上、下限分別是：</p><p>　　1．Stack length與極間距的比 2．氣隙磁通密度 3．線負荷 4．定子鐵芯長

10、 5．定子繞組電流密度 6．轉子繞組電流密度 7．氣隙長度 8．定子槽的深寬比 9．轉子槽的深寬比 </p><p>　　本文要求目標函數的最小值，它可能與電機的性能指標、重量或體積?；螂姍C的其它額外附加費用有關。在本文中，考慮了下面三個目標函數：</p><p>　　(

11、a).有效材料的成本：它由定子、轉子沖片的費用和繞組所用材料的費用所組成。這是從制造商的角度出發(fā)的。 </p><p>　　(b).年運行費用：在每年的運行費用計算時，假設電機每年工作2500小時，這是從消費者的角度出發(fā)的。 </p><p>　　(c).年度總費用：包括每年的運行成本和20%的有效材料成本。專家組認為這即是消費者的角度，也有利于整個經濟體系。</p><

12、;p>　　下面是優(yōu)化設計時的一些約束條件：</p><p>　　1．定、轉子齒部最大磁通密度 2．單位有效體積材料的最大扭矩值 3．單位有效體積材料的起動轉矩值 </p><p>　　4．單位有效體積材料的起動電流值 </p><p>　　5．滿載轉差率

13、 </p><p>　　6．滿載功率因數 </p><p>　　7．滿載效率 </p><p>　　8．單位有效體積材料的無負載電流 </p><p>　　9．滿載時定、轉

14、子溫升 </p><p>　　隨著這些限制條件的變化，約束條件中變量的上下界也應做相應的調整。標</p><p>　　準的數學方程是用于評估和計算函數與函數</p><p><b>　　優(yōu)化技術</b></p><p>　　異步電動機的優(yōu)化設計是一個高度非線性化、多變量且?guī)Ъs束條件

15、的的優(yōu)化問題，該類問題可以使用直接或間接的搜索方法來解決。在本文中，我們使用了間接搜索方法，即Rosenbrock的坐標旋轉方法。該方法曾被Bhardwajetal和Bhim Singh用于異步電動機的優(yōu)化設計。在此方法中，不同的變量依次在平行于軸線的方向上沿兩個方向變化。如果序列中在某一特定變量滿足條件（即改善目標函數且滿足限制條件），那么原來的步長將會被加速因子放大倍。然后再在程序的搜索方向上進行下一個周期的搜索。但是，如果有一個變

16、量不滿足條件（即沒有任何功能改善或不滿足限制條件），那么步長將在相反的方向通過下降減小因子減小。該循環(huán)將持續(xù)進行直到所有的條件都滿足或當所有的變量都搜索到但任然沒有結果時。到此為止，設計的第一階段完成。</p><p>　　將程序持續(xù)的循環(huán)下去將會在某一個或若干的階段得到一個收斂的結果，或直到變量的增加值在連續(xù)幾個階段成為少于一些小數量。在本文的實例中，和分別被賦值為3.0和0.5 。</p>&l

17、t;p><b>　　設計的流程圖1</b></p><p><b>　　四.結果與討論</b></p><p>　　本文對一個典型的5hp、400V、50Hz、4極鼠籠感應電動機進行了優(yōu)化設計，并在設計過程中以現有的標準設計尺寸為約束，從而得到三個目標函數的最終結果，其結果見表1。從表中的結果我們可以得到一下幾點結論：</p>

18、<p>　　在該使用了約束條件的實例中，有效材料費用的最優(yōu)值要比當約束條件不存在時的費用最優(yōu)值高。有效材料成本的增加是顯而易見的，因為此時使用的標準尺寸并非是成本最小時的尺寸。</p><p>　　本文還說明，增加了標準尺寸的限制后，電機每年的運行費用有輕微的減少，從而表明，在設計電動機時選用標準尺寸對電動機的運行成本并沒有多大的影響。在兩個實例中，每年的總費用非常接近。這是因為所增加的有效材料的成本

19、抵消了年運行成本中下降的部分。在這兩個案例中，年運行費用和總費用都明顯的下降，這是應為使用了較大的設計尺寸，從而使電機的運行性能得到改善的緣故。從表1可以看出，效率由0.83提高至0.86，功率因數從0.85變化到0.86，單位有效體積材料的最大轉矩從3.10變化到3.19。此外，起動性能也得到改善單位有效材料的起動轉矩從1.87上升到2.04，但起動電流幾乎沒有任何變化。</p><p>　　使用標準尺寸后導致

20、了電流密度的較大的變化。另外，具體的磁性和電負荷并沒有因為使用較大的設計尺寸而有太大的影響。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本文研究的主要目的是通過優(yōu)化算法來設計節(jié)能型三相鼠籠式異步電動機并在設計過程中用現有的標準尺寸作為約束條件。并且將該設計過程成功的運用到一個4極、功率為5馬力的采用星接的三相鼠籠式異步電動機的設計上。研究結果表明，

21、可以將現有的電機設計的標準尺寸運用在異步電動機的優(yōu)化設計中。這將使設計易于被制造商所接受，這將降低電動機的生產成本。</p><p>　　這項研究還表明，利用現有設計尺寸將大大增加有效材料的成本，但是電機的運行成本與年度總費用卻減少了，這也是人們所期望的。由于沒有生產成本方面可用的資料，因此使用現有設計尺寸作為約束之后的凈利潤無法定量評估。 然而，很明顯，這將會使優(yōu)化設計更易于被生產商家所接受。此外，電機的性能指