商业和工业都喜欢高速应用的鼠笼感应电动机。电网管理者讨厌它们，因为它们在低负荷下的电力因素会使电网不稳定。但也有可能设计出一种鼠笼式电机，既能在电网上正常工作，又能高效、有力、可靠。约翰内斯堡大学(UJ)的一位电气工程研究员利用人工智能(AI)优化了转子设计。在实验室测试中，他发现人工智能优化的5.5kW电机在极低负载下高效运行，功率因数优良。功率因数是如此的好，没有外部功率因数校正的需要这些电机，导致大量的是本节约。图片来源:约翰内斯堡大学(University of Johannesburg)的特蕾泽范怀克(Therese van Wyk)设计。
打开带电的家庭、工厂或矿井的盖子，你会发现一群鼠笼式发动机在任何时候都在工作。没有这些，工业化国家就不会像现在这样工业化。
坚固可靠，这种类型的三相感应电机通常是工业上的首眩它们不会产生火花，而且非常适合在危险的环境中，如炼油厂、矿山和谷物升降机，并用于研磨、泵送和吹气作业。
在家里，冰箱、洗衣机、滚筒烘干机和游泳池水泵都是由单相鼠笼电动机供电的。该电机特别适用于3000转以上的高速应用。更棒的是，鼠笼式电机是自启动的，不需要太多的维护，即使额定数百马力。
然而，松鼠笼式电动机会对大公司造成破坏性的电费罚款。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游泳池水泵。
AI玩得好
简而言之，市场对高性能、物有所值的主力发动机有着巨大的需求。但是电网的管理者也要求这些电机造成有限的破坏。
约翰内斯堡大学的Mbika Muteba博士训练人工智能优化松鼠笼马达的设计。这项研究发表在《能源》杂志上。人工智能通过大幅提高电机功率因数，确保优化设计对其连接的电网造成的破坏很校
在这项研究中，Muteba建模和设计了一个5.5kW(7.37公制马力)鼠笼电机的转子和辅助电容线圈。然后他制作了旋翼，并在实验室进行了测试。这些发动机的实际性能与预测的性能非常吻合。
第一个测试的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AI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，使其在不同负载的电流(扭矩/安培)中具有最高的性能。Muteba通过有限元分析验证了遗传算法的结果。
在实验室设置中，经过ai优化的5.5kW电机具有良好的功率因数，从0%加载时的0.93，到60%加载时的0.99，直至120%加载。人工智能优化后的电机满负荷效率为85.87%，与未优化的电机相比，效率在1 ~ 2%之间。与未优化的电机相比，其负载在30%以下的效率也大大提高。
最重要的是，即使有卓越的功率因数，优化的电机提供更多的扭矩，而牵引更少的电流。人工智能优化设计的每安培转矩比未进行人工智能优化的电机提高了两位数。
与未优化的版本相比，优化后的电机在20%负载时扭矩提高了22%，在60%负载时扭矩提高了16%，在120%负载时扭矩提高了13%。
为什么鼠笼式电动机会使电网不稳定
“鼠笼式电动机的功率因数一般较差。特别是当它们在轻负荷下启动或运行时，”Muteba说。“但电力公司希望你连接到他们电网的所有负载，无论是池泵的电机还是矿山破碎矿石的机器，都有良好的功率因数。”
三相电网提供两种电力。第一种是有功功率，它转动电机并做功。电力公司按千瓦或兆瓦向客户收取电费。电网也提供无功功率。鼠笼式电动机会消耗电网上的无功功率，以维持其转子上的磁常没有磁场，松鼠笼式马达就无法运转。在所有类型的电动机中，鼠笼式电动机是最需要无功功率的。
变压器将高压电力降低到家用或工业电压，也会消耗电网中的无功功率。“功率因数低的负载会消耗更多的无功功率。当成百上千的负载连接到一个电网时，电网的所有者不得不花钱升级电网，以提供更多的无功电力。
图片来源:约翰内斯堡大学特蕾泽范怀克。
如果电网被功率因数较差的负荷所淹没，那么电网上的所有负荷，即使是功率因数较好的负荷，也无法获得足够的无功功率来运行，电网就会变得不稳定。这可能会对矿山、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较差的负载严重惩罚用户。因此，一个国家电网可能有成千上万的鼠笼式电动机连接在一起，作为可靠的工作机器。但是电动机的低功率因数会使电网变得不可预测甚至不稳定。
重要的储蓄
Muteba表示，对转子和辅助电容线圈的AI优化使其有可能提高功率因数和性能，并在具有挑战性的应用中仍然拥有可靠、高效的松鼠电机。
优化后的电机转子与定子之间的气隙比未优化的电机大。在高负荷、高温和高速下，优化的电机应该比未优化的电机表现得更好。
图片来源:约翰内斯堡大学的Therese van Wyk平面设计和摄影。
“有了这些结果，我们可以在不花数百万美元购买无功补偿器的情况下运行鼠笼式感应电动机，以避免公用事业公司的处罚。也没有必要采用会降低效率或每安培转矩的辅助线圈。”
“人工智能优化的转子和辅助电容线圈在全负载范围内具有出色的功率因数，而且仍然更高效，性能也更高。”
他说，对于微型电网，或私人拥有的电网，在每个鼠笼式电机中建立一个优秀的功率因数，也会使电网更容易管理。
AI在设计中的优势
Muteba表示，与传统的设计方法相比，使用AI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。
“设计工程师面临的挑战是选择最佳的气隙长度和辅助电容线圈。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。
“优化搜索算法等ai可以在几分钟内搜索一个大的解空间，从而找到气隙长度和辅助电容线圈的最佳值。在这项研究中使用的基于群体的技术，遗传算法，是找到所需最优值的一个很好的选择。”
