機(jī)電類(lèi)外文翻譯譯文—異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(duì)日益增長(zhǎng)的能源需求和能源危機(jī)，人們?cè)裉岢鲇每稍偕茉磥?lái)發(fā)電或通過(guò)改善發(fā)電、輸電和用電系統(tǒng)中所用設(shè)備的效率來(lái)節(jié)能。異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍很廣中，而且使用數(shù)量挺大。任何顯著改善感應(yīng)電機(jī)運(yùn)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(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的異步電動(dòng)機(jī)，以最大限度地減少（一）有效材料的費(fèi)用

3、，（二）每年消費(fèi)電能的總量（三）每年的總成本。</p><p><b>　　簡(jiǎn)介</b></p><p>　　人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源需求和能源供應(yīng)緊缺之間的矛盾使得節(jié)能成為了人們目前日益關(guān)注的焦點(diǎn)。人們?cè)啻卧噲D通過(guò)利用可再生能源來(lái)發(fā)電或通過(guò)改善發(fā)電、輸電和用電系統(tǒng)中所用設(shè)備的效率來(lái)節(jié)能，來(lái)解決這對(duì)矛盾。由于異步電動(dòng)機(jī)是目前主要的重負(fù)荷機(jī)器并在辦公室、住宅、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等許

4、多領(lǐng)域中使用數(shù)量挺多，所以異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的提高被認(rèn)為是節(jié)約能源的主要途徑之一。而電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)科以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域中主要的耗能設(shè)備，大約80%以上電能由異步電動(dòng)機(jī)所消耗。但是，其運(yùn)行效率并不那么令人滿(mǎn)意，所以，節(jié)能型異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的成為了目前電動(dòng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在過(guò)去異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮的是實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良性能和降低其生產(chǎn)成本。它的精度性不高，僅

5、僅靠的是一些專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，是許多電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了可能。</p><p>　　在異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，其目標(biāo)函數(shù)可以是電機(jī)的某一項(xiàng)特定性能或電機(jī)的任意一種費(fèi)用，也可以是電機(jī)的重量和體積等。在目前已經(jīng)出版的一些專(zhuān)著中，通常將電機(jī)的有效材料成本作為目標(biāo)函數(shù)。然而，就電機(jī)所使用的整個(gè)費(fèi)用來(lái)看，其運(yùn)行過(guò)程中所消耗的電費(fèi)亦非常重要，尤其是在電費(fèi)逐年增加的情況下。因此，在設(shè)計(jì)高效率低費(fèi)用的電動(dòng)機(jī)時(shí)，其目標(biāo)函數(shù)的

6、建立應(yīng)綜合考慮電機(jī)有效材料的費(fèi)用和電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所消耗的電費(fèi)，并給兩個(gè)電費(fèi)分別配以一定的有效系數(shù)。</p><p>　　運(yùn)行性能的高水平和總成本的最小化是設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)重要的目標(biāo)。Bhim Singh已經(jīng)利用不同的優(yōu)化技術(shù)在很大程度上達(dá)到了上述目標(biāo)。但是他并沒(méi)有考慮使用現(xiàn)有機(jī)器的設(shè)計(jì)尺寸的可取性?？梢灾赋龅氖牵绻麅?yōu)化設(shè)計(jì)使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸，那將會(huì)節(jié)省大量的制造成本。沒(méi)有任何一個(gè)制造商愿意改變現(xiàn)有機(jī)器的

7、設(shè)計(jì)尺寸來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)師給所給的電機(jī)設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　在本文的研究中，試圖將前人所沒(méi)考慮到的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸包含在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)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(biāo)函數(shù)。本文將考慮以三個(gè)變量作為目標(biāo)函數(shù)，即：有效材料的成本，年消費(fèi)電能的總費(fèi)用（其中考慮了效率和功率因數(shù)這兩個(gè)性能指標(biāo)）和以現(xiàn)有機(jī)器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：</p><p><b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　則 即為目標(biāo)函數(shù)</b></p><p><b>　　約束條

9、件 </b></p><p>　　其中是一獨(dú)立變量，函數(shù)是目標(biāo)函數(shù)，限制條件，和分別變量的上下限。</p><p>　　這九個(gè)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(xiàn)負(fù)荷 4．定子鐵芯長(zhǎng)

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

11、a).有效材料的成本：它由定子、轉(zhuǎn)子沖片的費(fèi)用和繞組所用材料的費(fèi)用所組成。這是從制造商的角度出發(fā)的。 </p><p>　　(b).年運(yùn)行費(fèi)用：在每年的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算時(shí)，假設(shè)電機(jī)每年工作2500小時(shí)，這是從消費(fèi)者的角度出發(fā)的。 </p><p>　　(c).年度總費(fèi)用：包括每年的運(yùn)行成本和20%的有效材料成本。專(zhuān)家組認(rèn)為這即是消費(fèi)者的角度，也有利于整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系。</p><

12、;p>　　下面是優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的一些約束條件：</p><p>　　1．定、轉(zhuǎn)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(dòng)轉(zhuǎn)矩值 </p><p>　　4．單位有效體積材料的起動(dòng)電流值 </p><p>　　5．滿(mǎn)載轉(zhuǎn)差率

13、 </p><p>　　6．滿(mǎn)載功率因數(shù) </p><p>　　7．滿(mǎn)載效率 </p><p>　　8．單位有效體積材料的無(wú)負(fù)載電流 </p><p>　　9．滿(mǎn)載時(shí)定、轉(zhuǎn)

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(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。標(biāo)</p><p>　　準(zhǔn)的數(shù)學(xué)方程是用于評(píng)估和計(jì)算函數(shù)與函數(shù)</p><p><b>　　優(yōu)化技術(shù)</b></p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)高度非線(xiàn)性化、多變量且?guī)Ъs束條件

15、的的優(yōu)化問(wèn)題，該類(lèi)問(wèn)題可以使用直接或間接的搜索方法來(lái)解決。在本文中，我們使用了間接搜索方法，即Rosenbrock的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方法。該方法曾被Bhardwajetal和Bhim Singh用于異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此方法中，不同的變量依次在平行于軸線(xiàn)的方向上沿兩個(gè)方向變化。如果序列中在某一特定變量滿(mǎn)足條件（即改善目標(biāo)函數(shù)且滿(mǎn)足限制條件），那么原來(lái)的步長(zhǎng)將會(huì)被加速因子放大倍。然后再在程序的搜索方向上進(jìn)行下一個(gè)周期的搜索。但是，如果有一個(gè)變

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

17、t;p><b>　　設(shè)計(jì)的流程圖1</b></p><p><b>　　四.結(jié)果與討論</b></p><p>　　本文對(duì)一個(gè)典型的5hp、400V、50Hz、4極鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸為約束，從而得到三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最終結(jié)果，其結(jié)果見(jiàn)表1。從表中的結(jié)果我們可以得到一下幾點(diǎn)結(jié)論：</p>

18、<p>　　在該使用了約束條件的實(shí)例中，有效材料費(fèi)用的最優(yōu)值要比當(dāng)約束條件不存在時(shí)的費(fèi)用最優(yōu)值高。有效材料成本的增加是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)榇藭r(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸并非是成本最小時(shí)的尺寸。</p><p>　　本文還說(shuō)明，增加了標(biāo)準(zhǔn)尺寸的限制后，電機(jī)每年的運(yùn)行費(fèi)用有輕微的減少，從而表明，在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本并沒(méi)有多大的影響。在兩個(gè)實(shí)例中，每年的總費(fèi)用非常接近。這是因?yàn)樗黾拥挠行Р牧系某杀?/p>

19、抵消了年運(yùn)行成本中下降的部分。在這兩個(gè)案例中，年運(yùn)行費(fèi)用和總費(fèi)用都明顯的下降，這是應(yīng)為使用了較大的設(shè)計(jì)尺寸，從而使電機(jī)的運(yùn)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(shù)從0.85變化到0.86，單位有效體積材料的最大轉(zhuǎn)矩從3.10變化到3.19。此外，起動(dòng)性能也得到改善單位有效材料的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩從1.87上升到2.04，但起動(dòng)電流幾乎沒(méi)有任何變化。</p><p>　　使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸后導(dǎo)致

20、了電流密度的較大的變化。另外，具體的磁性和電負(fù)荷并沒(méi)有因?yàn)槭褂幂^大的設(shè)計(jì)尺寸而有太大的影響。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文研究的主要目的是通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)設(shè)計(jì)節(jié)能型三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)并在設(shè)計(jì)過(guò)程中用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)尺寸作為約束條件。并且將該設(shè)計(jì)過(guò)程成功的運(yùn)用到一個(gè)4極、功率為5馬力的采用星接的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)上。研究結(jié)果表明，

21、可以將現(xiàn)有的電機(jī)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸運(yùn)用在異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。這將使設(shè)計(jì)易于被制造商所接受，這將降低電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本。</p><p>　　這項(xiàng)研究還表明，利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)尺寸將大大增加有效材料的成本，但是電機(jī)的運(yùn)行成本與年度總費(fèi)用卻減少了，這也是人們所期望的。由于沒(méi)有生產(chǎn)成本方面可用的資料，因此使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)尺寸作為約束之后的凈利潤(rùn)無(wú)法定量評(píng)估。 然而，很明顯，這將會(huì)使優(yōu)化設(shè)計(jì)更易于被生產(chǎn)商家所接受。此外，電機(jī)的性能指