Lyft på locket på ett elektrifierat hem, en fabrik eller en gruva, och du kommer att hitta en trupp ekorrburmotorer som är aktiva dygnet runt. Industrialiserade nationer skulle inte vara lika industriella utan dessa.

Robust och pålitlig, denna typ av trefas induktionsmotor är ofta det bästa alternativet inom industrin. Dessa producerar inte gnistor och passar mycket bra i farliga miljöer som oljeraffinaderier, gruvor och spannmålshissar och används för slipning, pumpning och blåsning.

Hemma drivs kylen, tvättmaskinen, torktumlaren och poolpumpen av enfasiga ekorrburmotorer. Motorerna är särskilt bra för höghastighetsapplikationer över 3000 rpm. Ännu bättre, ekorrburmotorer är självstartande och behöver inte mycket underhåll, även om de har hundratals hästkrafter.

Emellertid kan ekorrburmotorer orsaka störande elräkningar för stora företag. I Sydafrika visar det nationella TV-bolaget ofta annonser på kvällarna som uppmuntrar människor att stänga av sina hushållsapparater och poolpumpar.

AI för att spela bra

Kort sagt, det finns en enorm efterfrågan på högpresterande, prisvärda arbetshästmotorer. Men cheferna för elnät kräver också att dessa motorer orsakar begränsade störningar.

Dr. Mbika Muteba från University of Johannesburg utbildade en AI för att optimera designen av en ekorrburmotor. Studien publiceras i tidskriften Energies . AI:n säkerställde att den optimerade designen orsakar små störningar i elnätet som den är ansluten till genom att avsevärt förbättra motorns effektfaktor.

I denna forskning modellerade och designade Muteba rotorer och kapacitiva hjälpspolar för en 5,5 kW (7,37 metriska hästkrafter) ekorrburmotor. Sedan byggde han rotorerna och testade dem i laboratoriet. Motorernas verkliga prestanda matchade den förutspådda prestandan nära.

Den första motorn som testades har ingen hjälpspole på statorn och är inte optimerad av AI. Den andra har en hjälpspole för att förbättra effektfaktorn och är inte heller optimerad av AI. Den tredje motorn har en hjälpspole på statorn och är också optimerad av AI-algoritmen. Den genetiska algoritmen optimerade den för högsta prestanda över olika belastningar på dragen elektrisk ström (vridmoment per ampere). Muteba verifierade den genetiska algoritmens resultat med finita elementanalys.

Den AI-optimerade 5,5 kW-motorn hade en utmärkt effektfaktor i laboratorieinstallationen, från 0,93 mätt vid 0 % belastning, till 0,99 vid 60 % belastning till 120 % belastning. Verkningsgraden vid full belastning för den AI-optimerade motorn är 85,87 %, vilket är inom 1 till 2 % av den ooptimerade motorn. Dess effektivitet för belastningar under 30 % är också mycket förbättrad jämfört med de ooptimerade motorerna.

Viktigast av allt, även med den utmärkta effektfaktorn, ger den optimerade motorn mer vridmoment samtidigt som den drar mindre ström. Den AI-optimerade designens vridmoment per ampere var en tvåsiffrig förbättring jämfört med motorn utan AI-optimering.

Den optimerade motorns vridmoment per ampere är 22 % högre vid 20 % belastning, 16 % högre vid 60 % belastning och 13 % bättre vid 120 % belastning, jämfört med den ooptimerade versionen.

Varför ekorrburmotorer kan göra galler instabila

"Squirrel cage-motorer har i allmänhet en dålig effektfaktor. Speciellt om de startar eller arbetar under lätt belastning", säger Muteba. "Men kraftbolagen vill att alla laster du ansluter till deras elnät, oavsett om det är motorn till en poolpump eller en maskin som krossar malm i en gruva, ska ha en bra effektfaktor."

Trefasnät ger två typer av kraft. Den första är aktiv kraft som vrider motorer och gör jobbet. Elbolag fakturerar sina kunder för detta i kilowatt eller megawatt. Galler ger också reaktiv effekt. Ekorrburmotorer äter reaktiv effekt på ett nät för att bibehålla magnetfälten på sina rotorer. Utan det fältet fungerar inte en ekorrburmotor. Av alla typer av elektriska motorer är ekorrburmotorer de hungrigaste på reaktiv effekt.

Transformatorer som sänker högspänningseffekten till hushålls- eller industrispänningar äter också in den reaktiva effekten på ett nät. "En last med dålig effektfaktor förbrukar mycket mer reaktiv effekt. När hundratals eller tusentals sådana laster är anslutna till ett nät måste nätägarna spendera för att uppgradera nätet för att ge mer reaktiv effekt", säger han.

Om ett nät överbelastas av belastningar med dåliga effektfaktorer kan alla belastningar på nätet, även de med bra effektfaktorer, inte få tillräckligt med reaktiv effekt för att fungera och nätet kan bli instabilt. Detta kan orsaka omfattande skador i gruvor, fabriker och bevattningssystem på gårdar.

Elverk straffar användarna hårt för belastningar med dåliga effektfaktorer. Så ett nationellt elnät kan ha tiotals eller hundratusentals ekorrburmotorer kopplade till sig, som pålitliga arbetshästar. Men motorernas kombinerade låga effektfaktor kan göra ett nät oförutsägbart och till och med instabilt.

Betydande besparingar

AI-optimeringen för rotorn och den kapacitiva hjälpspolen gjorde det möjligt att förbättra effektfaktorn och prestanda och ändå ha en pålitlig, effektiv ekorrmotor för utmanande applikationer, säger Muteba.

Den AI-optimerade motorn har ett luftgap mellan rotor och stator, som är större än i en ooptimerad motor. Under hög belastning, höga temperaturer och höga hastigheter bör den optimerade motorn prestera bättre mekaniskt än de ooptimerade motorerna.

"Med dessa resultat ser vi att det är möjligt att driva induktionsmotorer för ekorrburar utan att spendera miljoner på reaktiva kompensatorer för att undvika påföljder från energibolag. Det är också onödigt att använda hjälpspolar på ett sätt som minskar effektiviteten eller vridmomentet per ampere," han tillägger.

"Den AI-optimerade rotorn och den kapacitiva hjälpspolen har en utmärkt effektfaktor över hela belastningsområdet och är fortfarande effektivare med högre prestanda också."

För ett mikronät, eller privatägt elnät, gör det att bygga en utmärkt effektfaktor i varje ekorrburmotor att nätet också är mycket lättare att hantera, säger han.

AI edge i design

Att använda AI för att optimera designen av rotorn och den kapacitiva hjälpspolen kan spara tid jämfört med förankrade designpraxis, säger Muteba. Den genetiska algoritmen tog 27 minuter att optimera designen av rotorn och den kapacitiva hjälpspolen, inom åtta exekveringar och 60 generationer av kromosomer som bearbetades.

"Designingenjörer står inför utmaningen att välja det optimala värdet på luftgapslängden och kapacitiv hjälpspole. I de flesta fall använder de designprogramvara som utför känslighets- och parametrisk analys. Dessa processer är vanligtvis långa, med begränsade sökmöjligheter", säger Muteba.

"AI:er som optimala sökalgoritmer kan hitta det optimala värdet av luftgaplängd och kapacitiv hjälpspole genom att söka i ett stort lösningsutrymme på några minuter. Den befolkningsbaserade tekniken, som används i denna forskning, en genetisk algoritm, är en bra passar för att hitta de önskade optimala värdena."