雷美珍?任佳

摘要：針對(duì)“電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程的特點(diǎn)和實(shí)際教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了引入Ansoft Maxwell軟件輔助課堂教學(xué)的改革模式。以三相永磁同步電動(dòng)機(jī)為教學(xué)實(shí)例，通過(guò)Ansoft Maxwell軟件對(duì)其二維靜磁場(chǎng)進(jìn)行分析。實(shí)踐表明，本圖形化教學(xué)方法不僅形象直觀，便于學(xué)生理解電機(jī)的基本原理以及電磁場(chǎng)知識(shí)，而且有助于提高學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新能力，從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：Ansoft Maxwell；電磁場(chǎng)；電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)；仿真

作者簡(jiǎn)介：雷美珍（1980-），女，畬族，浙江杭州人，浙江理工大學(xué)自動(dòng)化系，講師；任佳（1977-），女，浙江杭州人，浙江理工大學(xué)自動(dòng)化系，副教授。（浙江 杭州 310018）

基金項(xiàng)目：本文系2012年浙江理工大學(xué)“嵌入式運(yùn)動(dòng)控制”系列課程建設(shè)項(xiàng)目、“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”精品網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)項(xiàng)目的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）05-0057-02

“電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要闡述各類電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性。該課程抽象概念多，涉及電、磁、熱、力等綜合知識(shí)，而且還有較多煩瑣的公式推導(dǎo)和計(jì)算，特別是電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)本身又都是不可見(jiàn)的，這就要求學(xué)生不但要具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而且還要具備較強(qiáng)的抽象思維能力，這給該課程的教與學(xué)帶來(lái)相當(dāng)?shù)碾y度。[1]在當(dāng)前課時(shí)少、教學(xué)內(nèi)容多、實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱的現(xiàn)實(shí)下，如何將理論問(wèn)題實(shí)際化、抽象問(wèn)題形象化，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電機(jī)的直觀認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，已成為廣大教師普遍關(guān)心的問(wèn)題。

Ansoft Maxwell是美國(guó)Ansoft公司的一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用的二維/三維電磁場(chǎng)有限元分析軟件，便于分析電機(jī)、傳感器、變壓器、永磁設(shè)備、激勵(lì)器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常工況和故障工況的特性。[2]本文提出了借助該軟件對(duì)“電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程中的各類電機(jī)進(jìn)行建模和電磁場(chǎng)分析，利用形象直觀的動(dòng)、靜態(tài)分析圖來(lái)輔助教學(xué)的思路，有助于加深學(xué)生對(duì)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

一、教學(xué)實(shí)例選擇

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中要求響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬、定位準(zhǔn)確的高性能伺服傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著教學(xué)改革的推進(jìn)，為確保教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，本課程組對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了更新，將永磁同步電動(dòng)機(jī)作為新型微特電機(jī)的核心內(nèi)容引入教學(xué)，但學(xué)時(shí)數(shù)只能安排3學(xué)時(shí)，學(xué)生在短時(shí)間的抽象理論講授下，很難較好掌握該內(nèi)容，在很大程度上影響了該部分內(nèi)容的教學(xué)效果。本文以永磁同步電機(jī)作為典型應(yīng)用案例，采用Ansoft Maxwell對(duì)其靜態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，圖形化描述電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的磁力線分布和磁通密度的云圖分布，有助于學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的理解和掌握。

三相永磁同步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成的，定、轉(zhuǎn)子中間為氣隙，其中定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座組成，轉(zhuǎn)子由永磁體磁極、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸組成。以一臺(tái)極數(shù)為4，定子槽數(shù)為24的樣機(jī)為例，具體電機(jī)相關(guān)尺寸及參數(shù)如表1所示。電機(jī)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本可以建立四分之一模型，為了使學(xué)生更加清晰地掌握Ansoft Maxwell基本幾何模型建立方法、激勵(lì)源加載、力及力矩參數(shù)的設(shè)置、永磁材料的定義及簡(jiǎn)單的場(chǎng)圖處理方法，本例采用全域求解法，建立電機(jī)的全模型進(jìn)行有限元分析。Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行有限元分析的基本步驟主要有：創(chuàng)建項(xiàng)目并指定分析類型、建立電機(jī)的幾何模型、定義并分配材料、定義并加載激勵(lì)源和邊界條件、求解參數(shù)設(shè)定、后處理。[2]

二、有限元建模與分析

第一，根據(jù)表1所示的永磁同步電機(jī)沖片尺寸及相關(guān)參數(shù)建立電機(jī)的幾何模型，如圖1所示。首先建立定子半槽結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)鏡向操作得到1個(gè)完整槽型結(jié)構(gòu)，再利用按坐標(biāo)抽復(fù)制功能，沿Z軸復(fù)制24次，即可得到整個(gè)電機(jī)的定子槽型。按同樣的方法可以繪制電機(jī)繞組、永磁磁極轉(zhuǎn)子鐵心幾何模型，需要注意的是在生成定子沖片幾何模型時(shí)，要充分利用軟件的布爾減法運(yùn)算功能。

教師建立好電機(jī)的幾何模型后，需要定義材料屬性，材料屬性的指定是通過(guò)材料管理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然后把材料屬性分配到相應(yīng)面域上。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)靜磁場(chǎng)分析，需要指定以下材料屬性：指定內(nèi)部氣隙面域?qū)傩詾榭諝?；指定繞組材料屬性為銅；指定定子鐵心及轉(zhuǎn)子鐵心材料屬性為DW465-50硅鋼片，由于材料庫(kù)中沒(méi)有該材料，且該材料是非線性的，可以根據(jù)BH曲線加以定義；定義永磁體材料，矯頑力為-950000A/M，剩磁密度為1.25T，并通過(guò)相對(duì)坐標(biāo)系的設(shè)置來(lái)指定永磁磁極的方向。

第二，需要定義電機(jī)的激勵(lì)，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)中存在永磁體激勵(lì)和定子繞組電流激勵(lì)，其中永磁體激勵(lì)在設(shè)定材料時(shí)已經(jīng)指定，在此只需定義繞組的電流源。首先根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)方案中的繞組排列對(duì)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)定子槽中的繞組進(jìn)行分相，然后設(shè)置電流激勵(lì)源的大小和方向。[3]邊界條件設(shè)定時(shí)，本模型需要對(duì)電機(jī)求解域的外邊界和轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸的交界兩處邊界進(jìn)行分析，由于這兩處邊界都是高導(dǎo)磁介質(zhì)與非導(dǎo)磁介質(zhì)的分界處，應(yīng)設(shè)定為磁通平行邊界條件。選擇電機(jī)內(nèi)外圓兩條邊界，設(shè)置邊界條件為矢量磁位為0，即電機(jī)邊界無(wú)漏磁。

Ansoft Maxwell 軟件除了可以計(jì)算電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)外，還可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子受到的電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)繞組的電感。需要注意的是，這些參數(shù)的求解需要事先設(shè)定。模型剖分設(shè)定時(shí)，本文采用基于模型內(nèi)部單元邊長(zhǎng)的方法，設(shè)定最大剖分單元長(zhǎng)度為2mm。完成有限元模型建立、材料分配、載荷添加、邊界條件設(shè)定和求解項(xiàng)設(shè)置后，需要進(jìn)行分析自檢。自檢正確通過(guò)后，執(zhí)行求解命令，就可以完成本例三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁場(chǎng)有限元分析。

第三，主要完成對(duì)場(chǎng)圖、曲線、曲面路徑的處理和場(chǎng)計(jì)算器使用。首先查看電機(jī)的場(chǎng)圖分布，并與該電機(jī)的理論分析進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，如果合理，說(shuō)明該模型建立和求解是正確的。反之，則可以根據(jù)場(chǎng)圖的分布情況檢查建模時(shí)存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)模型修正或更改設(shè)置，最終可以得到正確的分析結(jié)果，但是場(chǎng)圖分析不僅需要掌握該電機(jī)的基本原理，還需要有扎實(shí)的電磁場(chǎng)知識(shí)。由此也表明了“電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程與之前的先修課程“工程電磁場(chǎng)”是緊密聯(lián)系的。

在后處理中可以查看電機(jī)受到的電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩、電感矩陣和磁鏈等參數(shù)信息。需要注意的是，Ansoft Maxwell 進(jìn)行磁場(chǎng)分析時(shí)，Z軸長(zhǎng)度是默認(rèn)以1m深度進(jìn)行計(jì)算的，所以計(jì)算實(shí)際電機(jī)受力和電磁轉(zhuǎn)矩及電感時(shí)需要考慮電機(jī)的實(shí)際軸向長(zhǎng)度。

后處理可以觀察有限元模型的具體剖分情況，如圖2所示。電機(jī)的電磁力分布情況和電機(jī)磁通密度云圖分布情況分別如圖3和4所示。

在有限元分析模型里，如果想查看某一條路徑上的場(chǎng)量（比如氣隙上的磁密大?。?，需要事先畫(huà)一條經(jīng)過(guò)氣隙的考察路徑，然后再計(jì)算該考察路徑上的磁密的模，最后還可以利用場(chǎng)計(jì)算器對(duì)這些場(chǎng)量進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。

三、結(jié)束語(yǔ)

“電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，教師針對(duì)本課程理論性強(qiáng)、概念抽象的特點(diǎn)，利用電磁場(chǎng)有限元分析軟件Ansoft Maxwell輔助課堂教學(xué)，并以三相永磁同步電機(jī)二維靜磁場(chǎng)分析為例，分析了該軟件在課程教學(xué)中的具體實(shí)施過(guò)程。該教學(xué)方法在本校2010級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)進(jìn)行實(shí)踐，結(jié)果表明該教學(xué)方法形象、直觀，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王冰峰.關(guān)于《電機(jī)與拖動(dòng)》課程教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].高等教育研究，2002，18（4）：82-84.

[2]趙博，張洪亮，等.ANSOFT12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[3]王振，劉建國(guó)，王愛(ài)鳳.基于ANSOFT的永磁同步電機(jī)有限元分析[J].能源研究與管理，2010，（3）：26-33.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）