磁路联合仿真在电机教学中的应用

陈云云

(扬州大学能源与动力工程学院，江苏 扬州 225127)

随着高校课程教学改革的深入，电气工程及其自动化专业中的“电机学”和“电机拖动理论”这两门课程存在着教学课时少，课程难度大，实验验证理论机会少的教学现状。本文利用Ansoft Maxwell和Simplorer强大的联合仿真功能，选择目前应用广泛的永磁式双凸极电机为例，建立了该电机的仿真模型[1，2]。我们对电机的静、动态电磁特性和动态输出转矩特性加以分析，利用软件提供的诸如磁力线分布矢量图与等位线云图等辅助教学方法，培养学生的形象思维能力，提高学生学习兴趣并加深学生对该类电机的运行原理及其应用的理解。

1 教学具体实施步骤

(1)确定电机实例—考虑到特种电机的结构复杂，原理公式比较难理解记忆，且实验条件不足，因此在教学中选择以永磁式双凸极电机为例，利用仿真工具增强课堂教学效果。对于其他类型的电机也同样适用。

(2)电机仿真模型的搭建—在Ansoft Maxwell中建立永磁式双凸极电机的2D或3D的仿真模型，使学生对电机的结构有更直观的印象，联合Ansoft Maxwell和Simplorer，建立电机驱动控制系统的模型，便于讲解该类电机的控制方法和导通角等关键参数对控制效果的影响。

(3)仿真后处理—在现有电子教案内容中引入仿真后处理的各类图形，诸如场分布图、磁链与反电势曲线以及电磁转矩波形等，静动态演示结合，使课堂教学更加生动形象。

2 仿真建模方法

2.1 Ansoft Maxwell和 Simplorer软件

Ansoft软件包括电机设计模块Rmxprt和分析模块Maxwell。其中的Maxwell 2D模块是二维电磁场有限元分析软件，它可以分析电机的诸多电磁场问题，如电感、电容、磁通密度、涡流、磁力线分布以及力矩和能量损耗等，是电机仿真、优化设计及磁场分析的得力工具。它类似CAD的直接画图搭建电机模型，因此更为直观方便。

Simplorer是一个功能强大的跨学科多领域高性能系统级仿真软件，它具有高效处理电机电器、电子线路和机电等多工程领域问题的能力，消除了其他仿真工具中复杂数学转换的繁琐过程。对于不同工程领域问题，可以直接选择最适宜的建模语言进行建模和仿真，再利用基于Simplorer的开放程序接口的联合仿真接口，灵活地对现有其他软件进行集成。针对电力系统的特殊应用，Simplorer具有丰富的模型库，包括完整的电机与控制模型库，电力电子器件和线路模型库、电子元件模型库等。该软件的建模方法和Matlab/Simulink和建模方法十分相似，直观方便。

2.2 永磁型双凸极电机建模

近年来，永磁型双凸极电机由于具有功率密度大、结构简单坚固、性能较好和系统可靠性高等优点，其应用范围不断扩大。但是与传统异步电机相比，永磁型双凸极电机的理论研究、优化设计和控制策略尚处于发展阶段，传统的公式教学很难让学生全面掌握永磁型双凸极电机的特性[3]。

为了分析该三相12/8极永磁型双凸极电机的驱动控制系统以及动态转矩输出特性，考虑到电路与磁路的耦合，遂采用“场路瞬态联合仿真”的方法。我们利用 Simplorer和 Maxwell联合仿真[4]，建立该三相12/8极永磁型双凸极电机驱动控制系统的模型如图2所示。模型与驱动控制电路实体对应，能方便学生理解驱动控制电路的设计思路。

图1 联合仿真系统模型

在Maxwell 2D中有Magnetostatic和Transient这两个求解器，可以进行二维稳态场和二维瞬态场的求解，由此得到电机的静、动态电磁特性的一系列仿真曲线。

3 仿真运行后处理研究

3.1 静态磁力线分布电磁性能分析

该三相12/8极永磁型双凸极电机在空载和负载时的磁力线分布分别如图3所示。可以明显看出，磁力线均穿过气隙，形成闭合的磁通环路且在气隙与定子内、外齿之间分别存在一些明显的漏磁。在教学永磁电机时，为让学生直观地了解到永磁体所建立的磁场在电机磁场中占主导地位，可以对比图3(a)和图(b)。由图看出，电枢磁场和永磁磁场共同作用时产生的磁场分布与永磁磁场单独作用时的大致相同，只是在数值上略有差异，且永磁体所建立的磁场在数值上也是远大于电枢磁场。

图3 电机空载磁场分布

在Maxwell 2D中可以设置动画模式动态地显示电机转子转动时，磁力线分布的实时变化，图4给出的是动画演示转子分别转过9o，18o，27o和36o机械角度时的磁力线分布截图。由图可见，转子转过的机械角度45o为磁力线分布变化的一个周期，即该12/8极电机的电角度周期为45o机械角度，可以方便学生理解机械角度和电角度的概念。

图4 转子转过不同角度时磁力线分布

3.2 动态电磁性能分析

由图5所示三相绕组的永磁磁链曲线，可以看出磁链曲线为分段线性，三相对称的曲线，且磁链变化的频率与转子转速具有直接的联系，转速越快，频率越高。可进一步使学生了解要想增加电机转速，必须提高定子绕组通电频率。

图5 三相绕组永磁磁链

由于双凸极电机的结构特点，其绕组空载反电势曲线与传统异步电机的近似正弦曲线不同，如图6所示。电机反电势波形近似方波，决定其控制方法也与交流异步电机不同，对照反电势曲线方便学生理解双凸极电机的开关角度控制方法。

3.3 动态输出转矩特性分析

永磁型双凸极电机的输出电磁转矩为[5]

其中，Tm为起主要作用的磁场反应转矩，TL为磁阻转矩。利用上式，根据永磁型双凸极电机的控制规律，在场路联合仿真中采用开关角度控制的策略，选择绕组磁链上升阶段即反电势为正半周期间，给相应绕组通正电流;在绕组磁链下降阶段即反电势为负半周期间，给相应绕组通负电流，即可得正输出转矩。也可看出，磁阻转矩的平均值为零，是转矩波动的主要因素。图7给出了联合仿真所得该三相12/8极永磁型双凸极电机的输出转矩波形。

图7 输出转矩波形

通过仿真曲线，学生可以更加透彻的理解关于永磁型双凸极电机的电磁转矩的理论公式，从曲线也可以明显看出转矩的波动，其平均值为零，正对应磁阻转矩一项，可以看出双凸极结构的电机，其磁阻转矩一项相对比较大。

4 结语

本文以永磁型双凸极电机为例，在使用Ansoft Maxwell 2D分析电机的静、动态电磁特性的基础上，再结合Simplorer软件，进行了场路的联合仿真，分析了电机的动态输出转矩特性。对传统的以电机公式为主的教学方式起到了很好的辅助作用，对于其他传统电机以及特种电机的教学也具有很好的参考价值。通过实践表明，这些方法可以加深学生对电机结构和理论以及电机驱动控制系统的理解，激发学生对本课程学习的兴趣，提高教学效果。

[1]林立等.Simplorer在电力电子技术教学改革中的应用[J].北京:中国电力教育，2011

[2]费德成，孙玉坤，朱熀秋.Ansoft软件在电机教学中的应用[J].南京:电气电子教学学报，2009，Vol.31，pp.95-97，2009

[3]陈世元，郭建龙.双凸极永磁电动机磁阻转矩和转矩脉动的关系研究[J].北京:中国电机工程学报，2008，Vol.28

[4]Z.Xiaoyong，et al.A Transient Cosimulation Approach to Performance Analysis of Hybrid Excited Doubly Salient Machine Considering Indirect Field-Circuit Coupling[J].Magnetics，IEEE Transactions on，2007，Vol.43

[5]吴建华著，开关磁阻电机设计与应用[M].北京:机械工业出版社，2000