Ansoft在“电机及电力拖动基础”课程教学中的应用

雷美珍?任佳

摘要：针对“电机及电力拖动基础”课程的特点和实际教学中存在的问题，提出了引入Ansoft Maxwell软件辅助课堂教学的改革模式。以三相永磁同步电动机为教学实例，通过Ansoft Maxwell软件对其二维静磁场进行分析。实践表明，本图形化教学方法不仅形象直观，便于学生理解电机的基本原理以及电磁场知识，而且有助于提高学生的抽象思维能力和创新能力，从而达到提高教学效果的目的。

关键词：Ansoft Maxwell；电磁场；电机及电力拖动基础；仿真

作者简介：雷美珍（1980-），女，畲族，浙江杭州人，浙江理工大学自动化系，讲师；任佳（1977-），女，浙江杭州人，浙江理工大学自动化系，副教授。（浙江 杭州 310018）

基金项目：本文系2012年浙江理工大学“嵌入式运动控制”系列课程建设项目、“运动控制系统”精品网络课程建设项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0057-02

“电机及电力拖动基础”是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础课程，主要阐述各类电机的基本结构、工作原理和运行特性。该课程抽象概念多，涉及电、磁、热、力等综合知识，而且还有较多烦琐的公式推导和计算，特别是电机内的电磁场本身又都是不可见的，这就要求学生不但要具有较好的数学基础，而且还要具备较强的抽象思维能力，这给该课程的教与学带来相当的难度。[1]在当前课时少、教学内容多、实践环节薄弱的现实下，如何将理论问题实际化、抽象问题形象化，增强学生对电机的直观认识，提高学生的学习兴趣，已成为广大教师普遍关心的问题。

Ansoft Maxwell是美国Ansoft公司的一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件，便于分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。[2]本文提出了借助该软件对“电机及电力拖动基础”课程中的各类电机进行建模和电磁场分析，利用形象直观的动、静态分析图来辅助教学的思路，有助于加深学生对电机内的电磁场知识的理解，培养学生解决实际工程问题的能力，提高学生学习兴趣和创新能力。

一、教学实例选择

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，被广泛应用于工业自动化领域中要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动系统。随着教学改革的推进，为确保教学内容与时俱进，本课程组对教学内容进行了更新，将永磁同步电动机作为新型微特电机的核心内容引入教学，但学时数只能安排3学时，学生在短时间的抽象理论讲授下，很难较好掌握该内容，在很大程度上影响了该部分内容的教学效果。本文以永磁同步电机作为典型应用案例，采用Ansoft Maxwell对其静态电磁场进行有限元分析，图形化描述电机内磁场的磁力线分布和磁通密度的云图分布，有助于学生对该部分内容的理解和掌握。

三相永磁同步电动机主要由定子和转子两大部分组成的，定、转子中间为气隙，其中定子由定子铁心、定子绕组和机座组成，转子由永磁体磁极、转子铁心和转轴组成。以一台极数为4，定子槽数为24的样机为例，具体电机相关尺寸及参数如表1所示。电机为对称结构，本可以建立四分之一模型，为了使学生更加清晰地掌握Ansoft Maxwell基本几何模型建立方法、激励源加载、力及力矩参数的设置、永磁材料的定义及简单的场图处理方法，本例采用全域求解法，建立电机的全模型进行有限元分析。Ansoft Maxwell软件进行有限元分析的基本步骤主要有：创建项目并指定分析类型、建立电机的几何模型、定义并分配材料、定义并加载激励源和边界条件、求解参数设定、后处理。[2]

二、有限元建模与分析

第一，根据表1所示的永磁同步电机冲片尺寸及相关参数建立电机的几何模型，如图1所示。首先建立定子半槽结构，然后通过镜向操作得到1个完整槽型结构，再利用按坐标抽复制功能，沿Z轴复制24次，即可得到整个电机的定子槽型。按同样的方法可以绘制电机绕组、永磁磁极转子铁心几何模型，需要注意的是在生成定子冲片几何模型时，要充分利用软件的布尔减法运算功能。

教师建立好电机的几何模型后，需要定义材料属性，材料属性的指定是通过材料管理器来实现的，然后把材料属性分配到相应面域上。对于永磁同步电动机静磁场分析，需要指定以下材料属性：指定内部气隙面域属性为空气；指定绕组材料属性为铜；指定定子铁心及转子铁心材料属性为DW465-50硅钢片，由于材料库中没有该材料，且该材料是非线性的，可以根据BH曲线加以定义；定义永磁体材料，矫顽力为-950000A/M，剩磁密度为1.25T，并通过相对坐标系的设置来指定永磁磁极的方向。

第二，需要定义电机的激励，三相永磁同步电动机中存在永磁体激励和定子绕组电流激励，其中永磁体激励在设定材料时已经指定，在此只需定义绕组的电流源。首先根据电机设计方案中的绕组排列对三相永磁同步电动机定子槽中的绕组进行分相，然后设置电流激励源的大小和方向。[3]边界条件设定时，本模型需要对电机求解域的外边界和转子铁芯与转轴的交界两处边界进行分析，由于这两处边界都是高导磁介质与非导磁介质的分界处，应设定为磁通平行边界条件。选择电机内外圆两条边界，设置边界条件为矢量磁位为0，即电机边界无漏磁。

Ansoft Maxwell 软件除了可以计算电机内电磁场外，还可以确定电机转子受到的电磁力、电磁转矩和电机绕组的电感。需要注意的是，这些参数的求解需要事先设定。模型剖分设定时，本文采用基于模型内部单元边长的方法，设定最大剖分单元长度为2mm。完成有限元模型建立、材料分配、载荷添加、边界条件设定和求解项设置后，需要进行分析自检。自检正确通过后，执行求解命令，就可以完成本例三相永磁同步电动机的电磁场有限元分析。

第三，主要完成对场图、曲线、曲面路径的处理和场计算器使用。首先查看电机的场图分布，并与该电机的理论分析进行结果对比，如果合理，说明该模型建立和求解是正确的。反之，则可以根据场图的分布情况检查建模时存在的问题，经过模型修正或更改设置，最终可以得到正确的分析结果，但是场图分析不仅需要掌握该电机的基本原理，还需要有扎实的电磁场知识。由此也表明了“电机及电力拖动基础”课程与之前的先修课程“工程电磁场”是紧密联系的。

在后处理中可以查看电机受到的电磁力、电磁转矩、电感矩阵和磁链等参数信息。需要注意的是，Ansoft Maxwell 进行磁场分析时，Z轴长度是默认以1m深度进行计算的，所以计算实际电机受力和电磁转矩及电感时需要考虑电机的实际轴向长度。

后处理可以观察有限元模型的具体剖分情况，如图2所示。电机的电磁力分布情况和电机磁通密度云图分布情况分别如图3和4所示。

在有限元分析模型里，如果想查看某一条路径上的场量（比如气隙上的磁密大小），需要事先画一条经过气隙的考察路径，然后再计算该考察路径上的磁密的模，最后还可以利用场计算器对这些场量进行数学运算。

三、结束语

“电机及电力拖动基础”是一门重要的专业基础课，教师针对本课程理论性强、概念抽象的特点，利用电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwell辅助课堂教学，并以三相永磁同步电机二维静磁场分析为例，分析了该软件在课程教学中的具体实施过程。该教学方法在本校2010级电气工程及其自动化专业进行实践，结果表明该教学方法形象、直观，能提高学生的学习积极性，达到较好的教学效果。

参考文献：

[1]王冰峰.关于《电机与拖动》课程教学的几点思考[J].高等教育研究，2002，18（4）：82-84.

[2]赵博，张洪亮，等.ANSOFT12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]王振，刘建国，王爱凤.基于ANSOFT的永磁同步电机有限元分析[J].能源研究与管理，2010，（3）：26-33.

（责任编辑：宋秀丽）