JMAG有限元仿真在电机学实验教学中的应用

李祥林，马文忠，王玉彬，冯兴田

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

JMAG有限元仿真在电机学实验教学中的应用

李祥林，马文忠，王玉彬，冯兴田

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

传统电机学实验教学主要侧重电机拖动及驱动控制，而忽略了电机本体运行机理和电磁特性分析的相关实验设计，这与电机学理论教学的重点内容不相符合。有限元仿真技术的发展，为高校电机学实验教学改革带来了新的发展空间。基于JMAG软件，以常见的表贴式永磁同步电机为例，给出电机本体仿真建模过程及电磁特性分析的具体实例，阐述了有限元仿真技术在电机学实验教学中的重要作用。实践表明，基于有限元软件的仿真实验教学直观形象，有利于学生深入理解电机运行机理和电磁特性，激发学生学习兴趣，大大提高实验教学效果和质量，并培养了学生利用有限元软件分析和解决实际工程问题的能力。

电机学； 实验教学； 有限元仿真； 永磁同步电机

0 引 言

随着教学改革的不断深化，电气工程类各学科的教学内容和教学方式都发生了很大变化[1-3]。电机学是电气工程学科的一门专业基础课，在电气领域人才培养中具有十分重要的地位和作用[4-6]。但是，电机学理论性强、概念抽象、推导计算复杂，导致学生理解困难，理论掌握不牢[7]。因此，电机学实验教学作为理论教学的补充，则成为一个重要环节，它既能够促进学生进一步理解和掌握电机理论，又充当着理论学习到工程实践应用的过渡角色[8]。加强实验教学环节，增强学生对理论知识的理解和解决实际工程问题的能力，已经成为高校教育者的共识[9-10]。然而，传统的电机学实验教学主要侧重传统电机拖动及驱动控制[11-12]，而没有电机本体运行机理和电磁特性分析的相关实验设计，这与电机学理论教学重点内容严重脱钩。有限元仿真技术的发展，为高校电机学实验教学改革带来了新的发展空间[13]。为此，在现有电机拖动实验教学基础上，引入基于有限元仿真实验教学，不仅能弥补现有实验教学内容的不足，而且能够帮助学生加深对电机本体结构、运行机理和电磁特性分析的理解和掌握，是对电机学理论教学的一个有力补充。同时，直观形象的有限元仿真实验教学还能有效激发学生的学习兴趣，有利于引导学生将有限元仿真技术应用到工程实践中，提高学生分析解决实际工程问题的能力。本文将以常见的表贴式永磁同步电机(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Machine, SMPMSM)为例，基于JMAG有限元分析软件，给出电机本体仿真建模过程及电磁特性分析的具体实例，来阐述有限元仿真技术在电机学实验教学中的应用。

1 JMAG软件特点

JMAG软件是由日本JSOL公司开发的一款功能齐全，可对电机等多种电磁设备进行精确电磁场分析的有限元计算软件。目前用于电机有限元分析的软件主要有Ansys、Ansoft、Flux和JMAG等[14-15]，相比而言，JMAG软件具有如下特征：① 用户可通过JMAG的图形界面可视化地绘制几何模型；② 拥有庞大的材料数据库和完善的剖分工具；③ 具备电磁以及温度和应力等众多求解器；④ 可以和控制类软件进行耦合实现联合仿真。总之，可视化的建模、简单的界面操作、快速精确的求解计算、开放的联合仿真等诸多优点使得JMAG软件在电机设计分析中得到了越来越广泛的应用。

2 SMPMSM有限元仿真分析

2.1仿真模型建立

图1所示为利用JMAG软件进行电机本体有限元分析计算的流程图，其主要步骤包括：绘制模型、设定条件、求解计算。建立准确的几何模型是实现精确计算的必要前提，JMAG软件提供的形状编辑器(Geometry Editor)中绘制电机模型时，长度参数能够精确到nm级，角度参数能够精确到(10-13)°。图2所示为利用JMAG软件建立的18槽/8极SMPMSM仿真模型，由于该电机为轴向对称结构，故可采用二维仿真建模。与三维仿真相比，二维仿真忽略了端部漏磁的影响，在保证计算精度的前提下，剖分量小，分析计算速度快[16]。

图1 JMAG有限元仿真分析流程图

图2 18槽/8极SMPMSM仿真模型截面结构图

2.2仿真参数设定

在Geometry Editor中绘制好的几何模型，需要导入到JMAG designer中，然后利用JMAG强大的拖拉式设置界面对材料属性以及诸如边界、运动约束等的状态条件进行定义，并根据槽电势星形图设置绕组连接电路，在此基础上设定好剖分参数以及仿真步长后，便可进行求解计算。对于图2所示的18槽/8极SMPMSM仿真模型，求解计算前的条件设定路径具体如下：

材料属性设置：Toolbox → Materials → Project manager → Control；

运动约束条件设定：Toolbox → Conditions → Motion → Project manager → Control；

边界条件设定：Toolbox → Conditions → Boundaries；

绕组电路连接：Project manager → Treeview → Study → Add Circuit；

剖分参数设定：Project manager → Treeview → Mesh → Properties；

仿真步长设定：Project manager → Treeview → Study → Properties → Step Control.

通过分析计算结果以及电磁场分布情况，根据电机性能设计目标，可以在Geometry Editor中调整模型结构尺寸参数，再次导入后进行求解计算，直至获得最优设计方案。表1所示为优化分析得到的一款18槽/8极SMPMSM的相关设计参数。

表1 18槽/8极SMPMSM设计参数

2.3仿真结果分析

2.3.1空载磁场

JMAG软件能够方便地演示转子旋转过程中电机磁场以及磁密分布的动态变化情况，从而能够简洁直观地展示电机的运行机理，这将有助于加深学生对电机中机电能量转换过程的理解。图3(a)所示为转子某一位置下的电机空载磁场分布，图3(b)为此时对应的磁密分布云图，磁密分布能够为电机结构尺寸参数的优化设计提供重要依据。

(a) 磁场分布

(b) 磁密分布图3 18槽/8极SMPMSM空载磁场分布和磁密分布图

2.3.2空载感应电动势

当转子转过1对极，定子磁场相应变化一个电周期，电枢绕组中周期性变化的磁链能够感应出电动势，电枢绕组设计分析是电机学中的重点和难点内容。借助JMAG软件，可以容易地实现电枢绕组的不同连接方式，通过对比分析，学生能够更好地理解不同绕组设计的性能特点，有助于深入掌握电枢绕组设计理论。本文所研究的18槽/8极SMPMSM，每极槽数为9/4，故可采用线圈跨距为2的分布绕组。图4所示为有限元仿真计算得到的额定转速下该电机空载感应电动势波形，其幅值为212 V。电机学中，根据基本电磁定律，理论推导可得到上述电机相空载感应电动势幅值Em的表达式为：

Em=kwNpBgmLaDgωr

(1)

式中：kw为相绕组系数；Np为相绕组串联匝数；Bgm为气隙磁密基波幅值；La为有效轴向长度；Dg为气隙直径；ωr为转子旋转角速度。

根据式(1)，理论计算得到的相空载感应电动势幅值为216 V，可见有限元仿真结果与理论计算十分吻合。

图4 额定转速时，空载感应电动势波形

2.3.3定位力矩

与异步电机不同，在永磁电机中，由于永磁磁场的存在，定子齿槽交替引起的圆周磁导变化，会导致永磁电机在空载时轴上存在定位力矩。借助JMAG软件的磁场分析，可以让学生直观地认识到定位力矩产生的原因，从而加深对定位力矩的理解。利用JMAG软件，有限元分析计算得到的电机定位力矩波形见图5。

图5 定位力矩波形

2.3.4电枢反应

电枢反应是指电枢电流产生的电枢磁场对永磁体所形成的主磁场产生影响的现象。在电机学教学中，对电枢反应的讲解一般基于向量图展开，比较抽象且难以理解。借助JMAG软件，可以直观地展示不同电枢电流下的电枢反应情况。图6所示为3种典型情况，即电枢电流i和电动势e同相位(直轴磁场未受影响)、i滞后e90°(直轴去磁电枢反应)、i超前e90°(直轴增磁电枢反应)时的电机磁密分布图，可以清楚直观地看出施加不同电枢电流对电机磁场产生的影响，这将有助于加深学生对电枢反应的理解。

(a)i和e同相位(b)i滞后e90°(c)i超前e90°(d)磁密标尺

图6 施加不同相位电枢电流，电机磁密分布图

2.3.5电磁转矩

电机学中提到，无刷交流控制和无刷直流控制分别适用于感应电动势接近正弦波或方波的电机。上述18槽/8极SMPMSM的感应电动势为正弦波，故可采用无刷交流控制中的id=0控制策略，即在JMAG软件中，设置所施加的电枢电流i与感应电动势e同相位，此时电枢电流将全部用于做有功。图7所示为采用上述控制策略施加电枢电流6 A时仿真得到的电磁转矩波形，该结果与根据相电动势、相电流、电机转速计算得到的理论值相吻合。在JMAG中，通过施加不同的电枢电流，可以模拟不同控制方法对电机电磁转矩特性的影响，能够加深学生对不同控制策略控制效果的认识，为后续电机调速控制等课程的学习奠定一定基础。

图7 电磁转矩波形

3 结 语

本文基于JMAG软件，对表贴式永磁同步电机进行了仿真建模和电磁特性的分析计算。实践表明，基于有限元软件的仿真实验教学可以达到以下目的：

(1) 能够有效弥补现有实验教学中有关电机本体运行机理和电磁特性分析实验设计不足的问题，可视化的模型建立和磁场变化动态演示能够简洁直观地再现电机运行机理，有效激发学生学习兴趣，提高了实验教学效果；

(2) 使学生对有限元仿真技术有了一定的了解和掌握，为学生后续诸如工程电磁场理论等课程的学习奠定了基础，同时也提高了学生利用有限元软件分析解决实际工程问题的能力；

(3) 对诸如感应电动势、定位力矩、电枢反应、电磁转矩等电机电磁特性的有限元分析，使许多抽象的电磁分析过程形象化，复杂的理论推导得到验证，能够加强学生对电机学课程重点和难点问题的理解，有助于提高理论教学质量。

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ApplicationofJMAGFiniteElementSimulationinExperimentTeachingofElectricMachinery

LIXianglin,MAWenzhong,WANGYubin,FENGXingtian

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

The traditional experiment teaching of electric machinery mainly focuses on the motor driving and control, and lacks the experiments designed for machine operating mechanism and electromagnetic characteristics analysis, which is seriously inconsistent with the key content of electric machinery theory.With the development of finite element simulation technology, there is a large development space in the experimental teaching reformation of electric machinery.By using the JMAG software and taking the surface-mounted permanent magnet synchronous machine as an example, this paper illustrates the detailed finite element analysis process for the machine modeling and electromagnetic characteristics calculation, which indicates the important role of finite element simulation technology in experiment teaching of electric machinery.Practices demonstrate that the experiment teaching based on the finite element simulation is intuitive and visual, can help students establish an in-depth understanding of machine operating mechanism and electromagnetic performances.This effectively stimulates the students’ learning interests, and greatly improves the experiment teaching quality.Furthermore, this can also enhance the ability of students to use finite element software to analyze and solve practical engineering problems.

electric machinery; experiment teaching; finite element simulation; permanent-magnet synchronous machine

TM 301

A

1006-7167(2017)10-0115-04

2016-12-01

中国石油大学(华东)重大教学改革项目(JY-A201401)；国家自然科学基金青年基金项目(51507191)；中国石油大学(华东)教学改革项目(JY-B201612)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(15CX02113A)。

李祥林(1984-)，男，山东泰安人，博士，讲师，主要研究方向为新型电机的设计、分析与控制。Tel.: 15066851211; E-mail：xianglinli@upc.edu.cn