电机设计与转矩评估虚拟仿真实验研究

朱孝勇， 蔡晓磊， 黄永红， 徐 磊， 康 梅

(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

近年来，电动汽车、智能制造、航空航天等战略性新兴产业快速发展，对电机系统的设计与控制提出了更高要求，也对电机类专业人才的需求更加迫切。

“电机学”作为电气工程及其自动化专业人才培养的关键核心课程，课程理论性强、概念抽象难懂，牵涉电、磁、热、机械等综合知识。在电机应用的不同领域，以电动汽车驱动应用为例，电机的设计、加工制造、测试存在周期长、成本高、风险大、台架测试条件苛刻等问题，限制了实验教学的有效开展[1～3]。

项目依托江苏大学在电动汽车驱动电机领域的鲜明特色和科研优势，结合专业人才培养目标要求，根据“电机学”课程教学大纲，将课程中“电机结构与运行原理”、“电机参数基本设计与分析”、“电机性能测试与评估”等知识点与电动汽车应用场景中的动力需求有机融合，提出“电动汽车电机设计与转矩性能评估”虚拟仿真实验项目[4]。

1 项目建设的必要性

“电动汽车电机设计与转矩性能评估”实验旨在培养学生创新开发能力和综合运用专业知识解决工程问题的能力，但在实体实验过程中存在诸多困难，比如：电机磁场看不见摸不着，电机绕组排列复杂、连接方式多样，电机内部磁场耦合关系难以直观描述等，可见，开展虚拟仿真实验教学具有十分重要的现实意义[5、6]。

1.1 有利于解决真实实验不可及的问题

作为电动汽车的核心部件，电机在设计、加工、测试等方面存在如下特点：

(1)高危险：电动汽车驱动电机功率大(30～200kW)、运行速度高(15000 rpm)、运行电压高(600V)、电流大(300A)。

(2)高成本、高消耗：电机的设计制造周期长，成本高，对工艺要求也比较高。

(3)高危险、高成本、高消耗、难实现：电机实验测试操作复杂、专业性要求非常苛刻，实验配套成本高，实现困难。

(4)资源缺、受众广：电动汽车电机领域人才稀少，但市场需求大。

从以上特点可以看出，要求每个学生都设计加工一款电机，并将这些不同参数的电机都放在专业台架上测试，再安装到电动汽车上运行，这在实体实验中几乎不可能实现。因此，对该类设计性和综合性实验，开展相应的虚拟仿真十分必要[7]。

1.2 有利于课程目标的达成

通过虚拟仿真技术完成“电机学”实体实验教学中“做不到、做不好、做不了、做不上”的项目，引导学生有效掌握电机基本设计方法，掌握电机的关键参数变化对电机转矩性能的影响等课程相关核心知识点，培养和锻炼学生解决复杂工程问题能力，满足新兴专业对人才需求[8]。

1.3 有利于优质教学资源的开放共享

按照国家虚拟仿真实验项目要求建设本项目提出的虚拟仿真实验，通过在线平台，既实现了教学资源的最大化利用，又通过资源开放共享，辐射到全国高校和相关行业企业[9～11]。

2 虚拟仿真实验项目建设

2.1 项目建设方案

实验项目以电动汽车为应用对象，按照电动汽车电机的认知、在线设计、平台测试和性能评估的一般流程开展，由浅入深、循序渐进，通过变化电机的基本参数，实时观测电动汽车运行状况，在设计、测试过程中可以持续改进、优化，让学生在分析电动汽车性能指标的基础上，深刻理解电机基本参数的变化对电机性能的影响，满足课程教学与实践的需要[12]。

该项目秉承能实不虚、虚实结合的原则，设计成四个模块：实验简介模块、电动汽车认知模块，电机设计模块，电机测试与性能评估模块(包括试验台架测试环节和整车道路测试环节)，实验项目整体框架如图1所示。

图1 实验项目整体框架图

2.2 实验项目模块组成

本实验项目四个模块具体内容如下：

(1)实验简介模块：通过文字、图片介绍本实验的实验背景、实验目的、实验流程等内容。

(2)电动汽车认知模块：主要展示电动汽车整体结构以及各部件原理和功能，重点描述电动汽车常用的永磁电机和感应电机的结构组成、运行原理。

(3)电机设计模块：选择商用车或乘用车，计算该车型电机参数值，并根据计算的参数值进行设计，设计完成后，校核磁力分布，校准无误后生成虚拟电机样机。

(4)电机测试与性能评估模块：包括试验台架测试环节和整车道路测试环节两部分。在试验台架测试环节，把设计加工的虚拟电机安装到试验台架上测试，若该电机在台架上的测试数据不能满足基本要求，则返回上一单元模块重新设计电机；若台架测试合格，则进入道路测试环节，按照电动汽车整车测试的国家标准，主要测试电动汽车爬坡能力。

后续还将增加“挑战度”、“高阶性”的实验项目内容，如开放更多电机参数进行设计以及引入竞技模式等。通过建立综合设计型、研究探索型多任务多层次的虚拟实验项目，充分调动学生的积极性和主动性，有效提升实验教学效果。

2.3 实验内容建设

本实验项目基于真实电机设计参数模型，应用有限元仿真软件计算电机参数，根据不同车型需求，引导学生自主学习，自学设计，将电机的电磁参数、定子绕组匝数与电机功率、效率、转矩等性能关系建立直接联系，完整再现从需求到电机设计、测试、评估的一般过程。实验过程中，实时改变电机绕组匝数及永磁体尺寸，将复杂抽象的电机磁场形象直观显示，并通过专业台架测试及整车道路测试，将课程知识点融入到虚拟仿真实验中[13]。实验项目内容及流程如图2所示。

图2 实验项目内容及流程

(1)学生根据项目中的实验引导，通过在线电机设计、电机磁场分布对照、台架测试和爬坡等多场景测评，可以学习和掌握电动汽车电机设计、平台测试和性能评估的一般流程。

(2)实验过程中，学生可以学习和探究不同类型电动汽车驱动用电机的电机种类、尺寸、结构参数与电机性能的定性与定量关系。

(3)通过台架测试，重点让学生掌握绕组匝数及永磁体尺寸等基本参数的变化对电机转矩性能等的影响。通过道路测试，建立起关于电动汽车驱动用电机与电动汽车爬坡能力的认知关系，使学生对电机参数，电机性能，电动汽车性能及其相互之间的关系有更为深入的理解。

2.4 实验结果评价系统

2.4.1实验考核评价模块

实验过程中，平台自动记录学生在各个模块环节学习的结果、测试的数据以及得到的参数，电机设计测评结束后，学生在线提交，平台将会自动生成实验报告，对整个实验过程进行综合评价。实验报告内容包括：实验考核评价数据、实验结果分析和实验方案改进措施等。

实验报告中的实验考核评价包括：预习考核、认知考核、操作考核、达成度考核等几个部分，具体描述如下：

(1)预习考核：在线实验之前学生需要预习，查阅文献资料，完成预习报告，对电机参数进行计算，教师对该部分进行考核。

(2)认知考核：学生需要通过实验项目中“实验简介”、“实验指南”进入相应环节，了解实验目的、实验原理、认知电动汽车结构、熟悉永磁电机与感应电机结构及运行原理。学生在该环节还需进行相关知识点考核，然后进入实验操作部分。

(3)操作考核：学生的实验操作步骤应正确、规范，实验中操作有误，则相应扣分。例如：未按照标准要求设计电机、对应电机参数错误、测试过程步骤错误或者数据测试不全等，均扣除对应的实验操作分。

(4)达成度考核：学生根据实际需求设计的电机，参数合理，满足各项测试指标，符合实际应用。例如，在台架测试过程中，通过数据采集单元获得反电势、电压、电流、转矩、效率等都在理想范围内；道路测试过程中，爬坡度满足要求，当台架测试和道路测试都满足需求，则达成度考核通过。

目前正在探索创设以竞赛方式进行考核的创新性评价方法，合理引导学生自主学习，培养学生对实验的兴趣，极大程度的改变实验枯燥无味的局面，增强实验的趣味性。

2.4.2实验评分标准

实验项目评分标准如表1所示。

表1 实验评分标准

将表1中评分等级与所对应分数建立关系，如表2所示。

表2 评分等级与对应分数

最终，实验报告得分为表1中各模块权重分数之和。

3 实验项目建设效果

本虚拟仿真实验项目解决了实体实验高危险、高成本、高消耗、难实现等问题，学生在开放、自主、交互的虚拟环境中，安全、经济、高效地进行实验，取得良好的教学效果。

(1)利用虚拟仿真技术，将电机设计在虚拟环境中体现，可以极大的提高教学过程的直观性和现实性，学生通过虚拟仿真教学平台的实验和学习，可以掌握电机设计、测试、评估、分析的方法与能力，熟悉各种实验设备、实验方法，了解电动汽车电机行业较先进的制造设备和设计理念。

(2)本虚拟仿真实验重视认知，技能，情感等多种目标的协同达成，实验过程中，通过“电机小助手”传递信息鼓励学生动手实践，激发从事电机行业工作的积极性和主动性。同时将“立德树人”、“节能减排”等思想融入到实验项目中，促进了整体教学目标的推进，注重实践性和思想性教学的有机结合[14]。

(3)通过本虚拟仿真实验项目的训练，显著提高学生的自学能力、实验动手能力、分析和解决实际问题的能力。

(4)向社会推广后，可以通过开放共享平台为中西部教育资源落后地区提供教学服务，意义重大。另外，企业技术人员也可以充分利用本虚拟仿真项目，在电动汽车电机相关研发的过程中，帮助汽车电机研发机构和生产厂家及时对产品进行相关验证，缩短研发周期，降低研发成本，规避可能的问题[15]。

4 结语

本虚拟仿真实验项目紧扣《电机学》教学大纲，将课程中的知识点与电动汽车应用场景有机结合，采用虚拟仿真技术，建设成具有验证型、综合设计型、研究探索型的多功能、开放式共享实验教学平台。学生通过该平台完成自主研习、综合设计、测试评估、改进与探究等环节，熟练掌握相关课程知识点，为实现课程目标奠定基础。实践表明，本项目解决了电机类实验周期长、危险性大、成本高、学生主动参与度低、实体教学实验难以实现的突出矛盾，有效地延伸了学生进行实验的空间和时间，增强了实验效果，提高了教学效率。