ANSYS軟件輔助電機學課程教學的探索

摘要：闡述了電磁場計算在電機工作原理分析和性能評估過程中的重要性，介紹了在電機學課程教學中引入電磁場有限元計算軟件ANSYS的教改探索，并給出了用ANSYS來輔助電機學教學的具體仿真和教學實例。實踐表明，在教學中使用ANSYS軟件，能有效地幫助學生形象理解課程中的有關電磁原理，激發學生的學習積極性，提高教學效果和質量。

關鍵詞：電機學；ANSYS；電磁；有限元

作者簡介：王堅（1972-），男，江蘇無錫人，南京工程學院自動化學院，講師，東南大學電氣工程學院博士研究生。（江蘇 南京 211167）

基金項目：本文系南京工程學院創新基金項目（CKJ2010007）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）24-0058-02

電機學是強電類專業的一門重要的專業基礎課，也是學生由多年理論課學習轉為專業課學習的中繼課程。該課程的特點是需要運用基本物理學原理來分析電機運行過程，與工程實際結合緊密，理論性強，抽象概念多，推導多，計算多，涉及的電磁場內容多。學生普遍反映電機學是門較難學的課程。[1]

電機學以通用變壓器、異步電機、同步電機和直流電機四種電機為主要研究對象，對電機工作原理部分所涉及的電磁場理論的理解和掌握是電機學教學難點。[2]傳統教學過程過多地依賴單純公式推導和講解式理論教學，一方面，這將使得原本難以理解的電磁原理更加抽象化，使學生失去了應有的學習興趣；另一方面，也容易導致理論與實踐脫節，使學生難以擺脫從課本到課本的循環。針對電機學的教學現狀，必須改革其教學方法和教學手段。在教學中引入ANSYS電磁仿真軟件進行輔助教學，模擬各種電機實際物理運行過程，可以加深學生對抽象的電機電磁場原理以及工程應用的理解，提高學生的學習興趣，并提高其分析和解決實際工程問題的能力。

一、電機電磁場仿真與ANSYS軟件

電機是機電能量轉換裝置，它包含有電磁系統和機械系統兩個方面，而電磁場是機、電磁系統之間進行能量轉換的耦合媒介。機電能量的轉換過程始終伴隨著電能、磁能、機械能的儲存和相互之間的轉換。由于耦合場的介質往往是非線性的，且磁場的分布是三維空間的，所以，要精確地分析電機的有關電磁參數和運行性能，充分揭示電機的內在本質，必須應用場的分析方法。此外，對于新型電機的研制和大電機的開發，由于沒有成熟的電機設計方法，只能依靠電磁場的分析。而在求解實際工程中的電磁場問題時，需要借助數值計算過程。由于有限元法在求解復雜結構、復雜邊界、非線性以及時變場問題時有著不可比擬的優勢，因此是目前應用最廣泛的一種方法，在電磁場數值計算中占主導地位。

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。利用ANSYS進行電磁場分析，可方便地對以下問題進行研究：電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、力、運動效應、和電路等。其電磁分析模塊適用于對各種變壓器、發電機、電動機等電機裝備進行場量計算、參數分析和整機性能預估。

二、應用實例

1.磁路定律與Ampere環路定律

Ampere環路定律是磁路定律的物理依據，前者描述的是“場”的屬性，而后者關注對進行“場”簡化得到的“路”，顯然后者是前者的近似等效形式。兩定律之間的關系和變換過程可以利用ANSYS分析典型的磁路模型加以形象地說明。

Ampere環路定律揭示了電流產生磁場，或者說，磁場的根源是勵磁電流。在ANSYS中建立如圖1所示三維有限元分析模型。[3]其中環形鐵心由20片硅鋼片疊裝而成的，繞以100匝線圈，勵磁電流為有效值1A的市電。由于模型的對稱性，只分析1/2 模型即可。硅鋼材料電導率為5 MS/m，相對磁導率為1000。

圖2給出了有限元仿真得到的勵磁電流和磁場分布，從圖中可以看出以下幾點：

（1）圖2（a）中所示勵磁電流方向與2（b）中所示磁場方向滿足右手螺旋法則，并且勵磁電流的大小決定了磁場的強弱；

（2）鐵心中磁場分布是不均勻的；

（3）鐵心以外的空氣中也四處散布著漏磁場，但其在數值上遠遠小于鐵心中磁場。

因此，在電機和變壓器里，常把線圈套裝在鐵心上，當線圈中流過電流，在線圈周圍的空間就會形成磁場。其中鐵心由鐵磁材料構成，導磁性能比空氣好得多，磁通幾乎全部在鐵心中流通，而在空氣中只存在少量雜散的漏磁通。所以在定性分析時，電機中的磁場可以簡化為磁路來處理。類比于電路的電阻定義式，可以定義磁路中磁阻的關系式。但必須注意的是，磁阻只是在形式上類似電阻，在磁路中其并不具備電阻在電路中類似的物理意義。例如，消耗在電阻上的焦耳損耗可以用I2R的關系求解，而耗散在磁路中的鐵耗是無法借助磁阻用類似關系進行計算的。再引入磁動勢即磁場源的概念，可得在形式上類比于電路Ohm定律的磁路（Ohm）定律表達式，磁路定律的正確性也很容易利用圖1所示分析模型進行數值驗證。

通過以上實例引導和分析，可以使學生加深對電機磁場和磁路概念的理解，并拓寬知識面，提高學習電機學課程的興趣。

2.同步電機運行原理

與感應電機一樣，同步電機也是一種常用的交流電機。同步電機在穩態運行時，轉子的轉速n（即同步轉速）與電網頻率f之間滿足：

（1）

式中p為極對數。由（1）式可以看出，當電機的極對數和轉速一定時，發出的交流電流頻率也是固定的。我國電力系統的標準電流頻率為50Hz，因此將同步電機設計成一對極時，它的轉速必定是3000r/min，設計成二對極時，轉速必定是1500r/min，依次類推。

利用ANSYS建立如圖3所示四極凸極式轉子同步發電機的二維分析模型。轉子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈；定子鐵心的內圓均勻分布著定子槽，槽內嵌放著按一定規律排列的三相對稱交流繞組。由于感應電流產生在定子繞組，因此同步發電機的定子也稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組（這里提示學生聯系與比較：普通直流電機轉子區為電樞）。

當轉子磁極上勵磁繞組通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場（也稱主磁場），如圖4所示。原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場一起旋轉并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電動勢。通過引出線，即可提供交流電源。定子上用三個集中整距線圈來代表實際的三相分布繞組，而集中線圈的匝數等效為，則每相感應電動勢有效值的電路參數表達式為：

（2）

感應電動勢可以利用ANSYS有限元計算得到，對應的電磁場場量表達式為：

（3）

式中為運動的轉子與靜止的電樞之間的相對速度。

通過以上同步電機拓撲結構介紹和電磁實例分析，另附以有限元仿真得到的電樞感應電動勢等波形圖進行輔助教學，將抽象的理論教學形象化，便于學生接受。輔助教學實施過程中，一方面能使學生更容易理解同步電機結構和工作原理，另一方面也據此闡述電機學中的各種電路參數公式均有其相應的電磁場量表述——“路”是“場”的簡化。

三、結語

ANSYS是功能強大的有限元數值計算軟件，能有效模擬電機幾乎所有的電磁過程。限于篇幅，作為拋磚引玉，本文只介紹了兩個輔助教學的實例。實際上，在講授各種電機的工作機制即電磁原理時，利用ANSYS開發相應的典型分析模型用于輔助教學，效果都非常不錯。在電機學課程教學中運用ANSYS軟件，能通過真實再現各種電機工作的物理原理，使許多抽象的概念和公式形象化。實踐表明，引入ANSYS進行輔助教學，可以幫助學生理解課程上的難點，從而提高學生的學習興趣，改善教學效果。

參考文獻：

[1]胡虔生，胡敏強.試談電機學課程體系改革[J].電氣電子教學學報，

2006，28(3):6-8.

[2]胡虔生，胡敏強.電機學[M].第2版.北京:中國電力出版社，2009.

[3]J. Wang，H. Y. Lin，Y. K. Huang，and L. Huang. Numerical Analysis of 3D Eddy Current Fields in Laminated Media Under Various Frequencies[J].IEEE Trans.Magn.，2012，48(2):267-270.

（責任編輯：劉麗娜）