基于ANSOFT軟件建立電機學(xué)虛擬實驗室

張 強， 王維慶， 姜 波， 王紅琳， 瑪依拉

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

0 引言

近幾年，隨著工業(yè)發(fā)展，電機的應(yīng)用范圍變得越來越廣泛。在電力行業(yè)中，電機的地位與日俱增。電機的發(fā)展對《電機學(xué)》［1-2］教學(xué)也提出了更高的要求?！峨姍C學(xué)》學(xué)得好壞對電力專業(yè)知識的掌握起著重要作用。多年教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：由于《電機學(xué)》知識含量大，內(nèi)容涉及不同的發(fā)電機和電動機，學(xué)習(xí)過程中，知識點既有共同處又有各自特點，民族學(xué)生學(xué)習(xí)，一方面由于知識點太多，另一方面，學(xué)生對于電機基本沒有用過，所接觸的也僅僅停留在實驗室里的常規(guī)實驗，對知識的理解停留在以往的知識框架體系中，很難理解電磁場的相關(guān)知識，對電機的相關(guān)知識把握難度大，知識記憶也很容易混淆。因此，本文通過ANSOFT軟件建立起虛擬實驗室，對電機建模仿真電磁場，以立體形象的方式加深電機知識的學(xué)習(xí)。

1 引導(dǎo)學(xué)生熟悉ANSOFT功能和開發(fā)環(huán)境

ANSOFT是一種三維電磁場設(shè)計和分析的軟件，能夠非常方便地進行電磁軟件設(shè)計，可做電磁場方向圖的剖面分析，能夠很容易地進行有限元計算［3-11］。學(xué)生可用實驗室的計算機建立不同的電機模型即虛擬儀器，以實現(xiàn)虛擬電機實驗室的建立［12-14］。根據(jù)自己的需求，定義和設(shè)計電機在不同運行條件下的運行狀況，以仿真和擴展電機的功能。學(xué)生使用ANSOFT軟件能夠方便地改變設(shè)置和功能，形成不同功能的電機。虛擬實驗室突破了傳統(tǒng)意義上實驗的概念［15-16］，使運用為主要目的實驗與仿真內(nèi)部電磁場為目的實驗有機地結(jié)合起來。

學(xué)生將電機參數(shù)、電機運行條件有機地結(jié)合起來，通過加載條件，實現(xiàn)磁場、電場、應(yīng)力分析、能量場分析等多功能分析。建立完全符合自己特殊需求的電機運行系統(tǒng)，如變壓器的渦流，鼠籠式異步電機的電樞反應(yīng)，在短路情況下的能量場分布等。學(xué)生設(shè)計非常方便直觀，吸引了很多學(xué)生進行自主研發(fā)。

2 學(xué)生自主開發(fā)電機虛擬實驗室

虛擬實驗室的硬件［7］一般包括計算機和電機設(shè)備。PC機可以選擇各種類型的通用計算機，它主要用來提供高效的圖形處理、數(shù)據(jù)處理和顯示功能。通過友好的圖形界面操作，自己定義、自己設(shè)計，從而完成電機模型的設(shè)計、分析和顯示等功能。

永磁同步電機在《電機學(xué)》的教材中并沒有過多講述。而其應(yīng)用在現(xiàn)在電力工業(yè)中占有重要的地位。現(xiàn)以永磁同步電機穩(wěn)態(tài)磁場分析為例，引導(dǎo)民族學(xué)生進行永磁同步電機穩(wěn)態(tài)磁場的研究。

（1）設(shè)計條件。三相永磁同步電機，有定子鐵心、定子繞組、永磁體磁極、轉(zhuǎn)子鐵心組成。電機定子內(nèi)經(jīng)、外徑分別為74 mm和120 mm，極數(shù)4，定子槽數(shù)24，電機為對稱結(jié)構(gòu)可以建立四分之一模型，為了更加清晰地了解整個電機模型的建立情況，采用整域求解，問題求解電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩及場圖分布。

（2）設(shè)計步驟。Ansoft軟件進行有限元分析的基本步驟如下：①創(chuàng)建項目及定義分析類型;②建立幾何模型;③定義及分配材料;④定義及加載激勵源和邊界條件;⑤求解參數(shù)設(shè)定;⑥后處理。

2.1 永磁同步電機穩(wěn)態(tài)磁場設(shè)計過程

（1）創(chuàng)建項目及定義分析類型。在項目管理窗口中對項目文件進行重命名以及保存此項目文件。

（2）建立幾何模型。① 繪制電機定子槽幾何模型，如圖1所示。②電機定子沖片模型，如圖2所示。③創(chuàng)建永磁體模型，如圖3所示。④創(chuàng)建轉(zhuǎn)子軛模型和轉(zhuǎn)軸模型如圖4、圖5所示。

（3）定義及分配材料。材料屬性指定的是通過材料管理器來實現(xiàn)的。在建立幾何模型時，所有部件的材料屬性都默認為真空（vacuum）。對于永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)磁場分析，需要指定一下材料屬性：①指定氣隙Air-gap材料屬性-空氣;②指定繞組coil材料屬性-銅;③定義定子鐵心Stator及轉(zhuǎn)子軛yoke材料屬性DW465-50，一種電機常用非線性鐵磁材料;④定義永磁材料，命名為P_Mag，指定給永磁磁極。

圖1 定子槽繞組模型

圖2 電機定子沖片模型

圖3 永磁體模型

圖4 電機幾何模型圖

圖5 電機繞組分布圖

（4）定義及加載激勵源和邊界條件。磁場分析中，每個被分析的問題，至少存在一種激勵源，在永磁同步電機分析中，電機定子繞組電流源與永磁體兩種激勵源，永磁體激勵源在材料管理器中已定義并分配了磁極，因此，在此部分激勵源僅定義繞組的電流源。對于邊界條件，電機求解域的外邊界與轉(zhuǎn)子軛與轉(zhuǎn)軸的交界應(yīng)施加相應(yīng)的邊界條件，此問題中由于兩處邊界均為高導(dǎo)磁介質(zhì)與非導(dǎo)磁介質(zhì)的分界處，因此，施加磁通平行邊界條件即可，這也是電機分析中最為常用的邊界條件。

（5）求解參數(shù)設(shè)定。除了計算電磁場外，還需要確定電機轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的電磁力、力矩及電機繞組的電感等參數(shù)，在穩(wěn)態(tài)磁場分析中，這些參數(shù)的求解需要事先設(shè)定。Ansoft穩(wěn)態(tài)電感轉(zhuǎn)矩的計算是基于特定激勵下，導(dǎo)體包圍區(qū)域的線性磁導(dǎo)條件下計算的，也就是說，電感轉(zhuǎn)矩的計算是對于完整閉合繞組的，而不是對于單根導(dǎo)體而言，因此，在設(shè)定電感轉(zhuǎn)矩參數(shù)時應(yīng)確定每個繞組的回路關(guān)系。執(zhí)行命令，選項中選擇各相的正繞組，選擇每條支路所閉合的負繞組，一構(gòu)成完整的閉合線圈。回路設(shè)置完成后，單擊轉(zhuǎn)矩設(shè)置對話框中的按鈕，由于分析的永磁電機由每相繞組由4個槽繞組構(gòu)成，因此分析每相繞組的電感時應(yīng)將屬于同相的繞組進行分組。有限元分析的模型、載荷、邊界，求解項設(shè)置均完成后，執(zhí)行命令，彈出對話框，當(dāng)所有設(shè)置正確后，每項前出現(xiàn)對勾提示。

（6）后處理。自檢正確完成后，啟動求解過程，求解過程中，進程顯示框中交替顯示系統(tǒng)計算過程的進展信息，如細化部分，求解矩陣，計算力等。選擇解觀察對話框頂部的選項，可觀察統(tǒng)計信息情況，求解本例的起始與終止時間，以及自適應(yīng)求解每步的三角單元數(shù)，占用內(nèi)存等信息。在默認的情況下，收斂數(shù)據(jù)是以表格的形式顯示的。圖形顯示對話框可以直觀的表述出三角單元與收斂次數(shù)、總能量與收斂次數(shù)、能量誤差百分比與收斂次數(shù)、磁場力與收斂次數(shù)之間的關(guān)系等等。首先對模型進行有線元剖分，如圖6所示。之后將鼠標(biāo)移至模型窗口，選擇模型窗口中所有物體，執(zhí)行命令，選擇窗口中的所有物體可以圖形顯示電機等勢線分布，如圖7所示為電機磁力線分布，選擇所有物體可以圖形顯示電機磁通密度云圖分布，如圖8所示。設(shè)計者通過借助于磁力線分布與及磁密云圖的分布，可以確定電機內(nèi)磁場的具體分布，以及各個部分磁場的飽和情況。

圖6 模型剖分圖

圖7 電機磁力線分布圖

圖8 電機磁通密度云圖分布

2.2 學(xué)生設(shè)計過程中的體會

在常規(guī)電機學(xué)實驗室中，電機使用起來其靈活性和多樣性非常有限。而對虛擬電機進行設(shè)計，不但分析內(nèi)容豐富、直觀，對民族學(xué)生理解電機運行原理和運行狀況有很大幫助，而且其測試的內(nèi)容都可以根據(jù)民族學(xué)生的需要進行修改和研發(fā)。這樣的設(shè)計平臺既能使電機的設(shè)計變得簡單易行，具備了可視化、多樣性，而且還能充分地符合現(xiàn)代高校民族學(xué)生的創(chuàng)新思維的要求。

在設(shè)計過程中，學(xué)生能夠了解一個電機的基本結(jié)構(gòu)，運行條件，在ANSOFT編譯后，能直觀的看到電磁場的分布強弱，在相關(guān)的文本格式中，可看到有限元單元的分布參數(shù)。這樣對于民族學(xué)生進行數(shù)據(jù)分析和圖像分析都非常有幫助，在進行設(shè)計后，民族學(xué)生對電機學(xué)電磁場知識有了較深刻地認識。

3 學(xué)生開發(fā)虛擬實驗室的效果分析

虛擬實驗室的新模式給實驗室?guī)砹诵碌脑O(shè)計理念。使得實驗內(nèi)容和實驗過程，變得不再單一。并可根據(jù)不同的民族學(xué)生研發(fā)出不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使設(shè)計具備了個性化和多樣性。

（1）民族學(xué)生參與的積極性呈大幅度上升狀態(tài)。虛擬儀器的可視性、靈活性、簡單易于設(shè)計等多方面優(yōu)點，大大吸引了民族學(xué)生的設(shè)計興趣，開發(fā)了民族學(xué)生的設(shè)計潛能。

（2）民族學(xué)生知識深度和廣度及靈活應(yīng)用的能力也明顯提高。學(xué)生能通過實際設(shè)計會結(jié)合大量的電路知識，在這過程中，學(xué)生能夠反復(fù)分析和查找相關(guān)知識，以達到對電路知識進一步鞏固和加深。不僅僅如此，在設(shè)計過程中，民族學(xué)生也能對儀器儀表的基本要求也有很深的了解。

（3）教學(xué)過程師生互動變得生動活潑，民族學(xué)生在設(shè)計中會提出很多設(shè)計思路和設(shè)計要求，在這些過程中，如何引導(dǎo)學(xué)生進行正確的設(shè)計，對實驗教師也提出了新的要求。

（4）在虛擬實驗室的建立過程中，虛擬儀器充分體現(xiàn)了更靈活、更經(jīng)濟的特點，且能大大擴展電機的功能，很方便實現(xiàn)，學(xué)生通過圖形界面，可以完成對電機建模、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)生成。

（5）常規(guī)電機在使用一定年限后其使用的靈敏度和可靠性都會下降，而虛擬電機的引入，實現(xiàn)了軟件即是儀器，使得電機具備了內(nèi)部分析精度程度高、可靠性高、分析類型廣泛、可維護性好的優(yōu)點，而且對于復(fù)雜的分析過程，它良好的人機界面、簡單而又立體化的操作過程，簡化了電機的操作和分析流程。

4 結(jié)語

“電機學(xué)”實驗課教學(xué)與“電機學(xué)”課程教學(xué)是相輔相成的，通過民族學(xué)生自主創(chuàng)建虛擬實驗室，學(xué)生在鞏固理論知識的基礎(chǔ)上能夠聯(lián)系實際，了解和熟悉不同類型的電機，還能夠通過軟件自己動手創(chuàng)建自己的虛擬電機，開闊民族學(xué)生們的眼界和思路。同時，對于經(jīng)費短缺這一高校面臨的主要困難。虛擬實驗室即可降低實驗設(shè)備成本又可以改善實驗教學(xué)條件。虛擬實驗室的建立效果是非常好的。

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