基于Ansoft Maxwell軟件的異步電動機仿真教學實踐

寧銀行

（上海電機學院電氣學院，上海201306）

1 引言

“電機學”是電氣工程一級學科的一門重要專業基礎課程，涉及變壓器、直流電機、異步電機和同步電機等內容，包括電機的結構、原理、特性等內容，課程知識范圍廣，內容抽象，學生普遍反映不易理解。電機學實驗、實踐等環節教學效果的好壞直接影響到學生對理論知識的理解和應用[1]，加大實驗教學改革是近年來高等教育界形成的共識[2-4]。

由于實驗技術、實驗場地、經費等原因，導致傳統電機學實驗的實驗內容和實驗條件受限，存在內容單一、缺乏創新性等問題[5-7]。為此，不少教育工作者積極呼吁或建議在傳統實驗的基礎上，引入仿真實驗[8-10]，并探討了虛擬仿真技術在教學中的應用

目前，關于電機本體結構、運行機理、電磁分析等實驗教學的文獻報道較少，而這些內容卻是電機學中的重點和難點。以Ansoft Maxwell、Jmag為代表的有限元仿真軟件已經較為成熟，為電機學仿真實驗教學提供了技術保障。本文以異步電機為例，介紹了基于Ansoft Maxwell的仿真實驗。

2 仿真軟件介紹

Ansoft Maxwell軟件是世界上著名的低頻電磁場有限元分析軟件，在工程電磁領域的分析中得到了廣泛的應用。Ansoft Maxwell軟件包括Maxwell模塊和Rmxprt模塊，其中，Maxwell模塊能從“場”的角度（靜態場、渦流場、瞬態場等），完成電機、變壓器、傳感器等電磁裝置的計算和分析；與Maxwell模塊相比，Rmxprt模塊則是采用路算，模塊內集成了十余種常見的電機類型，用戶只需設置相應的技術參數和設計參數，便可快速計算出電機的特性曲線。

3 異步電動機仿真教學實例

異步電動機的定子繞組外接到交流電源，依靠電磁感應作用，使轉子產生感應電流和電磁轉矩，達到機電能量轉換的目的。

表1 技術參數

“電機學”課程中，異步電動機部分主要包括繞組設計、感應電勢、磁動勢、諧波及諧波抑制、磁場、電壓方程與等效電路、功率方程和轉矩方程、參數測定、轉矩特性、工作特性等。

3.1 電機參數

根據教學需要，建立異步電機實例的仿真工程項目，表1和表2分別是實例電機的主要技術參數和設計參數。

表2 設計參數

3.2 電機模型

圖1為鼠籠型異步電機的仿真模型。轉子采用鑄鋁型導條，定子三相繞組為三角形聯結，外接三相交流電源（380 V、50 Hz）。

圖1 鼠籠型異步電機的仿真模型

由實例電機的結構可知，磁場是二維分布，即認為軸向各水平截面上的磁場分布是相同的，因此可以采用2D電機仿真模型來研究電機特性（即在2D模型計算結果的基礎上，再進一步考慮軸向高度）。之所以采用2D模型來等效實際電機，是因為采用2D計算可以大大降低運算量，提高效率。通過本環節，使學生了解電機的基本結構及其各部件的材料屬性。此外，使學生明確仿真模型與它的實際結構并非完全相同，仿真建模時，應遵循“突出主要矛盾，簡化計算”的基本原則。

3.3 電機繞組

電機交流繞組方案較多，可以采用雙層繞組，也可以采用單層繞組。單層繞組又可分為同心式、鏈式、交叉式。其中鏈式繞組中所有線圈節距相同，而同心式和交叉式繞組中則無法保證所有線圈的節距是相同的。

根據實例電機的極槽配合，計算出電機的每極每相槽數q=36/（4×3）=3，采用交叉式單層繞組，如圖2所示。屬于同一相帶內的線圈節距是不同的，以A相帶為例，節距分別是8、8、7（以槽數計）。

一般而言，若q為偶數，則可以采用鏈式單層繞組；若q為奇數，則可以采用交叉式單層繞組。

通過本環節，提高學生對電機繞組設計的理解和應用，涉及的知識點主要有節距、合成節距、節距因數、分布因數、繞組因數、相帶、繞組類型等。在仿真實驗中，引導學生結合繞組知識，思考為何如此設計、是否必須如此設計。

相對于單層繞組，雙層繞組的節距設計自由度大，易于實現。關于單層繞組和雙層繞組的選擇，在仿真教學中，僅取其中一種方案作為主線，其他繞組方案則作為拓展性內容。本教學實例中，則是以單層繞組為主線，而如圖3所示的雙層繞組，則由學生自行完成分析。

圖2 單層繞組

圖3 雙層繞組

3.4 電機內磁場

圖4和圖5分別是空載時的磁力線和磁場分布云圖。從圖中可看出，磁場分布是不均勻的。由于線圈感應電勢與磁場大小密切相關，因此，要引導學生關注氣隙磁密情況。

氣隙磁密是電機學中一個重要的知識點。例如在分析線圈電勢、相電勢時，首先給出的便是氣隙磁密。圖6是實例電機空載時的氣隙磁密波形。從圖中可以看出，仿真計算的氣隙磁密與電機學教材中給出的正弦波形并非完全一致。這是因為仿真軟件較為精確地考慮了定轉子的齒槽效應。

圖4 磁力線分布

圖5 磁場分布

圖6 氣隙磁密

通過本環節的學習，提高了學生對電機內磁場分布的認識，在此基礎上，使學生進一步思考磁場和電氣特性的關系。例如，由氣隙磁密波形特征可知，磁場中含有基波和豐富的諧波，為此引出諧波電勢、齒槽轉矩以及諧波抑制等知識點。

3.5 感應電動勢

圖7為電機空載時的相繞組感應電勢。電機學教材中導出的相基波電勢：

在仿真項目中，通過改變相關參數（頻率f、每相總串聯匝數N、繞組因數kw1、極距τ、電機軸向長度l等），觀察每極磁通Φ1、氣隙磁密基波幅值B1、相電勢EΦ1的變化情況，深刻理解電機內電和磁的關系。

從圖7中可以看出感應電勢的波形正弦度較好。對比氣隙磁場（圖6）和感應電勢波形（圖7），表明通過合理的繞組設計（“節距”和“分布”），能較好的抑制諧波。

在仿真工程項目中，調整繞組設計參數、斜槽等，觀察氣隙磁密、感應電勢、齒槽轉矩等波形變化，加深對諧波和諧波抑制概念的理解，使學生認識到繞組設計在電機中的重要性。

圖7 感應電勢

圖8是電機空載起動相電流變化情況。電機起動時，初始階段轉速較低，繞組內部感應電勢較小，因此外部電壓直接作用時，相電流較大，如圖8中所示起動電流最大值是穩定值的10.6倍。較大的起動電流，會對電機產生較大的危害，由此可引導學生思考電機的起動方式，比如降壓起動、串電阻起動（考慮是否可以）等。

圖8 空載起動時的相電流

空載時，電機的穩定電流主要用于建立電機的主磁場，產生相繞組感應電勢，并與（繞組電阻以及損耗所對應的等效電阻）電阻壓降一起，和外部供電電源構成電壓平衡。該電流的大小與主磁路的等效阻抗（尤其是激磁電抗）密切相關。因此，可以通過空載電流的大小變化，使學生體會激磁電抗的影響因素。例如，在仿真項目中，調整繞組匝數N、氣隙長度δ、電機軸向長度l等，觀察空載穩態電流大小的變化，有助于理解教材中導出的等效電路和電抗表達式：

3.6 工作特性

三相異步電動機的輸出特性主要體現在轉矩和轉速上。圖9是實例電機的電磁轉矩Te與轉差率s的關系曲線。本環節涉及轉矩表達式、最大轉矩、堵轉轉矩等知識點。

在額定電壓時，電機的電磁轉矩Te與轉差率s的關系式為

圖9 T-s特性曲線

在仿真項目中，調整供電電壓的幅值、頻率以及轉子電阻（改變轉子導條的電導率）等參數，觀察轉矩曲線的變化，尤其是堵轉轉矩、最大轉矩等。通過仿真實驗，進一步增強對轉矩表達式的理解。

4 結語

本文介紹了異步電動機的仿真教學實例，突出了基本知識點和基本概念的趣味性，增強了課堂教學效果。Ansoft Maxwell作為專業的電磁計算軟件，能夠支撐電機學課程的仿真實驗，并能夠支持完成創新性綜合設計，鼓勵學生融合電機學、電機設計、電力拖動、電力電子、自動控制原理等知識。