Maxwell軟件在電機實驗教學中的應用*

谷愛昱 董佳楠 郭藝偉

(廣東工業大學自動化學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

電機學課程與實際工程問題緊密聯系，是一門復雜又綜合性強的工程實踐學科，實踐教學環節極為重要[1～3].通過電機學實驗教學，能夠實現理論教學的補充，促進學生理解和掌握電機理論.然而，傳統的電機學實驗教學側重于各類電機的運行特性，缺少電機本體運行機理和電磁特性分析相關實驗內容，電機學理論教學重點內容沒有得到充分體現[4,5].

隨著計算機技術發展與各類有限元分析軟件的出現，虛擬仿真技術在電機結構設計和特性分析方面起到越來越重要的作用.針對當前電機學實踐教學存在的不足，我校電機學教學團隊在電機學實驗教學過程中引入電磁仿真技術，補充和完善實踐教學，以適應學科發展對電機學教學的要求.

Maxwell軟件作為一款工業應用廣泛的電磁場分析軟件，在二維、三維靜態與動態電磁場仿真中都具有很高的精確度[6].Maxwell采用圖形化建模，降低了入門難度，是一款較為合適的電機設計與教學輔助軟件.本文將以單相變壓器實驗為例，說明基于Maxwell 軟件平臺的電機仿真實驗建設途徑.

2 實驗內容

單相變壓器仿真實驗包括空載和負載兩個實驗內容.通過空載實驗了解變壓器主要結構——鐵心和繞組，觀察磁場分布和空載電流波形.通過負載實驗完成變壓器外特性曲線，掌握電壓調整率概念，深入理解負載性質對變壓器輸出電壓的影響.仿真實驗內容如表1所示.

表1 變壓器仿真實驗內容

3 Maxwell軟件建模

圖1給出了Maxwell建模的具體流程，主要包括：建立模型、設定條件和求解計算.

圖1 Maxwell建模流程

詳細步驟為：

(1)打開Maxwell軟件，進入仿真軟件界面，如圖2所示.分為工程管理欄、工程狀態欄、工程信息欄、工程進度欄、工程樹欄和工程繪圖區.

圖2 Maxwell仿真界面

(2)根據變壓器的幾何尺寸，在工程繪圖區依次畫出變壓器的鐵心、一次繞組和二次繞組，建立有限元2D模型.

(3)按照變壓器實際所用材料，定義和分配單相變壓器有限元2D模型的鐵心和繞組部分材料屬性，如圖3所示.Maxwell有自帶的材料庫，也可以根據需要創建材料庫.通過改變材料屬性可以觀察不同材料對電機性能的影響.在單相變壓器實驗中通過鐵心材料的設計可以幫助學生理解鐵心飽和、漏磁等概念.

圖3 單相變壓器有限元2D模型

(4)設置邊界條件和激勵源.圖4是瞬態磁場求解器激勵源的設置，類型為外電路激勵源.圖5是單相變壓器外電路總圖，可以靈活設置負載阻抗Z的大小和性質.將外電路與有限元連接.

圖4 激勵源設置

圖5 單相變壓器外電路總圖

(5)剖分設置.合理的剖分可以在加快求解的速度下保證求解的精度.

(6)設置求解選項，針對變壓器選擇靜磁場和瞬態磁場求解器.

(7)檢查驗證，有限元仿真求解.

(8)通過場的分布和量級驗證有限元模型的正確性.

(9)后處理.查看曲線、曲面路徑的場量，以及對場計算器的應用.

4 Maxwell仿真分析

圖6為空載狀態下的變壓器外電路，激勵源在低壓側，高壓側電路阻抗設置為無窮大.

圖6 空載狀態下變壓器外電路

在工程管理欄的工程項目下，依次點擊results-create field report，得到空載下的電壓、電流等信息，處理后如圖7所示.

圖7 空載下電壓和電流波形

選中鐵心區域，點擊菜單欄上Maxwell 2D/Fields/Fields項，在Fields 場圖列表中繪制各種類型的場圖，包括矢量磁位A、磁場強度H、磁感應強度B和電流密度J等.圖8為變壓器空載磁場圖，不同色彩所代表的磁場強度大小以及曲線走向，說明了磁路的飽和程度與變化趨勢.另外，可以將不同時刻的磁場圖做成連續動畫，更加生動形象地詮釋 1個電周期內的磁場變化.

圖8 空載磁場圖

調整圖5中負載阻抗的大小和性質，獲得變壓器外特性曲線，如圖9所示.

圖9 變壓器外特性曲線

通過負載仿真實驗，可以清楚地觀察到變壓器輸出電壓不僅與負載電流大小有關，而且與負載性質有關，彌補了當前實物實驗室的不足.

5 結論

虛擬仿真技術的發展對傳統的實驗教學方式方法產生了巨大的影響，虛擬仿真技術應用于實驗教學是教學發展的方向.我校將有限元軟件平臺Maxwell應用于電機學實驗教學中，加深了學生對專業學習中相關內容的理解，實現了專業能力的提升.