融合虛擬仿真技術的“電機學”教學探索與實踐

摘要：在國家大力倡導新工科專業教學改革的背景下，將虛擬仿真技術融入電機學的課程教學，探索該教學模式的主要優勢。本文以一臺72槽12極永磁同步電機為研究對象，通過Maxwell仿真軟件進行建模、仿真和分析，通過模型理解電機的基本參數概念，直觀展示電機運行過程中磁路的變化，通過仿真結果，詳細分析各參數與電機輸出結果之間的關聯。通過直觀的圖形界面、豐富的結果展示等，幫助學生直觀理解永磁電機的電磁特性、機械特性，鞏固電氣工程及其自動化專業的教學內容和目標，為人才培養模式改革提供參考。

關鍵詞：電機學；虛擬仿真；有限元仿真；課程改革

1概述

在電氣工程及其自動化專業課程體系中，電機學課程一直扮演著重要的角色。然而，傳統的電機學課程教學方式面臨著諸多挑戰，如理論知識抽象性高、實踐操作難度大等問題。為了應對這些挑戰并提高教學效果，許多學者和教育機構開始探索運用虛擬仿真技術輔助電機學課程教學的方法。

虛擬仿真技術作為一種現代化的教學手段，在電氣類專業教學中具有巨大潛力。文獻［1］分析了虛擬仿真技術在電氣類專業實驗教學中的應用現狀，并提出了一系列改進措施，為高校虛擬仿真實驗課程建設提供了有益參考。徐磊等則提出了基于虛擬仿真教學資源的混合式課程教學模式，通過拆解虛擬仿真實驗項目任務并融入課堂教學，有效提升了學生學習興趣和團隊合作意識［2］。特別是在電機學課程中，虛擬仿真技術的應用更是備受關注。在文獻［3］中強調了虛擬仿真技術在電機學課程教學中的重要性，并探討了其應用策略，希望為高校電機學課程教學提供技術支持與理論參考。同時，文獻［4］指出了引入現代計算機仿真技術進行電機教學的緊迫性和必要性，并以開關磁阻電機為對象構建了科學、綜合、工程實踐性強的仿真訓練項目，從而提升了教學效果。另外，虛擬仿真技術還可以有效地幫助學生理解電機學課程中的抽象概念和理論知識。通過借助虛擬樣機技術，將電機學課程復雜抽象的理論知識圖像化和具體化，達到了形象生動、立體感強的效果，加深了學生對課程知識的理解與掌握［5］。

然而，如何更好地整合虛擬仿真技術于電機學課程教學中，并實現教學過程和教學成果的有效銜接，仍然是亟待探討和解決的問題。因此，本文通過運用Maxwell仿真軟件實現電機本體設計和分析過程，旨在探討運用有限元仿真軟件進行電機學課程教學的改革，采用理論教學與虛擬仿真相結合的教學方法，將抽象的機、電、磁的關系形象化、立體化，加深學生對電機空間感的認知和掌握，以期為提升電機學課程教學效果提供新的理論和實踐支持。

2Maxwell電機建模

永磁電機因其較高的轉矩密度和更寬的調速范圍，在電氣化交通領域的牽引應用中備受關注，尤其是在電動汽車或混合動力汽車領域越來越受到青睞，其在未來的應用中占據絕對的優勢［6］。而永磁電機由于參數復雜繁多、參數性能關聯性高、空間磁場概念抽象等特點，使學生在學習過程中難以理解。因此，本文運用Maxwell仿真軟件對經典永磁電機進行建模和分析，通過直觀的建模過程、立體的電機模型、量化的分析結果，清楚展示各參數與電機性能之間的關聯，從而激發學生的學習興趣，加深對電機整體的理解，使電機學的學習形成由淺入深、由簡入繁、由形象到具體、由理論到實踐的體系。

在眾多有限元分析軟件中，Maxwell軟件是電機電磁場仿真中最重要的軟件之一。圖1為運用Maxwell構建的72槽12極永磁電機，主要結構包含定子、轉子、磁鋼、電樞繞組等，具體參數如表1所示。

額定功率為1.4kW，轉速為1500r/min，建模時可選擇手動自建模型和運用Maxwell中的RMxprt自動構建，模型材料可在模型庫中選擇，如果需要特殊材料，可根據材料BH曲線等材料特性自建材料庫。完成模型構建后，通過添加激勵、運動區域、邊界條件和網格剖分等一系列設定后，進行運行和仿真分析。

3電機有限元仿真分析

3.1電機磁路分析

圖2詳細說明了在空載情況下，永磁電機在不同轉子電氣角度時激發的磁場。從圖中可以清晰地看出轉子旋轉時永磁體激發的磁場分布情況，磁力線從磁鋼到轉子，穿過氣隙后進入定子，形成環路的過程，整個過程將抽象的磁路概念形象化、具體化呈現。

（a）0°

（b）180°

（c）90°

（d）270°

圖2永磁電機1/12模型空載時轉子在不同電氣角度下的磁通分布

圖3空載時不同轉子電氣角度下的A相磁鏈

結合圖3空載情況下磁鏈的變化過程以及永磁電機在電場激勵下的電磁特性，可以使學生更加清晰地理解電機的旋轉原理。在0°和180°轉子電氣位置時，可觀察到磁通的負峰值和正峰值，而在90°和270°轉子電氣位置時，磁通的幅值為零。磁通振幅變化的這些特征驗證了磁通增強和弱磁通減弱的過程。值得注意的是，永磁勵磁時的磁力線波形與圖2中描述的磁力線吻合。

3.2電機反電勢分析

圖4顯示了永磁電機空載時，由永磁體磁通產生的A相反向電動勢（BackEMF）的波形。從圖中可以看出反電勢呈正弦波型，其幅值為73V，這一結果與圖2和圖3相對應，可以有效幫助學生深入理解磁鏈、電勢、磁路之間的聯系。

圖4A相反向電勢波形

3.3電機輸出轉矩分析

電磁轉矩是衡量電機性能的關鍵參數之一［4］。圖5為輸出的電磁轉矩波形，用虛線表示，齒槽轉矩波形用實線表示。從圖中可以看出電磁轉矩平均值達到240N·m，根據公式（2），轉矩紋波為7.9%。

Tr=Tmax－TminTavg（2）

其中Tr為轉矩紋波，Tmax為轉矩的最大值，Tmin為轉矩的最小值，Tavg為輸出的平均轉矩。

圖5電磁轉矩及齒槽轉矩波形

3.4電機效率分析

電機的效率是評價其能量轉換能力的重要指標。如圖6所示，通過對永磁電機效率圖的仿真分析，可以觀察到其最高效率達到97%。特別是在電機轉速低于5000r/min時，高效率區域（效率大于90%）較為顯著，這表明該電機在較低轉速下具有更出色的能量轉換性能。通過深入分析電機效率特性，可以幫助學生更清晰地理解轉速、轉矩和效率之間的關系，以及在整個速度范圍內轉矩的變化。

圖6電機轉矩特性及效率

運用Maxwell仿真軟件進行電機學課程的教學方法被證明能夠極大地提升學生的學習興趣，這種方法使得學生可以充分地理解和聯系原本抽象而模糊的電學和磁學概念、原理以及參數之間的關聯。學生在課程中可以充分發揮創造性，通過合理的自建模型來發現規律，并分析其中的內在原因。同時，這種教學方法也能夠對枯燥而深奧的教材知識進行補充，進一步加深了學生對理論知識及其工程應用的理解。

結語

在電機學課程的教學中，通過采用虛擬仿真軟件，為學生提供了一個直觀、清晰、立體的電機參數展示平臺，有效地將抽象的電磁概念模型化和具體化。這種教學方法使學生能夠更加清晰地理解電機參數與結果之間的聯系，不僅為電氣工程及其自動化專業的教學帶來了全新的途徑，還為學生提供了更加靈活和實踐性的學習方式，使學生能夠在虛擬環境中進行模擬實驗和參數調節，從而加深對理論知識的理解?？傊?，虛擬仿真技術的應用為電機學課程教學帶來了新的思路和方法，有助于提高學生的學習興趣，促進教學質量的提升。

參考文獻：

［1］呼夢穎，段建東，袁鑰，等.虛擬仿真技術在電氣類專業實驗教學中的應用與思考［J］.中國教育信息化，2022，28（03）：113118.

［2］徐磊，蔡曉磊，傅海軍，等.基于虛擬仿真平臺的“電機學”教學實踐［J］.電氣電子教學學報，2020，42（06）：3032+37.

［3］董淑惠，李建文.虛擬仿真技術在電機學課程教學中的應用研究［J］.高教學刊，2022，8（14）：5861.

［4］余劍，牛綠原，劉磊，等.有限元仿真技術在電機教學中的應用［J］.大眾科技，2023，25（11）：123125+129.

［5］楊凱，李黎，孫劍波.虛擬樣機技術在“電機學”課程實踐教學中的應用［J］.中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2022（09）：9295.

［6］張葉貴，李光明，吉暢.新工科背景下以能力培養為導向的課程教學改革研究——以電機學課程為例［J］.現代農機，2023（05）：9698.

基金項目：本文依托福建省電機設計與系統控制工程研究中心；寧德師范學院教學改革項目“工程教育專業認證背景下融合虛擬仿真技術的電氣工程及其自動化專業課程教學探索與實踐”（JG2022009）；福建省自然科學基金面上項目“雙邊磁場調制型混合勵磁磁通反向電機研究”（2023J01352）

作者簡介：寧世超（1988—），男，漢族，遼寧凌海人，博士研究生，研究方向：新能源永磁電機設計與優化；王洪濤（1978—），男，回族，寧夏石嘴山人，工學博士，研究方向：新能源發電與電力系統風險評估。