有限元軟件在電機教學中的應(yīng)用

【摘要】隨著計算機的應(yīng)用日益廣泛深入，電機教學也強調(diào)引進最新的工程計算方法，有限元軟件作為一種使用方便的軟件越來越多地應(yīng)用在工程實踐中。為了實現(xiàn)教學和科研相結(jié)合，該文介紹了ANSYS軟件，應(yīng)用軟件對永磁發(fā)電機在多種條件下的磁場進行了計算，并且通過動畫表明了旋轉(zhuǎn)磁場和靜態(tài)磁場的形成和分布，便于學生理解和學習。

【關(guān)鍵詞】有限元；電機教學

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 03—0125—03

引言

“電機學”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授電機的基本原理、分析方法和特性，強調(diào)知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，注重培養(yǎng)學生分析能力、實驗?zāi)芰?，鍛煉動手能力，對后續(xù)課程的學習極為關(guān)鍵[1]。但電機的學習，概念抽象，難以理解，想象力要求高，不便于學生掌握，表現(xiàn)如下：課程包含眾多的電磁場、電流等概念，很抽象；計算分析過程繁瑣復(fù)雜；材料眾多，特性各異，具有非線性和各向異性的特點；電流交變，磁場旋轉(zhuǎn)和脈振等知識在講解的過程中很不形象、不具體，難以做到動態(tài)演示，學生感到很難接受[2]。電機的電流和磁場在電機中流動和旋轉(zhuǎn)，普通的機構(gòu)缺乏檢測設(shè)備，無法檢測，不能夠直觀的測量和感知。

針對以上特點，考慮到目前的教學和計算機應(yīng)用日益密切，學生在日后工作中應(yīng)用計算機對電機電磁場進行計算和仿真（這也是產(chǎn)品設(shè)計的第一步）；目前教材上計算機應(yīng)用于教學的內(nèi)容較少；學院購買了正版有限元軟件，學生得以盡早接觸有限元軟件分析計算電機的電磁場，對日后的工作十分有利。ANSYS是目前世界范圍內(nèi)增長最快的CAE軟件，也是最先通過ISO9001質(zhì)量認證的分析設(shè)計類軟件[3]，可用來分析電磁領(lǐng)域多方面的問題。軟件提供了豐富的線性和非線性材料的表達方式，包括各向同性和正交各向異性線性磁導(dǎo)率，材料的Ｂ－Ｈ曲線和永磁體的退磁曲線。后處理允許用戶顯示磁力線、磁通密度，并進行力、力矩、端電壓和其他參數(shù)的計算。學生在學習電磁場的相關(guān)知識后較容易掌握使用。筆者在科研中發(fā)現(xiàn)，軟件對永磁同步風力發(fā)電機的設(shè)計分析計算非常實用，并且分析過程和結(jié)果對電機學的理論教學具有很大的幫助。

永磁同步風力發(fā)電機，無需勵磁繞組和直流勵磁電源，無勵磁損耗；比同容量的電勵磁式的發(fā)電機效率高，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；增大了氣隙磁密，可以縮小電機體積，減輕質(zhì)量，提高功率質(zhì)量比；在風力發(fā)電、航空航天和大型汽輪發(fā)電機的勵磁機等方面得到了廣泛應(yīng)用[4]，國外單機容量已達10000kW。永磁體的價格昂貴；風力發(fā)電機的安裝位置很高，處于野外，安裝維護不便，一旦發(fā)生永磁體的不可逆退磁，損失很大?；谝陨显?，必須保證永磁體在正常運行和突然發(fā)生短路時，都不會發(fā)生不可逆退磁。本文以突然短路時永磁體是否會被電樞磁場去磁來說明軟件的具體應(yīng)用。

有限元法是當今數(shù)值計算領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的一種計算方法，其最大的優(yōu)點是通用性強、精度高，可以進行專門問題的計算，如永磁電機的失磁、磁極結(jié)構(gòu)與尺寸的優(yōu)化等。研究對象是外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁極式電機，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料用量大，更需精確計算，采用有限元方法計算較為適合。

一 ANSYS有限元分析

ANSYS分析過程包含3個步驟：

1 創(chuàng)建有限元模型

包括：

（1） 創(chuàng)建或讀入有限元模型；

（2） 定義材料屬性；

（3） 劃分網(wǎng)格(節(jié)點和單元)。

2 施加載荷并求解

施加載荷及載荷選項，然后求解。

3 查看結(jié)果

二 最嚴重短路時電樞反應(yīng)磁場的計算

1 建立物理模型

對電機局部建模（如圖1）；定義材料屬性，例永磁體的B-H曲線（如圖2），與課本內(nèi)容相印證。

2 基本假設(shè)

（1） 用二維場模擬實際磁場；選取國際單位制；直角坐標系。

（2） 忽略電機的各種絕緣材料；對定子槽口、扇形片的圓角及沖片部分圓角、倒角等細微之處作近似處理。

（3） 不計交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組、鐵心沖片及機座中的渦流反應(yīng)，因此同步電機的磁場可作為非線性恒定磁場來處理[5]。

通過以上的步驟：學生首先必須清楚電機的結(jié)構(gòu)，然后建模，由于電機結(jié)構(gòu)的重復(fù)性只需局部建模，以便縮短建模和計算時間；可以使用ANSYS建模，或通過AUTOCAD建模后導(dǎo)入ANSYS建模，從而實現(xiàn)不同軟件之間的互通和兼容；可以建立二維或者三維模型（此處建立二維模型，當然也可以建立三維模型），引導(dǎo)學生考慮何時使用二維或三維模型，二者的區(qū)別如何？基本假設(shè)的提出可以使學生領(lǐng)會到分析電機必須抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，作近似處理，都是電機分析的工程特點。

3 電樞產(chǎn)生的磁場

電流以電流密度的方式加載到電機繞組的截面上。可以施加恒定的電流，計算穩(wěn)態(tài)磁場；也可以施加交變電流來計算諧態(tài)磁場。磁場分布情況可由學生利用所學的右手定則來判斷，并可以利用軟件矢量顯示(如圖3)，加以對照，實現(xiàn)理論分析和實踐的結(jié)合。

4 邊界條件的確定

5 ANSYS求解

由于僅進行平面分析，故采用PLANE53電磁單元。氣隙部分最為重要，也是分析所關(guān)注的地方，因此在網(wǎng)格剖分時，模型的單元劃分數(shù)目盡量細致，并在氣隙中取部分圓弧作為分析的路徑。根據(jù)前面的分析，對模型施加邊界條件并求解。ANSYS得出電機的磁力線分布圖，如圖4所示。

6 后處理功能

圖5為磁鋼單獨作用時，一個磁極下氣隙中磁密的分布，為一鋸齒波。波峰所在位置為電樞齒，幅值為0.2523T，波谷所在處為槽。可知磁力線從永磁體發(fā)出，經(jīng)過氣隙，大部分進入電樞齒，構(gòu)成回路，而從電樞槽中經(jīng)過的磁力線極少，說明磁力線的確經(jīng)過磁阻最小的路徑。圖6為電樞繞組發(fā)生短路時，電樞繞組單獨形成的磁場在氣隙中磁密的分布。波形接近正弦形，進一步證明，電機的三相對稱繞組通以三相對稱電流會產(chǎn)生正弦分布的磁場，并且磁密最強處位于電流最大相繞組的軸線位置。圖7為磁鋼和繞組短路共同作用時形成的磁場在氣隙中的分布。幅值為0.2469T。電機的磁鋼受到繞組的去磁作用，合成磁場的幅值有所減弱，但磁鋼覆蓋的大部分區(qū)域磁密依然能夠保持一定的數(shù)值，減小程度很小，不會被完全去磁，結(jié)合永磁體在600C的內(nèi)稟退磁曲線，電機在反向磁場強度為1110A/m時，才可能去磁，而電樞磁場的磁場強度遠小于這個值，從而能夠保證電機的磁鋼不會被去磁，安全運行。

利用ANSYS的自帶功能，可以實現(xiàn)諧態(tài)磁場的動態(tài)播放（如圖8）；磁密的強弱可以通過顏色區(qū)分（紅色代表磁密最大，藍色代表磁密最?。?；還可以通過鼠標點擊得到任意位置的磁密；磁場某一時刻的分布可通過設(shè)置路徑來顯示；還可以脫離ANSYS軟件，通過計算機自帶的mediaplay播放器，在課堂上演示旋轉(zhuǎn)磁場。學生感到直觀、形象，易于理解。

三 結(jié)語

從上文中，可以歸納出將ANSYS 引入電機教學中，并與之緊密結(jié)合，有如下益處：

1 將復(fù)雜的數(shù)學計算從教學中分離出去，由計算機完成，學生只把握分析關(guān)鍵步驟和知識點，提高學習與研究的效率。

2 充實了電機學的知識結(jié)構(gòu)體系，提供了全面深入進行學習與研究的軟件平臺，學生可以深入研究電機的電磁場，在此基礎(chǔ)上還可以分析電機的溫度場和電機的受力，與工程實際和專業(yè)課程結(jié)合。

3 有利于在電機學的教研方面與國際接軌，充分吸收國外的經(jīng)驗成果，促進我國電機學教研的發(fā)展與進步。

4 增強電機學與其他電氣信息類學科之間的有機聯(lián)系，有益于同類學科知識的相互滲透和全面發(fā)展。

綜上所述，類似ANSYS 這樣的科學工程計算軟件在電機教學中的全面應(yīng)用，對于本學科在新時代的發(fā)展與進步有著重大意義。在電機學的基礎(chǔ)教學中，教師所致力于的重點不只限于傳授基礎(chǔ)知識，還將計算機技術(shù)和這些知識聯(lián)系起來，將計算機技術(shù)的應(yīng)用全面融入知識結(jié)構(gòu)體系的細節(jié)中，和工程實際應(yīng)用結(jié)合，貼近實際，達到活學活用，拓展了學習的深度和廣度。

參考文獻

[1]黃文新，朱學忠，劉闖.“電機學”開放式教學的創(chuàng)新探討 [J].電氣電子教學學報，2006，28（6）:109-111.

[2]辜承林.電機學[M].武漢:華中科技大學出版社，2005:2-3.

[3]唐興倫等.ANSYS工程應(yīng)用教程(熱與電磁學篇) [M].北京:中國鐵道出版社，2003:5.

[4]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，1997:14.

[5]敖惠君，劉景林，喬璐.ANSYS 軟件在永磁同步發(fā)電機空載磁場分析中的應(yīng)用 [J].微電機，2006，39（8）:14-16.

[6]戴文進，章穗，舒志兵.電力拖動[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004:85-86.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。