ANSYS Maxwell在“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

陳世軍，李彥梅，吳文進(jìn)，徐文權(quán)

(安慶師范大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院, 安徽 安慶 246133)

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ANSYS Maxwell在“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

陳世軍，李彥梅，吳文進(jìn)，徐文權(quán)

(安慶師范大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院, 安徽 安慶 246133)

“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”是一門專業(yè)性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，本文對(duì)該課程的特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了ANSYS Maxwell軟件在該課程教學(xué)中的應(yīng)用方法。以一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)為例，運(yùn)用ANSYS Maxwell進(jìn)行建模仿真，對(duì)其電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理以及電磁場(chǎng)分布等各個(gè)方面進(jìn)行分析，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，可達(dá)到良好的教學(xué)效果。

電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)；ANSYS Maxwell；直流電動(dòng)機(jī)；交流電動(dòng)機(jī)

“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”是研究電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)基本理論問(wèn)題的課程，是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，需要緊密聯(lián)系科學(xué)實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際[1-2]。通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，為后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識(shí)，為從事專業(yè)技術(shù)工作做好基本知識(shí)的培養(yǎng)和鍛煉。該課程的特點(diǎn)[3-5]是運(yùn)用基礎(chǔ)課程的基本理論來(lái)分析電機(jī)的電磁物理過(guò)程和一些復(fù)雜而又綜合性的工程實(shí)踐問(wèn)題，理論性強(qiáng)、抽象概念多、公式推導(dǎo)和計(jì)算多，涉及的電磁場(chǎng)內(nèi)容多，與實(shí)際問(wèn)題接觸緊密，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)感覺(jué)比較困難和枯燥，在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以形成一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)，從而影響到其學(xué)習(xí)積極性。因此，在教學(xué)過(guò)程中如何將復(fù)雜的物理問(wèn)題具體化、可視化是一個(gè)重要的課題。

ANSYS Maxwell是美國(guó)ANSYS公司的一款軟件，是工業(yè)界領(lǐng)先的電磁場(chǎng)仿真軟件，能滿足機(jī)電產(chǎn)品工程師的仿真設(shè)計(jì)需求，提升高品質(zhì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力，適用于電機(jī)、電感、變壓器、磁性傳感器等各種機(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。求解對(duì)象的電磁場(chǎng)分布可以直觀地顯示出來(lái)，具有自動(dòng)計(jì)算電磁力、力矩、電感、電容等設(shè)計(jì)參數(shù)的功能。ANSYS Maxwell軟件主要包括應(yīng)用熱路法計(jì)算的RMxprt模塊以及應(yīng)用有限元法計(jì)算的2D和3D模塊。針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)，借助于RMxprt工具模塊，可以大大改進(jìn)設(shè)計(jì)流程并增加其設(shè)計(jì)能力，可以在數(shù)秒鐘內(nèi)完成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的計(jì)算方案。從RMxprt中能夠一鍵輸出2D和3D有限元分析模型，并且能夠自動(dòng)設(shè)置幾何尺寸、材料、激勵(lì)和邊界條件等，最后在2D和3D模塊中進(jìn)行精確的電磁場(chǎng)瞬態(tài)分析[6]。

基于此，在“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”教學(xué)中引入ANSYS Maxwell軟件將電機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，對(duì)其進(jìn)行理論仿真驗(yàn)證，讓抽象的電磁場(chǎng)具體化。這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以幫助學(xué)生對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行深入分析，是一種行之有效的教學(xué)手段。下面以直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行具體闡述。

1　ANSYS Maxwell在直流電機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

直流電機(jī)是傳統(tǒng)四大電機(jī)的主要類型之一。直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能和調(diào)速性能，與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，可靠性稍差，這使它的應(yīng)用受到了一定限制甚至有被交流電機(jī)取代的可能。盡管如此，直流電機(jī)仍具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。在常規(guī)教學(xué)中，直流電機(jī)部分，要求學(xué)生掌握直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)及其工作特性，能運(yùn)用直流電機(jī)基本方程式計(jì)算相關(guān)物理量，熟悉電樞繞組的連接方式，了解直流電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)及換向問(wèn)題等[7]。如果單純從課本出發(fā)進(jìn)行常規(guī)教學(xué)，學(xué)生很難理解這些問(wèn)題。下面借助于ANSYS Maxwell軟件對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析。

1.1直流電機(jī)的性能尺寸參數(shù)

文中采用的直流電機(jī)主要性能尺寸參數(shù)如表1所示。

表1　直流電機(jī)主要性能尺寸參數(shù)

1.2直流電機(jī)建模

首先在RMxprt環(huán)境下，輸入電機(jī)的基本尺寸參數(shù)，包括定子磁極參數(shù)、繞組參數(shù)，轉(zhuǎn)子槽參數(shù)，勵(lì)磁繞組參數(shù)，換向器參數(shù)等。建立直流電機(jī)的模型如圖1所示，再導(dǎo)入Maxwell 2D中得到電機(jī)模型如圖2所示。

圖1RMxprt中直流電機(jī)模型

圖2Maxwell 2D中直流電機(jī)模型

1.3仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)模型的建立，可以讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)。模型建立好之后，可對(duì)電機(jī)的工作特性、電磁場(chǎng)進(jìn)行分析。圖3給出了時(shí)間t=0.06s,轉(zhuǎn)速n=1 080r/min時(shí)直流電機(jī)的內(nèi)部磁密分布云圖，可見(jiàn)最大磁密發(fā)生在定子鐵芯上，其值為 3.19Tesla，圖4給出了時(shí)間t=0.06s,轉(zhuǎn)速n=1 080r/min時(shí)直流電機(jī)內(nèi)部磁力線的分布情況，可見(jiàn)磁力線從定子鐵芯經(jīng)過(guò)主磁極，通過(guò)空氣隙到達(dá)轉(zhuǎn)子鐵芯，再?gòu)霓D(zhuǎn)子鐵芯經(jīng)過(guò)空氣隙、主磁極到達(dá)定子鐵芯，形成閉合磁路。圖5和圖6分別給出了效率η和轉(zhuǎn)矩T與電樞電流Ia的關(guān)系特性曲線，還可以獲得其他更多的變化關(guān)系曲線。

圖3直流電機(jī)磁密分布

圖4直流電機(jī)磁力線分布

圖5　效率與電樞電流的關(guān)系曲線

圖6　轉(zhuǎn)矩與電樞電流的關(guān)系曲線

2　ANSYS Maxwell在交流電動(dòng)機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

交流電機(jī)主要有同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類。這兩類電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、工作原理、勵(lì)磁方式和性能雖有所不同，但是定子中所發(fā)生的電磁過(guò)程以及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理和條件卻是相同的，可以采用統(tǒng)一的方法來(lái)研究。這里以一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。三相異步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，也具有功率因數(shù)恒為滯后、輕載時(shí)功率因數(shù)偏低、調(diào)速性能比直流電機(jī)稍差等缺點(diǎn)。在常規(guī)教學(xué)中，三相異步電動(dòng)機(jī)部分，要求學(xué)生掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理以及運(yùn)行原理等[7]，同樣，如果單純從課本出發(fā)用常規(guī)方法教學(xué)，學(xué)生很難理解這些問(wèn)題。下面借助于ANSYSMaxwell軟件對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析。

2.1三相異步電動(dòng)機(jī)性能尺寸參數(shù)

文中采用的三相異步電動(dòng)機(jī)的主要性能尺寸參數(shù)如表2所示。

表2　三相異步電動(dòng)機(jī)主要性能尺寸參數(shù)

2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)建模

按照前面介紹直流電機(jī)建模一樣，在RMxprt中輸入三相異步電機(jī)的尺寸參數(shù)，包括定子槽參數(shù)、定子繞組參數(shù)、轉(zhuǎn)子槽和轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)等。建立的三相異步電動(dòng)機(jī)模型如圖7所示，再將其導(dǎo)入Maxwell 2D中得到電機(jī)模型如圖8所示。

圖7RMxprt中三相異步電機(jī)模型

圖8Maxwell 2D中三相異步電機(jī)模型

2.3 仿真結(jié)果分析

同理，通過(guò)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)模型的建立，可以讓學(xué)生對(duì)電機(jī)的模型結(jié)構(gòu)有一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以與直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比。這樣，更加有利于學(xué)生對(duì)復(fù)雜電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入地理解。在確定電機(jī)模型之后，可以對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁場(chǎng)以及工作特性等進(jìn)行分析。圖9給出了t=0.2 s時(shí)刻，轉(zhuǎn)速n=1 420 r/min時(shí)電機(jī)內(nèi)部磁密分布云圖，可見(jiàn)，最大磁密發(fā)生在定子軛部，其值為2.19 Tesla，圖10給出了t=0.2 s時(shí)刻，轉(zhuǎn)速n=1 420 r/min時(shí)電機(jī)內(nèi)部磁力線走向分布，可見(jiàn)，磁力是從定子鐵芯進(jìn)入空氣隙，再進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵芯，再經(jīng)過(guò)空氣隙進(jìn)入定子鐵芯形成閉合回路。圖11-13給出了三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性曲線，分別是效率η與速度n的變化關(guān)系，轉(zhuǎn)矩T與速度n的變化關(guān)系以及轉(zhuǎn)差率s與輸出功率Pout的變化關(guān)系。

圖9三相異步電動(dòng)機(jī)磁密分布

圖10三相異步電動(dòng)機(jī)磁力線分布

圖11　效率和速度變化關(guān)系

圖12　轉(zhuǎn)矩和速度變化關(guān)系

圖13　轉(zhuǎn)差率與輸出功率關(guān)系

3　結(jié)　　論

綜上所述，通過(guò)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)的分析，可以讓學(xué)生對(duì)電機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入了解，難于理解的電機(jī)繞組連接方式，通過(guò)ANSYS Maxwell軟件能得到更清晰的認(rèn)識(shí)，尤其是抽象的磁場(chǎng)分析，更能通過(guò)電機(jī)的磁密分布云圖和磁力線分布圖獲得深刻的體會(huì)?？梢?jiàn)，在“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”教學(xué)中引入ANSYS Maxwell軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析講解，能夠達(dá)到良好的教學(xué)效果。

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Application of ANSYS Maxwell in Teaching for Fundamentals of Electrical Machines and Drives

CHEN Shi-jun，LI Yan-mei，WU Wen-jin，XU Wen-quan

(School of Physics and Electronic Engineering , Anqing Normal University , Anqing, Anhui 246133, China)

FundamentalsofElectricalMachinesandDrivesis a professional basic course with strong specialty. This paper analyzes the characteristics of the course, and puts forward the application method of Maxwell ANSYS software in the teaching of the course. Taking a DC motor and a AC motor for examples, and using ANSYS Maxwell modeling and simulation, we analyze the motor structure, working principle and the distribution of electromagnetic field, deepen the students' understanding of theoretical knowledge. Good teaching effect can be achieved.

fundamentals of electrical machines and drives; ANSYS Maxwell; DC motor; AC motor

2016-01-18

安徽省教育廳一般項(xiàng)目(AQKJ2015B016)。

陳世軍，男，江西九江人，碩士，安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制技術(shù)。E-mail: chenshijun@aqtc.edu.cn

時(shí)間：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.033.html

TP343

A

1007-4260(2016)03-0131-05

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.033