“電機與拖動基礎(chǔ)”課程的可視化教學(xué)研究

張樂平，楊迎新，楊遲

“電機與拖動基礎(chǔ)”課程的可視化教學(xué)研究

張樂平，楊迎新，楊遲

（江西理工大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

針對“電機與拖動基礎(chǔ)”課程有些內(nèi)容相對抽象的特點，課題組提出了一個系統(tǒng)解決該類問題的可視化教學(xué)方案。該方案利用三維立體圖形、動畫和實物影像的協(xié)同效應(yīng)，立體、動態(tài)和直觀地呈現(xiàn)電機結(jié)構(gòu)，使其更加清晰、動感和真實；運用ANSYS軟件對電機空載磁場、負(fù)載磁場等進行了可視化仿真研究，將不可見的磁場變得更加直觀、形象；應(yīng)用LabVIEW軟件搭建了虛擬實驗系統(tǒng)，進行電機特性仿真，在將抽象數(shù)學(xué)描述形象化的同時，增強了學(xué)生臨場感。

電機與拖動基礎(chǔ)；可視化；教學(xué)

從工廠的自動生產(chǎn)線、車間的機床、機器人到家庭中的家用電器甚至電動玩具等，電機幾乎無處不在。電力拖動系統(tǒng)是各類自動化技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)，其理論與技術(shù)的發(fā)展對我國當(dāng)前的現(xiàn)代化進程起到推動作用[1]。

“電機與拖動基礎(chǔ)”是自動化、機電類專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎(chǔ)課程。主要講述直流電機、變壓器和交流電機的原理、結(jié)構(gòu)及工作（運行）特性，涉及知識面廣，是電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等多門學(xué)科知識的綜合[2]。該課程具有很強的理論性和實踐性，但課程的有些內(nèi)容相對抽象，致使存在學(xué)生難學(xué)、教師難教的兩難現(xiàn)象。

近年來，關(guān)于該課程內(nèi)容可視化教學(xué)的研究主要針對某一特定對象的某個方面展開，如萬力、榮軍等[3]基于MATLAB/SIMULINK軟件對直流電動機空載起動和負(fù)載運行的仿真分析，魏立明、陳偉利等[4]利用MATLAB軟件對變壓器聯(lián)結(jié)組別和異步電機正反轉(zhuǎn)進行的仿真實驗研究；王曉旭、閆朋濤等[5]利用Simulink建立交/直流電動機拖動系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖仿真模型，利用GUI建立操作界面，對交、直流電機拖動特性的仿真研究；郭健[6]采用有限元方法對三相交流電機內(nèi)部磁場實際運動情況的模擬仿真，陳世軍、李彥梅等[7]引入ANSYS Maxwell軟件對交/直流電機磁場的仿真。本文運用三維立體圖形、動畫和實物影像的協(xié)同效應(yīng)，立體、動態(tài)和直觀地呈現(xiàn)電機各部分結(jié)構(gòu)；基于ANSYS Maxwell軟件，將不可見的電磁場分布直觀化、形象化；應(yīng)用解析法和LabVIEW 仿真使電機及拖動特性明晰、真實和具體；由此提出了一個系統(tǒng)解決電機與拖動基礎(chǔ)課程該類內(nèi)容的可視化教學(xué)方案，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)可視化解決方案

1 電機結(jié)構(gòu)的可視化

關(guān)于電機結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，學(xué)生往往僅依靠課本內(nèi)容的介紹，缺乏現(xiàn)場實際經(jīng)驗，難以形成具體的感性認(rèn)識，進而影響其對電機的各部分功能及相互間關(guān)系的理解和把握。實物影像雖然更加直觀、現(xiàn)場感強烈，但一些隱藏的細節(jié)及動態(tài)過程難以呈現(xiàn)；三維立體圖形可以立體展示各部分細節(jié)以及相對位置，但不如實物影像真實；動畫則可模擬各關(guān)鍵部分的裝配或動作過程。綜合各表達形式的特點，本課題組提出了一個綜合利用三維立體圖形、動畫和實物影像，分層、協(xié)同表現(xiàn)電機結(jié)構(gòu)的可視化解決方案。

圖2 實物、三維立體剖面圖與動畫截屏

以直流電機的普通換向器為例，圖2中的a為換向器實物圖，各部分真實、立體，但云母片、云母環(huán)等細節(jié)不明朗；云母與連接片的顏色色差不大，容易引起錯覺；內(nèi)部結(jié)構(gòu)也無法分層呈現(xiàn)；b圖為基于PRO/E軟件繪制的三維立體剖面圖，該圖顯然缺乏真實感，但能清晰表達換向器的云母片、換向器片、云母環(huán)和V型套筒等各部分結(jié)構(gòu)以及相互位置關(guān)系；c圖為動畫截圖，則能進一步動態(tài)反映各部分的結(jié)構(gòu)和裝配過程。將三者結(jié)合，即可完整地表達一個真實、結(jié)構(gòu)清晰且具動感的換向器。

2 電機磁場的可視化

ANSYS Maxwell是用于電機、作動器、電感、變壓器和磁性傳感器等各種機電產(chǎn)品開發(fā)的電磁場分析工具。

直流電機的空載磁場、負(fù)載磁場與電樞反應(yīng)，變壓器的內(nèi)部磁場，三相交流電機定子磁場的分布、旋轉(zhuǎn)以及電機正反轉(zhuǎn)原理是電機與拖動基礎(chǔ)課程中的難點，其理論相對抽象、空乏。

采用ANSYS Maxwell進行電機磁場模擬，能展示電機內(nèi)部磁場產(chǎn)生過程及其分布，提高學(xué)生對“場”這個抽象概念的理解和感性認(rèn)識。以三相交流電機旋轉(zhuǎn)磁場模擬仿真為例，圖3是兩極三相電機磁場分析有限元模型，模型中包括定子、轉(zhuǎn)子、線圈(ABC，xyz)和氣隙區(qū)域。由于實際的電機滿足平面對稱，因此，磁場分析時可以選取沿長度方向的任一截面建立二維平面有限元模型[6]。

圖3 p=1時三相異步電動機的二維有限元模型

式中，μ為磁導(dǎo)率；S為線圈截面積；Im為定子線圈電流幅值；N為線圈匝數(shù)。依次改變ωt的典型值0°、60°、120°、180°等，便可得到定子電流在不同時刻產(chǎn)生的磁場分布（如圖4所示）。

應(yīng)用ANSYS Maxwell對三相交流電機旋轉(zhuǎn)磁場的模擬仿真實現(xiàn)了不可見磁場的可視化，使磁場分布變得形象、直觀。對比固定不動的兩極電機定子結(jié)構(gòu)模型，從圖4可以清晰看出，三相交流電機定子通以三相對稱交流電源時所產(chǎn)生合成磁場的旋轉(zhuǎn)動態(tài)：對比圖4的a、b、c、d四張圖，可以看出變化180°，三相定子繞組產(chǎn)生的合成磁場旋轉(zhuǎn)了半周。據(jù)此規(guī)律，不難理解三相交流電機同步轉(zhuǎn)速與定子電源頻率、電機磁極對數(shù)之間的關(guān)系：1=601/；任意對調(diào)兩相電源（電源反接）以改變?nèi)喽ㄗ与娏鞯南嘈?，對比兩種情況仿真結(jié)果中磁場的旋轉(zhuǎn)方向可以形象地解讀三相交流電機的正反轉(zhuǎn)原理。

3 電機特性的可視化

交/直流電動機的工作特性，直流發(fā)電機和變壓器的運行特性是電機學(xué)的關(guān)鍵知識點。機械特性是分析電動機拖動性能的根本依據(jù)。學(xué)生學(xué)習(xí)往往停留在基本概念和數(shù)學(xué)關(guān)系的簡單層面，缺乏具體感性認(rèn)識和對關(guān)系曲線的動態(tài)理解，難以達到學(xué)以致用的教學(xué)目的。如果從解析的角度對電機特性進行詮釋，讓特性的數(shù)學(xué)關(guān)系與圖形表達對應(yīng)起來，再利用LabVIEW軟件搭建虛擬實驗平臺，使特性“真實”起來，實現(xiàn)可視化，就容易使學(xué)生全方位掌握該類知識點和具體運行性能。

3.1 基于解析法的電機特性可視化

以三相異步電動機降低定子端電壓的人為機械特性為例，三相異步電動機降低定子端電壓的人為機械特性是指定子電源頻率1不變，定子和轉(zhuǎn)子回路不串加附加電阻或電抗時，=()或=()的關(guān)系[8]。由三相異步電動機機械特性的參數(shù)表達式：

令dT/ds=0，可導(dǎo)出以下三條結(jié)論。

（1）最大電磁轉(zhuǎn)矩max和起動轉(zhuǎn)矩st皆與定子電壓1的平方成正比，而max與所對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率m與1無關(guān)；

（2）三相異步電動機的機械特性曲線取決于同步轉(zhuǎn)速點(0,1)、最大轉(zhuǎn)矩點(max,m)和起動轉(zhuǎn)矩點(st,0)；

（3）近似地，機械特性曲線在同步轉(zhuǎn)速點與最大轉(zhuǎn)矩點間為線性關(guān)系，在最大轉(zhuǎn)矩點與起動轉(zhuǎn)矩點間近似為反比例曲線。

在直角坐標(biāo)圖上，對應(yīng)于固有機械特性曲線，降低定子端電壓1時，因定子電源頻率1不變，而同步轉(zhuǎn)速1=601/與1無關(guān)，故同步轉(zhuǎn)速點不變；最大電磁轉(zhuǎn)矩max減小，而臨界轉(zhuǎn)差率m不變，對應(yīng)m不變，起動轉(zhuǎn)矩st減小。結(jié)合上述結(jié)論（3）可定性地得到降低定子端電壓時的人為機械特性如圖5。

圖5 三相異步電動機降低定子端電壓的人為機械特性

基于解析法的電機特性可視化，可以使理論明晰、對比突出，將抽象的數(shù)學(xué)關(guān)系變得直觀，學(xué)生能通過該方法把握重點，但仍顯得不夠形象、動感。

3.2 基于LabVIEW的電機特性可視化

LabVIEW是一門工程類語言，又稱為G語言。LabVIEW軟件是由用于實現(xiàn)人機交互的主界面和用于程序編寫的子界面兩個界面構(gòu)成，是一個高效的圖形化設(shè)計軟件，為實驗室研究和自動化應(yīng)用提供了一個直接高效的設(shè)計環(huán)境。

從一種穩(wěn)定運行狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程稱為過渡過程。以三相異步電動機由靜止到穩(wěn)定運行的過渡過程（起動過程）為例，基于LabVIEW的可視化實現(xiàn)步驟如下。

Step2：搭建異步電動機仿真模型主界面，如圖8。在主界面中設(shè)置數(shù)值輸入控件表示電機參數(shù)和調(diào)試參數(shù)，調(diào)入3個XY圖用來表示不同時間下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流。

Step3：基于LabVIEW的仿真結(jié)果。異步電機的狀態(tài)方程是五階微分方程，可以調(diào)用Cash Carp常微分函數(shù)模塊對其進行求解。對磁極電機而言，角速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為，可以根據(jù)此公式得到電機轉(zhuǎn)速。在程序面板調(diào)用索引函數(shù)連接X值，來提取二維數(shù)組中的解。的解與仿真時間關(guān)聯(lián)后，連接到轉(zhuǎn)速簇，可得到三相異步電動機起動暫態(tài)過程的轉(zhuǎn)速，如圖9。坐標(biāo)系的電流需要通過Clark、Park公式的反變換得到三相電流，如圖10。

圖6 ABC/αβ轉(zhuǎn)換程序圖

圖7 αβ/dq轉(zhuǎn)換程序圖

圖8 異步電機仿真主界面

圖9 異步電機起動過程的轉(zhuǎn)速

圖10 異步電機起動過程的定子電流

通過對三相異步電動機起動過程的LabVIEW仿真，可以清晰觀察到：電動機的轉(zhuǎn)速由0到穩(wěn)定運行的變化過程，定子電流隨著轉(zhuǎn)速的升高而減小的過程，以及電動機的起動電流與穩(wěn)定運行時工作電流的對比關(guān)系。

4 結(jié)論

針對“電機與拖動基礎(chǔ)”這種電類基礎(chǔ)課程提出的可視化系統(tǒng)解決方案，在一定程度上解決了書本內(nèi)容抽象、低年級學(xué)生缺乏現(xiàn)場和實際經(jīng)驗而難以理解把握的問題，同時對引導(dǎo)學(xué)生將圖解法運用到該類課程學(xué)習(xí)中，緩解部分學(xué)生“恐磁、恐電”的心理，提供了一個新的思路。

在數(shù)字化時代大背景下，移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，在線學(xué)習(xí)、移動學(xué)習(xí)以及遠程學(xué)習(xí)使傳統(tǒng)的高校教學(xué)課堂從線下走向線上。目前該可視化的關(guān)鍵內(nèi)容已完成課件制作和視頻制作，并在中國大學(xué)MOOC平臺發(fā)布。因為移動教育的靈活性、高效性和交互性特點，本可視化方案有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和充分體現(xiàn)學(xué)習(xí)主體性，滿足學(xué)生移動學(xué)習(xí)、碎片化學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)的需求。

[1] 劉錦波, 張承惠. 電機與拖動(第2版)[M]．北京: 清華大學(xué)出版社, 2015: 2–3.

[2] 潘大偉.“電機與拖動基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2020(12): 53–54+66.

[3] 萬力, 榮軍, 萬軍華, 等. 計算機仿真技術(shù)在直流電動機教學(xué)中的應(yīng)用[J]．湖北理工學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2015(4): 82–85.

[4] 魏立明, 陳立偉, 韓成浩. MATLAB軟件在電機與拖動課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報, 2014(4): 84–86+102.

[5] 王曉旭, 閆朋濤, 王承林, 等. 基于Matlab GUI的電機拖動輔助教學(xué)平臺設(shè)計[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2020(3): 80–84.

[6] 郭健. 基于有限元方法模擬電機旋轉(zhuǎn)磁場[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2011(4): 110–112.

[7] 陳世軍, 李彥梅, 吳文進, 等. ANSYS Maxwell在“電機及拖動基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 安慶師范學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2016(3): 131–135.

[8] 吳浩烈. 電機及拖動基礎(chǔ): 第4版[M]．重慶: 重慶大學(xué)出版社, 2014: 184–187.

[9] 朱建山, 葉銀忠, 陳巨濤. 基于LabVIEW的三相異步電機動態(tài)模型仿真[J]. 計算機仿真, 2008(3): 309–313.

A Study on the Visual Teaching of Electrical Machinery and Towage

ZHANG Le-ping, YANG Ying-xin, YANG Chi

(School of Energy and Mechanical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Nanchang Jiangxi 330013, China)

The foundation course of Electrical Machinery and Towage is relatively general, abstract and vague in content. We propose a visual teaching mode to systematically solve such problems. It applies the synergistic effect of 3D graphics, animation and physical images to present the motor structure three-dimensionally, dynamically and intuitively, making it clearer, more dynamic and realistic. ANSYS is used to conduct visual simulation on the no-load magnetic field and load magnetic field of the motor, making the invisible magnetic field more intuitive and visual; LabVIEW is applied to build a virtual experiment system to simulate the motor, which enhanced students’ sense of presence while visualizing abstract mathematical descriptions.

Electrical Machinery and Towage basic; visualization; teaching

2021-11-17

2017年江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究重點項目（JXJG1776）

張樂平（1969—），男，副教授，碩士，研究方向：自動化、信息與信號處理。

G642；TM32

A

2095-9249（2022）03-0091-05

〔責(zé)任編校：陳楠楠〕