磁路聯(lián)合仿真在電機教學中的應用

陳云云

(揚州大學能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

隨著高校課程教學改革的深入，電氣工程及其自動化專業(yè)中的“電機學”和“電機拖動理論”這兩門課程存在著教學課時少，課程難度大，實驗驗證理論機會少的教學現(xiàn)狀。本文利用Ansoft Maxwell和Simplorer強大的聯(lián)合仿真功能，選擇目前應用廣泛的永磁式雙凸極電機為例，建立了該電機的仿真模型[1，2]。我們對電機的靜、動態(tài)電磁特性和動態(tài)輸出轉矩特性加以分析，利用軟件提供的諸如磁力線分布矢量圖與等位線云圖等輔助教學方法，培養(yǎng)學生的形象思維能力，提高學生學習興趣并加深學生對該類電機的運行原理及其應用的理解。

1 教學具體實施步驟

(1)確定電機實例—考慮到特種電機的結構復雜，原理公式比較難理解記憶，且實驗條件不足，因此在教學中選擇以永磁式雙凸極電機為例，利用仿真工具增強課堂教學效果。對于其他類型的電機也同樣適用。

(2)電機仿真模型的搭建—在Ansoft Maxwell中建立永磁式雙凸極電機的2D或3D的仿真模型，使學生對電機的結構有更直觀的印象，聯(lián)合Ansoft Maxwell和Simplorer，建立電機驅動控制系統(tǒng)的模型，便于講解該類電機的控制方法和導通角等關鍵參數(shù)對控制效果的影響。

(3)仿真后處理—在現(xiàn)有電子教案內容中引入仿真后處理的各類圖形，諸如場分布圖、磁鏈與反電勢曲線以及電磁轉矩波形等，靜動態(tài)演示結合，使課堂教學更加生動形象。

2 仿真建模方法

2.1 Ansoft Maxwell和 Simplorer軟件

Ansoft軟件包括電機設計模塊Rmxprt和分析模塊Maxwell。其中的Maxwell 2D模塊是二維電磁場有限元分析軟件，它可以分析電機的諸多電磁場問題，如電感、電容、磁通密度、渦流、磁力線分布以及力矩和能量損耗等，是電機仿真、優(yōu)化設計及磁場分析的得力工具。它類似CAD的直接畫圖搭建電機模型，因此更為直觀方便。

Simplorer是一個功能強大的跨學科多領域高性能系統(tǒng)級仿真軟件，它具有高效處理電機電器、電子線路和機電等多工程領域問題的能力，消除了其他仿真工具中復雜數(shù)學轉換的繁瑣過程。對于不同工程領域問題，可以直接選擇最適宜的建模語言進行建模和仿真，再利用基于Simplorer的開放程序接口的聯(lián)合仿真接口，靈活地對現(xiàn)有其他軟件進行集成。針對電力系統(tǒng)的特殊應用，Simplorer具有豐富的模型庫，包括完整的電機與控制模型庫，電力電子器件和線路模型庫、電子元件模型庫等。該軟件的建模方法和Matlab/Simulink和建模方法十分相似，直觀方便。

2.2 永磁型雙凸極電機建模

近年來，永磁型雙凸極電機由于具有功率密度大、結構簡單堅固、性能較好和系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點，其應用范圍不斷擴大。但是與傳統(tǒng)異步電機相比，永磁型雙凸極電機的理論研究、優(yōu)化設計和控制策略尚處于發(fā)展階段，傳統(tǒng)的公式教學很難讓學生全面掌握永磁型雙凸極電機的特性[3]。

為了分析該三相12/8極永磁型雙凸極電機的驅動控制系統(tǒng)以及動態(tài)轉矩輸出特性，考慮到電路與磁路的耦合，遂采用“場路瞬態(tài)聯(lián)合仿真”的方法。我們利用 Simplorer和 Maxwell聯(lián)合仿真[4]，建立該三相12/8極永磁型雙凸極電機驅動控制系統(tǒng)的模型如圖2所示。模型與驅動控制電路實體對應，能方便學生理解驅動控制電路的設計思路。

圖1 聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型

在Maxwell 2D中有Magnetostatic和Transient這兩個求解器，可以進行二維穩(wěn)態(tài)場和二維瞬態(tài)場的求解，由此得到電機的靜、動態(tài)電磁特性的一系列仿真曲線。

3 仿真運行后處理研究

3.1 靜態(tài)磁力線分布電磁性能分析

該三相12/8極永磁型雙凸極電機在空載和負載時的磁力線分布分別如圖3所示。可以明顯看出，磁力線均穿過氣隙，形成閉合的磁通環(huán)路且在氣隙與定子內、外齒之間分別存在一些明顯的漏磁。在教學永磁電機時，為讓學生直觀地了解到永磁體所建立的磁場在電機磁場中占主導地位，可以對比圖3(a)和圖(b)。由圖看出，電樞磁場和永磁磁場共同作用時產(chǎn)生的磁場分布與永磁磁場單獨作用時的大致相同，只是在數(shù)值上略有差異，且永磁體所建立的磁場在數(shù)值上也是遠大于電樞磁場。

圖3 電機空載磁場分布

在Maxwell 2D中可以設置動畫模式動態(tài)地顯示電機轉子轉動時，磁力線分布的實時變化，圖4給出的是動畫演示轉子分別轉過9o，18o，27o和36o機械角度時的磁力線分布截圖。由圖可見，轉子轉過的機械角度45o為磁力線分布變化的一個周期，即該12/8極電機的電角度周期為45o機械角度，可以方便學生理解機械角度和電角度的概念。

圖4 轉子轉過不同角度時磁力線分布

3.2 動態(tài)電磁性能分析

由圖5所示三相繞組的永磁磁鏈曲線，可以看出磁鏈曲線為分段線性，三相對稱的曲線，且磁鏈變化的頻率與轉子轉速具有直接的聯(lián)系，轉速越快，頻率越高。可進一步使學生了解要想增加電機轉速，必須提高定子繞組通電頻率。

圖5 三相繞組永磁磁鏈

由于雙凸極電機的結構特點，其繞組空載反電勢曲線與傳統(tǒng)異步電機的近似正弦曲線不同，如圖6所示。電機反電勢波形近似方波，決定其控制方法也與交流異步電機不同，對照反電勢曲線方便學生理解雙凸極電機的開關角度控制方法。

3.3 動態(tài)輸出轉矩特性分析

永磁型雙凸極電機的輸出電磁轉矩為[5]

其中，Tm為起主要作用的磁場反應轉矩，TL為磁阻轉矩。利用上式，根據(jù)永磁型雙凸極電機的控制規(guī)律，在場路聯(lián)合仿真中采用開關角度控制的策略，選擇繞組磁鏈上升階段即反電勢為正半周期間，給相應繞組通正電流;在繞組磁鏈下降階段即反電勢為負半周期間，給相應繞組通負電流，即可得正輸出轉矩。也可看出，磁阻轉矩的平均值為零，是轉矩波動的主要因素。圖7給出了聯(lián)合仿真所得該三相12/8極永磁型雙凸極電機的輸出轉矩波形。

圖7 輸出轉矩波形

通過仿真曲線，學生可以更加透徹的理解關于永磁型雙凸極電機的電磁轉矩的理論公式，從曲線也可以明顯看出轉矩的波動，其平均值為零，正對應磁阻轉矩一項，可以看出雙凸極結構的電機，其磁阻轉矩一項相對比較大。

4 結語

本文以永磁型雙凸極電機為例，在使用Ansoft Maxwell 2D分析電機的靜、動態(tài)電磁特性的基礎上，再結合Simplorer軟件，進行了場路的聯(lián)合仿真，分析了電機的動態(tài)輸出轉矩特性。對傳統(tǒng)的以電機公式為主的教學方式起到了很好的輔助作用，對于其他傳統(tǒng)電機以及特種電機的教學也具有很好的參考價值。通過實踐表明，這些方法可以加深學生對電機結構和理論以及電機驅動控制系統(tǒng)的理解，激發(fā)學生對本課程學習的興趣，提高教學效果。

[1]林立等.Simplorer在電力電子技術教學改革中的應用[J].北京:中國電力教育，2011

[2]費德成，孫玉坤，朱熀秋.Ansoft軟件在電機教學中的應用[J].南京:電氣電子教學學報，2009，Vol.31，pp.95-97，2009

[3]陳世元，郭建龍.雙凸極永磁電動機磁阻轉矩和轉矩脈動的關系研究[J].北京:中國電機工程學報，2008，Vol.28

[4]Z.Xiaoyong，et al.A Transient Cosimulation Approach to Performance Analysis of Hybrid Excited Doubly Salient Machine Considering Indirect Field-Circuit Coupling[J].Magnetics，IEEE Transactions on，2007，Vol.43

[5]吳建華著，開關磁阻電機設計與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2000