Ansoft在“電機及電力拖動基礎”課程教學中的應用

雷美珍?任佳

摘要：針對“電機及電力拖動基礎”課程的特點和實際教學中存在的問題，提出了引入Ansoft Maxwell軟件輔助課堂教學的改革模式。以三相永磁同步電動機為教學實例，通過Ansoft Maxwell軟件對其二維靜磁場進行分析。實踐表明，本圖形化教學方法不僅形象直觀，便于學生理解電機的基本原理以及電磁場知識，而且有助于提高學生的抽象思維能力和創新能力，從而達到提高教學效果的目的。

關鍵詞：Ansoft Maxwell；電磁場；電機及電力拖動基礎；仿真

作者簡介：雷美珍（1980-），女，畬族，浙江杭州人，浙江理工大學自動化系，講師；任佳（1977-），女，浙江杭州人，浙江理工大學自動化系，副教授。（浙江 杭州 310018）

基金項目：本文系2012年浙江理工大學“嵌入式運動控制”系列課程建設項目、“運動控制系統”精品網絡課程建設項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0057-02

“電機及電力拖動基礎”是電氣工程及其自動化專業的一門重要的專業基礎課程，主要闡述各類電機的基本結構、工作原理和運行特性。該課程抽象概念多，涉及電、磁、熱、力等綜合知識，而且還有較多煩瑣的公式推導和計算，特別是電機內的電磁場本身又都是不可見的，這就要求學生不但要具有較好的數學基礎，而且還要具備較強的抽象思維能力，這給該課程的教與學帶來相當的難度。[1]在當前課時少、教學內容多、實踐環節薄弱的現實下，如何將理論問題實際化、抽象問題形象化，增強學生對電機的直觀認識，提高學生的學習興趣，已成為廣大教師普遍關心的問題。

Ansoft Maxwell是美國Ansoft公司的一個功能強大、結果精確、易于使用的二維/三維電磁場有限元分析軟件，便于分析電機、傳感器、變壓器、永磁設備、激勵器等電磁裝置的靜態、穩態、瞬態、正常工況和故障工況的特性。[2]本文提出了借助該軟件對“電機及電力拖動基礎”課程中的各類電機進行建模和電磁場分析，利用形象直觀的動、靜態分析圖來輔助教學的思路，有助于加深學生對電機內的電磁場知識的理解，培養學生解決實際工程問題的能力，提高學生學習興趣和創新能力。

一、教學實例選擇

永磁同步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數高等優點，被廣泛應用于工業自動化領域中要求響應快速、調速范圍寬、定位準確的高性能伺服傳動系統。隨著教學改革的推進，為確保教學內容與時俱進，本課程組對教學內容進行了更新，將永磁同步電動機作為新型微特電機的核心內容引入教學，但學時數只能安排3學時，學生在短時間的抽象理論講授下，很難較好掌握該內容，在很大程度上影響了該部分內容的教學效果。本文以永磁同步電機作為典型應用案例，采用Ansoft Maxwell對其靜態電磁場進行有限元分析，圖形化描述電機內磁場的磁力線分布和磁通密度的云圖分布，有助于學生對該部分內容的理解和掌握。

三相永磁同步電動機主要由定子和轉子兩大部分組成的，定、轉子中間為氣隙，其中定子由定子鐵心、定子繞組和機座組成，轉子由永磁體磁極、轉子鐵心和轉軸組成。以一臺極數為4，定子槽數為24的樣機為例，具體電機相關尺寸及參數如表1所示。電機為對稱結構，本可以建立四分之一模型，為了使學生更加清晰地掌握Ansoft Maxwell基本幾何模型建立方法、激勵源加載、力及力矩參數的設置、永磁材料的定義及簡單的場圖處理方法，本例采用全域求解法，建立電機的全模型進行有限元分析。Ansoft Maxwell軟件進行有限元分析的基本步驟主要有：創建項目并指定分析類型、建立電機的幾何模型、定義并分配材料、定義并加載激勵源和邊界條件、求解參數設定、后處理。[2]

二、有限元建模與分析

第一，根據表1所示的永磁同步電機沖片尺寸及相關參數建立電機的幾何模型，如圖1所示。首先建立定子半槽結構，然后通過鏡向操作得到1個完整槽型結構，再利用按坐標抽復制功能，沿Z軸復制24次，即可得到整個電機的定子槽型。按同樣的方法可以繪制電機繞組、永磁磁極轉子鐵心幾何模型，需要注意的是在生成定子沖片幾何模型時，要充分利用軟件的布爾減法運算功能。

教師建立好電機的幾何模型后，需要定義材料屬性，材料屬性的指定是通過材料管理器來實現的，然后把材料屬性分配到相應面域上。對于永磁同步電動機靜磁場分析，需要指定以下材料屬性：指定內部氣隙面域屬性為空氣；指定繞組材料屬性為銅；指定定子鐵心及轉子鐵心材料屬性為DW465-50硅鋼片，由于材料庫中沒有該材料，且該材料是非線性的，可以根據BH曲線加以定義；定義永磁體材料，矯頑力為-950000A/M，剩磁密度為1.25T，并通過相對坐標系的設置來指定永磁磁極的方向。

第二，需要定義電機的激勵，三相永磁同步電動機中存在永磁體激勵和定子繞組電流激勵，其中永磁體激勵在設定材料時已經指定，在此只需定義繞組的電流源。首先根據電機設計方案中的繞組排列對三相永磁同步電動機定子槽中的繞組進行分相，然后設置電流激勵源的大小和方向。[3]邊界條件設定時，本模型需要對電機求解域的外邊界和轉子鐵芯與轉軸的交界兩處邊界進行分析，由于這兩處邊界都是高導磁介質與非導磁介質的分界處，應設定為磁通平行邊界條件。選擇電機內外圓兩條邊界，設置邊界條件為矢量磁位為0，即電機邊界無漏磁。

Ansoft Maxwell 軟件除了可以計算電機內電磁場外，還可以確定電機轉子受到的電磁力、電磁轉矩和電機繞組的電感。需要注意的是，這些參數的求解需要事先設定。模型剖分設定時，本文采用基于模型內部單元邊長的方法，設定最大剖分單元長度為2mm。完成有限元模型建立、材料分配、載荷添加、邊界條件設定和求解項設置后，需要進行分析自檢。自檢正確通過后，執行求解命令，就可以完成本例三相永磁同步電動機的電磁場有限元分析。

第三，主要完成對場圖、曲線、曲面路徑的處理和場計算器使用。首先查看電機的場圖分布，并與該電機的理論分析進行結果對比，如果合理，說明該模型建立和求解是正確的。反之，則可以根據場圖的分布情況檢查建模時存在的問題，經過模型修正或更改設置，最終可以得到正確的分析結果，但是場圖分析不僅需要掌握該電機的基本原理，還需要有扎實的電磁場知識。由此也表明了“電機及電力拖動基礎”課程與之前的先修課程“工程電磁場”是緊密聯系的。

在后處理中可以查看電機受到的電磁力、電磁轉矩、電感矩陣和磁鏈等參數信息。需要注意的是，Ansoft Maxwell 進行磁場分析時，Z軸長度是默認以1m深度進行計算的，所以計算實際電機受力和電磁轉矩及電感時需要考慮電機的實際軸向長度。

后處理可以觀察有限元模型的具體剖分情況，如圖2所示。電機的電磁力分布情況和電機磁通密度云圖分布情況分別如圖3和4所示。

在有限元分析模型里，如果想查看某一條路徑上的場量（比如氣隙上的磁密大小），需要事先畫一條經過氣隙的考察路徑，然后再計算該考察路徑上的磁密的模，最后還可以利用場計算器對這些場量進行數學運算。

三、結束語

“電機及電力拖動基礎”是一門重要的專業基礎課，教師針對本課程理論性強、概念抽象的特點，利用電磁場有限元分析軟件Ansoft Maxwell輔助課堂教學，并以三相永磁同步電機二維靜磁場分析為例，分析了該軟件在課程教學中的具體實施過程。該教學方法在本校2010級電氣工程及其自動化專業進行實踐，結果表明該教學方法形象、直觀，能提高學生的學習積極性，達到較好的教學效果。

參考文獻：

[1]王冰峰.關于《電機與拖動》課程教學的幾點思考[J].高等教育研究，2002，18（4）：82-84.

[2]趙博，張洪亮，等.ANSOFT12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]王振，劉建國，王愛鳳.基于ANSOFT的永磁同步電機有限元分析[J].能源研究與管理，2010，（3）：26-33.

（責任編輯：宋秀麗）