MagNet在“電磁場與電磁波”課程教學中的應用

鄭慶慶, 吳 謹, 朱 磊, 左 韜

(武漢科技大學 信息科學與工程學院, 湖北 武漢 430081)

計算機技術應用

MagNet在“電磁場與電磁波”課程教學中的應用

鄭慶慶, 吳 謹, 朱 磊, 左 韜

(武漢科技大學 信息科學與工程學院, 湖北 武漢 430081)

在“電磁場與電磁波”課程教學中,引入MagNet有限元分析軟件解決實際問題。通過屏蔽球模型和永磁同步電機兩個實例,由淺入深地介紹了MagNet在該課程教學中的具體應用。實際教學效果表明,這種教學方法可以加深學生對電磁場理論以及工程應用的理解,培養學生解決實際工程問題的能力。

電磁場與電磁波； 課程教學改革； MagNet

“電磁場與電磁波”是一門理論性比較強的課程,它所涉及的內容是電類專業知識結構的必要組成部分,也是一些交叉領域的學科生長點和新興邊緣學科發展的基礎。其中關于場論的內容數學公式較多、概念比較抽象,增加了教學難度[1-3]。隨著計算機技術的迅速發展和有限元技術的逐漸成熟,不同形式的電磁場均可以通過有限元軟件來實現,使看不見、模不著的電磁場以場圖的形式表達。學生在學習理論知識的基礎上,可以通過設置不同的求解域、邊界條件、激勵源等,對比不同條件下的場圖,得到更為直觀和形象化的電磁場模型[1]。

1 MagNet軟件簡介

MagNet是由加拿大Infolytica公司推出的一款低頻電磁場分析軟件,用于分析電機、變壓器等電氣設備的電磁場,可以得到二維和三維的靜態或動態磁場特性、電氣設備的運行特性等[4]。它可以提供4種低頻電磁場解決方案：

(1) 2D/3D靜態磁場方案,靜態磁場是指所有的磁場量均不隨時間改變而改變；

(2) 2D/3D時間諧振磁場方案,時間諧振磁場是指隨時間按正弦或余弦規律變化的磁場；

(3) 2D/3D瞬態磁場方案；

(4) 2D/3D瞬態運動方案。

MagNet軟件可以精確地求解能量、磁鏈、力、力矩、電壓、電流、歐姆損耗、鐵心損耗、速度、位移等,可視化場量包括磁場密度、磁場強度、電流密度、洛倫茲力密度等。

在電磁場與電磁波課程教學中引入MagNet軟件,能以形象、直觀的場分布圖和曲線圖幫助學生加深對理論知識的理解,提高分析和解決實際工程問題的能力[5-6]。

2 MagNet在電磁場與電磁波教學中的應用

2.1 實例一：屏蔽球模型的靜態磁場和時間諧振磁場

在均勻場中放置一個球,該球模型的材質為鐵磁體或者導體。考慮到空間對稱性,只需要研究1/8模型,如圖1(a)所示。均勻場由圍繞球模型的無限長圓柱形線圈產生。圖1(a)左下角為1/8球殼,材質選擇材料庫里的MU3,其相對磁導率為1 000；外圍銅線圈設置為1 000匝,每匝電流63.7 A。其余部分的材質均設為空氣。模型的上頂面、下底面和右側面定義了場的垂直邊界條件,而其余的面默認為水平邊界條件。

在二維有限元分析方法中,模型被剖分成大量的三角形網格單元,求解結果的精度與場的特性以及網格單元的大小有關。在場的幅值和方向變化較快的區域,利用較小的剖分單元可以獲得較高的精度[7]。一種提高網格密度的方法是為特定的面或體設置最大單元尺寸(maximum element size)。

圖1(b)為屏蔽球模型剖分網格的局部放大圖,可見球殼及其附近的剖分網格單元比空氣部分密集,這是因為球殼處的磁場變化較大,本例中設置最大單元尺寸為0.009 m。選擇2D靜態求解器,得到如圖1(c)所示的磁力線圖和圖1(d)所示的局部磁通密度云圖。利用MagNet工具里的場探針(field probe)可以獲取模型中任意位置的場值。圖1(e)列舉了3個球殼部分以及3個空氣部分的磁通密度模值。

圖1 2D靜態磁場求解實例

如果將上述模型中球殼的材質換成鋁導體(Aluminum 6061),電導率為2.538e7 S/m,外圍的銅線圈仍然設置為1 000匝,每匝電流為63.7 A,電流源頻率為400 Hz。研究該模型的時間諧振場,選擇2D時間諧振場求解器,得到球殼和銅線圈上的歐姆損耗、模型的磁力線分布、磁通密度的均方根值以及任意指定點處的場值,如圖2所示。

2.2 實例二：三相四極永磁同步電機的靜磁場分析

永磁同步電機[8-11]由定子鐵心、定子繞組、永磁體磁極和轉子鐵心組成。定子內徑、外徑分別為74 mm和120 mm,極數4,定子槽數24。用AutoCAD繪制電機的二維幾何模型,如圖3所示。定子鐵心和轉子鐵心采用非線性的鐵磁材料DW465-50硅鋼片,定子繞組采用電導率為5.77e7 S/m的銅線,永磁體采用釹鐵硼(Neodymium Iron Boron): 28/23,其余部分材質為空氣。

圖2 2D時間諧振場求解實例

圖3 用AutoCAD繪制的電機平面結構圖

將繪制好的二維幾何圖形保存成.dxf文件,導入MagNet有限元仿真軟件中,沿著垂直于閉合面的方向拉伸一定長度形成立體的組件,并在電機外圍空間構造一個大方框,加載空氣包,如圖4所示。

圖4 Magnet生成的電機立體模型圖

如圖5所示，對三相繞組加載電流激勵。A相繞組100匝,每匝電流為0.5 A；B相繞組100匝,每匝電流為-0.25 A；C相繞組100匝,每匝電流為-0.25 A。

其中“-”表示電流方向相反,表明B、C相電流相位分別落后于A相電流相位120°和240°。邊界條件為默認的水平邊界條件。選擇2D靜態磁場求解器,得到圖6和圖7所示的電機磁力線分布圖和電機磁通密度分布云圖,其中圖6中左上角和右下角各有一條磁力線溢出,表示有少量漏磁現象。

圖5 電機三相繞組加載的電流激勵參數

圖6 電機磁力線分布

圖7 電機磁通密度分布云圖

通過對永磁同步電機的靜態磁場進行仿真分析,可以查看各項性能指標是否達到了預期要求,為永磁同步電機的設計提供參考依據。

3 結語

通過屏蔽球模型和永磁同步電機兩個實例展示了有限元軟件MagNet在“電磁場與電磁波”課程教學中的應用。通過對電磁場問題的仿真計算,電磁場相關參數以直觀、豐富多彩的形式展現出來,加深了學生對電磁場問題的認識,拓展了學生的知識面,提高了學生的學習興趣及動手能力[12]。實踐證明,MagNet軟件在武漢科技大學本科生“電磁場與電磁波”課程的輔助教學過程中取得了良好的教學效果。

References)

[1] 代秋芳,王衛星,劉洪山,等.“電磁場與電磁波”實驗課程建設與實踐[J].電氣電子教學學報,2014,36(2):94-98.

[2] 王云秀.HFSS在電磁場與電磁波教學中的應用[J].大眾科技,2011(12):199-200.

[3] 郝麗.基于Ansoft的電磁場實驗仿真軟件研發[J].實驗技術與管理,2013,30(9):104-106.

[4] 海基科技.INFOLYTICA軟件概述[J].CAD/CAM與制造業信息化,2012(4):42-45.

[5] 高永鋒.將科研內容融入“電磁場與電磁波”課程教學[J].中國電力教育,2009(12):49-50.

[6] 朱希安.教學與科研項目結合提升教學效果的實踐研究[J].中國電力教育,2014(2):62-63.

[7] 夏海霞,楊俊秀.ANSYS在“工程電磁場”課程教學中的應用[J].電氣電子教學學報,2011,33(5):96-98.

[8] 范樂,任寧寧,郝萍,等.基于Magnet的永磁同步電機設計[J].微特電機,2014,42(2):26-28.

[9] 徐東,劉敬猛.永磁同步電機伺服仿真系統關鍵技術研究[J].實驗技術與管理,2012,29(4):321-325.

[10] 李富平,胡欲立,董金寶.基于Magnet的永磁直流電動機漏磁仿真分析[J].微特電機,2010(4):27-29.

[11] 王隆彪,楊宗霄.外轉子永磁同步發電機的Magnet仿真分析[J].微電機,2013,46(8):10-14.

[12] 凌丹,王薔.電磁場與微波實驗教學的改革[J].實驗技術與管理,2010,27(9):115-117.

Application of MagNet in Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave course teaching

Zheng Qingqing, Wu Jin, Zhu Lei, Zuo Tao

(School of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

This paper describes the significance of introducing the finite element software MagNet to analyze project cases in Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave course teaching,and demonstrates the specific applications step by step through spherical shield model and permanent magnet synchronous motor. Practices show that the teaching method can enhance students’ comprehension on electromagnetic field theory and engineering application,and improve their abilities to solve practical engineering problems.

electromagnetic field and electromagnetic wave; reform of course teaching; MagNet

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.032

2016-10-25

湖北省高等學校省級教學研究項目(2016239)

鄭慶慶(1978—),女,湖北赤壁,博士,副教授,主要研究方向為圖像處理與模式識別.

O441.4;G642

A

1002-4956(2017)4-0126-04