JMAG有限元仿真在電機學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李祥林，馬文忠，王玉彬，馮興田

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

JMAG有限元仿真在電機學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李祥林，馬文忠，王玉彬，馮興田

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

傳統(tǒng)電機學(xué)實驗教學(xué)主要側(cè)重電機拖動及驅(qū)動控制，而忽略了電機本體運行機理和電磁特性分析的相關(guān)實驗設(shè)計，這與電機學(xué)理論教學(xué)的重點內(nèi)容不相符合。有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，為高校電機學(xué)實驗教學(xué)改革帶來了新的發(fā)展空間。基于JMAG軟件，以常見的表貼式永磁同步電機為例，給出電機本體仿真建模過程及電磁特性分析的具體實例，闡述了有限元仿真技術(shù)在電機學(xué)實驗教學(xué)中的重要作用。實踐表明，基于有限元軟件的仿真實驗教學(xué)直觀形象，有利于學(xué)生深入理解電機運行機理和電磁特性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，大大提高實驗教學(xué)效果和質(zhì)量，并培養(yǎng)了學(xué)生利用有限元軟件分析和解決實際工程問題的能力。

電機學(xué)； 實驗教學(xué)； 有限元仿真； 永磁同步電機

0 引 言

隨著教學(xué)改革的不斷深化，電氣工程類各學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式都發(fā)生了很大變化[1-3]。電機學(xué)是電氣工程學(xué)科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在電氣領(lǐng)域人才培養(yǎng)中具有十分重要的地位和作用[4-6]。但是，電機學(xué)理論性強、概念抽象、推導(dǎo)計算復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生理解困難，理論掌握不牢[7]。因此，電機學(xué)實驗教學(xué)作為理論教學(xué)的補充，則成為一個重要環(huán)節(jié)，它既能夠促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握電機理論，又充當(dāng)著理論學(xué)習(xí)到工程實踐應(yīng)用的過渡角色[8]。加強實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，增強學(xué)生對理論知識的理解和解決實際工程問題的能力，已經(jīng)成為高校教育者的共識[9-10]。然而，傳統(tǒng)的電機學(xué)實驗教學(xué)主要側(cè)重傳統(tǒng)電機拖動及驅(qū)動控制[11-12]，而沒有電機本體運行機理和電磁特性分析的相關(guān)實驗設(shè)計，這與電機學(xué)理論教學(xué)重點內(nèi)容嚴(yán)重脫鉤。有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，為高校電機學(xué)實驗教學(xué)改革帶來了新的發(fā)展空間[13]。為此，在現(xiàn)有電機拖動實驗教學(xué)基礎(chǔ)上，引入基于有限元仿真實驗教學(xué)，不僅能彌補現(xiàn)有實驗教學(xué)內(nèi)容的不足，而且能夠幫助學(xué)生加深對電機本體結(jié)構(gòu)、運行機理和電磁特性分析的理解和掌握，是對電機學(xué)理論教學(xué)的一個有力補充。同時，直觀形象的有限元仿真實驗教學(xué)還能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于引導(dǎo)學(xué)生將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用到工程實踐中，提高學(xué)生分析解決實際工程問題的能力。本文將以常見的表貼式永磁同步電機(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Machine, SMPMSM)為例，基于JMAG有限元分析軟件，給出電機本體仿真建模過程及電磁特性分析的具體實例，來闡述有限元仿真技術(shù)在電機學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

1 JMAG軟件特點

JMAG軟件是由日本JSOL公司開發(fā)的一款功能齊全，可對電機等多種電磁設(shè)備進(jìn)行精確電磁場分析的有限元計算軟件。目前用于電機有限元分析的軟件主要有Ansys、Ansoft、Flux和JMAG等[14-15]，相比而言，JMAG軟件具有如下特征：① 用戶可通過JMAG的圖形界面可視化地繪制幾何模型；② 擁有龐大的材料數(shù)據(jù)庫和完善的剖分工具；③ 具備電磁以及溫度和應(yīng)力等眾多求解器；④ 可以和控制類軟件進(jìn)行耦合實現(xiàn)聯(lián)合仿真。總之，可視化的建模、簡單的界面操作、快速精確的求解計算、開放的聯(lián)合仿真等諸多優(yōu)點使得JMAG軟件在電機設(shè)計分析中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 SMPMSM有限元仿真分析

2.1仿真模型建立

圖1所示為利用JMAG軟件進(jìn)行電機本體有限元分析計算的流程圖，其主要步驟包括：繪制模型、設(shè)定條件、求解計算。建立準(zhǔn)確的幾何模型是實現(xiàn)精確計算的必要前提，JMAG軟件提供的形狀編輯器(Geometry Editor)中繪制電機模型時，長度參數(shù)能夠精確到nm級，角度參數(shù)能夠精確到(10-13)°。圖2所示為利用JMAG軟件建立的18槽/8極SMPMSM仿真模型，由于該電機為軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，故可采用二維仿真建模。與三維仿真相比，二維仿真忽略了端部漏磁的影響，在保證計算精度的前提下，剖分量小，分析計算速度快[16]。

圖1 JMAG有限元仿真分析流程圖

圖2 18槽/8極SMPMSM仿真模型截面結(jié)構(gòu)圖

2.2仿真參數(shù)設(shè)定

在Geometry Editor中繪制好的幾何模型，需要導(dǎo)入到JMAG designer中，然后利用JMAG強大的拖拉式設(shè)置界面對材料屬性以及諸如邊界、運動約束等的狀態(tài)條件進(jìn)行定義，并根據(jù)槽電勢星形圖設(shè)置繞組連接電路，在此基礎(chǔ)上設(shè)定好剖分參數(shù)以及仿真步長后，便可進(jìn)行求解計算。對于圖2所示的18槽/8極SMPMSM仿真模型，求解計算前的條件設(shè)定路徑具體如下：

材料屬性設(shè)置：Toolbox → Materials → Project manager → Control；

運動約束條件設(shè)定：Toolbox → Conditions → Motion → Project manager → Control；

邊界條件設(shè)定：Toolbox → Conditions → Boundaries；

繞組電路連接：Project manager → Treeview → Study → Add Circuit；

剖分參數(shù)設(shè)定：Project manager → Treeview → Mesh → Properties；

仿真步長設(shè)定：Project manager → Treeview → Study → Properties → Step Control.

通過分析計算結(jié)果以及電磁場分布情況，根據(jù)電機性能設(shè)計目標(biāo)，可以在Geometry Editor中調(diào)整模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，再次導(dǎo)入后進(jìn)行求解計算，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案。表1所示為優(yōu)化分析得到的一款18槽/8極SMPMSM的相關(guān)設(shè)計參數(shù)。

表1 18槽/8極SMPMSM設(shè)計參數(shù)

2.3仿真結(jié)果分析

2.3.1空載磁場

JMAG軟件能夠方便地演示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中電機磁場以及磁密分布的動態(tài)變化情況，從而能夠簡潔直觀地展示電機的運行機理，這將有助于加深學(xué)生對電機中機電能量轉(zhuǎn)換過程的理解。圖3(a)所示為轉(zhuǎn)子某一位置下的電機空載磁場分布，圖3(b)為此時對應(yīng)的磁密分布云圖，磁密分布能夠為電機結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。

(a) 磁場分布

(b) 磁密分布圖3 18槽/8極SMPMSM空載磁場分布和磁密分布圖

2.3.2空載感應(yīng)電動勢

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1對極，定子磁場相應(yīng)變化一個電周期，電樞繞組中周期性變化的磁鏈能夠感應(yīng)出電動勢，電樞繞組設(shè)計分析是電機學(xué)中的重點和難點內(nèi)容。借助JMAG軟件，可以容易地實現(xiàn)電樞繞組的不同連接方式，通過對比分析，學(xué)生能夠更好地理解不同繞組設(shè)計的性能特點，有助于深入掌握電樞繞組設(shè)計理論。本文所研究的18槽/8極SMPMSM，每極槽數(shù)為9/4，故可采用線圈跨距為2的分布繞組。圖4所示為有限元仿真計算得到的額定轉(zhuǎn)速下該電機空載感應(yīng)電動勢波形，其幅值為212 V。電機學(xué)中，根據(jù)基本電磁定律，理論推導(dǎo)可得到上述電機相空載感應(yīng)電動勢幅值Em的表達(dá)式為：

Em=kwNpBgmLaDgωr

(1)

式中：kw為相繞組系數(shù)；Np為相繞組串聯(lián)匝數(shù)；Bgm為氣隙磁密基波幅值；La為有效軸向長度；Dg為氣隙直徑；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。

根據(jù)式(1)，理論計算得到的相空載感應(yīng)電動勢幅值為216 V，可見有限元仿真結(jié)果與理論計算十分吻合。

圖4 額定轉(zhuǎn)速時，空載感應(yīng)電動勢波形

2.3.3定位力矩

與異步電機不同，在永磁電機中，由于永磁磁場的存在，定子齒槽交替引起的圓周磁導(dǎo)變化，會導(dǎo)致永磁電機在空載時軸上存在定位力矩。借助JMAG軟件的磁場分析，可以讓學(xué)生直觀地認(rèn)識到定位力矩產(chǎn)生的原因，從而加深對定位力矩的理解。利用JMAG軟件，有限元分析計算得到的電機定位力矩波形見圖5。

圖5 定位力矩波形

2.3.4電樞反應(yīng)

電樞反應(yīng)是指電樞電流產(chǎn)生的電樞磁場對永磁體所形成的主磁場產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。在電機學(xué)教學(xué)中，對電樞反應(yīng)的講解一般基于向量圖展開，比較抽象且難以理解。借助JMAG軟件，可以直觀地展示不同電樞電流下的電樞反應(yīng)情況。圖6所示為3種典型情況，即電樞電流i和電動勢e同相位(直軸磁場未受影響)、i滯后e90°(直軸去磁電樞反應(yīng))、i超前e90°(直軸增磁電樞反應(yīng))時的電機磁密分布圖，可以清楚直觀地看出施加不同電樞電流對電機磁場產(chǎn)生的影響，這將有助于加深學(xué)生對電樞反應(yīng)的理解。

(a)i和e同相位(b)i滯后e90°(c)i超前e90°(d)磁密標(biāo)尺

圖6 施加不同相位電樞電流，電機磁密分布圖

2.3.5電磁轉(zhuǎn)矩

電機學(xué)中提到，無刷交流控制和無刷直流控制分別適用于感應(yīng)電動勢接近正弦波或方波的電機。上述18槽/8極SMPMSM的感應(yīng)電動勢為正弦波，故可采用無刷交流控制中的id=0控制策略，即在JMAG軟件中，設(shè)置所施加的電樞電流i與感應(yīng)電動勢e同相位，此時電樞電流將全部用于做有功。圖7所示為采用上述控制策略施加電樞電流6 A時仿真得到的電磁轉(zhuǎn)矩波形，該結(jié)果與根據(jù)相電動勢、相電流、電機轉(zhuǎn)速計算得到的理論值相吻合。在JMAG中，通過施加不同的電樞電流，可以模擬不同控制方法對電機電磁轉(zhuǎn)矩特性的影響，能夠加深學(xué)生對不同控制策略控制效果的認(rèn)識，為后續(xù)電機調(diào)速控制等課程的學(xué)習(xí)奠定一定基礎(chǔ)。

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩波形

3 結(jié) 語

本文基于JMAG軟件，對表貼式永磁同步電機進(jìn)行了仿真建模和電磁特性的分析計算。實踐表明，基于有限元軟件的仿真實驗教學(xué)可以達(dá)到以下目的：

(1) 能夠有效彌補現(xiàn)有實驗教學(xué)中有關(guān)電機本體運行機理和電磁特性分析實驗設(shè)計不足的問題，可視化的模型建立和磁場變化動態(tài)演示能夠簡潔直觀地再現(xiàn)電機運行機理，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了實驗教學(xué)效果；

(2) 使學(xué)生對有限元仿真技術(shù)有了一定的了解和掌握，為學(xué)生后續(xù)諸如工程電磁場理論等課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，同時也提高了學(xué)生利用有限元軟件分析解決實際工程問題的能力；

(3) 對諸如感應(yīng)電動勢、定位力矩、電樞反應(yīng)、電磁轉(zhuǎn)矩等電機電磁特性的有限元分析，使許多抽象的電磁分析過程形象化，復(fù)雜的理論推導(dǎo)得到驗證，能夠加強學(xué)生對電機學(xué)課程重點和難點問題的理解，有助于提高理論教學(xué)質(zhì)量。

[1] 張曉花, 朱陳松, 朱昌平.學(xué)科競賽促進(jìn)電機課程教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索, 2011, 30(6): 278-280, 299.

[2] 陳知紅, 王錦蘭.Proteus仿真軟件在電工學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(2): 93-95, 128.

[3] 周 凱, 吳曉剛, 那日沙, 等.Saber仿真技術(shù)在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理, 2015, 32(4): 127-129.

[4] 湯蘊璆.電機學(xué)[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2014.

[5] 辜承林.電機學(xué)[M].武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2016.

[6] 潘再平.電機學(xué)[M].杭州: 浙江大學(xué)出版社, 2015.

[7] 李 勇, 徐永向, 胡建輝, 等.提高學(xué)生學(xué)習(xí)電機學(xué)興趣的一種新嘗試[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2008, 30(5): 91-92, 95.

[8] 薛豐進(jìn), 王永華, 袁如明.Matlab在電機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索, 2005, 24(10): 73-76.

[9] 張 強, 王維慶, 姜 波, 等.基于ANSOFT軟件建立電機學(xué)虛擬實驗室[J].實驗室研究與探索, 2013, 32(2): 171-174.

[10] 李建海, 皮之軍, 張晨亮, 等.Matlab/Simulink仿真技術(shù)在電機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理, 2011, 28(8): 79-82.

[11] 李曉寧, 李逢春.基于dSPACE的永磁同步電機控制半實物仿真實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索, 2011, 30(9): 12-14.

[12] 吉敬華, 趙文祥, 劉國海.基于DSP的永磁電機控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺[J].實驗室研究與探索, 2011, 30(10): 217-219.

[13] 郝 麗.基于Ansoft的電磁場實驗仿真軟件研發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理, 2013, 30(9): 104-106.

[14] 王 晗, 李敏浩, 陳 新, 等.基于ANSOFT15.0等效磁路理論應(yīng)用仿真與實驗[J].實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(1): 91-93, 97.

[15] 王 堅.ANSYS軟件輔助電機學(xué)課程教學(xué)的探索[J].中國電力教育, 2012(24): 58-59.

[16] 花 為, 程 明, 朱孝勇, 等.端部效應(yīng)對新型定子永磁型雙凸極電機反電勢的影響研究[J].中國電機工程學(xué)報, 2007, 27(24): 63-67.

ApplicationofJMAGFiniteElementSimulationinExperimentTeachingofElectricMachinery

LIXianglin,MAWenzhong,WANGYubin,FENGXingtian

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

The traditional experiment teaching of electric machinery mainly focuses on the motor driving and control, and lacks the experiments designed for machine operating mechanism and electromagnetic characteristics analysis, which is seriously inconsistent with the key content of electric machinery theory.With the development of finite element simulation technology, there is a large development space in the experimental teaching reformation of electric machinery.By using the JMAG software and taking the surface-mounted permanent magnet synchronous machine as an example, this paper illustrates the detailed finite element analysis process for the machine modeling and electromagnetic characteristics calculation, which indicates the important role of finite element simulation technology in experiment teaching of electric machinery.Practices demonstrate that the experiment teaching based on the finite element simulation is intuitive and visual, can help students establish an in-depth understanding of machine operating mechanism and electromagnetic performances.This effectively stimulates the students’ learning interests, and greatly improves the experiment teaching quality.Furthermore, this can also enhance the ability of students to use finite element software to analyze and solve practical engineering problems.

electric machinery; experiment teaching; finite element simulation; permanent-magnet synchronous machine

TM 301

A

1006-7167(2017)10-0115-04

2016-12-01

中國石油大學(xué)(華東)重大教學(xué)改革項目(JY-A201401)；國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51507191)；中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項目(JY-B201612)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(15CX02113A)。

李祥林(1984-)，男，山東泰安人，博士，講師，主要研究方向為新型電機的設(shè)計、分析與控制。Tel.: 15066851211; E-mail：xianglinli@upc.edu.cn