基于Ansoft Maxwell軟件的異步電動機仿真教學實踐

寧銀行

（上海電機學院電氣學院，上海201306）

1 引言

“電機學”是電氣工程一級學科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及變壓器、直流電機、異步電機和同步電機等內(nèi)容，包括電機的結(jié)構(gòu)、原理、特性等內(nèi)容，課程知識范圍廣，內(nèi)容抽象，學生普遍反映不易理解。電機學實驗、實踐等環(huán)節(jié)教學效果的好壞直接影響到學生對理論知識的理解和應(yīng)用[1]，加大實驗教學改革是近年來高等教育界形成的共識[2-4]。

由于實驗技術(shù)、實驗場地、經(jīng)費等原因，導(dǎo)致傳統(tǒng)電機學實驗的實驗內(nèi)容和實驗條件受限，存在內(nèi)容單一、缺乏創(chuàng)新性等問題[5-7]。為此，不少教育工作者積極呼吁或建議在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上，引入仿真實驗[8-10]，并探討了虛擬仿真技術(shù)在教學中的應(yīng)用

目前，關(guān)于電機本體結(jié)構(gòu)、運行機理、電磁分析等實驗教學的文獻報道較少，而這些內(nèi)容卻是電機學中的重點和難點。以Ansoft Maxwell、Jmag為代表的有限元仿真軟件已經(jīng)較為成熟，為電機學仿真實驗教學提供了技術(shù)保障。本文以異步電機為例，介紹了基于Ansoft Maxwell的仿真實驗。

2 仿真軟件介紹

Ansoft Maxwell軟件是世界上著名的低頻電磁場有限元分析軟件，在工程電磁領(lǐng)域的分析中得到了廣泛的應(yīng)用。Ansoft Maxwell軟件包括Maxwell模塊和Rmxprt模塊，其中，Maxwell模塊能從“場”的角度（靜態(tài)場、渦流場、瞬態(tài)場等），完成電機、變壓器、傳感器等電磁裝置的計算和分析；與Maxwell模塊相比，Rmxprt模塊則是采用路算，模塊內(nèi)集成了十余種常見的電機類型，用戶只需設(shè)置相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和設(shè)計參數(shù)，便可快速計算出電機的特性曲線。

3 異步電動機仿真教學實例

異步電動機的定子繞組外接到交流電源，依靠電磁感應(yīng)作用，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩，達到機電能量轉(zhuǎn)換的目的。

表1 技術(shù)參數(shù)

“電機學”課程中，異步電動機部分主要包括繞組設(shè)計、感應(yīng)電勢、磁動勢、諧波及諧波抑制、磁場、電壓方程與等效電路、功率方程和轉(zhuǎn)矩方程、參數(shù)測定、轉(zhuǎn)矩特性、工作特性等。

3.1 電機參數(shù)

根據(jù)教學需要，建立異步電機實例的仿真工程項目，表1和表2分別是實例電機的主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計參數(shù)。

表2 設(shè)計參數(shù)

3.2 電機模型

圖1為鼠籠型異步電機的仿真模型。轉(zhuǎn)子采用鑄鋁型導(dǎo)條，定子三相繞組為三角形聯(lián)結(jié)，外接三相交流電源（380 V、50 Hz）。

圖1 鼠籠型異步電機的仿真模型

由實例電機的結(jié)構(gòu)可知，磁場是二維分布，即認為軸向各水平截面上的磁場分布是相同的，因此可以采用2D電機仿真模型來研究電機特性（即在2D模型計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，再進一步考慮軸向高度）。之所以采用2D模型來等效實際電機，是因為采用2D計算可以大大降低運算量，提高效率。通過本環(huán)節(jié)，使學生了解電機的基本結(jié)構(gòu)及其各部件的材料屬性。此外，使學生明確仿真模型與它的實際結(jié)構(gòu)并非完全相同，仿真建模時，應(yīng)遵循“突出主要矛盾，簡化計算”的基本原則。

3.3 電機繞組

電機交流繞組方案較多，可以采用雙層繞組，也可以采用單層繞組。單層繞組又可分為同心式、鏈式、交叉式。其中鏈式繞組中所有線圈節(jié)距相同，而同心式和交叉式繞組中則無法保證所有線圈的節(jié)距是相同的。

根據(jù)實例電機的極槽配合，計算出電機的每極每相槽數(shù)q=36/（4×3）=3，采用交叉式單層繞組，如圖2所示。屬于同一相帶內(nèi)的線圈節(jié)距是不同的，以A相帶為例，節(jié)距分別是8、8、7（以槽數(shù)計）。

一般而言，若q為偶數(shù)，則可以采用鏈式單層繞組；若q為奇數(shù)，則可以采用交叉式單層繞組。

通過本環(huán)節(jié)，提高學生對電機繞組設(shè)計的理解和應(yīng)用，涉及的知識點主要有節(jié)距、合成節(jié)距、節(jié)距因數(shù)、分布因數(shù)、繞組因數(shù)、相帶、繞組類型等。在仿真實驗中，引導(dǎo)學生結(jié)合繞組知識，思考為何如此設(shè)計、是否必須如此設(shè)計。

相對于單層繞組，雙層繞組的節(jié)距設(shè)計自由度大，易于實現(xiàn)。關(guān)于單層繞組和雙層繞組的選擇，在仿真教學中，僅取其中一種方案作為主線，其他繞組方案則作為拓展性內(nèi)容。本教學實例中，則是以單層繞組為主線，而如圖3所示的雙層繞組，則由學生自行完成分析。

圖2 單層繞組

圖3 雙層繞組

3.4 電機內(nèi)磁場

圖4和圖5分別是空載時的磁力線和磁場分布云圖。從圖中可看出，磁場分布是不均勻的。由于線圈感應(yīng)電勢與磁場大小密切相關(guān)，因此，要引導(dǎo)學生關(guān)注氣隙磁密情況。

氣隙磁密是電機學中一個重要的知識點。例如在分析線圈電勢、相電勢時，首先給出的便是氣隙磁密。圖6是實例電機空載時的氣隙磁密波形。從圖中可以看出，仿真計算的氣隙磁密與電機學教材中給出的正弦波形并非完全一致。這是因為仿真軟件較為精確地考慮了定轉(zhuǎn)子的齒槽效應(yīng)。

圖4 磁力線分布

圖5 磁場分布

圖6 氣隙磁密

通過本環(huán)節(jié)的學習，提高了學生對電機內(nèi)磁場分布的認識，在此基礎(chǔ)上，使學生進一步思考磁場和電氣特性的關(guān)系。例如，由氣隙磁密波形特征可知，磁場中含有基波和豐富的諧波，為此引出諧波電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩以及諧波抑制等知識點。

3.5 感應(yīng)電動勢

圖7為電機空載時的相繞組感應(yīng)電勢。電機學教材中導(dǎo)出的相基波電勢：

在仿真項目中，通過改變相關(guān)參數(shù)（頻率f、每相總串聯(lián)匝數(shù)N、繞組因數(shù)kw1、極距τ、電機軸向長度l等），觀察每極磁通Φ1、氣隙磁密基波幅值B1、相電勢EΦ1的變化情況，深刻理解電機內(nèi)電和磁的關(guān)系。

從圖7中可以看出感應(yīng)電勢的波形正弦度較好。對比氣隙磁場（圖6）和感應(yīng)電勢波形（圖7），表明通過合理的繞組設(shè)計（“節(jié)距”和“分布”），能較好的抑制諧波。

在仿真工程項目中，調(diào)整繞組設(shè)計參數(shù)、斜槽等，觀察氣隙磁密、感應(yīng)電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩等波形變化，加深對諧波和諧波抑制概念的理解，使學生認識到繞組設(shè)計在電機中的重要性。

圖7 感應(yīng)電勢

圖8是電機空載起動相電流變化情況。電機起動時，初始階段轉(zhuǎn)速較低，繞組內(nèi)部感應(yīng)電勢較小，因此外部電壓直接作用時，相電流較大，如圖8中所示起動電流最大值是穩(wěn)定值的10.6倍。較大的起動電流，會對電機產(chǎn)生較大的危害，由此可引導(dǎo)學生思考電機的起動方式，比如降壓起動、串電阻起動（考慮是否可以）等。

圖8 空載起動時的相電流

空載時，電機的穩(wěn)定電流主要用于建立電機的主磁場，產(chǎn)生相繞組感應(yīng)電勢，并與（繞組電阻以及損耗所對應(yīng)的等效電阻）電阻壓降一起，和外部供電電源構(gòu)成電壓平衡。該電流的大小與主磁路的等效阻抗（尤其是激磁電抗）密切相關(guān)。因此，可以通過空載電流的大小變化，使學生體會激磁電抗的影響因素。例如，在仿真項目中，調(diào)整繞組匝數(shù)N、氣隙長度δ、電機軸向長度l等，觀察空載穩(wěn)態(tài)電流大小的變化，有助于理解教材中導(dǎo)出的等效電路和電抗表達式：

3.6 工作特性

三相異步電動機的輸出特性主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速上。圖9是實例電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系曲線。本環(huán)節(jié)涉及轉(zhuǎn)矩表達式、最大轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等知識點。

在額定電壓時，電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系式為

圖9 T-s特性曲線

在仿真項目中，調(diào)整供電電壓的幅值、頻率以及轉(zhuǎn)子電阻（改變轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電導(dǎo)率）等參數(shù)，觀察轉(zhuǎn)矩曲線的變化，尤其是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等。通過仿真實驗，進一步增強對轉(zhuǎn)矩表達式的理解。

4 結(jié)語

本文介紹了異步電動機的仿真教學實例，突出了基本知識點和基本概念的趣味性，增強了課堂教學效果。Ansoft Maxwell作為專業(yè)的電磁計算軟件，能夠支撐電機學課程的仿真實驗，并能夠支持完成創(chuàng)新性綜合設(shè)計，鼓勵學生融合電機學、電機設(shè)計、電力拖動、電力電子、自動控制原理等知識。