有限元仿真技術(shù)在電機教學(xué)中的應(yīng)用

余 劍 牛綠原 劉 磊 陳美臣

有限元仿真技術(shù)在電機教學(xué)中的應(yīng)用

余 劍 牛綠原 劉 磊 陳美臣

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

文章分析了電機教學(xué)中存在的問題和產(chǎn)生根源，指出引入現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)進(jìn)行電機教學(xué)的緊迫性和必要性。文章以開關(guān)磁阻電機為對象具體給出構(gòu)建的科學(xué)、綜合、工程實踐性強的仿真訓(xùn)練項目，并用于教學(xué)，以促進(jìn)教學(xué)效果的提升。秉承以學(xué)生為主體的教育教學(xué)理念，基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實踐教學(xué)體系，有利于降低實驗成本、節(jié)約空間和時間及培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。這種新型現(xiàn)代化信息教育改革模式為高校電類專業(yè)發(fā)展提供豐富可行的實踐經(jīng)驗。

虛擬仿真；實驗教學(xué)；開關(guān)磁阻電機

引言

“電機學(xué)”是電氣工程及自動化專業(yè)等電類專業(yè)必修的一門專業(yè)主干課。其在各高校授課時間一般較早，主要面向低年級大學(xué)生。電機學(xué)理論知識邏輯性強、綜合性高，理解不易。電機學(xué)的前序課程，比如“高等數(shù)學(xué)”“工程數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”及“電路”等課程或剛學(xué)完不久，或正在同步授課，這增加了學(xué)習(xí)難度。另外，電機學(xué)中很多知識非常抽象，比如交流繞組部分，理解繞組規(guī)律，無實物時只能憑空想象；再比如電機電磁轉(zhuǎn)矩特性，電機尺寸與轉(zhuǎn)矩關(guān)系如何，電機在運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性如何，沒有實驗支撐感性認(rèn)知，學(xué)習(xí)效果極差[1]。

“電機學(xué)”也是一門實踐性較高的課程，一般該課程都應(yīng)該開設(shè)課內(nèi)實驗。但受制于經(jīng)費、學(xué)生人數(shù)等多種原因，電機基本結(jié)構(gòu)不易理解。比如交流繞組的器材嚴(yán)重不足，很多高校電機實驗中都沒有這項內(nèi)容，同時電機實驗室開設(shè)實驗內(nèi)容可能不僅針對電機課程，還應(yīng)對于高年級的可編程邏輯控制器（PLC）課程，實驗室使用率高，再加上整個專業(yè)人數(shù)多，電機學(xué)課內(nèi)實驗很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果[2]。

電機學(xué)在電類專業(yè)人才培養(yǎng)知識體系中占有重要地位，其知識屬于底層基石，但受上述諸多因素影響造成學(xué)生低年級學(xué)習(xí)時學(xué)不好，到了高年級要用時不會用的尷尬局面。電機學(xué)教學(xué)改革迫在眉睫。

20世紀(jì)40年代，隨著計算機技術(shù)發(fā)展起來的虛擬仿真，主要是通過計算機對事物建模、模擬，通過操作軟件進(jìn)行仿真模擬現(xiàn)實中的實驗操作，可以達(dá)到與現(xiàn)實操作同樣的實驗?zāi)康摹Ｇ译姍C專業(yè)有限元仿真軟件功能強大，操作性強，不受場地、人次影響，費用低。在電機學(xué)中引入有限元仿真技術(shù)，促進(jìn)形成虛擬與現(xiàn)實互補的新型電機教學(xué)模式，為電機教學(xué)提供了新的思路[3-5]。

1 電機類型確定及仿真任務(wù)設(shè)計

電機種類多，知識涵蓋廣，很多知識都可作為仿真任務(wù)。為了取得較好的輔助教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高軟件仿真技術(shù)水平，完美實現(xiàn)虛實結(jié)合的初衷，制定的任務(wù)要符合以下原則：第一，具備一體工程實踐性，仿真實訓(xùn)內(nèi)容要緊密結(jié)合工程實際問題展開；第二，注重體系化，不能雜亂無章，訓(xùn)練項目要成體系；第三，具備一定難度，過簡過難都會減弱學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

1.1 電機種類選定

開關(guān)磁阻電機[6]，因為不含永磁體，結(jié)構(gòu)為簡單的雙凸極定轉(zhuǎn)子形式，所以具有制造成本低廉，不受惡劣環(huán)境影響，效率高及抗高溫等諸多優(yōu)勢，使用范圍越來越廣泛，在某些領(lǐng)域有極強優(yōu)勢。為了突出工程實踐性[7]，仿真對象擬定為開關(guān)磁阻電機。

1.2 開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)及工作原理

開關(guān)磁阻電機的定、轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，鐵芯為硅鋼片材質(zhì)[8]。轉(zhuǎn)子無永磁體和繞組，僅在定子部位嵌繞繞組。因其獨特結(jié)構(gòu)，開關(guān)磁阻電機堅固耐用、可靠，易維護(hù)。

開關(guān)磁阻電機遵循磁阻最小原理，即磁通總沿磁導(dǎo)非常大的閉合路徑流通的原理。當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒中間線不重合、磁導(dǎo)小時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導(dǎo)較大位置。

1.3 仿真任務(wù)設(shè)計

因為開關(guān)磁阻電機內(nèi)部為雙凸極結(jié)構(gòu)，且是開關(guān)式電激勵方式，其運行會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩脈動和徑向振動，這些容易引發(fā)振動噪聲，制約其進(jìn)一步發(fā)展。其中，徑向振動是誘發(fā)噪聲的主因[9]。目前，抑制振動主要有兩種方法：第一種是通過先進(jìn)控制策略，控制電機相電流、開關(guān)角等可控重要參數(shù)，從算法達(dá)成抑制振動、消噪的目的；第二種是從電機本體角度出發(fā)，優(yōu)化電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，修訂重要參數(shù)，最終實現(xiàn)目標(biāo)。其中，第二種方法利用強大的電機本體仿真軟件，進(jìn)行電機優(yōu)化仿真，探尋重要參數(shù)，比如轉(zhuǎn)子槽寬度尺寸優(yōu)化，實現(xiàn)抑制振動消噪，是一個綜合性強、難度適中及工程實踐性強的實驗訓(xùn)練項目，遂定為仿真任務(wù)。

2 電機模型構(gòu)建

目前，為抑制振動消噪可以對電機本體定、轉(zhuǎn)子尺寸，結(jié)構(gòu)和氣隙長度等方面進(jìn)行優(yōu)化。其中對轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可以改變磁場分布，調(diào)整氣隙磁場，降低磁徑向力實現(xiàn)抑制振動，且是一種本體優(yōu)化方面的主流方案。為檢驗優(yōu)化后抑制振動的實際效果，利用Autocad設(shè)計了兩種電機結(jié)構(gòu)。仿真電機選為三相12/8極電機。

改進(jìn)前后電機主要參數(shù)如表1所示，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。從表1數(shù)據(jù)來看，兩種電機尺寸基本是一樣的，只不過改進(jìn)后的電機在轉(zhuǎn)子齒上都開有一個槽，如此減小磁導(dǎo)，必將影響氣隙磁密分布，從而影響徑向力，改善電機運轉(zhuǎn)振動。不過，改進(jìn)電機轉(zhuǎn)子齒上的開槽部，會因開槽位置、槽寬尺寸不同，對氣隙磁密分布的影響程度不同，最終對徑向力的改善也會有所區(qū)別。這恰好可以設(shè)定一個優(yōu)化分析，找尋最佳尺寸，一方面難度適中，另一方面也會極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有力提升教學(xué)效果。

表1 兩種電機主要尺寸

（a）常規(guī)開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)

（b）改進(jìn)開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)

圖1 兩種電機結(jié)構(gòu)對比

3 有限元仿真分析

3.1 有限元及仿真軟件簡介

工程中磁場問題的數(shù)值分析方法主要分為有限差分法、有限元法、邊界元法三種方法。其中，有限元法計算思路是將復(fù)雜、連續(xù)的求解域拆分為大量有限個求解域簡單的子單元，相比其他方法更適用于求解域邊界條件復(fù)雜、內(nèi)外部不規(guī)則情況，因此它成為求解工程磁場問題的主流方法[10-12]。有限元分析軟件有多種，當(dāng)前用于電機電磁場仿真最重要的軟件是Maxwell軟件。Maxwell內(nèi)嵌麥克斯韋方程組使用矩陣求解器對電磁場問題進(jìn)行求解分析，其主要有Maxwell 2D、Maxwell 3D和RMxprt三大分析模塊。其中前兩個模塊分別求解二維、三維的電磁場問題，后一模塊能快速對內(nèi)置或用戶自定義電機模型進(jìn)行仿真，簡化電機本體建模。由于電機三維模型建模過程較為復(fù)雜，電機教學(xué)主要面向二維問題展開。

3.2 磁路分析

電機額定轉(zhuǎn)速可設(shè)定為3 000 r/min，額定電壓為140 V。磁路分析如圖2所示。圖2（a）描述常規(guī)結(jié)構(gòu)電機在定轉(zhuǎn)子齒未對齊時，定轉(zhuǎn)子重疊之處氣隙磁力線分布情況；圖2（b）給出改進(jìn)結(jié)構(gòu)的電機定轉(zhuǎn)子重疊區(qū)域氣隙磁力線分布情況，定轉(zhuǎn)子位置同圖2（a）情況。兩種仿真所加勵磁電流完全一致，這便于比較分析。從圖2可知：因在轉(zhuǎn)子齒部開了槽，分布在轉(zhuǎn)子齒頂部的磁力線發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，甚至有磁力線的法線方向完全轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢蚍较颍瑩?jù)此可分析得出切向磁密增強，徑向磁密減弱。

（a）常規(guī)氣隙磁場

（b）開槽后氣隙磁場

圖2 氣隙磁場對比

3.3 轉(zhuǎn)子槽位置和寬度優(yōu)化

從圖2（b）中描繪的磁力線分布，尤其在槽正面向氣隙部磁力線分布情況可知：轉(zhuǎn)子開槽后對原氣隙磁力線分布造成重大影響，雖有限抑制徑向磁密，增大切向磁密，但是在槽切向附近磁力線集聚，也會造成轉(zhuǎn)子齒部磁路飽和，所以開槽部分、槽厚及槽寬度的選擇存在一個優(yōu)化問題。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]，轉(zhuǎn)子開槽降低徑向力效果主要受制于槽寬度非厚度，所以在教學(xué)中可以指導(dǎo)學(xué)生僅對轉(zhuǎn)子開槽位置和寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過靜態(tài)磁場仿真優(yōu)化求解，可最終確定槽位置和槽寬數(shù)據(jù)。優(yōu)化結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 徑向力優(yōu)化圖

圖4 電磁力矩優(yōu)化圖

仿真中設(shè)定的基準(zhǔn)點是圖1（b）中A2下矩形槽右上端點。基準(zhǔn)點在Maxwell中的坐標(biāo)為（5，34）。圖3和圖4中l(wèi)、l分別表示相對基準(zhǔn)點橫、縱坐標(biāo)減少數(shù)。由圖3可知，l=0 mm徑向力最小；圖4中①和②點對應(yīng)電磁力矩最大，然而①點對應(yīng)l=2 mm徑向力偏大，所以最佳點為點②，對應(yīng)l值即為最優(yōu)值。其確定的數(shù)據(jù)為l=0 mm，l=1.4 mm，寬為7.2 mm，于是基準(zhǔn)點坐標(biāo)得到確定，槽最佳位置確定，最終基準(zhǔn)點坐標(biāo)為（3.6，34）。

4 結(jié)論

電機教學(xué)中通過引入計算機仿真技術(shù)，結(jié)合科學(xué)系統(tǒng)、難度適中及實踐性強的訓(xùn)練任務(wù)，使學(xué)生們對電機學(xué)中的許多深奧知識都有直觀的認(rèn)識，如電機工作原理、氣隙磁密、電磁轉(zhuǎn)矩、振動根源等，也對電機本體制造技能，比如電機模型建模、軟件操作，優(yōu)化分析與設(shè)計，都有了親自動手實踐的經(jīng)歷，這無疑大大增強了學(xué)生學(xué)習(xí)電機的積極性，并培養(yǎng)學(xué)生工程科學(xué)素養(yǎng)。同時，使用仿真軟件技術(shù)輔助教學(xué)，引入虛擬結(jié)合現(xiàn)實教學(xué)，是一種低成本、高效率的教學(xué)方法。

[1] 李亞琳，李丹. 虛擬仿真技術(shù)在生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 大眾科技，2022(10): 152-155.

[2] 朱麗娜，云海濱，姚怡. 淺析“課堂革命”策略: 以“電氣控制技術(shù)”課程為例[J]. 教育教學(xué)論壇，2023(2): 145-148.

[3] 張乃龍. 虛實結(jié)合仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)與實踐[J]. 教育教學(xué)論壇，2023(2): 109-112.

[4] 龐寶麟，封岸松，李帥. Proteus仿真軟件在單片機教學(xué)實踐中的應(yīng)用[J]. 科技與創(chuàng)新，2023(1): 176-178.

[5] 孫一斌. 三維仿真軟件在工業(yè)機器人建模中的課程設(shè)計[J]. 中國教育技術(shù)裝備，2022，8(11): 41-43.

[6] 詹瓊?cè)A. 開關(guān)磁阻電動車[M]. 武漢: 華中理工大學(xué)出版社，1992.

[7] 梁永洲，肖發(fā)運，段錦鋒，等. 用于電動自行車的開關(guān)磁阻電機設(shè)計與優(yōu)化[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2022，41(12): 82-86.

[8] 周云紅，胡泮，蔣嘉豪，等. 新型開關(guān)磁阻電機優(yōu)化設(shè)計[J]. 微電機，2021，54(12): 43-50.

[9] 陳梅. 單繞組復(fù)合轉(zhuǎn)子無軸承開關(guān)磁阻電機全周期數(shù)學(xué)模型及新型控制策略研究[D]. 南京: 南京郵電大學(xué)， 2022.

[10] 賀錫之. 開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩脈動與振動抑制研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué)，2021.

[11] 程書燦，趙彥普，張軍飛，等. 電力設(shè)備多物理場仿真技術(shù)及軟件發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2022， 46(10): 121-136.

[12] 智慶軍，武軍杰，王興春，等. ANSYS在瞬變電磁三維正演中的應(yīng)用[J]. 物探與化探，2021，45(4): 1037-1042.

[13] 劉曉榮，高煒. 基于Ansys的調(diào)速永磁同步電機設(shè)計及有限元分析[J]. 防爆電機，2021，56(3): 48-50.

Application of Finite Element Simulation Technology in Motor Teaching

This paper analyzes the problems and root causes in motor teaching, and points out the urgency and necessity of introducing modern computer simulation technology for motor teaching. The paper takes switch reluctant motor as the object to give the scientific, comprehensive and practical simulation training project, which is used for teaching to promote the improvement of teaching effect. Adhering to student-oriented education and teaching concept and the construction of practical teaching system based on virtual simulation technology is conducive to reducing the experiment cost, saving space and time and cultivating students’ engineering literacy. This new modern information education reform mode provides rich and feasible practical experience for the development of electrical major in colleges and universities.

virtual simulation; experimental teaching; switch reluctant motor

G642

A

1008-1151(2023)11-0123-04

2023-02-11

余劍（1978－），男，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院講師，從事電機學(xué)教育研究工作。