融合虛擬仿真技術(shù)的“電機(jī)學(xué)”教學(xué)探索與實(shí)踐

摘要：在國(guó)家大力倡導(dǎo)新工科專業(yè)教學(xué)改革的背景下，將虛擬仿真技術(shù)融入電機(jī)學(xué)的課程教學(xué)，探索該教學(xué)模式的主要優(yōu)勢(shì)。本文以一臺(tái)72槽12極永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)Maxwell仿真軟件進(jìn)行建模、仿真和分析，通過(guò)模型理解電機(jī)的基本參數(shù)概念，直觀展示電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中磁路的變化，通過(guò)仿真結(jié)果，詳細(xì)分析各參數(shù)與電機(jī)輸出結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)直觀的圖形界面、豐富的結(jié)果展示等，幫助學(xué)生直觀理解永磁電機(jī)的電磁特性、機(jī)械特性，鞏固電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，為人才培養(yǎng)模式改革提供參考。

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué)；虛擬仿真；有限元仿真；課程改革

1概述

在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)課程體系中，電機(jī)學(xué)課程一直扮演著重要的角色。然而，傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)課程教學(xué)方式面臨著諸多挑戰(zhàn)，如理論知識(shí)抽象性高、實(shí)踐操作難度大等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并提高教學(xué)效果，許多學(xué)者和教育機(jī)構(gòu)開(kāi)始探索運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)輔助電機(jī)學(xué)課程教學(xué)的方法。

虛擬仿真技術(shù)作為一種現(xiàn)代化的教學(xué)手段，在電氣類專業(yè)教學(xué)中具有巨大潛力。文獻(xiàn)［1］分析了虛擬仿真技術(shù)在電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了一系列改進(jìn)措施，為高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)提供了有益參考。徐磊等則提出了基于虛擬仿真教學(xué)資源的混合式課程教學(xué)模式，通過(guò)拆解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)并融入課堂教學(xué)，有效提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)［2］。特別是在電機(jī)學(xué)課程中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用更是備受關(guān)注。在文獻(xiàn)［3］中強(qiáng)調(diào)了虛擬仿真技術(shù)在電機(jī)學(xué)課程教學(xué)中的重要性，并探討了其應(yīng)用策略，希望為高校電機(jī)學(xué)課程教學(xué)提供技術(shù)支持與理論參考。同時(shí)，文獻(xiàn)［4］指出了引入現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行電機(jī)教學(xué)的緊迫性和必要性，并以開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為對(duì)象構(gòu)建了科學(xué)、綜合、工程實(shí)踐性強(qiáng)的仿真訓(xùn)練項(xiàng)目，從而提升了教學(xué)效果。另外，虛擬仿真技術(shù)還可以有效地幫助學(xué)生理解電機(jī)學(xué)課程中的抽象概念和理論知識(shí)。通過(guò)借助虛擬樣機(jī)技術(shù)，將電機(jī)學(xué)課程復(fù)雜抽象的理論知識(shí)圖像化和具體化，達(dá)到了形象生動(dòng)、立體感強(qiáng)的效果，加深了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解與掌握［5］。

然而，如何更好地整合虛擬仿真技術(shù)于電機(jī)學(xué)課程教學(xué)中，并實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程和教學(xué)成果的有效銜接，仍然是亟待探討和解決的問(wèn)題。因此，本文通過(guò)運(yùn)用Maxwell仿真軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體設(shè)計(jì)和分析過(guò)程，旨在探討運(yùn)用有限元仿真軟件進(jìn)行電機(jī)學(xué)課程教學(xué)的改革，采用理論教學(xué)與虛擬仿真相結(jié)合的教學(xué)方法，將抽象的機(jī)、電、磁的關(guān)系形象化、立體化，加深學(xué)生對(duì)電機(jī)空間感的認(rèn)知和掌握，以期為提升電機(jī)學(xué)課程教學(xué)效果提供新的理論和實(shí)踐支持。

2Maxwell電機(jī)建模

永磁電機(jī)因其較高的轉(zhuǎn)矩密度和更寬的調(diào)速范圍，在電氣化交通領(lǐng)域的牽引應(yīng)用中備受關(guān)注，尤其是在電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域越來(lái)越受到青睞，其在未來(lái)的應(yīng)用中占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)［6］。而永磁電機(jī)由于參數(shù)復(fù)雜繁多、參數(shù)性能關(guān)聯(lián)性高、空間磁場(chǎng)概念抽象等特點(diǎn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以理解。因此，本文運(yùn)用Maxwell仿真軟件對(duì)經(jīng)典永磁電機(jī)進(jìn)行建模和分析，通過(guò)直觀的建模過(guò)程、立體的電機(jī)模型、量化的分析結(jié)果，清楚展示各參數(shù)與電機(jī)性能之間的關(guān)聯(lián)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)電機(jī)整體的理解，使電機(jī)學(xué)的學(xué)習(xí)形成由淺入深、由簡(jiǎn)入繁、由形象到具體、由理論到實(shí)踐的體系。

在眾多有限元分析軟件中，Maxwell軟件是電機(jī)電磁場(chǎng)仿真中最重要的軟件之一。圖1為運(yùn)用Maxwell構(gòu)建的72槽12極永磁電機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包含定子、轉(zhuǎn)子、磁鋼、電樞繞組等，具體參數(shù)如表1所示。

額定功率為1.4kW，轉(zhuǎn)速為1500r/min，建模時(shí)可選擇手動(dòng)自建模型和運(yùn)用Maxwell中的RMxprt自動(dòng)構(gòu)建，模型材料可在模型庫(kù)中選擇，如果需要特殊材料，可根據(jù)材料BH曲線等材料特性自建材料庫(kù)。完成模型構(gòu)建后，通過(guò)添加激勵(lì)、運(yùn)動(dòng)區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)格剖分等一系列設(shè)定后，進(jìn)行運(yùn)行和仿真分析。

3電機(jī)有限元仿真分析

3.1電機(jī)磁路分析

圖2詳細(xì)說(shuō)明了在空載情況下，永磁電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子電氣角度時(shí)激發(fā)的磁場(chǎng)。從圖中可以清晰地看出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁體激發(fā)的磁場(chǎng)分布情況，磁力線從磁鋼到轉(zhuǎn)子，穿過(guò)氣隙后進(jìn)入定子，形成環(huán)路的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程將抽象的磁路概念形象化、具體化呈現(xiàn)。

（a）0°

（b）180°

（c）90°

（d）270°

圖2永磁電機(jī)1/12模型空載時(shí)轉(zhuǎn)子在不同電氣角度下的磁通分布

圖3空載時(shí)不同轉(zhuǎn)子電氣角度下的A相磁鏈

結(jié)合圖3空載情況下磁鏈的變化過(guò)程以及永磁電機(jī)在電場(chǎng)激勵(lì)下的電磁特性，可以使學(xué)生更加清晰地理解電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理。在0°和180°轉(zhuǎn)子電氣位置時(shí)，可觀察到磁通的負(fù)峰值和正峰值，而在90°和270°轉(zhuǎn)子電氣位置時(shí)，磁通的幅值為零。磁通振幅變化的這些特征驗(yàn)證了磁通增強(qiáng)和弱磁通減弱的過(guò)程。值得注意的是，永磁勵(lì)磁時(shí)的磁力線波形與圖2中描述的磁力線吻合。

3.2電機(jī)反電勢(shì)分析

圖4顯示了永磁電機(jī)空載時(shí)，由永磁體磁通產(chǎn)生的A相反向電動(dòng)勢(shì)（BackEMF）的波形。從圖中可以看出反電勢(shì)呈正弦波型，其幅值為73V，這一結(jié)果與圖2和圖3相對(duì)應(yīng)，可以有效幫助學(xué)生深入理解磁鏈、電勢(shì)、磁路之間的聯(lián)系。

圖4A相反向電勢(shì)波形

3.3電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩分析

電磁轉(zhuǎn)矩是衡量電機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一［4］。圖5為輸出的電磁轉(zhuǎn)矩波形，用虛線表示，齒槽轉(zhuǎn)矩波形用實(shí)線表示。從圖中可以看出電磁轉(zhuǎn)矩平均值達(dá)到240N·m，根據(jù)公式（2），轉(zhuǎn)矩紋波為7.9%。

Tr=Tmax－TminTavg（2）

其中Tr為轉(zhuǎn)矩紋波，Tmax為轉(zhuǎn)矩的最大值，Tmin為轉(zhuǎn)矩的最小值，Tavg為輸出的平均轉(zhuǎn)矩。

圖5電磁轉(zhuǎn)矩及齒槽轉(zhuǎn)矩波形

3.4電機(jī)效率分析

電機(jī)的效率是評(píng)價(jià)其能量轉(zhuǎn)換能力的重要指標(biāo)。如圖6所示，通過(guò)對(duì)永磁電機(jī)效率圖的仿真分析，可以觀察到其最高效率達(dá)到97%。特別是在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于5000r/min時(shí)，高效率區(qū)域（效率大于90%）較為顯著，這表明該電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下具有更出色的能量轉(zhuǎn)換性能。通過(guò)深入分析電機(jī)效率特性，可以幫助學(xué)生更清晰地理解轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率之間的關(guān)系，以及在整個(gè)速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩的變化。

圖6電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性及效率

運(yùn)用Maxwell仿真軟件進(jìn)行電機(jī)學(xué)課程的教學(xué)方法被證明能夠極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這種方法使得學(xué)生可以充分地理解和聯(lián)系原本抽象而模糊的電學(xué)和磁學(xué)概念、原理以及參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。學(xué)生在課程中可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，通過(guò)合理的自建模型來(lái)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并分析其中的內(nèi)在原因。同時(shí)，這種教學(xué)方法也能夠?qū)菰锒願(yuàn)W的教材知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)及其工程應(yīng)用的理解。

結(jié)語(yǔ)

在電機(jī)學(xué)課程的教學(xué)中，通過(guò)采用虛擬仿真軟件，為學(xué)生提供了一個(gè)直觀、清晰、立體的電機(jī)參數(shù)展示平臺(tái)，有效地將抽象的電磁概念模型化和具體化。這種教學(xué)方法使學(xué)生能夠更加清晰地理解電機(jī)參數(shù)與結(jié)果之間的聯(lián)系，不僅為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)帶來(lái)了全新的途徑，還為學(xué)生提供了更加靈活和實(shí)踐性的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和參數(shù)調(diào)節(jié)，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解。總之，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為電機(jī)學(xué)課程教學(xué)帶來(lái)了新的思路和方法，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

參考文獻(xiàn)：

［1］呼夢(mèng)穎，段建東，袁鑰，等.虛擬仿真技術(shù)在電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與思考［J］.中國(guó)教育信息化，2022，28（03）：113118.

［2］徐磊，蔡曉磊，傅海軍，等.基于虛擬仿真平臺(tái)的“電機(jī)學(xué)”教學(xué)實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（06）：3032+37.

［3］董淑惠，李建文.虛擬仿真技術(shù)在電機(jī)學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.高教學(xué)刊，2022，8（14）：5861.

［4］余劍，牛綠原，劉磊，等.有限元仿真技術(shù)在電機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.大眾科技，2023，25（11）：123125+129.

［5］楊凱，李黎，孫劍波.虛擬樣機(jī)技術(shù)在“電機(jī)學(xué)”課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)（上旬刊），2022（09）：9295.

［6］張葉貴，李光明，吉暢.新工科背景下以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革研究——以電機(jī)學(xué)課程為例［J］.現(xiàn)代農(nóng)機(jī)，2023（05）：9698.

基金項(xiàng)目：本文依托福建省電機(jī)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制工程研究中心；寧德師范學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下融合虛擬仿真技術(shù)的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)課程教學(xué)探索與實(shí)踐”（JG2022009）；福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“雙邊磁場(chǎng)調(diào)制型混合勵(lì)磁磁通反向電機(jī)研究”（2023J01352）

作者簡(jiǎn)介：寧世超（1988—），男，漢族，遼寧凌海人，博士研究生，研究方向：新能源永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化；王洪濤（1978—），男，回族，寧夏石嘴山人，工學(xué)博士，研究方向：新能源發(fā)電與電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。