張 強(qiáng)， 王維慶， 姜 波， 王紅琳， 瑪依拉

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

0 引言

近幾年，隨著工業(yè)發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用范圍變得越來(lái)越廣泛。在電力行業(yè)中，電機(jī)的地位與日俱增。電機(jī)的發(fā)展對(duì)《電機(jī)學(xué)》［1-2］教學(xué)也提出了更高的要求?！峨姍C(jī)學(xué)》學(xué)得好壞對(duì)電力專業(yè)知識(shí)的掌握起著重要作用。多年教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：由于《電機(jī)學(xué)》知識(shí)含量大，內(nèi)容涉及不同的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，學(xué)習(xí)過(guò)程中，知識(shí)點(diǎn)既有共同處又有各自特點(diǎn)，民族學(xué)生學(xué)習(xí)，一方面由于知識(shí)點(diǎn)太多，另一方面，學(xué)生對(duì)于電機(jī)基本沒(méi)有用過(guò)，所接觸的也僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室里的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)知識(shí)的理解停留在以往的知識(shí)框架體系中，很難理解電磁場(chǎng)的相關(guān)知識(shí)，對(duì)電機(jī)的相關(guān)知識(shí)把握難度大，知識(shí)記憶也很容易混淆。因此，本文通過(guò)ANSOFT軟件建立起虛擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)電機(jī)建模仿真電磁場(chǎng)，以立體形象的方式加深電機(jī)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

1 引導(dǎo)學(xué)生熟悉ANSOFT功能和開發(fā)環(huán)境

ANSOFT是一種三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的軟件，能夠非常方便地進(jìn)行電磁軟件設(shè)計(jì)，可做電磁場(chǎng)方向圖的剖面分析，能夠很容易地進(jìn)行有限元計(jì)算［3-11］。學(xué)生可用實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)建立不同的電機(jī)模型即虛擬儀器，以實(shí)現(xiàn)虛擬電機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建立［12-14］。根據(jù)自己的需求，定義和設(shè)計(jì)電機(jī)在不同運(yùn)行條件下的運(yùn)行狀況，以仿真和擴(kuò)展電機(jī)的功能。學(xué)生使用ANSOFT軟件能夠方便地改變?cè)O(shè)置和功能，形成不同功能的電機(jī)。虛擬實(shí)驗(yàn)室突破了傳統(tǒng)意義上實(shí)驗(yàn)的概念［15-16］，使運(yùn)用為主要目的實(shí)驗(yàn)與仿真內(nèi)部電磁場(chǎng)為目的實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

學(xué)生將電機(jī)參數(shù)、電機(jī)運(yùn)行條件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)加載條件，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力分析、能量場(chǎng)分析等多功能分析。建立完全符合自己特殊需求的電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，如變壓器的渦流，鼠籠式異步電機(jī)的電樞反應(yīng)，在短路情況下的能量場(chǎng)分布等。學(xué)生設(shè)計(jì)非常方便直觀，吸引了很多學(xué)生進(jìn)行自主研發(fā)。

2 學(xué)生自主開發(fā)電機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件［7］一般包括計(jì)算機(jī)和電機(jī)設(shè)備。PC機(jī)可以選擇各種類型的通用計(jì)算機(jī)，它主要用來(lái)提供高效的圖形處理、數(shù)據(jù)處理和顯示功能。通過(guò)友好的圖形界面操作，自己定義、自己設(shè)計(jì)，從而完成電機(jī)模型的設(shè)計(jì)、分析和顯示等功能。

永磁同步電機(jī)在《電機(jī)學(xué)》的教材中并沒(méi)有過(guò)多講述。而其應(yīng)用在現(xiàn)在電力工業(yè)中占有重要的地位?，F(xiàn)以永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分析為例，引導(dǎo)民族學(xué)生進(jìn)行永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的研究。

（1）設(shè)計(jì)條件。三相永磁同步電機(jī)，有定子鐵心、定子繞組、永磁體磁極、轉(zhuǎn)子鐵心組成。電機(jī)定子內(nèi)經(jīng)、外徑分別為74 mm和120 mm，極數(shù)4，定子槽數(shù)24，電機(jī)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以建立四分之一模型，為了更加清晰地了解整個(gè)電機(jī)模型的建立情況，采用整域求解，問(wèn)題求解電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩及場(chǎng)圖分布。

（2）設(shè)計(jì)步驟。Ansoft軟件進(jìn)行有限元分析的基本步驟如下：①創(chuàng)建項(xiàng)目及定義分析類型;②建立幾何模型;③定義及分配材料;④定義及加載激勵(lì)源和邊界條件;⑤求解參數(shù)設(shè)定;⑥后處理。

2.1 永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）創(chuàng)建項(xiàng)目及定義分析類型。在項(xiàng)目管理窗口中對(duì)項(xiàng)目文件進(jìn)行重命名以及保存此項(xiàng)目文件。

（2）建立幾何模型。① 繪制電機(jī)定子槽幾何模型，如圖1所示。②電機(jī)定子沖片模型，如圖2所示。③創(chuàng)建永磁體模型，如圖3所示。④創(chuàng)建轉(zhuǎn)子軛模型和轉(zhuǎn)軸模型如圖4、圖5所示。

（3）定義及分配材料。材料屬性指定的是通過(guò)材料管理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在建立幾何模型時(shí)，所有部件的材料屬性都默認(rèn)為真空（vacuum）。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分析，需要指定一下材料屬性：①指定氣隙Air-gap材料屬性-空氣;②指定繞組coil材料屬性-銅;③定義定子鐵心Stator及轉(zhuǎn)子軛yoke材料屬性DW465-50，一種電機(jī)常用非線性鐵磁材料;④定義永磁材料，命名為P_Mag，指定給永磁磁極。

圖1 定子槽繞組模型

圖2 電機(jī)定子沖片模型

圖3 永磁體模型

圖4 電機(jī)幾何模型圖

圖5 電機(jī)繞組分布圖

（4）定義及加載激勵(lì)源和邊界條件。磁場(chǎng)分析中，每個(gè)被分析的問(wèn)題，至少存在一種激勵(lì)源，在永磁同步電機(jī)分析中，電機(jī)定子繞組電流源與永磁體兩種激勵(lì)源，永磁體激勵(lì)源在材料管理器中已定義并分配了磁極，因此，在此部分激勵(lì)源僅定義繞組的電流源。對(duì)于邊界條件，電機(jī)求解域的外邊界與轉(zhuǎn)子軛與轉(zhuǎn)軸的交界應(yīng)施加相應(yīng)的邊界條件，此問(wèn)題中由于兩處邊界均為高導(dǎo)磁介質(zhì)與非導(dǎo)磁介質(zhì)的分界處，因此，施加磁通平行邊界條件即可，這也是電機(jī)分析中最為常用的邊界條件。

（5）求解參數(shù)設(shè)定。除了計(jì)算電磁場(chǎng)外，還需要確定電機(jī)轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的電磁力、力矩及電機(jī)繞組的電感等參數(shù)，在穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分析中，這些參數(shù)的求解需要事先設(shè)定。Ansoft穩(wěn)態(tài)電感轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是基于特定激勵(lì)下，導(dǎo)體包圍區(qū)域的線性磁導(dǎo)條件下計(jì)算的，也就是說(shuō)，電感轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是對(duì)于完整閉合繞組的，而不是對(duì)于單根導(dǎo)體而言，因此，在設(shè)定電感轉(zhuǎn)矩參數(shù)時(shí)應(yīng)確定每個(gè)繞組的回路關(guān)系。執(zhí)行命令，選項(xiàng)中選擇各相的正繞組，選擇每條支路所閉合的負(fù)繞組，一構(gòu)成完整的閉合線圈?；芈吩O(shè)置完成后，單擊轉(zhuǎn)矩設(shè)置對(duì)話框中的按鈕，由于分析的永磁電機(jī)由每相繞組由4個(gè)槽繞組構(gòu)成，因此分析每相繞組的電感時(shí)應(yīng)將屬于同相的繞組進(jìn)行分組。有限元分析的模型、載荷、邊界，求解項(xiàng)設(shè)置均完成后，執(zhí)行命令，彈出對(duì)話框，當(dāng)所有設(shè)置正確后，每項(xiàng)前出現(xiàn)對(duì)勾提示。

（6）后處理。自檢正確完成后，啟動(dòng)求解過(guò)程，求解過(guò)程中，進(jìn)程顯示框中交替顯示系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程的進(jìn)展信息，如細(xì)化部分，求解矩陣，計(jì)算力等。選擇解觀察對(duì)話框頂部的選項(xiàng)，可觀察統(tǒng)計(jì)信息情況，求解本例的起始與終止時(shí)間，以及自適應(yīng)求解每步的三角單元數(shù)，占用內(nèi)存等信息。在默認(rèn)的情況下，收斂數(shù)據(jù)是以表格的形式顯示的。圖形顯示對(duì)話框可以直觀的表述出三角單元與收斂次數(shù)、總能量與收斂次數(shù)、能量誤差百分比與收斂次數(shù)、磁場(chǎng)力與收斂次數(shù)之間的關(guān)系等等。首先對(duì)模型進(jìn)行有線元剖分，如圖6所示。之后將鼠標(biāo)移至模型窗口，選擇模型窗口中所有物體，執(zhí)行命令，選擇窗口中的所有物體可以圖形顯示電機(jī)等勢(shì)線分布，如圖7所示為電機(jī)磁力線分布，選擇所有物體可以圖形顯示電機(jī)磁通密度云圖分布，如圖8所示。設(shè)計(jì)者通過(guò)借助于磁力線分布與及磁密云圖的分布，可以確定電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的具體分布，以及各個(gè)部分磁場(chǎng)的飽和情況。

圖6 模型剖分圖

圖7 電機(jī)磁力線分布圖

圖8 電機(jī)磁通密度云圖分布

2.2 學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程中的體會(huì)

在常規(guī)電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，電機(jī)使用起來(lái)其靈活性和多樣性非常有限。而對(duì)虛擬電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但分析內(nèi)容豐富、直觀，對(duì)民族學(xué)生理解電機(jī)運(yùn)行原理和運(yùn)行狀況有很大幫助，而且其測(cè)試的內(nèi)容都可以根據(jù)民族學(xué)生的需要進(jìn)行修改和研發(fā)。這樣的設(shè)計(jì)平臺(tái)既能使電機(jī)的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單易行，具備了可視化、多樣性，而且還能充分地符合現(xiàn)代高校民族學(xué)生的創(chuàng)新思維的要求。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生能夠了解一個(gè)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，運(yùn)行條件，在ANSOFT編譯后，能直觀的看到電磁場(chǎng)的分布強(qiáng)弱，在相關(guān)的文本格式中，可看到有限元單元的分布參數(shù)。這樣對(duì)于民族學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖像分析都非常有幫助，在進(jìn)行設(shè)計(jì)后，民族學(xué)生對(duì)電機(jī)學(xué)電磁場(chǎng)知識(shí)有了較深刻地認(rèn)識(shí)。

3 學(xué)生開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室的效果分析

虛擬實(shí)驗(yàn)室的新模式給實(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)了新的設(shè)計(jì)理念。使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，變得不再單一。并可根據(jù)不同的民族學(xué)生研發(fā)出不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使設(shè)計(jì)具備了個(gè)性化和多樣性。

（1）民族學(xué)生參與的積極性呈大幅度上升狀態(tài)。虛擬儀器的可視性、靈活性、簡(jiǎn)單易于設(shè)計(jì)等多方面優(yōu)點(diǎn)，大大吸引了民族學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣，開發(fā)了民族學(xué)生的設(shè)計(jì)潛能。

（2）民族學(xué)生知識(shí)深度和廣度及靈活應(yīng)用的能力也明顯提高。學(xué)生能通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)會(huì)結(jié)合大量的電路知識(shí)，在這過(guò)程中，學(xué)生能夠反復(fù)分析和查找相關(guān)知識(shí)，以達(dá)到對(duì)電路知識(shí)進(jìn)一步鞏固和加深。不僅僅如此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，民族學(xué)生也能對(duì)儀器儀表的基本要求也有很深的了解。

（3）教學(xué)過(guò)程師生互動(dòng)變得生動(dòng)活潑，民族學(xué)生在設(shè)計(jì)中會(huì)提出很多設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)要求，在這些過(guò)程中，如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教師也提出了新的要求。

（4）在虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立過(guò)程中，虛擬儀器充分體現(xiàn)了更靈活、更經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，且能大大擴(kuò)展電機(jī)的功能，很方便實(shí)現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)圖形界面，可以完成對(duì)電機(jī)建模、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)生成。

（5）常規(guī)電機(jī)在使用一定年限后其使用的靈敏度和可靠性都會(huì)下降，而虛擬電機(jī)的引入，實(shí)現(xiàn)了軟件即是儀器，使得電機(jī)具備了內(nèi)部分析精度程度高、可靠性高、分析類型廣泛、可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)于復(fù)雜的分析過(guò)程，它良好的人機(jī)界面、簡(jiǎn)單而又立體化的操作過(guò)程，簡(jiǎn)化了電機(jī)的操作和分析流程。

4 結(jié)語(yǔ)

“電機(jī)學(xué)”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)與“電機(jī)學(xué)”課程教學(xué)是相輔相成的，通過(guò)民族學(xué)生自主創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在鞏固理論知識(shí)的基礎(chǔ)上能夠聯(lián)系實(shí)際，了解和熟悉不同類型的電機(jī)，還能夠通過(guò)軟件自己動(dòng)手創(chuàng)建自己的虛擬電機(jī)，開闊民族學(xué)生們的眼界和思路。同時(shí)，對(duì)于經(jīng)費(fèi)短缺這一高校面臨的主要困難。虛擬實(shí)驗(yàn)室即可降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本又可以改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立效果是非常好的。

（References）：

［1］ 辜承林.電機(jī)學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

［2］ 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 辛元珍.利用ANSOFT軟件對(duì)同步發(fā)電機(jī)空載特性進(jìn)行仿真［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，2006（2）：22-23.

［4］ 朱少林，王群京.基于 Ansoft的永磁同步發(fā)電機(jī)建模與仿真［J］.電機(jī)技術(shù)，2008（4）：1-4.

［5］ 裴春興，李洪珠，楊玉崗，等.基于Ansoft Maxwell 2D的PMSR電機(jī)的起動(dòng)特性的瞬態(tài)仿真［J］.電氣技術(shù)，2007（8）：48-51.

［6］ 張 岳.ANSOFT在直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.微特電機(jī)，2008（11）：23-25.

［7］ 黃 越，唐任遠(yuǎn)，韓雪巖.基于Ansoft的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析［J］.電氣技術(shù)，2008（4）：15-20.

［8］ 魯軍勇，梁得亮，豐向陽(yáng).基于ANSOFT的永磁直線無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真研究［J］.中小型電機(jī)，2004（1）：18-20.

［9］ 裘昌利，張紅梅，劉少克.基于Ansoft的直線感應(yīng)電機(jī)性能分析［J］.微特電機(jī)，2006（11）：22-26.

［10］ 王 棟，劉慧娟，張奕黃.Ansoft在異步電機(jī)矢量控制仿真中的應(yīng)用［J］.防爆電機(jī)，2006（6）：27-30.

［11］ 梁振光，唐任遠(yuǎn).電磁場(chǎng)三維有限元結(jié)果的顯示［J］.高電壓技術(shù)，2005（12）：15-17.

［12］ 林 君，謝宣松.虛擬儀器原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［13］ 楊樂(lè)平，李海濤，肖 凱，等.虛擬儀器技術(shù)概論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［14］ 雷 勇.虛擬儀器設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［15］ 周春艷，羅曉曙.基于LabVIEW的虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.廣西物理，2007，28（4）：37-39.

［16］ 陸綺榮.基于虛擬儀器技術(shù)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.