夏永洪 陳 瑛 肖倩華 楊 莉

南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 江西南昌 330031

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基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)專家模塊RMxprt的電機(jī)學(xué)課程教學(xué)探討

夏永洪 陳 瑛 肖倩華 楊 莉

南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 江西南昌 330031

摘 要：為了更好地講授電機(jī)學(xué)課程，利用計(jì)算機(jī)輔助軟件是教師進(jìn)行教學(xué)的一種常用而又行之有效的教學(xué)手段。針對Ansoft軟件的旋轉(zhuǎn)電機(jī)專家模塊RMxprt在電機(jī)學(xué)課程中的輔助教學(xué)進(jìn)行探討，闡述了RMxprt模塊的建模方法，以同步電機(jī)為例，直觀地展示了電機(jī)結(jié)構(gòu)、繞組排列、氣隙磁密、磁場分布、電動勢波形以及繞組電流波形，為學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握同步電機(jī)起到了良好的輔助教學(xué)作用。

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué)；RMxprt；教學(xué)探討

電機(jī)學(xué)課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要課程，同時也是大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為難度較大的一門課程。為了講授好該課程，使學(xué)生更好地掌握電機(jī)學(xué)的相關(guān)知識，許多授課教師結(jié)合本課程的特點(diǎn)，在學(xué)時安排、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等多方面均進(jìn)行了有益的探索［1-4］，其中采用計(jì)算機(jī)仿真軟件輔助教學(xué)就是一種常用的教學(xué)手段［5-7］。

由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且電機(jī)內(nèi)的電磁場是時間和空間相互作用的耦合場，所以利用傳統(tǒng)的教學(xué)手段難以表述清晰，學(xué)生在學(xué)習(xí)中會感覺抽象、困難。為此，本文將結(jié)合筆者多年的教學(xué)體會和科研工作中常用的Ansoft軟件，將該軟件中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)專家模塊RMxprt應(yīng)用于電機(jī)學(xué)課程的輔助教學(xué)。以同步電機(jī)為例，結(jié)合該模塊的建模方法，直觀展示了同步電機(jī)沖片的二維結(jié)構(gòu)、繞組聯(lián)接、氣隙磁密的空間分布，以及導(dǎo)體和線匝的感應(yīng)電動勢波形等，同時，將RMxprt模塊建立的模型導(dǎo)入到Maxwell 2D中，對電機(jī)進(jìn)行有限元分析，可以得到電機(jī)的磁場分布，以及三相對稱繞組的感應(yīng)電動勢波形。因此，計(jì)算機(jī)軟件在電機(jī)學(xué)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用，有助于學(xué)生對電機(jī)學(xué)知識的理解和認(rèn)識。

1 RMxprt模塊的建模方法

旋轉(zhuǎn)電機(jī)專家模塊RMxprt是基于等效電路和磁路的思想對電機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析，該模塊不僅包含了三相異步電動機(jī)、三相凸極和隱極同步電機(jī)和普通直流電機(jī)等電機(jī)學(xué)課程中的三大旋轉(zhuǎn)電機(jī)，而且還包含了單相異步電動機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)、變頻永磁同步電機(jī)、自起動永磁同步電動機(jī)、普通永磁直流電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)、串極整流子電動機(jī)以及爪極發(fā)電機(jī)等一些特種電機(jī)（如圖1所示）。

以三相同步電機(jī)為例（如圖2所示），利用RMxprt模塊的建模方法可分為3個步驟：（1）定子的建模：包括定子沖片的內(nèi)徑和外徑尺寸、鐵芯長度、硅鋼片型號、定子槽數(shù)、槽型及其尺寸，以及電樞繞組參數(shù)（單雙層設(shè)置、繞組形式、并聯(lián)支路數(shù)、每槽導(dǎo)體數(shù)、線圈節(jié)距和線規(guī)等）；（2）轉(zhuǎn)子的建模：包括轉(zhuǎn)子沖片的內(nèi)徑和外徑尺寸、鐵芯長度、硅鋼片型號，以及勵磁繞組參數(shù)（繞組形式、并聯(lián)支路數(shù)、每極導(dǎo)體數(shù)和線規(guī)等）；（3）轉(zhuǎn)軸的建模：主要是設(shè)置轉(zhuǎn)軸的導(dǎo)磁性能。

圖1 RMxprt模塊包含的電機(jī)類型

圖2 模型管理窗口

基于建立的仿真模型，可以對該電機(jī)的性能進(jìn)行計(jì)算和分析。

2 基于RMxprt的同步電機(jī)輔助教學(xué)

下面針對基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)專家模塊RMxprt的同步電機(jī)結(jié)構(gòu)、交流繞組、氣隙磁場以及感應(yīng)電動勢的輔助教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.1 同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)同步電機(jī)的參數(shù)，按照RMxprt模塊的建模方法，可以建立凸極同步電機(jī)的二維模型（如圖3所示）。在定子沖片建模的過程中，可以向?qū)W生講授定子沖片開槽的目的以及定子槽型的種類。

圖3 凸極同步二維模型

在轉(zhuǎn)子建模的過程中，可以讓學(xué)生更容易了解凸極同步電機(jī)磁極極靴和極身等結(jié)構(gòu)，以及勵磁繞組作用及其布置（如圖4所示）。

圖4 轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)及勵磁繞組的布置

2.2 同步電機(jī)交流繞組

同步電機(jī)的交流繞組是電機(jī)學(xué)課程中非常重要的內(nèi)容，同時也是難點(diǎn)內(nèi)容。利用該模塊可以非常直觀地介紹交流繞組的基本概念、交流繞組的構(gòu)成原則及其排列方式。圖5～圖7分別形象地展示了導(dǎo)體的分布情況、單層繞組的聯(lián)接情況、60°相帶和120°相帶的雙層繞組的聯(lián)接情況。

圖5 導(dǎo)體在定子槽中的分布情況

圖6 單層繞組聯(lián)接示意圖

圖7 雙層整距繞組聯(lián)接示意圖

根據(jù)這些交流繞組聯(lián)接圖，同時改變繞組參數(shù)，教師可以詳細(xì)地介紹線匝、線圈組和相繞組的基本概念，以及三相對稱繞組的構(gòu)成原則、單層繞組和雙層繞組區(qū)別、60°相帶和120°相帶的定義及其區(qū)別，以及繞組的短距和分布因數(shù)，便于學(xué)生對交流繞組的理解，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 同步電機(jī)氣隙磁場及感應(yīng)電動勢

在掌握了同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、交流繞組的基本概念，以及勵磁繞組的作用基礎(chǔ)上，學(xué)生更容易接受同步電機(jī)氣隙磁場、導(dǎo)體感應(yīng)電動勢、線匝感應(yīng)電動勢，以及繞組電動勢等內(nèi)容。因此，在建立了同步電機(jī)模型之后，采用RMxprt模塊進(jìn)行計(jì)算，可以得到空載氣隙磁場的空間分布、導(dǎo)體和線匝感應(yīng)電動勢波形，分別如圖8和圖9所示。

圖8 空載時氣隙磁場的空間分布

圖9 空載時導(dǎo)體和線匝的感應(yīng)電動勢波形

通過圖8和圖9的對比，可以更清晰地講述導(dǎo)體和線匝電動勢波形與氣隙磁場空間分布波形相同的原因、導(dǎo)體電動勢和線匝電動勢之間的數(shù)量關(guān)系，以及氣隙磁場非正弦的原因。同時，將非正弦的氣隙磁場展開成基波和奇數(shù)次諧波，分別講述電樞繞組基波電動勢和諧波電動勢的計(jì)算方法，分析基波磁場和諧波磁場的轉(zhuǎn)速、極對數(shù)和極距之間的關(guān)系。

圖10是負(fù)載時氣隙磁場的空間分布，通過與圖8的比較，學(xué)生更容易理解電樞反應(yīng)的概念及其性質(zhì)。

圖10 負(fù)載時氣隙磁場的空間分布

3 RMxprt在Maxwell2D中的應(yīng)用

基于RMxprt模塊建立的模型，可以導(dǎo)入到Ansoft軟件的Maxwell 2D 中進(jìn)行有限元分析，得到電機(jī)的磁場分布，以及三相對稱繞組的電動勢和電流波形。如圖11和圖12所示分別給出了電機(jī)的磁力線分布和電樞繞組電流波形，從而使學(xué)生更容易理解磁通在磁路中的流通路徑、氣隙磁場的產(chǎn)生機(jī)理，以及三相交流繞組的布置與三相電流之間的內(nèi)在聯(lián)系。另外，還可以得出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至不同位置下，同步電機(jī)空載和負(fù)載時的磁力線分布，學(xué)生可以直觀地了解定轉(zhuǎn)子相對位置變化時氣隙合成磁場的變化情況。

圖 11 電機(jī)的磁力線分布圖

圖12 三相電樞繞組電流波形

在課堂教學(xué)過程中，可以在多媒體課件里加入上述相關(guān)內(nèi)容的鏈接或動畫，給學(xué)生動態(tài)地展示各種分析過程和分析結(jié)果，以培養(yǎng)學(xué)生的形象思維和創(chuàng)新能力。因此，計(jì)算機(jī)軟件在電機(jī)學(xué)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用，可以將抽象的問題具體化，難懂的問題形象化，便于學(xué)生的掌握和理解。

4 結(jié)束語

采用計(jì)算機(jī)軟件是一種常用而又行之有效的教學(xué)手段。本文針對Ansoft軟件的旋轉(zhuǎn)電機(jī)專家模塊RMxprt在電機(jī)學(xué)課程中的輔助教學(xué)進(jìn)行了探討，基于RMxprt模塊，可以直觀展示電機(jī)結(jié)構(gòu)、繞組布置，以及氣隙磁密和電動勢波形等，從而將抽象的問題具體化，難懂的問題形象化，便于學(xué)生對電機(jī)學(xué)問題的理解和認(rèn)識，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

參考文獻(xiàn)

［1］田俊梅，王國枝，趙興勇，呂高.“電機(jī)學(xué)” 課程教學(xué)方法與評價(jià)體系研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2013，35（6）:18-19.

［2］秦海鴻，王曉琳，黃文新，朱學(xué)忠.“電機(jī)學(xué)” 課程教學(xué)改革研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（6）: 36-38.

［3］張金霞，王振華，韓進(jìn)輝，樊明，陳曉弢，李文秀.電機(jī)學(xué)的教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2013（11）:37-41.

［4］鄭孝東.多種教學(xué)方法和教學(xué)手段在“電機(jī)學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國電力教育，2013（19）:63-64.

［5］張卓然.基于MAXWELL2D靜磁場分析的特種電機(jī)教學(xué)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）:55-57.

［6］王堅(jiān).ANSYS軟件輔助電機(jī)學(xué)課程教學(xué)的探索［J］.中國電力教育，2012（24）:58-59.

［7］張建輝，許瑩瑩.Simulink仿真軟件輔助電機(jī)學(xué)教學(xué)的探索［J］.江漢大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，38（1）:63-66.

［8］孫旭東，王善銘.電機(jī)學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

Teaching Discussion of Electric Machinery Based on Rotating Machine Experts RMxprt

Xia Yonghong， Chen Ying， Xiao Qianhua， Yang Li
School of Information Engineering， Nanchang University， Nanchang， 330031， China

Abstract:In order to teach the course of electric machinery better， using the computer aided software is a kind of common and effective teaching methods. The rotating machine experts RMxprt of Ansoft software is applied for the aided teaching of the electric machinery course，and the modeling method is described. For the synchronous machine， the machine structure， winding layout， air gap fux density， magnetic feld distribution， EMF waveform and armature winding current waveform are displayed clearly， which play a good auxiliary teaching role to learn and master the synchronous machine better for the students.

Key words:electric machinery； RMxprt； teaching discussion

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：夏永洪，博士，副教授。

基金項(xiàng)目：南昌大學(xué)教改課題（編號：NCUJGLX-14-1-101）。