谷愛昱 董佳楠 郭藝偉

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

電機(jī)學(xué)課程與實(shí)際工程問題緊密聯(lián)系，是一門復(fù)雜又綜合性強(qiáng)的工程實(shí)踐學(xué)科，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)極為重要[1～3].通過電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論教學(xué)的補(bǔ)充，促進(jìn)學(xué)生理解和掌握電機(jī)理論.然而，傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重于各類電機(jī)的運(yùn)行特性，缺少電機(jī)本體運(yùn)行機(jī)理和電磁特性分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，電機(jī)學(xué)理論教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容沒有得到充分體現(xiàn)[4,5].

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展與各類有限元分析軟件的出現(xiàn)，虛擬仿真技術(shù)在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性分析方面起到越來越重要的作用.針對(duì)當(dāng)前電機(jī)學(xué)實(shí)踐教學(xué)存在的不足，我校電機(jī)學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中引入電磁仿真技術(shù)，補(bǔ)充和完善實(shí)踐教學(xué)，以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展對(duì)電機(jī)學(xué)教學(xué)的要求.

Maxwell軟件作為一款工業(yè)應(yīng)用廣泛的電磁場(chǎng)分析軟件，在二維、三維靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)仿真中都具有很高的精確度[6].Maxwell采用圖形化建模，降低了入門難度，是一款較為合適的電機(jī)設(shè)計(jì)與教學(xué)輔助軟件.本文將以單相變壓器實(shí)驗(yàn)為例，說明基于Maxwell 軟件平臺(tái)的電機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)途徑.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

單相變壓器仿真實(shí)驗(yàn)包括空載和負(fù)載兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.通過空載實(shí)驗(yàn)了解變壓器主要結(jié)構(gòu)——鐵心和繞組，觀察磁場(chǎng)分布和空載電流波形.通過負(fù)載實(shí)驗(yàn)完成變壓器外特性曲線，掌握電壓調(diào)整率概念，深入理解負(fù)載性質(zhì)對(duì)變壓器輸出電壓的影響.仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示.

表1 變壓器仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3 Maxwell軟件建模

圖1給出了Maxwell建模的具體流程，主要包括：建立模型、設(shè)定條件和求解計(jì)算.

圖1 Maxwell建模流程

詳細(xì)步驟為：

(1)打開Maxwell軟件，進(jìn)入仿真軟件界面，如圖2所示.分為工程管理欄、工程狀態(tài)欄、工程信息欄、工程進(jìn)度欄、工程樹欄和工程繪圖區(qū).

圖2 Maxwell仿真界面

(2)根據(jù)變壓器的幾何尺寸，在工程繪圖區(qū)依次畫出變壓器的鐵心、一次繞組和二次繞組，建立有限元2D模型.

(3)按照變壓器實(shí)際所用材料，定義和分配單相變壓器有限元2D模型的鐵心和繞組部分材料屬性，如圖3所示.Maxwell有自帶的材料庫，也可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建材料庫.通過改變材料屬性可以觀察不同材料對(duì)電機(jī)性能的影響.在單相變壓器實(shí)驗(yàn)中通過鐵心材料的設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生理解鐵心飽和、漏磁等概念.

圖3 單相變壓器有限元2D模型

(4)設(shè)置邊界條件和激勵(lì)源.圖4是瞬態(tài)磁場(chǎng)求解器激勵(lì)源的設(shè)置，類型為外電路激勵(lì)源.圖5是單相變壓器外電路總圖，可以靈活設(shè)置負(fù)載阻抗Z的大小和性質(zhì).將外電路與有限元連接.

圖4 激勵(lì)源設(shè)置

圖5 單相變壓器外電路總圖

(5)剖分設(shè)置.合理的剖分可以在加快求解的速度下保證求解的精度.

(6)設(shè)置求解選項(xiàng)，針對(duì)變壓器選擇靜磁場(chǎng)和瞬態(tài)磁場(chǎng)求解器.

(7)檢查驗(yàn)證，有限元仿真求解.

(8)通過場(chǎng)的分布和量級(jí)驗(yàn)證有限元模型的正確性.

(9)后處理.查看曲線、曲面路徑的場(chǎng)量，以及對(duì)場(chǎng)計(jì)算器的應(yīng)用.

4 Maxwell仿真分析

圖6為空載狀態(tài)下的變壓器外電路，激勵(lì)源在低壓側(cè)，高壓側(cè)電路阻抗設(shè)置為無窮大.

圖6 空載狀態(tài)下變壓器外電路

在工程管理欄的工程項(xiàng)目下，依次點(diǎn)擊results-create field report，得到空載下的電壓、電流等信息，處理后如圖7所示.

圖7 空載下電壓和電流波形

選中鐵心區(qū)域，點(diǎn)擊菜單欄上Maxwell 2D/Fields/Fields項(xiàng)，在Fields 場(chǎng)圖列表中繪制各種類型的場(chǎng)圖，包括矢量磁位A、磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度J等.圖8為變壓器空載磁場(chǎng)圖，不同色彩所代表的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小以及曲線走向，說明了磁路的飽和程度與變化趨勢(shì).另外，可以將不同時(shí)刻的磁場(chǎng)圖做成連續(xù)動(dòng)畫，更加生動(dòng)形象地詮釋 1個(gè)電周期內(nèi)的磁場(chǎng)變化.

圖8 空載磁場(chǎng)圖

調(diào)整圖5中負(fù)載阻抗的大小和性質(zhì)，獲得變壓器外特性曲線，如圖9所示.

圖9 變壓器外特性曲線

通過負(fù)載仿真實(shí)驗(yàn)，可以清楚地觀察到變壓器輸出電壓不僅與負(fù)載電流大小有關(guān)，而且與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，彌補(bǔ)了當(dāng)前實(shí)物實(shí)驗(yàn)室的不足.

5 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法產(chǎn)生了巨大的影響，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)發(fā)展的方向.我校將有限元軟件平臺(tái)Maxwell應(yīng)用于電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，加深了學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)中相關(guān)內(nèi)容的理解，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)能力的提升.