張 強， 王維慶， 姜 波， 王紅琳， 瑪依拉

（新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047）

0 引言

近幾年，隨著工業(yè)發(fā)展，電機的應用范圍變得越來越廣泛。在電力行業(yè)中，電機的地位與日俱增。電機的發(fā)展對《電機學》［1-2］教學也提出了更高的要求?！峨姍C學》學得好壞對電力專業(yè)知識的掌握起著重要作用。多年教學中發(fā)現(xiàn)：由于《電機學》知識含量大，內容涉及不同的發(fā)電機和電動機，學習過程中，知識點既有共同處又有各自特點，民族學生學習，一方面由于知識點太多，另一方面，學生對于電機基本沒有用過，所接觸的也僅僅停留在實驗室里的常規(guī)實驗，對知識的理解停留在以往的知識框架體系中，很難理解電磁場的相關知識，對電機的相關知識把握難度大，知識記憶也很容易混淆。因此，本文通過ANSOFT軟件建立起虛擬實驗室，對電機建模仿真電磁場，以立體形象的方式加深電機知識的學習。

1 引導學生熟悉ANSOFT功能和開發(fā)環(huán)境

ANSOFT是一種三維電磁場設計和分析的軟件，能夠非常方便地進行電磁軟件設計，可做電磁場方向圖的剖面分析，能夠很容易地進行有限元計算［3-11］。學生可用實驗室的計算機建立不同的電機模型即虛擬儀器，以實現(xiàn)虛擬電機實驗室的建立［12-14］。根據(jù)自己的需求，定義和設計電機在不同運行條件下的運行狀況，以仿真和擴展電機的功能。學生使用ANSOFT軟件能夠方便地改變設置和功能，形成不同功能的電機。虛擬實驗室突破了傳統(tǒng)意義上實驗的概念［15-16］，使運用為主要目的實驗與仿真內部電磁場為目的實驗有機地結合起來。

學生將電機參數(shù)、電機運行條件有機地結合起來，通過加載條件，實現(xiàn)磁場、電場、應力分析、能量場分析等多功能分析。建立完全符合自己特殊需求的電機運行系統(tǒng)，如變壓器的渦流，鼠籠式異步電機的電樞反應，在短路情況下的能量場分布等。學生設計非常方便直觀，吸引了很多學生進行自主研發(fā)。

2 學生自主開發(fā)電機虛擬實驗室

虛擬實驗室的硬件［7］一般包括計算機和電機設備。PC機可以選擇各種類型的通用計算機，它主要用來提供高效的圖形處理、數(shù)據(jù)處理和顯示功能。通過友好的圖形界面操作，自己定義、自己設計，從而完成電機模型的設計、分析和顯示等功能。

永磁同步電機在《電機學》的教材中并沒有過多講述。而其應用在現(xiàn)在電力工業(yè)中占有重要的地位?，F(xiàn)以永磁同步電機穩(wěn)態(tài)磁場分析為例，引導民族學生進行永磁同步電機穩(wěn)態(tài)磁場的研究。

（1）設計條件。三相永磁同步電機，有定子鐵心、定子繞組、永磁體磁極、轉子鐵心組成。電機定子內經、外徑分別為74 mm和120 mm，極數(shù)4，定子槽數(shù)24，電機為對稱結構可以建立四分之一模型，為了更加清晰地了解整個電機模型的建立情況，采用整域求解，問題求解電機的平均電磁轉矩及場圖分布。

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

2.1 永磁同步電機穩(wěn)態(tài)磁場設計過程

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

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

（3）定義及分配材料。材料屬性指定的是通過材料管理器來實現(xiàn)的。在建立幾何模型時，所有部件的材料屬性都默認為真空（vacuum）。對于永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)磁場分析，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及轉子軛yoke材料屬性DW465-50，一種電機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 電機定子沖片模型

圖3 永磁體模型

圖4 電機幾何模型圖

圖5 電機繞組分布圖

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

（5）求解參數(shù)設定。除了計算電磁場外，還需要確定電機轉子上所產生的電磁力、力矩及電機繞組的電感等參數(shù)，在穩(wěn)態(tài)磁場分析中，這些參數(shù)的求解需要事先設定。Ansoft穩(wěn)態(tài)電感轉矩的計算是基于特定激勵下，導體包圍區(qū)域的線性磁導條件下計算的，也就是說，電感轉矩的計算是對于完整閉合繞組的，而不是對于單根導體而言，因此，在設定電感轉矩參數(shù)時應確定每個繞組的回路關系。執(zhí)行命令，選項中選擇各相的正繞組，選擇每條支路所閉合的負繞組，一構成完整的閉合線圈?；芈吩O置完成后，單擊轉矩設置對話框中的按鈕，由于分析的永磁電機由每相繞組由4個槽繞組構成，因此分析每相繞組的電感時應將屬于同相的繞組進行分組。有限元分析的模型、載荷、邊界，求解項設置均完成后，執(zhí)行命令，彈出對話框，當所有設置正確后，每項前出現(xiàn)對勾提示。

（6）后處理。自檢正確完成后，啟動求解過程，求解過程中，進程顯示框中交替顯示系統(tǒng)計算過程的進展信息，如細化部分，求解矩陣，計算力等。選擇解觀察對話框頂部的選項，可觀察統(tǒng)計信息情況，求解本例的起始與終止時間，以及自適應求解每步的三角單元數(shù)，占用內存等信息。在默認的情況下，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)、磁場力與收斂次數(shù)之間的關系等等。首先對模型進行有線元剖分，如圖6所示。之后將鼠標移至模型窗口，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等勢線分布，如圖7所示為電機磁力線分布，選擇所有物體可以圖形顯示電機磁通密度云圖分布，如圖8所示。設計者通過借助于磁力線分布與及磁密云圖的分布，可以確定電機內磁場的具體分布，以及各個部分磁場的飽和情況。

圖6 模型剖分圖

圖7 電機磁力線分布圖

圖8 電機磁通密度云圖分布

2.2 學生設計過程中的體會

在常規(guī)電機學實驗室中，電機使用起來其靈活性和多樣性非常有限。而對虛擬電機進行設計，不但分析內容豐富、直觀，對民族學生理解電機運行原理和運行狀況有很大幫助，而且其測試的內容都可以根據(jù)民族學生的需要進行修改和研發(fā)。這樣的設計平臺既能使電機的設計變得簡單易行，具備了可視化、多樣性，而且還能充分地符合現(xiàn)代高校民族學生的創(chuàng)新思維的要求。

在設計過程中，學生能夠了解一個電機的基本結構，運行條件，在ANSOFT編譯后，能直觀的看到電磁場的分布強弱，在相關的文本格式中，可看到有限元單元的分布參數(shù)。這樣對于民族學生進行數(shù)據(jù)分析和圖像分析都非常有幫助，在進行設計后，民族學生對電機學電磁場知識有了較深刻地認識。

3 學生開發(fā)虛擬實驗室的效果分析

虛擬實驗室的新模式給實驗室?guī)砹诵碌脑O計理念。使得實驗內容和實驗過程，變得不再單一。并可根據(jù)不同的民族學生研發(fā)出不同的學習內容，使設計具備了個性化和多樣性。

（1）民族學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、簡單易于設計等多方面優(yōu)點，大大吸引了民族學生的設計興趣，開發(fā)了民族學生的設計潛能。

（2）民族學生知識深度和廣度及靈活應用的能力也明顯提高。學生能通過實際設計會結合大量的電路知識，在這過程中，學生能夠反復分析和查找相關知識，以達到對電路知識進一步鞏固和加深。不僅僅如此，在設計過程中，民族學生也能對儀器儀表的基本要求也有很深的了解。

（3）教學過程師生互動變得生動活潑，民族學生在設計中會提出很多設計思路和設計要求，在這些過程中，如何引導學生進行正確的設計，對實驗教師也提出了新的要求。

（4）在虛擬實驗室的建立過程中，虛擬儀器充分體現(xiàn)了更靈活、更經濟的特點，且能大大擴展電機的功能，很方便實現(xiàn)，學生通過圖形界面，可以完成對電機建模、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)生成。

（5）常規(guī)電機在使用一定年限后其使用的靈敏度和可靠性都會下降，而虛擬電機的引入，實現(xiàn)了軟件即是儀器，使得電機具備了內部分析精度程度高、可靠性高、分析類型廣泛、可維護性好的優(yōu)點，而且對于復雜的分析過程，它良好的人機界面、簡單而又立體化的操作過程，簡化了電機的操作和分析流程。

4 結語

“電機學”實驗課教學與“電機學”課程教學是相輔相成的，通過民族學生自主創(chuàng)建虛擬實驗室，學生在鞏固理論知識的基礎上能夠聯(lián)系實際，了解和熟悉不同類型的電機，還能夠通過軟件自己動手創(chuàng)建自己的虛擬電機，開闊民族學生們的眼界和思路。同時，對于經費短缺這一高校面臨的主要困難。虛擬實驗室即可降低實驗設備成本又可以改善實驗教學條件。虛擬實驗室的建立效果是非常好的。

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