楊國龍

摘? ?要：為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)“電機(jī)學(xué)”這門課程，在“電機(jī)學(xué)”的教學(xué)中引入Ansoft有限元軟件建立虛擬電機(jī)模型，使學(xué)生能夠更加深刻地理解電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其原理。首先，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)Ansoft軟件的功能和各個(gè)模塊的應(yīng)用，文章根據(jù)已有的一款表貼式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，建立虛擬電機(jī)模型，利用Maxwell 2D模塊進(jìn)行有限元分析，得到該電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子磁場的磁力線、氣隙磁密和鐵心損耗等相關(guān)性能數(shù)據(jù)。通過建立虛擬電機(jī)模型可使學(xué)生的抽象思維能力得到提高，更好地理解電機(jī)學(xué)和電磁場相關(guān)的理論知識(shí)，改善教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué);Ansoft;虛擬電機(jī)模型;Maxwell 2D

“電機(jī)學(xué)”是電氣工程及其自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)和直流電機(jī)等內(nèi)容，主要講授各種電機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本原理和特性等，不但要求學(xué)生掌握理論知識(shí)，同時(shí)，要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，為后續(xù)的專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。由于電機(jī)學(xué)涉及電、磁、力和熱等多學(xué)科知識(shí)，該課程包含抽象概念較多，特別是電磁場相關(guān)知識(shí)，要求學(xué)生要具備較好想象力，然而有相當(dāng)一部分學(xué)生理解起來比較困難。針對(duì)以上的問題，本文在“電機(jī)學(xué)”課程教學(xué)中引入Ansoft有限元分析軟件，建立虛擬電機(jī)模型，通過仿真分析得到電機(jī)內(nèi)部的磁力線分布、三相電流和額定力矩等參數(shù)，便于讓學(xué)生能夠直觀認(rèn)識(shí)電機(jī)學(xué)的內(nèi)部機(jī)理，提高對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到較好的教學(xué)效果[1]。

1? ? 關(guān)于Ansoft有限元軟件簡介

1.1? ANSYS軟件的來源

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如CREO，NASTRAN，ALOGOR， I-DEAS，AutoCAD等，是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強(qiáng)大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評(píng)比中都名列第一。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。

ANSYS軟件中的Emag模塊是電機(jī)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的電磁設(shè)計(jì)分析軟件。

1.2? Ansoft軟件模塊的應(yīng)用

目前，ANSYS已完成對(duì)Ansoft的收購，Ansoft中RMxprt模塊為電機(jī)的快速設(shè)計(jì)（仿真）模塊，大約具有十多種電機(jī)類型，其包含的功能有可以完成電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、參數(shù)化輸入和根據(jù)磁網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行快速解析分析等，除此之外，Ansoft軟件中Maxwell 2D/3D模塊可以分析電機(jī)的瞬態(tài)場、渦流場、靜磁場和溫度場等，是一種高性能的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)有限元分析軟件，不但可以快速對(duì)電機(jī)的靜態(tài)特性進(jìn)行分析，而且也可以很方便地分析電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程。

在電磁設(shè)計(jì)中，除了Ansoft軟件的RMxprt模塊，應(yīng)該將RMxprt和Maxwell 2D結(jié)合使用，因?yàn)檫@兩個(gè)模塊在功能上互補(bǔ)，各有各的優(yōu)點(diǎn)。RMxprt模塊是采用磁路法，模型簡單易算，實(shí)際上在軟件中已編寫好程序，只要完成電機(jī)的各個(gè)參數(shù)輸入，則可粗略確定電機(jī)性能參數(shù)，具有計(jì)算快速的優(yōu)點(diǎn)，能快速獲得電機(jī)的初步數(shù)據(jù)。在Maxwell 2D有限元模塊中，具有掃描分析永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，查看永磁電機(jī)各次諧波次數(shù)及其幅值等功能，這是RMxprt模塊所不能實(shí)現(xiàn)的，所以要把RMxprt的計(jì)算快速性和Maxwell 2D計(jì)算功能的優(yōu)勢相結(jié)合起來，才能更好地設(shè)計(jì)、優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，使得電動(dòng)機(jī)性能合理，滿足工程實(shí)際的要求。Ansoft軟件的功能強(qiáng)大，尤其在電機(jī)生產(chǎn)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

2? ? 學(xué)習(xí)虛擬電機(jī)建立

2.1? RMxprt建立過程及分析

RMxprt是基于磁路法的旋轉(zhuǎn)電機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，能加快電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程。在Ansoft軟件中RMxprt模塊完成設(shè)計(jì)后，用戶可以通過下列方式來查看分析結(jié)果。

（1）查看計(jì)算單。

（2）查看預(yù)定義輸出變量。

（3）創(chuàng)建Maxwell 2D模型。

在求解之前，通常應(yīng)檢查模型是否正確無誤，該軟件提供了自動(dòng)檢測模型，使用簡便。檢測完畢后，可以單擊工具欄上的求解按鈕進(jìn)行求解，因?yàn)椴捎玫牡刃щ娐贩椒▉碛?jì)算電機(jī)模型，所以計(jì)算周期非常短暫?？梢酝ㄟ^執(zhí)行RMxprt/Results/Solution Data命令，也可以在工程樹中右擊Results，選擇其中的Solution Data項(xiàng)來完成。至此，電機(jī)在RMxprt模塊中的仿真就完成，并可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果查看是否符合工程要求。

2.2? Maxwell 2D有限元分析

根據(jù)在RMxprt中已建好的電機(jī)模型，一鍵導(dǎo)入生成Ansoft/Maxwell 2D有限元模塊，并對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算仿真，利用有限元仿真分析需要完成以下設(shè)置步驟。

（1）剖分設(shè)置：由于自動(dòng)生成的Maxwell 2D模塊中電機(jī)各部件的剖分不精密，需對(duì)各部件進(jìn)行再剖分，通常采用手動(dòng)設(shè)置為自動(dòng)生成的1/3，符合仿真精度要求。

（2）充磁設(shè)置：需要調(diào)整永磁體的充磁方向（通常采用平行充磁）。

（3）運(yùn)動(dòng)項(xiàng)設(shè)置：通常將初始角度設(shè)為0°。

（4）求解項(xiàng)設(shè)置：需重新設(shè)置瞬時(shí)求解的時(shí)長與步長。

完成Maxwell 2D有限元模型的參數(shù)設(shè)，可以根據(jù)工程需要進(jìn)行仿真分析[3-4]。

3? ? 關(guān)于電機(jī)教學(xué)案例的分析

本文以表貼式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)已知的參數(shù)，首先，利用RMxprt模塊完成電機(jī)初步設(shè)計(jì)，利用Maxwell 2D模塊對(duì)該電機(jī)進(jìn)行有限元分析。表貼式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)主要尺寸參數(shù)和指標(biāo)如表1所示。

基于前面對(duì)Ansoft/RMxprt模塊學(xué)習(xí)，建立虛擬電機(jī)模型，如圖1所示。

將已建立虛擬電機(jī)從RMxprt模塊導(dǎo)入Maxwell 2D模塊生成二維有限元模型，如圖2所示。

根據(jù)得到的電機(jī)二維有限元模型，先將電機(jī)繞組刪除，保留磁鋼，仿真分析，則可以查看該電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的磁力線分布，如圖3所示。

若要查看電機(jī)的定子磁場磁力線分布情況，同理，則可將電機(jī)內(nèi)的磁鋼去除，保留電機(jī)繞組，并添加激勵(lì)源，仿真分析，得到定子磁場磁力線分布，如圖4所示。

若要查看電機(jī)的氣隙磁密，先繪制一條查看路徑，然后再計(jì)算該路徑上的場量，可分別得到其定、轉(zhuǎn)子磁場的氣隙磁密波形圖，如圖5—6所示。

利用Ansoft軟件可以得到電機(jī)內(nèi)部磁場的具體分布，除此之外，還可以通過該軟件得到電機(jī)的鐵心損耗等性能參數(shù)，使學(xué)生可以更加直觀地了解電機(jī)內(nèi)部原理[5]。

4? ? 結(jié)語

“電機(jī)學(xué)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，針對(duì)學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)中存在的一些問題，本文在電機(jī)學(xué)教學(xué)過程中引入Ansoft有限元軟件，利用Ansoft/RMxprt模塊來建立虛擬電機(jī)模型，再通過Ansoft/Maxwell2D模塊來仿真分析電機(jī)的內(nèi)部磁場，并以一個(gè)表貼式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)作為案例進(jìn)行分析。學(xué)生可以同時(shí)學(xué)習(xí)電機(jī)學(xué)和Ansoft軟件，而且可以獨(dú)立建立虛擬電機(jī)模型并進(jìn)行分析，加深對(duì)電機(jī)內(nèi)電磁場的理解，拓展設(shè)計(jì)電機(jī)的思路，使教學(xué)過程變得更加生動(dòng)，達(dá)到預(yù)想的教學(xué)效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王愛霞.關(guān)于電機(jī)課程教學(xué)改革的幾點(diǎn)設(shè)想[J].山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1999（1）：51-53.

[2]趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]王東，鄒會(huì)權(quán).基于ANSOFT RMxprt的三相異步電機(jī)有限元分析[J].能源研究與管理，2010（4）：69-71.

[4]何國鋒，樊曉虹.面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的電機(jī)學(xué)課程教學(xué)改革探索[J].高教學(xué)刊，2015（19）：11-12.

[5]鄭慶慶，吳謹(jǐn).Ansoft軟件在電磁場與電磁波課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國冶金教育，2014（4）：29-30.

Application of “Electrical Machinery” teaching base on Ansoft

Yang Guolong

（Guangdong Ocean University Cunjin Collega， Zhanjiang 524000， China）

Abstract：In order to make the students learn the course of “Electrical Machinery” better， the Ansoft finite element software is introduced into the teaching of “Electrical Machinery”to establish the virtual motor model， so that students can understand the structure and principle of electrical machinery more deeply. Firstly， the students are guided to learn the function of Ansoft software and the application of each module， This paper is based on the parameters of an existing three phase permanent magnet synchronous motor with surface mount type， building virtual motor model. Finite element analysis is carried out by Maxwell 2D module. The performance data of magnetic field lines of motor stator and rotor magnetic field， air gap magnetic density and core loss are obtained. By establishing the virtual motor model， the students abstract thinking ability can be improved， the relevant theoretical knowledge of electrical machinery and electromagnetic field can be better understood， and the teaching effect can be improved.

Key words：Electrical Machinery; Ansoft; virtual motor model; Maxwell 2D;