基于ANSOFT软件建立电机学虚拟实验室

2013-05-16王维庆王红琳玛依拉

实验室研究与探索 2013年2期

张强，王维庆，姜波，王红琳，玛依拉

（新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

0 引言

近几年，随着工业发展，电机的应用范围变得越来越广泛。在电力行业中，电机的地位与日俱增。电机的发展对《电机学》［1-2］教学也提出了更高的要求。《电机学》学得好坏对电力专业知识的掌握起着重要作用。多年教学中发现：由于《电机学》知识含量大，内容涉及不同的发电机和电动机，学习过程中，知识点既有共同处又有各自特点，民族学生学习，一方面由于知识点太多，另一方面，学生对于电机基本没有用过，所接触的也仅仅停留在实验室里的常规实验，对知识的理解停留在以往的知识框架体系中，很难理解电磁场的相关知识，对电机的相关知识把握难度大，知识记忆也很容易混淆。因此，本文通过ANSOFT软件建立起虚拟实验室，对电机建模仿真电磁场，以立体形象的方式加深电机知识的学习。

1 引导学生熟悉ANSOFT功能和开发环境

ANSOFT是一种三维电磁场设计和分析的软件，能够非常方便地进行电磁软件设计，可做电磁场方向图的剖面分析，能够很容易地进行有限元计算［3-11］。学生可用实验室的计算机建立不同的电机模型即虚拟仪器，以实现虚拟电机实验室的建立［12-14］。根据自己的需求，定义和设计电机在不同运行条件下的运行状况，以仿真和扩展电机的功能。学生使用ANSOFT软件能够方便地改变设置和功能，形成不同功能的电机。虚拟实验室突破了传统意义上实验的概念［15-16］，使运用为主要目的实验与仿真内部电磁场为目的实验有机地结合起来。

学生将电机参数、电机运行条件有机地结合起来，通过加载条件，实现磁场、电场、应力分析、能量场分析等多功能分析。建立完全符合自己特殊需求的电机运行系统，如变压器的涡流，鼠笼式异步电机的电枢反应，在短路情况下的能量场分布等。学生设计非常方便直观，吸引了很多学生进行自主研发。

2 学生自主开发电机虚拟实验室

虚拟实验室的硬件［7］一般包括计算机和电机设备。PC机可以选择各种类型的通用计算机，它主要用来提供高效的图形处理、数据处理和显示功能。通过友好的图形界面操作，自己定义、自己设计，从而完成电机模型的设计、分析和显示等功能。

永磁同步电机在《电机学》的教材中并没有过多讲述。而其应用在现在电力工业中占有重要的地位。现以永磁同步电机稳态磁场分析为例，引导民族学生进行永磁同步电机稳态磁场的研究。

（1）设计条件。三相永磁同步电机，有定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。电机定子内经、外径分别为74 mm和120 mm，极数4，定子槽数24，电机为对称结构可以建立四分之一模型，为了更加清晰地了解整个电机模型的建立情况，采用整域求解，问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。

（2）设计步骤。Ansoft软件进行有限元分析的基本步骤如下：①创建项目及定义分析类型;②建立几何模型;③定义及分配材料;④定义及加载激励源和边界条件;⑤求解参数设定;⑥后处理。

2.1 永磁同步电机稳态磁场设计过程

（1）创建项目及定义分析类型。在项目管理窗口中对项目文件进行重命名以及保存此项目文件。

（2）建立几何模型。① 绘制电机定子槽几何模型，如图1所示。②电机定子冲片模型，如图2所示。③创建永磁体模型，如图3所示。④创建转子轭模型和转轴模型如图4、图5所示。

（3）定义及分配材料。材料属性指定的是通过材料管理器来实现的。在建立几何模型时，所有部件的材料属性都默认为真空（vacuum）。对于永磁同步电动机稳态磁场分析，需要指定一下材料属性：①指定气隙Air-gap材料属性-空气;②指定绕组coil材料属性-铜;③定义定子铁心Stator及转子轭yoke材料属性DW465-50，一种电机常用非线性铁磁材料;④定义永磁材料，命名为P_Mag，指定给永磁磁极。

图1 定子槽绕组模型

图2 电机定子冲片模型

图3 永磁体模型

图4 电机几何模型图

图5 电机绕组分布图

（4）定义及加载激励源和边界条件。磁场分析中，每个被分析的问题，至少存在一种激励源，在永磁同步电机分析中，电机定子绕组电流源与永磁体两种激励源，永磁体激励源在材料管理器中已定义并分配了磁极，因此，在此部分激励源仅定义绕组的电流源。对于边界条件，电机求解域的外边界与转子轭与转轴的交界应施加相应的边界条件，此问题中由于两处边界均为高导磁介质与非导磁介质的分界处，因此，施加磁通平行边界条件即可，这也是电机分析中最为常用的边界条件。

（5）求解参数设定。除了计算电磁场外，还需要确定电机转子上所产生的电磁力、力矩及电机绕组的电感等参数，在稳态磁场分析中，这些参数的求解需要事先设定。Ansoft稳态电感转矩的计算是基于特定激励下，导体包围区域的线性磁导条件下计算的，也就是说，电感转矩的计算是对于完整闭合绕组的，而不是对于单根导体而言，因此，在设定电感转矩参数时应确定每个绕组的回路关系。执行命令，选项中选择各相的正绕组，选择每条支路所闭合的负绕组，一构成完整的闭合线圈。回路设置完成后，单击转矩设置对话框中的按钮，由于分析的永磁电机由每相绕组由4个槽绕组构成，因此分析每相绕组的电感时应将属于同相的绕组进行分组。有限元分析的模型、载荷、边界，求解项设置均完成后，执行命令，弹出对话框，当所有设置正确后，每项前出现对勾提示。

（6）后处理。自检正确完成后，启动求解过程，求解过程中，进程显示框中交替显示系统计算过程的进展信息，如细化部分，求解矩阵，计算力等。选择解观察对话框顶部的选项，可观察统计信息情况，求解本例的起始与终止时间，以及自适应求解每步的三角单元数，占用内存等信息。在默认的情况下，收敛数据是以表格的形式显示的。图形显示对话框可以直观的表述出三角单元与收敛次数、总能量与收敛次数、能量误差百分比与收敛次数、磁场力与收敛次数之间的关系等等。首先对模型进行有线元剖分，如图6所示。之后将鼠标移至模型窗口，选择模型窗口中所有物体，执行命令，选择窗口中的所有物体可以图形显示电机等势线分布，如图7所示为电机磁力线分布，选择所有物体可以图形显示电机磁通密度云图分布，如图8所示。设计者通过借助于磁力线分布与及磁密云图的分布，可以确定电机内磁场的具体分布，以及各个部分磁场的饱和情况。

图6 模型剖分图

图7 电机磁力线分布图

图8 电机磁通密度云图分布

2.2 学生设计过程中的体会

在常规电机学实验室中，电机使用起来其灵活性和多样性非常有限。而对虚拟电机进行设计，不但分析内容丰富、直观，对民族学生理解电机运行原理和运行状况有很大帮助，而且其测试的内容都可以根据民族学生的需要进行修改和研发。这样的设计平台既能使电机的设计变得简单易行，具备了可视化、多样性，而且还能充分地符合现代高校民族学生的创新思维的要求。

在设计过程中，学生能够了解一个电机的基本结构，运行条件，在ANSOFT编译后，能直观的看到电磁场的分布强弱，在相关的文本格式中，可看到有限元单元的分布参数。这样对于民族学生进行数据分析和图像分析都非常有帮助，在进行设计后，民族学生对电机学电磁场知识有了较深刻地认识。

3 学生开发虚拟实验室的效果分析

虚拟实验室的新模式给实验室带来了新的设计理念。使得实验内容和实验过程，变得不再单一。并可根据不同的民族学生研发出不同的学习内容，使设计具备了个性化和多样性。

（1）民族学生参与的积极性呈大幅度上升状态。虚拟仪器的可视性、灵活性、简单易于设计等多方面优点，大大吸引了民族学生的设计兴趣，开发了民族学生的设计潜能。

（2）民族学生知识深度和广度及灵活应用的能力也明显提高。学生能通过实际设计会结合大量的电路知识，在这过程中，学生能够反复分析和查找相关知识，以达到对电路知识进一步巩固和加深。不仅仅如此，在设计过程中，民族学生也能对仪器仪表的基本要求也有很深的了解。

（3）教学过程师生互动变得生动活泼，民族学生在设计中会提出很多设计思路和设计要求，在这些过程中，如何引导学生进行正确的设计，对实验教师也提出了新的要求。

（4）在虚拟实验室的建立过程中，虚拟仪器充分体现了更灵活、更经济的特点，且能大大扩展电机的功能，很方便实现，学生通过图形界面，可以完成对电机建模、分析、判断、显示及数据生成。

（5）常规电机在使用一定年限后其使用的灵敏度和可靠性都会下降，而虚拟电机的引入，实现了软件即是仪器，使得电机具备了内部分析精度程度高、可靠性高、分析类型广泛、可维护性好的优点，而且对于复杂的分析过程，它良好的人机界面、简单而又立体化的操作过程，简化了电机的操作和分析流程。

4 结语

“电机学”实验课教学与“电机学”课程教学是相辅相成的，通过民族学生自主创建虚拟实验室，学生在巩固理论知识的基础上能够联系实际，了解和熟悉不同类型的电机，还能够通过软件自己动手创建自己的虚拟电机，开阔民族学生们的眼界和思路。同时，对于经费短缺这一高校面临的主要困难。虚拟实验室即可降低实验设备成本又可以改善实验教学条件。虚拟实验室的建立效果是非常好的。

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