ANSYS Maxwell在“电机及拖动基础”课程教学中的应用

陈世军，李彦梅，吴文进，徐文权

(安庆师范大学 物理与电气工程学院, 安徽 安庆 246133)



ANSYS Maxwell在“电机及拖动基础”课程教学中的应用

陈世军，李彦梅，吴文进，徐文权

(安庆师范大学 物理与电气工程学院, 安徽 安庆 246133)

“电机及拖动基础”是一门专业性很强的专业基础课，本文对该课程的特点进行分析，提出了ANSYS Maxwell软件在该课程教学中的应用方法。以一台直流电动机和一台交流电动机为例，运用ANSYS Maxwell进行建模仿真，对其电机结构、工作原理以及电磁场分布等各个方面进行分析，加深了学生对理论知识的理解，可达到良好的教学效果。

电机及拖动基础；ANSYS Maxwell；直流电动机；交流电动机

“电机及拖动基础”是研究电机与电力拖动系统基本理论问题的课程，是自动化、电气工程及其自动化等专业的一门重要专业基础课，需要紧密联系科学实验与生产实际[1-2]。通过对该课程的学习，为后续课程准备必要的基础知识，为从事专业技术工作做好基本知识的培养和锻炼。该课程的特点[3-5]是运用基础课程的基本理论来分析电机的电磁物理过程和一些复杂而又综合性的工程实践问题，理论性强、抽象概念多、公式推导和计算多，涉及的电磁场内容多，与实际问题接触紧密，学生学习起来感觉比较困难和枯燥，在学习过程中难以形成一个比较全面的认识，从而影响到其学习积极性。因此，在教学过程中如何将复杂的物理问题具体化、可视化是一个重要的课题。

ANSYS Maxwell是美国ANSYS公司的一款软件，是工业界领先的电磁场仿真软件，能满足机电产品工程师的仿真设计需求，提升高品质产品设计的能力，适用于电机、电感、变压器、磁性传感器等各种机电产品的开发。求解对象的电磁场分布可以直观地显示出来，具有自动计算电磁力、力矩、电感、电容等设计参数的功能。ANSYS Maxwell软件主要包括应用热路法计算的RMxprt模块以及应用有限元法计算的2D和3D模块。针对电机设计，借助于RMxprt工具模块，可以大大改进设计流程并增加其设计能力，可以在数秒钟内完成数以万计的计算方案。从RMxprt中能够一键输出2D和3D有限元分析模型，并且能够自动设置几何尺寸、材料、激励和边界条件等，最后在2D和3D模块中进行精确的电磁场瞬态分析[6]。

基于此，在“电机及拖动基础”教学中引入ANSYS Maxwell软件将电机复杂的结构进行分解，对其进行理论仿真验证，让抽象的电磁场具体化。这样可以提高学生的学习兴趣，还可以帮助学生对具体问题进行深入分析，是一种行之有效的教学手段。下面以直流电动机与交流电动机为例进行具体阐述。

1　ANSYS Maxwell在直流电机教学中的应用

直流电机是传统四大电机的主要类型之一。直流电机具有良好的起动性能和调速性能，与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本较高，可靠性稍差，这使它的应用受到了一定限制甚至有被交流电机取代的可能。尽管如此，直流电机仍具有一定的理论意义和实用价值。在常规教学中，直流电机部分，要求学生掌握直流电机的工作原理和基本结构及其工作特性，能运用直流电机基本方程式计算相关物理量，熟悉电枢绕组的连接方式，了解直流电机内部磁场及换向问题等[7]。如果单纯从课本出发进行常规教学，学生很难理解这些问题。下面借助于ANSYS Maxwell软件对直流电动机进行分析。

1.1直流电机的性能尺寸参数

文中采用的直流电机主要性能尺寸参数如表1所示。

表1　直流电机主要性能尺寸参数

1.2直流电机建模

首先在RMxprt环境下，输入电机的基本尺寸参数，包括定子磁极参数、绕组参数，转子槽参数，励磁绕组参数，换向器参数等。建立直流电机的模型如图1所示，再导入Maxwell 2D中得到电机模型如图2所示。

图1RMxprt中直流电机模型

图2Maxwell 2D中直流电机模型

1.3仿真结果分析

通过对直流电动机模型的建立，可以让学生充分认识到直流电机的结构。模型建立好之后，可对电机的工作特性、电磁场进行分析。图3给出了时间t=0.06s,转速n=1 080r/min时直流电机的内部磁密分布云图，可见最大磁密发生在定子铁芯上，其值为 3.19Tesla，图4给出了时间t=0.06s,转速n=1 080r/min时直流电机内部磁力线的分布情况，可见磁力线从定子铁芯经过主磁极，通过空气隙到达转子铁芯，再从转子铁芯经过空气隙、主磁极到达定子铁芯，形成闭合磁路。图5和图6分别给出了效率η和转矩T与电枢电流Ia的关系特性曲线，还可以获得其他更多的变化关系曲线。

图3直流电机磁密分布

图4直流电机磁力线分布

图5　效率与电枢电流的关系曲线

图6　转矩与电枢电流的关系曲线

2　ANSYS Maxwell在交流电动机教学中的应用

交流电机主要有同步电机和异步电机两大类。这两类电机的转子结构、工作原理、励磁方式和性能虽有所不同，但是定子中所发生的电磁过程以及机电能量转换的机理和条件却是相同的，可以采用统一的方法来研究。这里以一台三相异步电动机为例进行说明。三相异步电动机在工业中应用极为广泛，具有结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠等优点，也具有功率因数恒为滞后、轻载时功率因数偏低、调速性能比直流电机稍差等缺点。在常规教学中，三相异步电动机部分，要求学生掌握三相异步电动机的结构和基本工作原理以及运行原理等[7]，同样，如果单纯从课本出发用常规方法教学，学生很难理解这些问题。下面借助于ANSYSMaxwell软件对三相异步电动机进行分析。

2.1三相异步电动机性能尺寸参数

文中采用的三相异步电动机的主要性能尺寸参数如表2所示。

表2　三相异步电动机主要性能尺寸参数

2.2 三相异步电动机建模

按照前面介绍直流电机建模一样，在RMxprt中输入三相异步电机的尺寸参数，包括定子槽参数、定子绕组参数、转子槽和转子绕组参数等。建立的三相异步电动机模型如图7所示，再将其导入Maxwell 2D中得到电机模型如图8所示。

图7RMxprt中三相异步电机模型

图8Maxwell 2D中三相异步电机模型

2.3 仿真结果分析

同理，通过对三相异步电动机模型的建立，可以让学生对电机的模型结构有一个深刻的认识，同时可以与直流电机的结构相对比。这样，更加有利于学生对复杂电机结构进行深入地理解。在确定电机模型之后，可以对三相异步电动机的电磁场以及工作特性等进行分析。图9给出了t=0.2 s时刻，转速n=1 420 r/min时电机内部磁密分布云图，可见，最大磁密发生在定子轭部，其值为2.19 Tesla，图10给出了t=0.2 s时刻，转速n=1 420 r/min时电机内部磁力线走向分布，可见，磁力是从定子铁芯进入空气隙，再进入转子铁芯，再经过空气隙进入定子铁芯形成闭合回路。图11-13给出了三相异步电动机的运行特性曲线，分别是效率η与速度n的变化关系，转矩T与速度n的变化关系以及转差率s与输出功率Pout的变化关系。

图9三相异步电动机磁密分布

图10三相异步电动机磁力线分布

图11　效率和速度变化关系

图12　转矩和速度变化关系

图13　转差率与输出功率关系

3　结　　论

综上所述，通过对直流电动机和交流电动机的分析，可以让学生对电机的复杂结构进行深入了解，难于理解的电机绕组连接方式，通过ANSYS Maxwell软件能得到更清晰的认识，尤其是抽象的磁场分析，更能通过电机的磁密分布云图和磁力线分布图获得深刻的体会。可见，在“电机及拖动基础”教学中引入ANSYS Maxwell软件对电机进行分析讲解，能够达到良好的教学效果。

[1]顾绳谷.电机及拖动基础(上册)[M]. 4版.北京：机械工业出版社，2011: 19-93.

[2]李发海，王岩.电机与拖动基础 [M]. 4版.北京：清华大学出版社，2011：26-208.

[3]陈亚爱,于苏华,周京华,等.“电机及拖动基础”课程教学研究与探索[J].电气电子教学学报,2010,S1:95-97,100.

[4]肖波.《电机及拖动基础》课程教学改革的研究与实践[J].中国电力教育,2007,11:80-81.

[5]侯永海,张梅风,于春晓.电机及拖动基础课程教学方法的探索与实践[J].当代教育实践与教学研究,2015,7:244-245.

[6]刘慧娟，上官明珠，张颖超，等.Ansoft Maxwell 13电机电磁场实例分析[M].北京：国防工业出版社，2014：30-190.

[7]汤蕴璆.电机学 [M]. 4版. 北京：机械工业出版社，2013：83-171.

Application of ANSYS Maxwell in Teaching for Fundamentals of Electrical Machines and Drives

CHEN Shi-jun，LI Yan-mei，WU Wen-jin，XU Wen-quan

(School of Physics and Electronic Engineering , Anqing Normal University , Anqing, Anhui 246133, China)

FundamentalsofElectricalMachinesandDrivesis a professional basic course with strong specialty. This paper analyzes the characteristics of the course, and puts forward the application method of Maxwell ANSYS software in the teaching of the course. Taking a DC motor and a AC motor for examples, and using ANSYS Maxwell modeling and simulation, we analyze the motor structure, working principle and the distribution of electromagnetic field, deepen the students' understanding of theoretical knowledge. Good teaching effect can be achieved.

fundamentals of electrical machines and drives; ANSYS Maxwell; DC motor; AC motor

2016-01-18

安徽省教育厅一般项目(AQKJ2015B016)。

陈世军，男，江西九江人，硕士，安庆师范大学物理与电气工程学院讲师，研究方向为电机及其控制技术。E-mail: chenshijun@aqtc.edu.cn

时间：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.033.html

TP343

A

1007-4260(2016)03-0131-05

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.033