纺织电机虚拟实验室阶梯多维教学模式研究

谭燕玲，张 强，何 山

(1.新疆轻工职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830021；2.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

纺织电机虚拟实验室阶梯多维教学模式研究

谭燕玲1，张 强2，何 山2

(1.新疆轻工职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830021；2.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

针对新疆高职院校的纺织机电一体化课程教学存在的问题，通过建立虚拟纺织电机实验室，利用MATLAB软件建立纺织电机的外部运行模型及控制模型，并结合ANSOFT软件建立纺织电机内部电磁场分析模型，形成了由外部特性到内部磁场分析、由理论分析到控制运行、由学习到开发的阶梯多维教学模式。

虚拟实验室；纺织机电一体化；阶梯多维教学法；课程建设

随着我国工业化的突飞猛进，纺织机电一体化课程在纺织职业技术教育中的地位越来越重要[1-2]；但从教学效果看，传统教学模式已不能满足现代高职院校的教育教学要求。即纺织机电一体化的传统教学模式改革势在必行。为此，本文针对纺织机电一体化课程在教学中存在的诸多问题尤其是电机部分，提出了基于阶梯式多维教学模式的电机虚拟实验室，给学生和企业提供一个良好的衔接平台。该模式利用软件的可更新性和电机种类、内容的丰富性，搭建各种二维、三维电机及电机运行模型，可进行多方位、多条件地对电机内外运行状况进行深入分析[3-10]。

1 基于MATLAB的电机外部运行特性仿真

由于纺织设备电机种类繁多，下面以典型的直流电机制动特性和异步电机启动特性为例，通过仿真运行曲线来帮助学生更加直观地了解电机运行特性，更好地在实际中运用。

1.1 直流电动机能耗制动特性仿真

他励直流电动机主要参数VN=240 v，nN=1 200 r/min，IN=16.2 A，Ra=10 kΩ，Rb=5 kΩ。使用MATLAB/simulink建立能耗制动的电机运行模型，如图1所示。运行后转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩的暂态过程曲线如图2所示。

从仿真结果的波形中可看出，在能耗制动的过程中电机转子转速n逐步下降，电枢电流Ia突然反向冲击而后逐渐趋于零，他励励磁电流If始终不变，而电磁转矩Tem方向也在第5 s突然反向，最后趋于零。仿真结果能有助于高职学生直观地看出n与Tem在制动过程中始终方向相反，起制动作用，结果与教科书相符。

1.2 异步电动机星形-三角形降压启动特性仿真

三相电源相电压设为220v，频率50Hz，电机模块绕组类型选择鼠笼式；建立异步电机星形-三角形(Y-△)降压启动特性仿真模型，如图3所示。运行后电机的转子电流、定子电流、转速、电磁转矩、转子角速度仿真结果如图4所示。

从仿真结果的波形中可看出，在启动过程中采用Y启动，电机定转子瞬时启动电流都不大，电机转子转速n逐步上升，在第0.5s改变为△型接法以提高电机的输出功率。学生可从仿真结果中看出，变换接法对电机的冲击度很小，电机能很容易地平稳过渡到正常运行状态中，这有助于学生理解星形-三角形(Y-△)降压启动的相关理论知识。

2 基于ANSOFT的电机内部电磁场运行特性仿真

以永磁同步发电机稳态运行和异步电动机暂态运行仿真为例，利用ANSOFT强大的电磁场分析能力使学生通过仿真建模后，能深入掌握电机在运行过程暂、稳态下的电磁场仿真分析，对纺织机电一体化课程电机部分的深入学习有重要意义。

2.1 永磁同步发电机稳态运行时内部磁场的仿真

电机定绕组材料属性为铜，定子铁心及转子轭材料属性为DW465-50，定义永磁材料为P_Mag。建立永磁同步发电机模型如图5所示，对模型进行有限元剖分如图6所示。在加入边界条件运行后，学生可通过彩色图案更直观地看到电机磁力线的分布(见图7)和磁通密度云的分布(见图8)，以了解电机在稳态运行时电机内部磁场的具体分布情况。

2.2 异步电动机暂态运行内部电磁场的仿真

模型参数为定子绕组Y接，每槽导线数40根，并联支路数a为2，第一节距Y1为8，每极每相q为3，双层叠绕。建立仿真模型如图9所示，分析从启动到稳定运行的暂态过程中电机内部电磁场变化情况，如图10所示。

图1 他励直流电机能耗制动仿真模型图

图2 他励直流电动机能耗制动转速、电枢电流、励磁电流及电磁转矩仿真结果

图3 星形-三角形(Y-△)降压启动模型仿真

图4 星形-三角形(Y-△)降压启动模型仿真结果

图5 电机模型图

图6 模型剖分图

图7 电机磁力线分布图

图8 磁通密度云分布

图9 异步电机建模模型

(1)暂态时间为0.005 s

(2)暂态时间为0.5 s图10 不同暂态时间的内部磁力线分布

3 基于MATLAB的电机控制运行特性仿真

下面以直流电机双闭环控制系统为例，通过仿真让学生了解PID的控制和调整方法，理解和掌握纺织电机的调速规律，能在实践中熟练控制电机调速。

学生可对双闭环调速系统负载进行扰动仿真，动态结构如图13所示，其单位阶跃如图14所示，建立系统控制模型如图15所示。

4 结论

通过建立虚拟纺织电机实验室，使学生结合企业生产实际进行岗位模拟,实现学生与企业员工“零距离”对接。通过该教学模式的尝试极大地提高了学生的学习兴趣，教学效果明显，学生不仅能熟练掌握教学中的理论知识，而且能很好地运用于实践。

图11 带参数的双闭环调速系统结构图模型

图12 双闭环调速的单位阶跃响应曲线

图13 双闭环调速系统负载扰动仿真动态结构图

图14 双闭环调速系统的单位阶跃负载扰动响应曲线

图15 双闭环直流电机控制系统模型

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Research on Step-by-step Multidimensional Teaching Mode of Textile Virtual Motor Laboratory

TAN Yan-lin1, ZHANG Qiang2, HE Shan2

(1.Xinjiang Light Industry Professional Technology Institute, Urumqi 830021, China;2.College of Electrical Engineering，Xinjiang university, Urumqi 830047, China)

Based on the teaching problems in Xinjiang professional technology institute, through establishment of virtual motor laboratory and using MATLAB to establish external operating model, controlling model of the motor and using ANSOFT to establish internal electromagnetic field analysis model, the step-by-step multidimensional teaching mode was formed from the external chara cteristic to the internal magnetic field analysis, from theory analysis to controlling operation and from learning to development.

virtual laboratory; textile mechanical and electrical integration; step-by-step multidimensional teaching method; course construction

2016-12-22；

2017-01-26

教育部人文社会科学研究“工程科技人才培养研究专项”(10JDGC009)；新疆大学电机学精品课程建设

谭燕玲(1979-)，女，四川达州人，副教授，主要从事纺织技术和新产品研究，E-mail:75461761@qq.com。

G642.0

B

1673-0356(2017)03-0054-06