基于Ansoft在“电机学”课程教学中应用

杨国龙

摘   要：为了使学生更好地学习“电机学”这门课程，在“电机学”的教学中引入Ansoft有限元软件建立虚拟电机模型，使学生能够更加深刻地理解电机的结构及其原理。首先，引导学生学习Ansoft软件的功能和各个模块的应用，文章根据已有的一款表貼式三相永磁同步电动机的参数，建立虚拟电机模型，利用Maxwell 2D模块进行有限元分析，得到该电机的定子、转子磁场的磁力线、气隙磁密和铁心损耗等相关性能数据。通过建立虚拟电机模型可使学生的抽象思维能力得到提高，更好地理解电机学和电磁场相关的理论知识，改善教学效果。

关键词：电机学;Ansoft;虚拟电机模型;Maxwell 2D

“电机学”是电气工程及其自动化及相关专业一门重要的专业基础课程，包括变压器、异步电机、同步电机和直流电机等内容，主要讲授各种电机的结构、基本原理和特性等，不但要求学生掌握理论知识，同时，要培养学生的动手能力，为后续的专业课程打下基础。由于电机学涉及电、磁、力和热等多学科知识，该课程包含抽象概念较多，特别是电磁场相关知识，要求学生要具备较好想象力，然而有相当一部分学生理解起来比较困难。针对以上的问题，本文在“电机学”课程教学中引入Ansoft有限元分析软件，建立虚拟电机模型，通过仿真分析得到电机内部的磁力线分布、三相电流和额定力矩等参数，便于让学生能够直观认识电机学的内部机理，提高对该课程的学习兴趣，达到较好的教学效果[1]。

1    关于Ansoft有限元软件简介

1.1  ANSYS软件的来源

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件接口，实现数据的共享和交换，如CREO，NASTRAN，ALOGOR， I-DEAS，AutoCAD等，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，在众多领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。

ANSYS软件中的Emag模块是电机行业得到广泛应用的电磁设计分析软件。

1.2  Ansoft软件模块的应用

目前，ANSYS已完成对Ansoft的收购，Ansoft中RMxprt模块为电机的快速设计（仿真）模块，大约具有十多种电机类型，其包含的功能有可以完成电机的优化设计、参数化输入和根据磁网络法进行快速解析分析等，除此之外，Ansoft软件中Maxwell 2D/3D模块可以分析电机的瞬态场、涡流场、静磁场和温度场等，是一种高性能的动态和静态有限元分析软件，不但可以快速对电机的静态特性进行分析，而且也可以很方便地分析电机从起动到稳定运行的动态过程。

在电磁设计中，除了Ansoft软件的RMxprt模块，应该将RMxprt和Maxwell 2D结合使用，因为这两个模块在功能上互补，各有各的优点。RMxprt模块是采用磁路法，模型简单易算，实际上在软件中已编写好程序，只要完成电机的各个参数输入，则可粗略确定电机性能参数，具有计算快速的优点，能快速获得电机的初步数据。在Maxwell 2D有限元模块中，具有扫描分析永磁电机的齿槽转矩，查看永磁电机各次谐波次数及其幅值等功能，这是RMxprt模块所不能实现的，所以要把RMxprt的计算快速性和Maxwell 2D计算功能的优势相结合起来，才能更好地设计、优化电动机的参数，使得电动机性能合理，满足工程实际的要求。Ansoft软件的功能强大，尤其在电机生产的领域中得到了广泛的应用[2]。

2    学习虚拟电机建立

2.1  RMxprt建立过程及分析

RMxprt是基于磁路法的旋转电机专业设计软件，能加快电机的设计和优化过程。在Ansoft软件中RMxprt模块完成设计后，用户可以通过下列方式来查看分析结果。

（1）查看计算单。

（2）查看预定义输出变量。

（3）创建Maxwell 2D模型。

在求解之前，通常应检查模型是否正确无误，该软件提供了自动检测模型，使用简便。检测完毕后，可以单击工具栏上的求解按钮进行求解，因为采用的等效电路方法来计算电机模型，所以计算周期非常短暂。可以通过执行RMxprt/Results/Solution Data命令，也可以在工程树中右击Results，选择其中的Solution Data项来完成。至此，电机在RMxprt模块中的仿真就完成，并可以根据计算结果查看是否符合工程要求。

2.2  Maxwell 2D有限元分析

根据在RMxprt中已建好的电机模型，一键导入生成Ansoft/Maxwell 2D有限元模块，并对其进行有限元计算仿真，利用有限元仿真分析需要完成以下设置步骤。

（1）剖分设置：由于自动生成的Maxwell 2D模块中电机各部件的剖分不精密，需对各部件进行再剖分，通常采用手动设置为自动生成的1/3，符合仿真精度要求。

（2）充磁设置：需要调整永磁体的充磁方向（通常采用平行充磁）。

（3）运动项设置：通常将初始角度设为0°。

（4）求解项设置：需重新设置瞬时求解的时长与步长。

完成Maxwell 2D有限元模型的参数设，可以根据工程需要进行仿真分析[3-4]。

3    关于电机教学案例的分析

本文以表贴式三相永磁同步电动机为例，根据电机已知的参数，首先，利用RMxprt模块完成电机初步设计，利用Maxwell 2D模块对该电机进行有限元分析。表贴式三相永磁同步电动机主要尺寸参数和指标如表1所示。

基于前面对Ansoft/RMxprt模块学习，建立虚拟电机模型，如图1所示。

将已建立虚拟电机从RMxprt模块导入Maxwell 2D模块生成二维有限元模型，如图2所示。

根据得到的电机二维有限元模型，先将电机绕组删除，保留磁钢，仿真分析，则可以查看该电机转子磁场的磁力线分布，如图3所示。

若要查看电机的定子磁场磁力线分布情况，同理，则可将电机内的磁钢去除，保留电机绕组，并添加激励源，仿真分析，得到定子磁场磁力线分布，如图4所示。

若要查看电机的气隙磁密，先绘制一条查看路径，然后再计算该路径上的场量，可分别得到其定、转子磁场的气隙磁密波形图，如图5—6所示。

利用Ansoft软件可以得到电机内部磁场的具体分布，除此之外，还可以通过该软件得到电机的铁心损耗等性能参数，使学生可以更加直觀地了解电机内部原理[5]。

4    结语

“电机学”是一门重要的专业基础课程，针对学生在该课程学习中存在的一些问题，本文在电机学教学过程中引入Ansoft有限元软件，利用Ansoft/RMxprt模块来建立虚拟电机模型，再通过Ansoft/Maxwell2D模块来仿真分析电机的内部磁场，并以一个表贴式三相永磁同步电动机作为案例进行分析。学生可以同时学习电机学和Ansoft软件，而且可以独立建立虚拟电机模型并进行分析，加深对电机内电磁场的理解，拓展设计电机的思路，使教学过程变得更加生动，达到预想的教学效果。

[参考文献]

[1]王爱霞.关于电机课程教学改革的几点设想[J].山东电力高等专科学校学报，1999（1）：51-53.

[2]赵博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]王东，邹会权.基于ANSOFT RMxprt的三相异步电机有限元分析[J].能源研究与管理，2010（4）：69-71.

[4]何国锋，樊晓虹.面向创新型人才培养的电机学课程教学改革探索[J].高教学刊，2015（19）：11-12.

[5]郑庆庆，吴谨.Ansoft软件在电磁场与电磁波课程教学中的应用[J].中国冶金教育，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;