基于Ansoft Maxwell软件的异步电动机仿真教学实践

宁银行

（上海电机学院电气学院，上海201306）

1 引言

“电机学”是电气工程一级学科的一门重要专业基础课程，涉及变压器、直流电机、异步电机和同步电机等内容，包括电机的结构、原理、特性等内容，课程知识范围广，内容抽象，学生普遍反映不易理解。电机学实验、实践等环节教学效果的好坏直接影响到学生对理论知识的理解和应用[1]，加大实验教学改革是近年来高等教育界形成的共识[2-4]。

由于实验技术、实验场地、经费等原因，导致传统电机学实验的实验内容和实验条件受限，存在内容单一、缺乏创新性等问题[5-7]。为此，不少教育工作者积极呼吁或建议在传统实验的基础上，引入仿真实验[8-10]，并探讨了虚拟仿真技术在教学中的应用

目前，关于电机本体结构、运行机理、电磁分析等实验教学的文献报道较少，而这些内容却是电机学中的重点和难点。以Ansoft Maxwell、Jmag为代表的有限元仿真软件已经较为成熟，为电机学仿真实验教学提供了技术保障。本文以异步电机为例，介绍了基于Ansoft Maxwell的仿真实验。

2 仿真软件介绍

Ansoft Maxwell软件是世界上著名的低频电磁场有限元分析软件，在工程电磁领域的分析中得到了广泛的应用。Ansoft Maxwell软件包括Maxwell模块和Rmxprt模块，其中，Maxwell模块能从“场”的角度（静态场、涡流场、瞬态场等），完成电机、变压器、传感器等电磁装置的计算和分析；与Maxwell模块相比，Rmxprt模块则是采用路算，模块内集成了十余种常见的电机类型，用户只需设置相应的技术参数和设计参数，便可快速计算出电机的特性曲线。

3 异步电动机仿真教学实例

异步电动机的定子绕组外接到交流电源，依靠电磁感应作用，使转子产生感应电流和电磁转矩，达到机电能量转换的目的。

表1 技术参数

“电机学”课程中，异步电动机部分主要包括绕组设计、感应电势、磁动势、谐波及谐波抑制、磁场、电压方程与等效电路、功率方程和转矩方程、参数测定、转矩特性、工作特性等。

3.1 电机参数

根据教学需要，建立异步电机实例的仿真工程项目，表1和表2分别是实例电机的主要技术参数和设计参数。

表2 设计参数

3.2 电机模型

图1为鼠笼型异步电机的仿真模型。转子采用铸铝型导条，定子三相绕组为三角形联结，外接三相交流电源（380 V、50 Hz）。

图1 鼠笼型异步电机的仿真模型

由实例电机的结构可知，磁场是二维分布，即认为轴向各水平截面上的磁场分布是相同的，因此可以采用2D电机仿真模型来研究电机特性（即在2D模型计算结果的基础上，再进一步考虑轴向高度）。之所以采用2D模型来等效实际电机，是因为采用2D计算可以大大降低运算量，提高效率。通过本环节，使学生了解电机的基本结构及其各部件的材料属性。此外，使学生明确仿真模型与它的实际结构并非完全相同，仿真建模时，应遵循“突出主要矛盾，简化计算”的基本原则。

3.3 电机绕组

电机交流绕组方案较多，可以采用双层绕组，也可以采用单层绕组。单层绕组又可分为同心式、链式、交叉式。其中链式绕组中所有线圈节距相同，而同心式和交叉式绕组中则无法保证所有线圈的节距是相同的。

根据实例电机的极槽配合，计算出电机的每极每相槽数q=36/（4×3）=3，采用交叉式单层绕组，如图2所示。属于同一相带内的线圈节距是不同的，以A相带为例，节距分别是8、8、7（以槽数计）。

一般而言，若q为偶数，则可以采用链式单层绕组；若q为奇数，则可以采用交叉式单层绕组。

通过本环节，提高学生对电机绕组设计的理解和应用，涉及的知识点主要有节距、合成节距、节距因数、分布因数、绕组因数、相带、绕组类型等。在仿真实验中，引导学生结合绕组知识，思考为何如此设计、是否必须如此设计。

相对于单层绕组，双层绕组的节距设计自由度大，易于实现。关于单层绕组和双层绕组的选择，在仿真教学中，仅取其中一种方案作为主线，其他绕组方案则作为拓展性内容。本教学实例中，则是以单层绕组为主线，而如图3所示的双层绕组，则由学生自行完成分析。

图2 单层绕组

图3 双层绕组

3.4 电机内磁场

图4和图5分别是空载时的磁力线和磁场分布云图。从图中可看出，磁场分布是不均匀的。由于线圈感应电势与磁场大小密切相关，因此，要引导学生关注气隙磁密情况。

气隙磁密是电机学中一个重要的知识点。例如在分析线圈电势、相电势时，首先给出的便是气隙磁密。图6是实例电机空载时的气隙磁密波形。从图中可以看出，仿真计算的气隙磁密与电机学教材中给出的正弦波形并非完全一致。这是因为仿真软件较为精确地考虑了定转子的齿槽效应。

图4 磁力线分布

图5 磁场分布

图6 气隙磁密

通过本环节的学习，提高了学生对电机内磁场分布的认识，在此基础上，使学生进一步思考磁场和电气特性的关系。例如，由气隙磁密波形特征可知，磁场中含有基波和丰富的谐波，为此引出谐波电势、齿槽转矩以及谐波抑制等知识点。

3.5 感应电动势

图7为电机空载时的相绕组感应电势。电机学教材中导出的相基波电势：

在仿真项目中，通过改变相关参数（频率f、每相总串联匝数N、绕组因数kw1、极距τ、电机轴向长度l等），观察每极磁通Φ1、气隙磁密基波幅值B1、相电势EΦ1的变化情况，深刻理解电机内电和磁的关系。

从图7中可以看出感应电势的波形正弦度较好。对比气隙磁场（图6）和感应电势波形（图7），表明通过合理的绕组设计（“节距”和“分布”），能较好的抑制谐波。

在仿真工程项目中，调整绕组设计参数、斜槽等，观察气隙磁密、感应电势、齿槽转矩等波形变化，加深对谐波和谐波抑制概念的理解，使学生认识到绕组设计在电机中的重要性。

图7 感应电势

图8是电机空载起动相电流变化情况。电机起动时，初始阶段转速较低，绕组内部感应电势较小，因此外部电压直接作用时，相电流较大，如图8中所示起动电流最大值是稳定值的10.6倍。较大的起动电流，会对电机产生较大的危害，由此可引导学生思考电机的起动方式，比如降压起动、串电阻起动（考虑是否可以）等。

图8 空载起动时的相电流

空载时，电机的稳定电流主要用于建立电机的主磁场，产生相绕组感应电势，并与（绕组电阻以及损耗所对应的等效电阻）电阻压降一起，和外部供电电源构成电压平衡。该电流的大小与主磁路的等效阻抗（尤其是激磁电抗）密切相关。因此，可以通过空载电流的大小变化，使学生体会激磁电抗的影响因素。例如，在仿真项目中，调整绕组匝数N、气隙长度δ、电机轴向长度l等，观察空载稳态电流大小的变化，有助于理解教材中导出的等效电路和电抗表达式：

3.6 工作特性

三相异步电动机的输出特性主要体现在转矩和转速上。图9是实例电机的电磁转矩Te与转差率s的关系曲线。本环节涉及转矩表达式、最大转矩、堵转转矩等知识点。

在额定电压时，电机的电磁转矩Te与转差率s的关系式为

图9 T-s特性曲线

在仿真项目中，调整供电电压的幅值、频率以及转子电阻（改变转子导条的电导率）等参数，观察转矩曲线的变化，尤其是堵转转矩、最大转矩等。通过仿真实验，进一步增强对转矩表达式的理解。

4 结语

本文介绍了异步电动机的仿真教学实例，突出了基本知识点和基本概念的趣味性，增强了课堂教学效果。Ansoft Maxwell作为专业的电磁计算软件，能够支撑电机学课程的仿真实验，并能够支持完成创新性综合设计，鼓励学生融合电机学、电机设计、电力拖动、电力电子、自动控制原理等知识。