Maxwell软件在电机实验教学中的应用*

谷爱昱 董佳楠 郭艺伟

(广东工业大学自动化学院 广东 广州 510006)

1 引言

电机学课程与实际工程问题紧密联系，是一门复杂又综合性强的工程实践学科，实践教学环节极为重要[1～3].通过电机学实验教学，能够实现理论教学的补充，促进学生理解和掌握电机理论.然而，传统的电机学实验教学侧重于各类电机的运行特性，缺少电机本体运行机理和电磁特性分析相关实验内容，电机学理论教学重点内容没有得到充分体现[4,5].

随着计算机技术发展与各类有限元分析软件的出现，虚拟仿真技术在电机结构设计和特性分析方面起到越来越重要的作用.针对当前电机学实践教学存在的不足，我校电机学教学团队在电机学实验教学过程中引入电磁仿真技术，补充和完善实践教学，以适应学科发展对电机学教学的要求.

Maxwell软件作为一款工业应用广泛的电磁场分析软件，在二维、三维静态与动态电磁场仿真中都具有很高的精确度[6].Maxwell采用图形化建模，降低了入门难度，是一款较为合适的电机设计与教学辅助软件.本文将以单相变压器实验为例，说明基于Maxwell 软件平台的电机仿真实验建设途径.

2 实验内容

单相变压器仿真实验包括空载和负载两个实验内容.通过空载实验了解变压器主要结构——铁心和绕组，观察磁场分布和空载电流波形.通过负载实验完成变压器外特性曲线，掌握电压调整率概念，深入理解负载性质对变压器输出电压的影响.仿真实验内容如表1所示.

表1 变压器仿真实验内容

3 Maxwell软件建模

图1给出了Maxwell建模的具体流程，主要包括：建立模型、设定条件和求解计算.

图1 Maxwell建模流程

详细步骤为：

(1)打开Maxwell软件，进入仿真软件界面，如图2所示.分为工程管理栏、工程状态栏、工程信息栏、工程进度栏、工程树栏和工程绘图区.

图2 Maxwell仿真界面

(2)根据变压器的几何尺寸，在工程绘图区依次画出变压器的铁心、一次绕组和二次绕组，建立有限元2D模型.

(3)按照变压器实际所用材料，定义和分配单相变压器有限元2D模型的铁心和绕组部分材料属性，如图3所示.Maxwell有自带的材料库，也可以根据需要创建材料库.通过改变材料属性可以观察不同材料对电机性能的影响.在单相变压器实验中通过铁心材料的设计可以帮助学生理解铁心饱和、漏磁等概念.

图3 单相变压器有限元2D模型

(4)设置边界条件和激励源.图4是瞬态磁场求解器激励源的设置，类型为外电路激励源.图5是单相变压器外电路总图，可以灵活设置负载阻抗Z的大小和性质.将外电路与有限元连接.

图4 激励源设置

图5 单相变压器外电路总图

(5)剖分设置.合理的剖分可以在加快求解的速度下保证求解的精度.

(6)设置求解选项，针对变压器选择静磁场和瞬态磁场求解器.

(7)检查验证，有限元仿真求解.

(8)通过场的分布和量级验证有限元模型的正确性.

(9)后处理.查看曲线、曲面路径的场量，以及对场计算器的应用.

4 Maxwell仿真分析

图6为空载状态下的变压器外电路，激励源在低压侧，高压侧电路阻抗设置为无穷大.

图6 空载状态下变压器外电路

在工程管理栏的工程项目下，依次点击results-create field report，得到空载下的电压、电流等信息，处理后如图7所示.

图7 空载下电压和电流波形

选中铁心区域，点击菜单栏上Maxwell 2D/Fields/Fields项，在Fields 场图列表中绘制各种类型的场图，包括矢量磁位A、磁场强度H、磁感应强度B和电流密度J等.图8为变压器空载磁场图，不同色彩所代表的磁场强度大小以及曲线走向，说明了磁路的饱和程度与变化趋势.另外，可以将不同时刻的磁场图做成连续动画，更加生动形象地诠释 1个电周期内的磁场变化.

图8 空载磁场图

调整图5中负载阻抗的大小和性质，获得变压器外特性曲线，如图9所示.

图9 变压器外特性曲线

通过负载仿真实验，可以清楚地观察到变压器输出电压不仅与负载电流大小有关，而且与负载性质有关，弥补了当前实物实验室的不足.

5 结论

虚拟仿真技术的发展对传统的实验教学方式方法产生了巨大的影响，虚拟仿真技术应用于实验教学是教学发展的方向.我校将有限元软件平台Maxwell应用于电机学实验教学中，加深了学生对专业学习中相关内容的理解，实现了专业能力的提升.