“电机与拖动基础”课程的可视化教学研究

张乐平，杨迎新，杨迟

“电机与拖动基础”课程的可视化教学研究

张乐平，杨迎新，杨迟

（江西理工大学 能源与机械工程学院，江西 南昌 330013）

针对“电机与拖动基础”课程有些内容相对抽象的特点，课题组提出了一个系统解决该类问题的可视化教学方案。该方案利用三维立体图形、动画和实物影像的协同效应，立体、动态和直观地呈现电机结构，使其更加清晰、动感和真实；运用ANSYS软件对电机空载磁场、负载磁场等进行了可视化仿真研究，将不可见的磁场变得更加直观、形象；应用LabVIEW软件搭建了虚拟实验系统，进行电机特性仿真，在将抽象数学描述形象化的同时，增强了学生临场感。

电机与拖动基础；可视化；教学

从工厂的自动生产线、车间的机床、机器人到家庭中的家用电器甚至电动玩具等，电机几乎无处不在。电力拖动系统是各类自动化技术和设备的基础，其理论与技术的发展对我国当前的现代化进程起到推动作用[1]。

“电机与拖动基础”是自动化、机电类专业的一门主要专业基础课程。主要讲述直流电机、变压器和交流电机的原理、结构及工作（运行）特性，涉及知识面广，是电学、磁学、力学等多门学科知识的综合[2]。该课程具有很强的理论性和实践性，但课程的有些内容相对抽象，致使存在学生难学、教师难教的两难现象。

近年来，关于该课程内容可视化教学的研究主要针对某一特定对象的某个方面展开，如万力、荣军等[3]基于MATLAB/SIMULINK软件对直流电动机空载起动和负载运行的仿真分析，魏立明、陈伟利等[4]利用MATLAB软件对变压器联结组别和异步电机正反转进行的仿真实验研究；王晓旭、闫朋涛等[5]利用Simulink建立交/直流电动机拖动系统电气结构图仿真模型，利用GUI建立操作界面，对交、直流电机拖动特性的仿真研究；郭健[6]采用有限元方法对三相交流电机内部磁场实际运动情况的模拟仿真，陈世军、李彦梅等[7]引入ANSYS Maxwell软件对交/直流电机磁场的仿真。本文运用三维立体图形、动画和实物影像的协同效应，立体、动态和直观地呈现电机各部分结构；基于ANSYS Maxwell软件，将不可见的电磁场分布直观化、形象化；应用解析法和LabVIEW 仿真使电机及拖动特性明晰、真实和具体；由此提出了一个系统解决电机与拖动基础课程该类内容的可视化教学方案，如图1所示。

图1 系统可视化解决方案

1 电机结构的可视化

关于电机结构的学习，学生往往仅依靠课本内容的介绍，缺乏现场实际经验，难以形成具体的感性认识，进而影响其对电机的各部分功能及相互间关系的理解和把握。实物影像虽然更加直观、现场感强烈，但一些隐藏的细节及动态过程难以呈现；三维立体图形可以立体展示各部分细节以及相对位置，但不如实物影像真实；动画则可模拟各关键部分的装配或动作过程。综合各表达形式的特点，本课题组提出了一个综合利用三维立体图形、动画和实物影像，分层、协同表现电机结构的可视化解决方案。

图2 实物、三维立体剖面图与动画截屏

以直流电机的普通换向器为例，图2中的a为换向器实物图，各部分真实、立体，但云母片、云母环等细节不明朗；云母与连接片的颜色色差不大，容易引起错觉；内部结构也无法分层呈现；b图为基于PRO/E软件绘制的三维立体剖面图，该图显然缺乏真实感，但能清晰表达换向器的云母片、换向器片、云母环和V型套筒等各部分结构以及相互位置关系；c图为动画截图，则能进一步动态反映各部分的结构和装配过程。将三者结合，即可完整地表达一个真实、结构清晰且具动感的换向器。

2 电机磁场的可视化

ANSYS Maxwell是用于电机、作动器、电感、变压器和磁性传感器等各种机电产品开发的电磁场分析工具。

直流电机的空载磁场、负载磁场与电枢反应，变压器的内部磁场，三相交流电机定子磁场的分布、旋转以及电机正反转原理是电机与拖动基础课程中的难点，其理论相对抽象、空乏。

采用ANSYS Maxwell进行电机磁场模拟，能展示电机内部磁场产生过程及其分布，提高学生对“场”这个抽象概念的理解和感性认识。以三相交流电机旋转磁场模拟仿真为例，图3是两极三相电机磁场分析有限元模型，模型中包括定子、转子、线圈(ABC，xyz)和气隙区域。由于实际的电机满足平面对称，因此，磁场分析时可以选取沿长度方向的任一截面建立二维平面有限元模型[6]。

图3 p=1时三相异步电动机的二维有限元模型

式中，μ为磁导率；S为线圈截面积；Im为定子线圈电流幅值；N为线圈匝数。依次改变ωt的典型值0°、60°、120°、180°等，便可得到定子电流在不同时刻产生的磁场分布（如图4所示）。

应用ANSYS Maxwell对三相交流电机旋转磁场的模拟仿真实现了不可见磁场的可视化，使磁场分布变得形象、直观。对比固定不动的两极电机定子结构模型，从图4可以清晰看出，三相交流电机定子通以三相对称交流电源时所产生合成磁场的旋转动态：对比图4的a、b、c、d四张图，可以看出变化180°，三相定子绕组产生的合成磁场旋转了半周。据此规律，不难理解三相交流电机同步转速与定子电源频率、电机磁极对数之间的关系：1=601/；任意对调两相电源（电源反接）以改变三相定子电流的相序，对比两种情况仿真结果中磁场的旋转方向可以形象地解读三相交流电机的正反转原理。

3 电机特性的可视化

交/直流电动机的工作特性，直流发电机和变压器的运行特性是电机学的关键知识点。机械特性是分析电动机拖动性能的根本依据。学生学习往往停留在基本概念和数学关系的简单层面，缺乏具体感性认识和对关系曲线的动态理解，难以达到学以致用的教学目的。如果从解析的角度对电机特性进行诠释，让特性的数学关系与图形表达对应起来，再利用LabVIEW软件搭建虚拟实验平台，使特性“真实”起来，实现可视化，就容易使学生全方位掌握该类知识点和具体运行性能。

3.1 基于解析法的电机特性可视化

以三相异步电动机降低定子端电压的人为机械特性为例，三相异步电动机降低定子端电压的人为机械特性是指定子电源频率1不变，定子和转子回路不串加附加电阻或电抗时，=()或=()的关系[8]。由三相异步电动机机械特性的参数表达式：

令dT/ds=0，可导出以下三条结论。

（1）最大电磁转矩max和起动转矩st皆与定子电压1的平方成正比，而max与所对应的临界转差率m与1无关；

（2）三相异步电动机的机械特性曲线取决于同步转速点(0,1)、最大转矩点(max,m)和起动转矩点(st,0)；

（3）近似地，机械特性曲线在同步转速点与最大转矩点间为线性关系，在最大转矩点与起动转矩点间近似为反比例曲线。

在直角坐标图上，对应于固有机械特性曲线，降低定子端电压1时，因定子电源频率1不变，而同步转速1=601/与1无关，故同步转速点不变；最大电磁转矩max减小，而临界转差率m不变，对应m不变，起动转矩st减小。结合上述结论（3）可定性地得到降低定子端电压时的人为机械特性如图5。

图5 三相异步电动机降低定子端电压的人为机械特性

基于解析法的电机特性可视化，可以使理论明晰、对比突出，将抽象的数学关系变得直观，学生能通过该方法把握重点，但仍显得不够形象、动感。

3.2 基于LabVIEW的电机特性可视化

LabVIEW是一门工程类语言，又称为G语言。LabVIEW软件是由用于实现人机交互的主界面和用于程序编写的子界面两个界面构成，是一个高效的图形化设计软件，为实验室研究和自动化应用提供了一个直接高效的设计环境。

从一种稳定运行状态过渡到另一种稳定运行状态的过程称为过渡过程。以三相异步电动机由静止到稳定运行的过渡过程（起动过程）为例，基于LabVIEW的可视化实现步骤如下。

Step2：搭建异步电动机仿真模型主界面，如图8。在主界面中设置数值输入控件表示电机参数和调试参数，调入3个XY图用来表示不同时间下的转速、转矩和三相电流。

Step3：基于LabVIEW的仿真结果。异步电机的状态方程是五阶微分方程，可以调用Cash Carp常微分函数模块对其进行求解。对磁极电机而言，角速度与转速的关系为，可以根据此公式得到电机转速。在程序面板调用索引函数连接X值，来提取二维数组中的解。的解与仿真时间关联后，连接到转速簇，可得到三相异步电动机起动暂态过程的转速，如图9。坐标系的电流需要通过Clark、Park公式的反变换得到三相电流，如图10。

图6 ABC/αβ转换程序图

图7 αβ/dq转换程序图

图8 异步电机仿真主界面

图9 异步电机起动过程的转速

图10 异步电机起动过程的定子电流

通过对三相异步电动机起动过程的LabVIEW仿真，可以清晰观察到：电动机的转速由0到稳定运行的变化过程，定子电流随着转速的升高而减小的过程，以及电动机的起动电流与稳定运行时工作电流的对比关系。

4 结论

针对“电机与拖动基础”这种电类基础课程提出的可视化系统解决方案，在一定程度上解决了书本内容抽象、低年级学生缺乏现场和实际经验而难以理解把握的问题，同时对引导学生将图解法运用到该类课程学习中，缓解部分学生“恐磁、恐电”的心理，提供了一个新的思路。

在数字化时代大背景下，移动互联网的普及，在线学习、移动学习以及远程学习使传统的高校教学课堂从线下走向线上。目前该可视化的关键内容已完成课件制作和视频制作，并在中国大学MOOC平台发布。因为移动教育的灵活性、高效性和交互性特点，本可视化方案有利于激发学生的学习兴趣和充分体现学习主体性，满足学生移动学习、碎片化学习和个性化学习的需求。

[1] 刘锦波, 张承惠. 电机与拖动(第2版)[M]．北京: 清华大学出版社, 2015: 2–3.

[2] 潘大伟.“电机与拖动基础”课程教学改革研究[J]．电气电子教学学报, 2020(12): 53–54+66.

[3] 万力, 荣军, 万军华, 等. 计算机仿真技术在直流电动机教学中的应用[J]．湖北理工学院学报: 自然科学版, 2015(4): 82–85.

[4] 魏立明, 陈立伟, 韩成浩. MATLAB软件在电机与拖动课程教学中的应用[J]．吉林建筑工程学院学报, 2014(4): 84–86+102.

[5] 王晓旭, 闫朋涛, 王承林, 等. 基于Matlab GUI的电机拖动辅助教学平台设计[J]．电气电子教学学报, 2020(3): 80–84.

[6] 郭健. 基于有限元方法模拟电机旋转磁场[J]．电气电子教学学报, 2011(4): 110–112.

[7] 陈世军, 李彦梅, 吴文进, 等. ANSYS Maxwell在“电机及拖动基础”课程教学中的应用[J]. 安庆师范学院学报: 自然科学版, 2016(3): 131–135.

[8] 吴浩烈. 电机及拖动基础: 第4版[M]．重庆: 重庆大学出版社, 2014: 184–187.

[9] 朱建山, 叶银忠, 陈巨涛. 基于LabVIEW的三相异步电机动态模型仿真[J]. 计算机仿真, 2008(3): 309–313.

A Study on the Visual Teaching of Electrical Machinery and Towage

ZHANG Le-ping, YANG Ying-xin, YANG Chi

(School of Energy and Mechanical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Nanchang Jiangxi 330013, China)

The foundation course of Electrical Machinery and Towage is relatively general, abstract and vague in content. We propose a visual teaching mode to systematically solve such problems. It applies the synergistic effect of 3D graphics, animation and physical images to present the motor structure three-dimensionally, dynamically and intuitively, making it clearer, more dynamic and realistic. ANSYS is used to conduct visual simulation on the no-load magnetic field and load magnetic field of the motor, making the invisible magnetic field more intuitive and visual; LabVIEW is applied to build a virtual experiment system to simulate the motor, which enhanced students’ sense of presence while visualizing abstract mathematical descriptions.

Electrical Machinery and Towage basic; visualization; teaching

2021-11-17

2017年江西省高等学校教学改革研究重点项目（JXJG1776）

张乐平（1969—），男，副教授，硕士，研究方向：自动化、信息与信号处理。

G642；TM32

A

2095-9249（2022）03-0091-05

〔责任编校：陈楠楠〕