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融合虚拟仿真技术的“电机学”教学探索与实践

2024-09-05 61 上传者：管理员

摘要：在国家大力倡导新工科专业教学改革的背景下，将虚拟仿真技术融入电机学的课程教学，探索该教学模式的主要优势。本文以一台72槽12极永磁同步电机为研究对象，通过Maxwell仿真软件进行建模、仿真和分析，通过模型理解电机的基本参数概念，直观展示电机运行过程中磁路的变化，通过仿真结果，详细分析各参数与电机输出结果之间的关联。通过直观的图形界面、丰富的结果展示等，帮助学生直观理解永磁电机的电磁特性、机械特性，巩固电气工程及其自动化专业的教学内容和目标，为人才培养模式改革提供参考。

关键词：
人才培养
有限元仿真
电机学
虚拟仿真
课程改革
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1、概述

在电气工程及其自动化专业课程体系中，电机学课程一直扮演着重要的角色。然而，传统的电机学课程教学方式面临着诸多挑战，如理论知识抽象性高、实践操作难度大等问题。为了应对这些挑战并提高教学效果，许多学者和教育机构开始探索运用虚拟仿真技术辅助电机学课程教学的方法。

虚拟仿真技术作为一种现代化的教学手段，在电气类专业教学中具有巨大潜力。文献[1]分析了虚拟仿真技术在电气类专业实验教学中的应用现状，并提出了一系列改进措施，为高校虚拟仿真实验课程建设提供了有益参考。徐磊等则提出了基于虚拟仿真教学资源的混合式课程教学模式，通过拆解虚拟仿真实验项目任务并融入课堂教学，有效提升了学生学习兴趣和团队合作意识[2]。特别是在电机学课程中，虚拟仿真技术的应用更是备受关注。在文献[3]中强调了虚拟仿真技术在电机学课程教学中的重要性，并探讨了其应用策略，希望为高校电机学课程教学提供技术支持与理论参考。同时，文献[4]指出了引入现代计算机仿真技术进行电机教学的紧迫性和必要性，并以开关磁阻电机为对象构建了科学、综合、工程实践性强的仿真训练项目，从而提升了教学效果。另外，虚拟仿真技术还可以有效地帮助学生理解电机学课程中的抽象概念和理论知识。通过借助虚拟样机技术，将电机学课程复杂抽象的理论知识图像化和具体化，达到了形象生动、立体感强的效果，加深了学生对课程知识的理解与掌握[5]。

然而，如何更好地整合虚拟仿真技术于电机学课程教学中，并实现教学过程和教学成果的有效衔接，仍然是亟待探讨和解决的问题。因此，本文通过运用Maxwell仿真软件实现电机本体设计和分析过程，旨在探讨运用有限元仿真软件进行电机学课程教学的改革，采用理论教学与虚拟仿真相结合的教学方法，将抽象的机、电、磁的关系形象化、立体化，加深学生对电机空间感的认知和掌握，以期为提升电机学课程教学效果提供新的理论和实践支持。

2、Maxwell电机建模

永磁电机因其较高的转矩密度和更宽的调速范围，在电气化交通领域的牵引应用中备受关注，尤其是在电动汽车或混合动力汽车领域越来越受到青睐，其在未来的应用中占据绝对的优势[6]。而永磁电机由于参数复杂繁多、参数性能关联性高、空间磁场概念抽象等特点，使学生在学习过程中难以理解。因此，本文运用Maxwell仿真软件对经典永磁电机进行建模和分析，通过直观的建模过程、立体的电机模型、量化的分析结果，清楚展示各参数与电机性能之间的关联，从而激发学生的学习兴趣，加深对电机整体的理解，使电机学的学习形成由浅入深、由简入繁、由形象到具体、由理论到实践的体系。

在众多有限元分析软件中，Maxwell软件是电机电磁场仿真中最重要的软件之一。图1为运用Maxwell构建的72槽12极永磁电机，主要结构包含定子、转子、磁钢、电枢绕组等，具体参数如表1所示。

图1 永磁同步电机结构

表1 电机主要参数

额定功率为1.4kW,转速为1500r/min, 建模时可选择手动自建模型和运用Maxwell中的RMxprt自动构建，模型材料可在模型库中选择，如果需要特殊材料，可根据材料B-H曲线等材料特性自建材料库。完成模型构建后，通过添加激励、运动区域、边界条件和网格剖分等一系列设定后，进行运行和仿真分析。

3、电机有限元仿真分析

3.1 电机磁路分析

图2详细说明了在空载情况下，永磁电机在不同转子电气角度时激发的磁场。从图中可以清晰地看出转子旋转时永磁体激发的磁场分布情况，磁力线从磁钢到转子，穿过气隙后进入定子，形成环路的过程，整个过程将抽象的磁路概念形象化、具体化呈现。

图2 永磁电机1/12模型空载时转子在不同电气角度下的磁通分布

图3 空载时不同转子电气角度下的A相磁链

结合图3空载情况下磁链的变化过程以及永磁电机在电场激励下的电磁特性，可以使学生更加清晰地理解电机的旋转原理。在0°和180°转子电气位置时，可观察到磁通的负峰值和正峰值，而在90°和270°转子电气位置时，磁通的幅值为零。磁通振幅变化的这些特征验证了磁通增强和弱磁通减弱的过程。值得注意的是，永磁励磁时的磁力线波形与图2中描述的磁力线吻合。

3.2 电机反电势分析

图4显示了永磁电机空载时，由永磁体磁通产生的A相反向电动势(Back-EMF)的波形。从图中可以看出反电势呈正弦波型，其幅值为73V,这一结果与图2和图3相对应，可以有效帮助学生深入理解磁链、电势、磁路之间的联系。

图4 A相反向电势波形

3.3 电机输出转矩分析

电磁转矩是衡量电机性能的关键参数之一[4]。图5为输出的电磁转矩波形，用虚线表示，齿槽转矩波形用实线表示。从图中可以看出电磁转矩平均值达到240N·m, 根据公式(2),转矩纹波为7.9%。

其中Tr为转矩纹波，Tmax为转矩的最大值，Tmin为转矩的最小值，Tavg为输出的平均转矩。

图5 电磁转矩及齿槽转矩波形

3.4 电机效率分析

电机的效率是评价其能量转换能力的重要指标。如图6所示，通过对永磁电机效率图的仿真分析，可以观察到其最高效率达到97%。特别是在电机转速低于5000r/min时，高效率区域(效率大于90%)较为显著，这表明该电机在较低转速下具有更出色的能量转换性能。通过深入分析电机效率特性，可以帮助学生更清晰地理解转速、转矩和效率之间的关系，以及在整个速度范围内转矩的变化。

图6 电机转矩特性及效率

运用Maxwell仿真软件进行电机学课程的教学方法被证明能够极大地提升学生的学习兴趣，这种方法使得学生可以充分地理解和联系原本抽象而模糊的电学和磁学概念、原理以及参数之间的关联。学生在课程中可以充分发挥创造性，通过合理的自建模型来发现规律，并分析其中的内在原因。同时，这种教学方法也能够对枯燥而深奥的教材知识进行补充，进一步加深了学生对理论知识及其工程应用的理解。

4、结语

在电机学课程的教学中，通过采用虚拟仿真软件，为学生提供了一个直观、清晰、立体的电机参数展示平台，有效地将抽象的电磁概念模型化和具体化。这种教学方法使学生能够更加清晰地理解电机参数与结果之间的联系，不仅为电气工程及其自动化专业的教学带来了全新的途径，还为学生提供了更加灵活和实践性的学习方式，使学生能够在虚拟环境中进行模拟实验和参数调节，从而加深对理论知识的理解。总之，虚拟仿真技术的应用为电机学课程教学带来了新的思路和方法，有助于提高学生的学习兴趣，促进教学质量的提升。

参考文献:

[1]呼梦颖,段建东,袁钥,等.虚拟仿真技术在电气类专业实验教学中的应用与思考[J].中国教育信息化,2022,28(03):113-118.

[2]徐磊,蔡晓磊,傅海军,等.基于虚拟仿真平台的“电机学”教学实践[J].电气电子教学学报,2020,42(06):30-32+37.

[3]董淑惠,李建文.虚拟仿真技术在电机学课程教学中的应用研究[J].高教学刊,2022,8(14):58-61.

[4]余剑,牛绿原,刘磊,等.有限元仿真技术在电机教学中的应用[J].大众科技,2023,25(11):123-125+129.

[5]杨凯,李黎,孙剑波.虚拟样机技术在“电机学”课程实践教学中的应用[J].中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2022(09):92-95.

[6]张叶贵,李光明,吉畅.新工科背景下以能力培养为导向的课程教学改革研究——以电机学课程为例[J].现代农机,2023(05):96-98.

基金资助:福建省电机设计与系统控制工程研究中心; 宁德师范学院教学改革项目“工程教育专业认证背景下融合虚拟仿真技术的电气工程及其自动化专业课程教学探索与实践”(JG2022009); 福建省自然科学基金面上项目“双边磁场调制型混合励磁磁通反向电机研究”(2023J01352);

文章来源:宁世超,王洪涛.融合虚拟仿真技术的“电机学”教学探索与实践[J].科技风,2024,(25):98-100.