ansys软件辅助电机学课程教学探索

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1、ANSYS软件辅助电机学课程教学探索摘要：阐述了电磁场计算在电机工作原理分析和性能评估过程中的重要性，介绍了在电机学课程教学中引入电磁场有限元计算软件ANSYS的教改探索，并给出了用ANSYS来辅助电机学教学的具体仿真和教学实例。实践表明，在教学中使用ANSYS软件，能有效地帮助学生形象理解课程中的有关电磁原理，激发学生的学习积极性，提高教学效果和质量。关键词：电机学；ANSYS；电磁；有限元作者简介：王坚（1972-），男，江苏无锡人，南京工程学院自动化学院，讲师，东南大学电气工程学院博士研究生。（江苏?南京?211167）基金项目：本

2、文系南京工程学院创新基金项目（CKJ2010007）的研究成果。中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）24-0058-025电机学是强电类专业的一门重要的专业基础课，也是学生由多年理论课学习转为专业课学习的中继课程。该课程的特点是需要运用基本物理学原理来分析电机运行过程，与工程实际结合紧密，理论性强，抽象概念多，推导多，计算多，涉及的电磁场内容多。学生普遍反映电机学是门较难学的课程。[1]电机学以通用变压器、异步电机、同步电机和直流电机四种电机为主要研究对象，对电机工作原理部分所涉及

3、的电磁场理论的理解和掌握是电机学教学难点。[2]传统教学过程过多地依赖单纯公式推导和讲解式理论教学，一方面，这将使得原本难以理解的电磁原理更加抽象化，使学生失去了应有的学习兴趣；另一方面，也容易导致理论与实践脱节，使学生难以摆脱从课本到课本的循环。针对电机学的教学现状，必须改革其教学方法和教学手段。在教学中引入ANSYS电磁仿真软件进行辅助教学，模拟各种电机实际物理运行过程，可以加深学生对抽象的电机电磁场原理以及工程应用的理解，提高学生的学习兴趣，并提高其分析和解决实际工程问题的能力。一、电机电磁场仿真与ANSYS软件5电机是机电能量转换

4、装置，它包含有电磁系统和机械系统两个方面，而电磁场是机、电磁系统之间进行能量转换的耦合媒介。机电能量的转换过程始终伴随着电能、磁能、机械能的储存和相互之间的转换。由于耦合场的介质往往是非线性的，且磁场的分布是三维空间的，所以，要精确地分析电机的有关电磁参数和运行性能，充分揭示电机的内在本质，必须应用场的分析方法。此外，对于新型电机的研制和大电机的开发，由于没有成熟的电机设计方法，只能依靠电磁场的分析。而在求解实际工程中的电磁场问题时，需要借助数值计算过程。由于有限元法在求解复杂结构、复杂边界、非线性以及时变场问题时有着不可比拟的优势，因此

5、是目前应用最广泛的一种方法，在电磁场数值计算中占主导地位。ANSYS软件是融结构、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。利用ANSYS进行电磁场分析，可方便地对以下问题进行研究：电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、力、运动效应、和电路等。其电磁分析模块适用于对各种变压器、发电机、电动机等电机装备进行场量计算、参数分析和整机性能预估。二、应用实例1.磁路定律与Ampere环路定律Ampere环路定律是磁路定律的物理依据，前者描述的是“场”的属性，而后者关注对进行“场”简化得到的“路”，显然后者是前者的近似等效形式。两

6、定律之间的关系和变换过程可以利用ANSYS分析典型的磁路模型加以形象地说明。Ampere环路定律揭示了电流产生磁场，或者说，磁场的根源是励磁电流。在ANSYS中建立如图1所示三维有限元分析模型。[3]其中环形铁心由20片硅钢片叠装而成的，绕以100匝线圈，励磁电流为有效值1A的市电。由于模型的对称性，只分析1/2模型即可。硅钢材料电导率为5MS/m，相对磁导率为1000。5图2给出了有限元仿真得到的励磁电流和磁场分布，从图中可以看出以下几点：（1）图2（a）中所示励磁电流方向与2（b）中所示磁场方向满足右手螺旋法则，并且励磁电流的大小决定

7、了磁场的强弱；（2）铁心中磁场分布是不均匀的；（3）铁心以外的空气中也四处散布着漏磁场，但其在数值上远远小于铁心中磁场。因此，在电机和变压器里，常把线圈套装在铁心上，当线圈中流过电流，在线圈周围的空间就会形成磁场。其中铁心由铁磁材料构成，导磁性能比空气好得多，磁通几乎全部在铁心中流通，而在空气中只存在少量杂散的漏磁通。所以在定性分析时，电机中的磁场可以简化为磁路来处理。类比于电路的电阻定义式，可以定义磁路中磁阻的关系式。但必须注意的是，磁阻只是在形式上类似电阻，在磁路中其并不具备电阻在电路中类似的物理意义。例如，消耗在电阻上的焦耳损耗可以

8、用I2R的关系求解，而耗散在磁路中的铁耗是无法借助磁阻用类似关系进行计算的。再引入磁动势即磁场源的概念，可得在形式上类比于电路Ohm定律的磁路（Ohm）定律表达式，磁路定律的正确性也很容易利用