Ansoft软件在电机教学中的应用

电气电子教学学报

JO U RN A L O F EEE

Vol.31 No.5Oct.2009

Ansoft 软件在电机教学中的应用

费德成,孙玉坤,朱熀秋

(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)

收稿日期:2008 11 24;修回日期:2009 07 25

基金项目:江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题(YJ G08-YB31);江苏大学校基金资助项目(09J DG014)第一作者:费德成(1979 ),男,博士,讲师,主要从事特种电机和混合动力汽车研究,E m ail:feidech eng@126.com

摘 要:本文借助Ans oft 软件工具对开关磁阻电机进行优化设计、静态矩角特性分析和电动运行分析,并在后处理中制作了瞬态磁场分布动画。通过使用静态分析和动态分析图形教学,便于学生理解电机的结构原理以及运行特性,提高学生的形象思维能力,从而提高教学效果。本文方法对于其他电机的教学具有很好的参考价值。关键词:An soft;开关磁阻电机;静态分析;动态分析中图分类号:T M 3

文献标识码:A 文章编号:1008 0686(2009)05 0095 03

The Teaching Research of Electrical Machinary Based on Ansoft

FEI De cheng,SUN Yu kun,ZHU Huang qiu

(Sc hool of Electrical and I nf or mational Eng ine ering ,Jiang su Univ er sity ,Zh enj iang 212013,China)

Abstract:The Ansoft softw are has been used for the optim ized design,static torque angle char acteristic analysis and electric operation analysis of sw itched r eluctance motor.The Animation for transient magnetic field distribution field distribution is made.T he static and transient analysis g raphs hav e been used in the electr ical m achinary teaching.T he structure principle and running characteristics are easy to be under stood fo r the students.The image thinking ability and learning interest are increasing.So the teaching effects and the students'creativity are improved.The metho d has r eference v alue for the teaching pr ocess of other electr ical m achine.

Keywords:ansoft;sw itched reluctance motor ;static analysis;transient analy sis 开关磁阻电机结构简单坚固、调速范围宽、性能较好和系统可靠性高,其应用范围不断扩大。但是开关磁阻电机的理论研究、优化设计和控制策略尚处于发展阶段[1]。尤其是开关磁阻电机长期运行在饱和与非线性状态,仅仅从传统的公式来教学很难让学生全面掌握开关磁阻电机的特性。

美国Ansoft 软件包括电机设计模块RMXPRT 和分析模块MA XWELL 。其中的M AXWELL 2D 模块是二维电磁场有限元分析软件,是电机仿真、优化设计及磁场分析的得力工具。作者借助A nsoft

软件工具进行设计分析,通过大量2D 和3D 静态特性和瞬态特性分析,利用静态分析图和动态分析图来辅助教学,培养学生的形象思维能力,提高学生学习兴趣和创新能力[2]。

电机初始主要尺寸的计算,通常参考长径比L/D 以及DL 或D 2L 方程;然后分析电机主要结构参数和电气参数对电机性能的影响;通过选择主要结构参数和电气参数的变化范围进行综合优化,最终得出最佳的电机参数。本文主要分析主要参数之一铁芯长度对电机性能的影响,将软件分析产生的

关系曲线动态的显示在教学过程中。

1 优化设计

1.1 铁芯长度对电机性能的影响

图1(a)到图1(c)是动画显示,长度横坐标在不断增加,曲线在不断的加长,在动态显示关系曲线的

同时讲解参数与电机性能关系。

图1 铁芯长度对电机效率的影响

1.2 静态特性分析

图2给出开关磁阻电机的静态矩角特性曲线。图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为三相6/4结构、四

相8/6结构和三相12/8结构矩角特性曲线。学生可以从图2清楚地看到电机结构相数不同,其横坐标位置周期也不同。在一个位置周期中波动的周期性不同,相数越多波动的个数与相数相同也就越多,同时还可以看到最小转矩随相数的增加而增加。通过图形化的矩角特性分析,使学生在工程应用中结合设计要求选择开关磁阻电机的结构相数具有很好

的指导作用。

图2 开关磁阻电机的静态矩角特性曲线

1.

3 瞬态特性分析

电机瞬态特性分析相比静态特性分析更接近实际运行,因而更有助于研究电机的运行性能。下面以一种6相12/10开关磁阻电机为例分析多相开关磁阻电机瞬态特性

[3]

。

导通角为8度、10度、12度和16度斩波情况下,可以计算出在0~0.2秒时间内转矩波形。不同导通角的电机平均转矩为T (8 )=10.4N m;T (10 )=16.1Nm;T (12 )=20.6Nm;T (16 )=17.8Nm 。可见,电机在斩波情况下的导通角对电机的平均转矩影响很大,从而直接影响电机的起动性能。电机在导通角12 左右平均转矩最大,而且可以较长时间保持横转矩控制。同时从图中可以看出最小起动转矩T stmin (8 )图3 瞬态特性分析:起动转矩曲线

2 瞬态运行后处理研究

瞬态运行可以在MAXWELL 2D 中实现。其中可以通过设置多个保存时间点,在处理中把保存的每个时间点的磁力线分布可以制作成AVI 动画的形式,在教学中用PPT 进行播放。图4给出了动画运行过程中,六相12/10开关磁阻电机每一相刚导通时刻的动画截图。从图中可以看出,定子励磁导通空间顺序为顺时针,而转子是逆时针运行及正转。如果电机反转电动运行则相当于动画倒着播放。同时定子绕组换相的角度位置周期为转子机械角度为6度,定子电角度为60度。从4个图中也可以看出,对于学生理解机械角度和电角度概念很有帮助。更深一层,可以提出定子绕组每相导通频率和电机转子运动速

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度相关,如果需要电机高速运行,必须加快定子绕组导通频率,相反则降低导通频率,当然为了更好地满足这个原则,在低速时低频宽导通角度运行,而在较

高转速时减小导通角度以更有利于实现高频运行。

图4 瞬态运行磁力线分布动画

3 结语

本文以开关磁阻电机为例,对其优化设计、静态分析、电动分析和动态磁力线分析等方面采用了2D 静态图形、动态图形以及动画形式,对开关磁阻电机的特性进行了分析。对传统的以电机公式为主的教学方式有很好的辅助作用,在开关磁阻电机教学中取得较好的教学效果。对于其他传统电机以及特种电机的教学具有很好的参考价值。参考文献:

[1] 吴建华著.开关磁阻电机设计与应用[M ].北京:机械工业出

版社,2000,6

[2] 张卓然.基于M AXWELL2D 静磁场分析的特种电机教学

[J].南京:电气电子教学学报,2008,30(3):55 57

[3] Kh or,M.T.,Sotudeh ,R..A 3 phase 12/10as ymmetrical

sw itch ed relu ctan ce motor[J].Pow er Electronics and Applica

tion s,2005Eur op ean Conference on,2005,9

(上接第91页黄青华等文)

在进行智能互动学习时,我们采用了考核的形式实时监控学习者对知识点的掌握情况,在学习者完成整个学习周期后,需要通过全面的测试来判断

对整门课程的学习效果。测试题目的题型主要设计为三类:填空题、解答题和计算题。各类型题量的比例是:填空题10题,解答题5题,计算题5题。

学习者可以选择不同难度的测试题:容易、一般和困难。难度的划分主要通过question 数据库中的difficulty 信息来实现的。questio n 数据库中的所有测试题也被分为容易、一般和困难三种难度,学习者确认测试题难度后,系统根据设定的各类型题量比例及各章节题目比例分配,利用表1测试卷的题量分配比例随机抽取题目,形成测试卷。

表1 测试试卷的题量分配

测试难度容易的题量

一般的题量

困难的题量

容易14

3

3

一般1244困难

10

5

5

3 结语

本文对 随机信号分析 课程的智能教学方法进

行了研究和探讨,通过智能互动教学系统的开发为学习者在离线自学提供了良好的平台。通过对课程各章节、各知识点间逻辑树结构的建立,能满足不同层次、不同进度学习者的学习要求。同时,在学习过程中利用过关的模式保证了学习者在掌握相关基础知识的情况下才能进行下一个知识点的学习,并实现了测试题的自动修改以及试卷的自动生成。实践结果证明,该教学系统的应用对于学习者的主动学习效率有很大的促进作用。参考文献:

[1] 王永德,王军.随机信号分析基础[M ].北京:电子工业出版社,

2003

[2] 罗鹏飞,张文明.随机信号分析与处理[M ].北京:清华大学出

版社,2006

[3] 张立科.Visual C++6.0数据库开发技术与工程实践[M ].北

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[4] 常建平,李海林.随机信号分析[M ].北京:科学出版社,2006[5] 邱天爽,李婷,毕英伟.随机过程―滤波、估计与检测[M ].北

京:电子工业出版社,2005

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