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文章编号：2095－6835（2021）11－0158－03
基于Ansoft Maxwell 软件的异步电动机仿真教学实践
宁银行
摘要：有限元仿真技术的发展，有效地推动了高校实验教学改革。以异步电机为例，介绍了基于Ansoft Maxwell 软件的仿真教学，包括磁场分析、绕组设计、感应电势、转矩特性等内容。教学实践表明，引入仿真技术，能使抽象的概念和原理变得生动形象，有利于学生深入理解电机的运行机理和电磁特性，并培养了学生利用仿真软件解决工程实践问题的能力。 关键词：电机学；仿真技术；实验教学；异步电动机中图分类号：TM301文献标志码：A DOI ：10.15913/jki.kjycx.2021.11.068
1引言
“电机学”是电气工程一级学科的一门重要专业基础课程，涉及变压器、直流电机、异步电机和同步电机等内容，包括电机的结构、原理、特性等内容，课程知识范围广，内容抽象，学生普遍反映不易理解。电机学实验、实践等环节教学效果的好坏直接影响到学生对理论知识的理解和应用[1]，加大实验教学改革是近年来高等教育界形成的共识[2-4]。
由于实验技术、实验场地、经费等原因，导致传统电机学实验的实验内容和实验条件受限，存在内容单一、缺乏创新性等问题[5-7]。为此，不少教育工作者积极呼吁或建议在传统实验的基础上，引入仿真实验[8-10]，并探讨了虚拟仿真技术在教学中的应用
目前，关于电机本体结构、运行机理、电磁分析等实验教学的文献报道较少，而这些内容却是电机学中的重点和难点。以Ansoft Maxwell 、Jmag 为代表的有限元仿真软件已经较为成熟，为电机学仿真实验教学提供了技术保障。本文以异步电机为例，介绍了基于Ansoft Maxwell 的仿真实验。2仿真软件介绍
Ansoft Maxwell 软件是世界上著名的低频电磁场有限元分析软件，在工程电磁领域的分析中得到了广泛的应用。Ansoft Maxwell 软件包括Maxwell 模块和Rmxprt 模块，其中，Maxwell 模块能从“场”的角度（静态场、涡流场、瞬态场等），完成电机、变压器、传感器等电磁装置的计算和分析；与Maxwell 模块相比，Rmxprt 模块则是采用路算，模块内集成了十余种常见的电机类型，用户只需设置相应的技术参数和设计参数，便可快速计算出电机的特性曲线。3异步电动机仿真教学实例
异步电动机的定子绕组外接到交流电源，依靠电磁感应作用，使转子产生感应电流和电磁转矩，达到机电能量转换的目的。
“电机学”课程中，异步电动机部分主要包括绕组设计、感应电势、磁动势、谐波及谐波抑制、磁场、电压方程与等效电路、功率方程和转矩方程、参数测定、转矩特性、工作特性等。3.1电机参数
根据教学需要，建立异步电机实例的仿真工程项目，表1和表2分别是实例电机的主要技术参数和设计参数。
表1技术参数
额定电压/V 380额定功率/kW 11连接方式△
额定转速/（r·min ﹣1）
1460
表2设计参数
定子外径/mm 260定子内径/mm 170转子外径/mm
169轴向高度/mm 155极数
4
定子槽数
363.2电机模型
图1为鼠笼型异步电机的仿真模型。转子采用铸铝型导条，定子三相绕组为三角形联结，外接三相交流电源（380V 、50Hz ）。
图1鼠笼型异步电机的仿真模型
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由实例电机的结构可知，磁场是二维分布，即认为轴向各水平截面上的磁场分布是相同的，因此可以采用2D 电机仿真模型来研究电机特性（即在2D 模型计算结果的基础上，再进一步考虑轴向高度）。之所以采用2D 模型来等效实际电机，是因为采用2D 计算可以大大降低运算量，提高效率。通过本环节，使学生了解电机的基本结构及其各部件的材料属性。此外，使学生明确仿真模型与它的实际结构并非完全相同，仿真建模时，应遵循“突出主要矛盾，简化计算”的基本原则。3.3电机绕组
电机交流绕组方案较多，可以采用双层绕组，也可以采用单层绕组。单层绕组又可分为同心式、链式、交叉式。其中链式绕组中所有线圈节距相同，而同心式和交叉式绕组中则无法保证所有线圈的节距是相同的。
根据实例电机的极槽配合，计算出电机的每极每相槽数q =36/（4×3）=3，采用交叉式单层绕组，如图2所示。属于同一相带内的线圈节距是不同的，以A 相带为例，节距分别是8、8、7（以槽数计）。
一般而言，若q 为偶数，则可以采用链式单层绕组；若q 为奇数，则可以采用交叉式单层绕组。
通过本环节，提高学生对电机绕组设计的理解和应用，涉及的知识点主要有节距、合成节距、节距因数、分布因数、绕组因数、相带、绕组类型等。在仿真实验中，引导学生结合绕组知识，思考为何如此设计、是否必须如此设计。
相对于单层绕组，双层绕组的节距设计自由度大，易于实现。关于单层绕组和双层绕组的选择，在仿真教学中，仅取其中一种方案作为主线，其他绕组方案则作为拓展性内容。本教学实例中，则是以单层绕组为主线，而如图3所示
的双层绕组，则由学生自行完成分析。
图2单层绕组
图3双层绕组
3.4电机内磁场
图4和图5分别是空载时的磁力线和磁场分布云图。从图中可看出，磁场分布是不均匀的。由于线圈感应电势与磁场大小密切相关，因此，要引导学生关注气隙磁密情况。
气隙磁密是电机学中一个重要的知识点。例如在分析线圈电势、相电势时，首先给出的便是气隙磁密。图6是实例
电机空载时的气隙磁密波形。从图中可以看出，仿真计算的气隙磁密与电机学教材中给出的正弦波形并非完全一致。这
是因为仿真软件较为精确地考虑了定转子的齿槽效应。
图4
磁力线分布
图5
磁场分布
图6气隙磁密
通过本环节的学习，提高了学生对电机内磁场分布的认识，在此基础上，使学生进一步思考磁场和电气特性的关系。例如，由气隙磁密波形特征可知，磁场中含有基波和丰富的谐波，为此引出谐波电势、齿槽转矩以及谐波抑制等知识点。3.5感应电动势
图7为电机空载时的相绕组感应电势。电机学教材中导出的相基波电势：
l B fNk .ΦfNk .E τ1w1
1w11π
2
444444==Φ在仿真项目中，通过改变相关参数（频率f 、每相总串联匝数N 、绕组因数k w1、极距τ、电机轴向长度l 等），观察每极磁通Φ1、气隙磁密基波幅值B 1、相电势E Φ1的变化情况，深刻理解电机内电和磁的关系。
从图7中可以看出感应电势的波形正弦度较好。对比气隙磁场（图6）和感应电势波形（图7），表明通过合理的绕
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组设计（“节距”和“分布”），能较好的抑制谐波。
在仿真工程项目中，调整绕组设计参数、斜槽等，观察气隙磁密、感应电势、齿槽转矩等波形变化，加深对谐波和谐波抑制概念的理解，使学生认识到绕组设计在电机中的重
要性。
图7感应电势
图8是电机空载起动相电流变化情况。电机起动时，初始阶段转速较低，绕组内部感应电势较小，因此外部电压直接作用时，相电流较大，如图8中所示起动电流最大值是稳定值的10.6倍。较大的起动电流，会对电机产生较大的危害，由此可引导学生思考电机的起动方式，比如降压起动、
串电阻起动（考虑是否可以）等。
图8空载起动时的相电流空载时，电机的稳定电流主要用于建立电机的主磁场，产生相绕组感应电势，并与（绕组电阻以及损耗所对应的等效电阻）电阻压降一起，和外部供电电源构成电压平衡。该电流的大小与主磁路的等效阻抗（尤其是激磁电抗）密切相关。因此，可以通过空载电流的大小变化，使学生体会激磁电抗的影响因素。例如，在仿真项目中，调整绕组匝数N 、气隙长度δ、电机轴向长度l 等，观察空载稳态电流大小的变化，有助于理解教材中导出的等效电路和电抗表达式：
2
2
wl c i 0m 6p Nk k l D f
X ）
（δμ=3.6工作特性
三相异步电动机的输出特性主要体现在转矩和转速上。图9是实例电机的电磁转矩T e 与转差率s 的关系曲线。本环节涉及转矩表达式、最大转矩、堵转转矩等知识点。
在额定电压时，电机的电磁转矩T e 与转差率s 的关系
式为：2
'σ21σ2'21'
221
s 1
e ）
（）（cX X s R c R s R U
Ωm T +++=
。
图9T -s 特性曲线
在仿真项目中，调整供电电压的幅值、频率以及转子电
阻（改变转子导条的电导率）等参数，观察转矩曲线的变化，尤其是堵转转矩、最大转矩等。通过仿真实验，进一步增强对转矩表达式的理解。4结语
本文介绍了异步电动机的仿真教学实例，突出了基本知识点和基本概念的趣味性，增强了课堂教学效果。Ansoft Maxwell 作为专业的电磁计算软件，能够支撑电机学课程的仿真实验，并能够支持完成创新性综合设计，鼓励学生融合电机学、电机设计、电力拖动、电力电子、自动控制原理等知识。参考文献：
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工采用钻杆钳旋扣所有平均时间为60s 。机械手排管和铁钻工上扣分别如图6和图7
所示。
图6
机械手排管
图7铁钻工上扣
4结论
国内钻井装备在自动化和智能化方面得到了高速发展，取得了长足的进步，尤其是陆地钻机的管柱处理系统也逐步在完善，而适用于海上作业工况的国产化自动化设备还在起步阶段，但借鉴陆地钻机的成功经验，根据海上固定平台应用，学习国外先进技术，相信未来几年管柱处理系统在海洋
钻修机上的运行会越来越成熟。同时，结合实际应用情况，建议管柱处理系统着重以下几个方面进行优化改进：①提高各自动化部件传感器的检测精度，适用海洋环境工况；②分析海洋钻修机所有作业工况，进一步完善导向定位装置的结构，满足作业需求，提高作业效率；③动力二层台指梁为非全指梁门栓，改进指梁结构避免大风作业时，钻杆滑出指梁的风险；④解决铁钻工在旋扣57/8"钻杆时打滑问题，旋转扭矩需达到85kN·m ；⑤进一步不仅要增加自动化程度，同时要降低系统故障率。参考文献：
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作者简介：刘庆丰（1983—），男，湖北荆州人，大学本科，工程师，主要研究方向为石油钻采装备。
〔编辑：王霞〕
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作者简介：宁银行（1982—），男，博士，研究方向为电力电子与电力传动教学和科研。
〔编辑：张思楠〕
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