论文部分内容阅读
摘 要 计算机仿真技术成为高等教育教学发展的一个重要技术手段，有限元分析软件Maxwell方便于电机的电磁场仿真分析。按电机与拖动基础课程教材中涉及的电机类型建立相应的电磁仿真模型，并将仿真的结果做成动画。电机运动原理就清晰地展现给了学生，这样有利于提高学生的学习兴趣，从而提高了教学质量。教学实践表明Maxwell软件在电机与拖动基础课程中的辅助教学行之有效。
关键词 Maxwell；电磁场仿真；电机与拖动基础；有限元分析
一、引言
近年来，计算机仿真技术成为高等教育教学发展的一个重要技术手段，许多大学都用计算机仿真软件进行辅助教学。美国学者Frederick C. Berry、Philip S. DiPiazza和Susan L. Sauer于2003年提出采用新智能技术的交互式课程教学模式在教学改革中起推动作用，如计算机仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术、计算机辅助设计技术等[1]。上海大学黄苏融等人于2005年运用Maxwell软件进行混合励磁盘式电机的有限元分析设计[2]。刘国强等人于2005年编著了 Ansoft工程电磁场有限元分析一书，详细介绍了Maxwell软件使用方法[3]。以色列学者Naftaly Dov于2006年指出了在电学和物理学中使用计算机仿真和动画有助于提高教学质量[4]。新疆大学何山等人于2008年将有限元软件ANSYS应用在电机教学中，通过动画表明了旋转磁场和静态磁场的形成和分布，便于学生理解和学习[5]。
本文作者于2008年编著了教材《电机与拖动基础》[6]，在此基础之上，本文提出以Maxwell 软件为仿真平台，根据课程教学要求，将课程教材中涉及的电机类型建立相应的电磁仿真模型，并将仿真的结果做成动画，在课堂教学中播放电机内磁场变化的动画，生动形象地展现了电机的电磁暂态过程。电机的三维结构部件的动画播放，学生更容易理解电机的结构。同时，也可以将Maxwell软件的操作使用过程做成动画，学生可以随时学习Maxwell软件操作，这样有利于提高学生的学习兴趣，从而提高了教学质量，培养了学生的分析问题解决问题的能力。
二、有限元分析Maxwell软件与电机设计
Maxwell 2D/3D是Ansoft公司机电系统设计解决方案的重要组成部分。Maxwell 2D是一个功能强大、结果精确、易于便用的二维电磁场有限元分析软件。它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态瞬态、正常工况和故障工况的特性。它包含了自上而下执行的用户界面、领先的自适应网格剖分技术、用户定义材料库等特点。Maxwell 2D在易用性上遥遥领先，具有高性能矩阵求解器。Maxwell 3D包括Maxwell 2D所有的模块并新增了3D应力场分析模块。
电磁分析软件Maxwell的应用领域包括电机、电力电子、交直流传动、电源、电力系统、汽车、航空、航天、船舶、军事等。已经在通用电气、Rockwell、ABB、西门子、通用汽车、宝马、NASA等世界知名企业与机构得到广泛应用和验证。
三、基于Maxwell软件的电磁仿真辅助教学设计
1．电磁仿真辅助教学设计的目的
《电机与拖动基础》理论涉及面宽，学科发展历史悠久，有系统的经典理论，对于电机的诸多问题的研究必须进行综合分析，这对于基础知识薄弱又不善于将各学科进行综合的大多数学习者来讲是具有挑战性的。由于传统的教学过多地依赖于课堂教学，学习电机课程显得抽象而枯燥，导致理论与对象的脱节，削弱了学习者对研究各种电机应有的兴趣和自学的动力。Maxwell软件仿真刚好可以弥补这些不足。Maxwell软件仿真不像实践实验有教学时间限制，学生安装好软件后随时可以做仿真研究。
2．电磁仿真辅助教学设计的内容
《电机与拖动基础》是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，主要研究电机与电力拖动系统的基本理论，也研究其联系到生产实际和科学实验的内容。课程的目标是使学生掌握常用的交直流电机、控制电机和变压器等的基本结构、工作原理和电力拖动系统的运行性能、分析计算与实验方法。根据本专业人才培养的需要，课程突出了交直流电动机拖动内容、教学安排使不同类型的电机与其拖动联系更加紧密。
《电机与拖动基础》基本内容有：掌握常用交直流电机、变压器的基本理论（电磁关系、能量关系等）；掌握常用控制电机的工作原理、特性及用途；掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本原理；掌握电力拖动的机械过渡过程的基本特性及主要分析方法；掌握电力拖动系统中各项目1种电动机调速方法的基本原理；掌握选择电机的原理与方法；了解电机与拖动发展方向；掌握电机与电力拖动系统基本的实验方法与技能。
电磁仿真辅助教学设计内容如表1所示。
3．电磁仿真辅助教学设计的实例分析
Maxwell 2D软件进行两维电磁场分析，图1表示了简单直流电机的定子磁力线分布，图2 表示了简单直流电机的转子磁力线分布。Maxwell 3D软件进行三维电机建模及电磁场分析。图3表示了直流电机的三维结构示意图，图4表示了鼠笼式异步电机的三维结构示意图，图5表示了同步电机的三维结构示意图，图6表示了永磁同步电机的三维结构示意图。
4．电磁仿真辅助教学设计的特点
电磁仿真辅助教学是提高学生对本专业知识的系统的应用能力，因此具有如下特色：
（1） 使学生能了解电机系统设计的完整过程和各个环节。
（2） 培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用“电气工程及其自动化专业”的理论知识和运用现代仿真工具解决实际问题的能力。
（3） 培养学生综合应用电、磁、计算机等知识解决问题的能力。
（4） 通过3 4人共同完成一项实验任务，培养学生协作精神和认识协作的重要性。
（5） 通过设计、仿真调试、撰写实验报告等过程，培养学生工程师的基本素质。
四、结语
通过对电机与拖动基础课程和Maxwell软件的教学实践，充分调动了学生积极性、主动性、创造性,不仅使学生能掌握电机与拖动基础课程的基本理论、基本知识和基本技能，而且学会了Maxwell软件的应用，更重要的是培养了学生发现问题、解决问题的能力和创新能力。教学实践表明Maxwell软件在电机与拖动基础课程中的辅助教学行之有效。
参考文献
[1]Frederick C. Berry，Philip S. DiPiazza，Susan L. Sauer. The future of electrical and computer engineering education[J] .IEEE Transactions on Education，2003, 46(4):467-476.
[2]潘凤琰、张琪、黄苏融、谢国栋.混合励磁盘式电机的有限元分析[J] . 微特电机, 2005, 1: 13-15..
[3]刘国强、赵凌志、蒋继娅. Ansoft工程电磁场有限元分析[M]. 北京:电子工业出版社，2005.8
[4]Naftaly Dov， Moti Frank. Work in Progress: Implementing Computerized Simulations and Animations in Teaching: Improving and Advancing the Instruction of Electricity and Physics in Israeli Institutes of Higher Education[J] . 36th Annual Frontiers in Education Conference, 2006：15-16
[5]何山、李勇伟、黄嵩.有限元软件在电机教学中的应用[J] .现代教育技术，2008, 18(3): 125-128.
[6]杨文焕、李正等. 电机与拖动基础[M].西安: 西安电子科学技术大学出版社,2008.
作者简介：李正男 （1974-），籍贯：四川，上海理工大学计算机与
电气工程学院讲师，上海大学机电工程与自动化学院博 士研究生，研究方向：电力电子与电力传动，电力系统及 其自动化。杨文焕男 （1954-），上海理工大学计算机与 电气工程学院，教授，主要研究方向：电力电子与电力传 动，电机与电器。
※基金项目：本文系“上海市教委<<电机与拖动基础>>重点课程建设项目，上海理工大学<<电机与拖动基础>>课程建设项目”的研究成果。
关键词 Maxwell；电磁场仿真；电机与拖动基础；有限元分析
一、引言
近年来，计算机仿真技术成为高等教育教学发展的一个重要技术手段，许多大学都用计算机仿真软件进行辅助教学。美国学者Frederick C. Berry、Philip S. DiPiazza和Susan L. Sauer于2003年提出采用新智能技术的交互式课程教学模式在教学改革中起推动作用，如计算机仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术、计算机辅助设计技术等[1]。上海大学黄苏融等人于2005年运用Maxwell软件进行混合励磁盘式电机的有限元分析设计[2]。刘国强等人于2005年编著了 Ansoft工程电磁场有限元分析一书，详细介绍了Maxwell软件使用方法[3]。以色列学者Naftaly Dov于2006年指出了在电学和物理学中使用计算机仿真和动画有助于提高教学质量[4]。新疆大学何山等人于2008年将有限元软件ANSYS应用在电机教学中，通过动画表明了旋转磁场和静态磁场的形成和分布，便于学生理解和学习[5]。
本文作者于2008年编著了教材《电机与拖动基础》[6]，在此基础之上，本文提出以Maxwell 软件为仿真平台，根据课程教学要求，将课程教材中涉及的电机类型建立相应的电磁仿真模型，并将仿真的结果做成动画，在课堂教学中播放电机内磁场变化的动画，生动形象地展现了电机的电磁暂态过程。电机的三维结构部件的动画播放，学生更容易理解电机的结构。同时，也可以将Maxwell软件的操作使用过程做成动画，学生可以随时学习Maxwell软件操作，这样有利于提高学生的学习兴趣，从而提高了教学质量，培养了学生的分析问题解决问题的能力。
二、有限元分析Maxwell软件与电机设计
Maxwell 2D/3D是Ansoft公司机电系统设计解决方案的重要组成部分。Maxwell 2D是一个功能强大、结果精确、易于便用的二维电磁场有限元分析软件。它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态瞬态、正常工况和故障工况的特性。它包含了自上而下执行的用户界面、领先的自适应网格剖分技术、用户定义材料库等特点。Maxwell 2D在易用性上遥遥领先，具有高性能矩阵求解器。Maxwell 3D包括Maxwell 2D所有的模块并新增了3D应力场分析模块。
电磁分析软件Maxwell的应用领域包括电机、电力电子、交直流传动、电源、电力系统、汽车、航空、航天、船舶、军事等。已经在通用电气、Rockwell、ABB、西门子、通用汽车、宝马、NASA等世界知名企业与机构得到广泛应用和验证。
三、基于Maxwell软件的电磁仿真辅助教学设计
1．电磁仿真辅助教学设计的目的
《电机与拖动基础》理论涉及面宽，学科发展历史悠久，有系统的经典理论，对于电机的诸多问题的研究必须进行综合分析，这对于基础知识薄弱又不善于将各学科进行综合的大多数学习者来讲是具有挑战性的。由于传统的教学过多地依赖于课堂教学，学习电机课程显得抽象而枯燥，导致理论与对象的脱节，削弱了学习者对研究各种电机应有的兴趣和自学的动力。Maxwell软件仿真刚好可以弥补这些不足。Maxwell软件仿真不像实践实验有教学时间限制，学生安装好软件后随时可以做仿真研究。
2．电磁仿真辅助教学设计的内容
《电机与拖动基础》是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，主要研究电机与电力拖动系统的基本理论，也研究其联系到生产实际和科学实验的内容。课程的目标是使学生掌握常用的交直流电机、控制电机和变压器等的基本结构、工作原理和电力拖动系统的运行性能、分析计算与实验方法。根据本专业人才培养的需要，课程突出了交直流电动机拖动内容、教学安排使不同类型的电机与其拖动联系更加紧密。
《电机与拖动基础》基本内容有：掌握常用交直流电机、变压器的基本理论（电磁关系、能量关系等）；掌握常用控制电机的工作原理、特性及用途；掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本原理；掌握电力拖动的机械过渡过程的基本特性及主要分析方法；掌握电力拖动系统中各项目1种电动机调速方法的基本原理；掌握选择电机的原理与方法；了解电机与拖动发展方向；掌握电机与电力拖动系统基本的实验方法与技能。
电磁仿真辅助教学设计内容如表1所示。
3．电磁仿真辅助教学设计的实例分析
Maxwell 2D软件进行两维电磁场分析，图1表示了简单直流电机的定子磁力线分布，图2 表示了简单直流电机的转子磁力线分布。Maxwell 3D软件进行三维电机建模及电磁场分析。图3表示了直流电机的三维结构示意图，图4表示了鼠笼式异步电机的三维结构示意图，图5表示了同步电机的三维结构示意图，图6表示了永磁同步电机的三维结构示意图。
4．电磁仿真辅助教学设计的特点
电磁仿真辅助教学是提高学生对本专业知识的系统的应用能力，因此具有如下特色：
（1） 使学生能了解电机系统设计的完整过程和各个环节。
（2） 培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用“电气工程及其自动化专业”的理论知识和运用现代仿真工具解决实际问题的能力。
（3） 培养学生综合应用电、磁、计算机等知识解决问题的能力。
（4） 通过3 4人共同完成一项实验任务，培养学生协作精神和认识协作的重要性。
（5） 通过设计、仿真调试、撰写实验报告等过程，培养学生工程师的基本素质。
四、结语
通过对电机与拖动基础课程和Maxwell软件的教学实践，充分调动了学生积极性、主动性、创造性,不仅使学生能掌握电机与拖动基础课程的基本理论、基本知识和基本技能，而且学会了Maxwell软件的应用，更重要的是培养了学生发现问题、解决问题的能力和创新能力。教学实践表明Maxwell软件在电机与拖动基础课程中的辅助教学行之有效。
参考文献
[1]Frederick C. Berry，Philip S. DiPiazza，Susan L. Sauer. The future of electrical and computer engineering education[J] .IEEE Transactions on Education，2003, 46(4):467-476.
[2]潘凤琰、张琪、黄苏融、谢国栋.混合励磁盘式电机的有限元分析[J] . 微特电机, 2005, 1: 13-15..
[3]刘国强、赵凌志、蒋继娅. Ansoft工程电磁场有限元分析[M]. 北京:电子工业出版社，2005.8
[4]Naftaly Dov， Moti Frank. Work in Progress: Implementing Computerized Simulations and Animations in Teaching: Improving and Advancing the Instruction of Electricity and Physics in Israeli Institutes of Higher Education[J] . 36th Annual Frontiers in Education Conference, 2006：15-16
[5]何山、李勇伟、黄嵩.有限元软件在电机教学中的应用[J] .现代教育技术，2008, 18(3): 125-128.
[6]杨文焕、李正等. 电机与拖动基础[M].西安: 西安电子科学技术大学出版社,2008.
作者简介：李正男 （1974-），籍贯：四川，上海理工大学计算机与
电气工程学院讲师，上海大学机电工程与自动化学院博 士研究生，研究方向：电力电子与电力传动，电力系统及 其自动化。杨文焕男 （1954-），上海理工大学计算机与 电气工程学院，教授，主要研究方向：电力电子与电力传 动，电机与电器。
※基金项目：本文系“上海市教委<<电机与拖动基础>>重点课程建设项目，上海理工大学<<电机与拖动基础>>课程建设项目”的研究成果。