MagNet在“电磁场与电磁波”课程教学中的应用

郑庆庆, 吴 谨, 朱 磊, 左 韬

(武汉科技大学 信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081)

计算机技术应用

MagNet在“电磁场与电磁波”课程教学中的应用

郑庆庆, 吴 谨, 朱 磊, 左 韬

(武汉科技大学 信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081)

在“电磁场与电磁波”课程教学中,引入MagNet有限元分析软件解决实际问题。通过屏蔽球模型和永磁同步电机两个实例,由浅入深地介绍了MagNet在该课程教学中的具体应用。实际教学效果表明,这种教学方法可以加深学生对电磁场理论以及工程应用的理解,培养学生解决实际工程问题的能力。

电磁场与电磁波； 课程教学改革； MagNet

“电磁场与电磁波”是一门理论性比较强的课程,它所涉及的内容是电类专业知识结构的必要组成部分,也是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础。其中关于场论的内容数学公式较多、概念比较抽象,增加了教学难度[1-3]。随着计算机技术的迅速发展和有限元技术的逐渐成熟,不同形式的电磁场均可以通过有限元软件来实现,使看不见、模不着的电磁场以场图的形式表达。学生在学习理论知识的基础上,可以通过设置不同的求解域、边界条件、激励源等,对比不同条件下的场图,得到更为直观和形象化的电磁场模型[1]。

1 MagNet软件简介

MagNet是由加拿大Infolytica公司推出的一款低频电磁场分析软件,用于分析电机、变压器等电气设备的电磁场,可以得到二维和三维的静态或动态磁场特性、电气设备的运行特性等[4]。它可以提供4种低频电磁场解决方案：

(1) 2D/3D静态磁场方案,静态磁场是指所有的磁场量均不随时间改变而改变；

(2) 2D/3D时间谐振磁场方案,时间谐振磁场是指随时间按正弦或余弦规律变化的磁场；

(3) 2D/3D瞬态磁场方案；

(4) 2D/3D瞬态运动方案。

MagNet软件可以精确地求解能量、磁链、力、力矩、电压、电流、欧姆损耗、铁心损耗、速度、位移等,可视化场量包括磁场密度、磁场强度、电流密度、洛伦兹力密度等。

在电磁场与电磁波课程教学中引入MagNet软件,能以形象、直观的场分布图和曲线图帮助学生加深对理论知识的理解,提高分析和解决实际工程问题的能力[5-6]。

2 MagNet在电磁场与电磁波教学中的应用

2.1 实例一：屏蔽球模型的静态磁场和时间谐振磁场

在均匀场中放置一个球,该球模型的材质为铁磁体或者导体。考虑到空间对称性,只需要研究1/8模型,如图1(a)所示。均匀场由围绕球模型的无限长圆柱形线圈产生。图1(a)左下角为1/8球壳,材质选择材料库里的MU3,其相对磁导率为1 000；外围铜线圈设置为1 000匝,每匝电流63.7 A。其余部分的材质均设为空气。模型的上顶面、下底面和右侧面定义了场的垂直边界条件,而其余的面默认为水平边界条件。

在二维有限元分析方法中,模型被剖分成大量的三角形网格单元,求解结果的精度与场的特性以及网格单元的大小有关。在场的幅值和方向变化较快的区域,利用较小的剖分单元可以获得较高的精度[7]。一种提高网格密度的方法是为特定的面或体设置最大单元尺寸(maximum element size)。

图1(b)为屏蔽球模型剖分网格的局部放大图,可见球壳及其附近的剖分网格单元比空气部分密集,这是因为球壳处的磁场变化较大,本例中设置最大单元尺寸为0.009 m。选择2D静态求解器,得到如图1(c)所示的磁力线图和图1(d)所示的局部磁通密度云图。利用MagNet工具里的场探针(field probe)可以获取模型中任意位置的场值。图1(e)列举了3个球壳部分以及3个空气部分的磁通密度模值。

图1 2D静态磁场求解实例

如果将上述模型中球壳的材质换成铝导体(Aluminum 6061),电导率为2.538e7 S/m,外围的铜线圈仍然设置为1 000匝,每匝电流为63.7 A,电流源频率为400 Hz。研究该模型的时间谐振场,选择2D时间谐振场求解器,得到球壳和铜线圈上的欧姆损耗、模型的磁力线分布、磁通密度的均方根值以及任意指定点处的场值,如图2所示。

2.2 实例二：三相四极永磁同步电机的静磁场分析

永磁同步电机[8-11]由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极和转子铁心组成。定子内径、外径分别为74 mm和120 mm,极数4,定子槽数24。用AutoCAD绘制电机的二维几何模型,如图3所示。定子铁心和转子铁心采用非线性的铁磁材料DW465-50硅钢片,定子绕组采用电导率为5.77e7 S/m的铜线,永磁体采用钕铁硼(Neodymium Iron Boron): 28/23,其余部分材质为空气。

图2 2D时间谐振场求解实例

图3 用AutoCAD绘制的电机平面结构图

将绘制好的二维几何图形保存成.dxf文件,导入MagNet有限元仿真软件中,沿着垂直于闭合面的方向拉伸一定长度形成立体的组件,并在电机外围空间构造一个大方框,加载空气包,如图4所示。

图4 Magnet生成的电机立体模型图

如图5所示，对三相绕组加载电流激励。A相绕组100匝,每匝电流为0.5 A；B相绕组100匝,每匝电流为-0.25 A；C相绕组100匝,每匝电流为-0.25 A。

其中“-”表示电流方向相反,表明B、C相电流相位分别落后于A相电流相位120°和240°。边界条件为默认的水平边界条件。选择2D静态磁场求解器,得到图6和图7所示的电机磁力线分布图和电机磁通密度分布云图,其中图6中左上角和右下角各有一条磁力线溢出,表示有少量漏磁现象。

图5 电机三相绕组加载的电流激励参数

图6 电机磁力线分布

图7 电机磁通密度分布云图

通过对永磁同步电机的静态磁场进行仿真分析,可以查看各项性能指标是否达到了预期要求,为永磁同步电机的设计提供参考依据。

3 结语

通过屏蔽球模型和永磁同步电机两个实例展示了有限元软件MagNet在“电磁场与电磁波”课程教学中的应用。通过对电磁场问题的仿真计算,电磁场相关参数以直观、丰富多彩的形式展现出来,加深了学生对电磁场问题的认识,拓展了学生的知识面,提高了学生的学习兴趣及动手能力[12]。实践证明,MagNet软件在武汉科技大学本科生“电磁场与电磁波”课程的辅助教学过程中取得了良好的教学效果。

References)

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[4] 海基科技.INFOLYTICA软件概述[J].CAD/CAM与制造业信息化,2012(4):42-45.

[5] 高永锋.将科研内容融入“电磁场与电磁波”课程教学[J].中国电力教育,2009(12):49-50.

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[12] 凌丹,王蔷.电磁场与微波实验教学的改革[J].实验技术与管理,2010,27(9):115-117.

Application of MagNet in Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave course teaching

Zheng Qingqing, Wu Jin, Zhu Lei, Zuo Tao

(School of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

This paper describes the significance of introducing the finite element software MagNet to analyze project cases in Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave course teaching,and demonstrates the specific applications step by step through spherical shield model and permanent magnet synchronous motor. Practices show that the teaching method can enhance students’ comprehension on electromagnetic field theory and engineering application,and improve their abilities to solve practical engineering problems.

electromagnetic field and electromagnetic wave; reform of course teaching; MagNet

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.032

2016-10-25

湖北省高等学校省级教学研究项目(2016239)

郑庆庆(1978—),女,湖北赤壁,博士,副教授,主要研究方向为图像处理与模式识别.

O441.4;G642

A

1002-4956(2017)4-0126-04