 Computer Science and Application计算机科学与应用, 2011, 1, 12-16 http://dx.doi.org/10.12677/csa.2011.11003 Published Online June 2011 (http://www.hanspub.org/journal/csa/) Copyright © 2011 Hanspub CSA The 3D Visual Teaching Study in the Course of Electrical Machine and Electrical Drive# Zhen g Li1,2*, W enhu an Yang1, Kun Xia1, T ieshuan Li1 1College of Computer and Electrical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 2College of Mechanical and Electronic Engineering and Automation, Shanghai University, S hanghai Email: Li_z h e n g @ u s s t .edu.cn Received: May 2nd, 2011; revised: May 8th, 2011; accepted: May 13 th , 2011. Abstract: The computer simulation technology became an important method in pedagogy development. The finite element analysis software named Maxwell was applicable to the electromagnetism field analysis in electrical engineering. The electromagnetism model was involved in the course of Electrical Machine and Electrical Drive, and the results were made into an an imatio n. The principle of electrical machine was clearly exhibited to the student, and the interest of the students was stirred up, thus the teaching quality was raised. The teaching practice showed the Maxwell software was effective in the electrical engineering education. Keywords: Maxwell; Electromagnetism; Electrical Machine and Electrical Drive; the Finite Element Analysis 电机与拖动基础课程中的三维可视化的辅助教学研究# 李 正1,2*，杨文焕 1，夏 鲲1，李铁栓 1 1上海理工大学计算机与电气工程学院，上海 2上海大学机电工程与自动化学院，上海 Email: Li_ z heng@usst.edu.cn 收稿日期：2011 年5月2日；修回日期：2011 年5月8日；录用日期：2011 年5月13 日 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 适用于 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，这样有利于激发学生的学习兴趣，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 1. 引言 本近年来，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 #资助信息：上海理工大学核心课程建设项目基金的资助。  李正等 电机与拖动基础课程中的三维可视化的辅助教学研究13 | 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原理。 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。 2. 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。 3. 3D可视化的电磁仿真辅助教学设计 3.1. 3D可视化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。 3.2. 3D可视化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。通过本课程的学习，学生应掌握电机与拖动的基 本理论、基本分析方法和基本实验技能。为学习后续 课程和从事专业工作打下坚实的基础。本课程具有概 念多、理论性强、与工程实际联系密切的特点，因此 学习本课程对培养学生具有科学的思维能力，以及使 学生树立理论联系实际的工程观点等方面都有着重要 的作用。 《电机与拖动基础》基本内容有：电机中的电磁 学、电力拖动系统动力学、变压器、直流电机原理及 其电力拖动、交流绕组的电动势和磁动势、三相异步 电机的原理及各种运行方式、交流电机拖动系统的速 度调节、同步电动机的运行原理、电力拖动系统电动 机的选择，控制电机、特种电机等。 电磁仿真辅助教学设计内容如表1所示。 Table 1. The teaching item of the electromagnetism simulation 表1. 电磁仿真辅助教学设计项目 项目名称 项目内容 项目 1 直流电机的电磁仿真 项目 2 变压器的电磁仿真 项目 3 三相鼠笼式异步电动机的电磁仿真 项目 4 三相绕线式异步电动机的电磁仿真 项目 5 同步电动机的电磁仿真 项目 6 永磁同步电动机PMSM 的电磁仿真 项目 7 永磁无刷直流电动机BLDM 的电磁仿真 项目 8 开关磁阻电机SRM 的电磁仿真 项目 9 步进电机的电磁仿真 项目 10 直线感应电机LIM 的电磁仿真 Copyright © 2011 Hanspub CSA  李正等 电机与拖动基础课程中的三维可视化的辅助教学研究 14 | 3.3. 3D可视化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表示了简单直流电机 的电磁场分布云图，图4表示了直流电机的三维结构 示意图，图 5表示了鼠笼式异步电机的三维结构示意 图，图 6表示了同步电机的三维结构示意图，图 7表 示了永磁同步电机的三维结构示意图。图 8和图 9分 别表示了无刷直流电机的二维和三维电磁场分布云 图。 Figure 1. The f machine 图1. 简单直流电机的定子磁力线分布 lux lines of the stator in the simple DC Figure 2. achine 图2. 简单直流电机的转子磁力线分布 The flux lines of the rotor in simple DC m Figure 3. The electromagnetic cloud atlas of the simple DC machine 图3. 简单直流电机的电磁场分布云图 Figure 4. The 3D structure of the DC machine 图4. 直流电机的三维结构示意图 Figure 5. The 3D structure of the AC motor 图5. 鼠笼式异步电机的三维结构示意图 Copyright © 2011 Hanspub CSA  李正等 电机与拖动基础课程中的三维可视化的辅助教学研究15 | Figure 6. The 3D structure of the synchr onous motor 图6. 同步电机的三维结构示意图 Figure 7. The 3D structure of the synchronous 图7. 永示意图 motor with magnetism 磁同步电机的三维结构 Figure 8. The 2D electromagnetic cloud atlas of the BLDC 图8. 无刷直流电机的二维电磁场分布云图 Figure 9. The 3D electromagnetic cloud atlas of the BLDC 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 程和各 个环节； 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 知识解 决问题的 4人共同完成一项仿真实验任务，培 养学生协 报告等 过程，培 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， 致谢 感谢上海理工大学核心课程建设项目基金的支 持。 图9. 无刷直流电机的三维电磁场分布云图 4. 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 (2) 培养学 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 能力； (4) 通过 3～ 作精神和认识协作的重要性； (5) 通过设计、仿真调试、撰写仿真实验 养学生工程师的基本素质。 5. 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。 6. Copyright © 2011 Hanspub CSA  李正等 | 电机与拖动基础课程中的三维可视化的辅助教学研究 Copyright © 2011 Hanspub CSA 16 献 (References) [1] F. C. Berry, P. S. DiPiazza, and S. L. Sauer. The future of elec- ducation. IEEE Transactions on . 工程电磁场有限元分析 参考文 trical and computer engineering e Education, 2003, 46(4): 467-476 [4] [2] 潘凤琰, 张琪, 黄苏融等. 混合励磁盘式电机的有限元分析 [J]. 微特电机, 2005, 33( 1): 13-15. [3] 刘国强，赵凌志，蒋继娅. Ansoft[M]. [6] 杨文焕, 李正. 电机与拖动基础[M]. 西安: 西安电子 科学技 术大学出版社, 2008. 北京: 电子工业出版社, 2005. N. Dov, M. Frank. Work in progress: Implementing computer- ized simulations and animations in teaching: Improving and ad- vancing the instruction of electricity and physics in Israeli Insti- tutes of Higher Education. 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. |