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摘要：电气工程及其自动化专业是一门综合性较强的学科，其主要特点是强弱电结合，软硬件结合,机电结合。以ANSYS Maxwell为载体的电磁仿真在电气工程专业学生的课程学习及课题实践中均发挥着重要的作用。本文以石河子大学大学生创新创业训练项目为背景，阐述了电磁仿真软件在电气工程专业学生的课题实践中所发挥的作用，从提高学生的理论水平到解决实际工程问题均进行了有效的指导。实践表明，对电气工程专业的学生，适当开设电磁仿真软件的教学培训，可以提高学生对抽象电磁知识的掌握能力，辅助完成相关课题实践的锻炼。
关键词：电气工程；电磁仿真；ANSYS Maxwell
本文引用格式：李阳,等.电磁仿真在电气工程专业学生课题实践中的应用[J].教育现代化,2019,6(05):126-128.
Application of Electromagnetic Simulation in the Program Practice of Students in Electrical Engineering
LI Yang,SHE Sai-bo,LIU Bin,HU Kai-fan,SONG Yu-tong,QU Yi
(Mechanical and Electrical Engineering College,Shihezi University,Xinjiang)
Abstract:Electrical engineering and automation is a comprehensive subject,which is mainly characterized by the combination of strong and weak electricity,software and hardware,and electromechanical combination.Taking ANSYS Maxwell as an example,the electromagnetic simulation software plays an important role in the curriculum study and subject practice of students majoring in electrical engineering.Based on the training project of innovation and entrepreneurship of students in Shihezi University,this paper expounds the role of electromagnetic simulation software in the subject practice of students majoring in electrical engineering,and provides effective guidance from improving students’theoretical level to solving practical engineering problems.The practice shows that,for students majoring in electrical engineering,teaching and training of electromagnetic simulation software can improve the ability of students to master abstract electromagnetic knowledge,and further complete relevant exercises.
Key words：Electrical engineering;Electromagnetic simulation;ANSYS Maxwell
一 引言
电气工程及其自动化专业是一门综合性较强的学科，其主要特点是强弱电结合，软硬件结合,机电结合。电气专业的学生所修课程众多，涉及电力系统、电机电器、电子技术、电路分析、仪器仪表、计算机与网络控制、机电一体化等诸多领域[1-3]。其中，以《电机学》为例，课程中涉及到大量电磁场的形成、变换、暂稳态分析等，内容枯燥且理解困难，对于学生而言，对原理掌握不清楚必然导致学习困难，专业基础课在课程体系和人才培养方案中又占有十分重要的作用，有必要借助电磁仿真软件理解抽象的电磁知识[4]。
以ANSYS Maxwell为代表的电磁仿真软件，主要分析中低频的电磁场问题，用于设计和分析电动机、电磁传感器、变压器以及机电设备[5]。借助有限元运算法则和内部的网格自适应剖分，可精确地表征模型各组件的非线性、瞬态运动及其对驱动电路和控制系统设计的影响。目前，该类电磁仿真分析多应用于研究生的科研探究，借助电磁仿真分析电机结构中的电磁场问题，进而设计新型电机或讨论暂稳态问题等。除此之外，ANSYS Maxwell还有很多应用可以与电气工程及其自动化专业的学科背景相结合，比如电容器建模分析、变压器建模分析等，本文将以石河子大学某大学生创新创业训练项目为背景，介绍其在涡流无损检测领域是如何显化抽象知识并辅助完成课题实践训练的。
二 电磁仿真软件的实践应用
（一）某大学生创新创业训练项目背景
涡流无损检测是工业五大无损检测方法之一，相比其他四种（磁粉、渗透、射线、超声）方法有着其独特的优势，在金属件的探伤和位移测量中应用广泛。本大学生创新创业训练项目欲借助涡流检测的方式实现对供热管道的缺陷检测，涉及到信号分析、单片机原理、计算机编程、传感器原理等知识，是一个综合性的学生项目，可以很好地锻炼学生的动手能力以及各门次课程知识的凝练结合能力。
首先，本项目组的全部学生需回顾《传感器》课程中的相关知识，对涡流传感器的基本原理有所了解，以知识为导向，根据本项目的要求进行参数优化和功能升级。然后，借助电磁仿真软件以最快的速度和极低的成本验证自己的各类猜想，进行相关的参数优化，比如传感器探头线圈尺寸、电源激励频率、屏蔽体设计等方面。最后，将经过电磁仿真验证过的数据进行分析，搭建实物平台，检测实际误差，验证实物性能，完成项目训练的预定任务。
（二）ANSYS Maxwell仿真建模流程
在ANSYS Maxwell的打开界面选择插入一个三维设计，进入求解器中选择“涡流场”，选择相应的模块进行拖拽建模，以探头线圈为例，需构建两个圆柱体，再按照布尔相减处理即可得到，涡流检测的模型如图1所示。
在图1中，灰色平板代表被测金属件，其材料属性可进行赋值，具体操作为，进入材料库进行选择，比如电导率、磁导率等。黄色圆环代表探头内部的线圈，材料设置为铜，相类似地进入材料库选取其材料参数。然后对线圈进行剖面处理，得到一个截面，设置为电源加载，可在外部激励选项中设置电流大小、相位、是否考虑趋肤效应等。随后，对模型进行自适应网格剖分，线圈可以选取体剖分，金属平板选取表面剖分，即根据材料和频率计算趋肤深度，再将该深度范围内的空间进行密剖分，其余空间则进行疏剖分。最后，在求解设置中，设置收敛范围，激励频率，求解域，是否参数扫描等，至此，对应具体实物应用的仿真模型搭建完毕。
基于仿真模型，可以对涉及到的物理现象和电磁知识进行验证，比如线圈通高频交流电之后会激发磁场，变化的磁场会在空间中感应出交变的电场，而金属板又可以导电，便会在表层产生涡流，这些理论知识对大部分同学而言都是知道的，但能否清楚理解空间磁力线如何分布，金属板表层的涡流如何分布，就比较困难了。但是，借助仿真模型，这些抽象的电磁现象都可以进行显示，比如金属板表层的涡流分布，如图2所示。
在进行理论知识的验证后，需要对模型中的参数进行修改，以进行功能的实现或结果的优化。比如在本仿真模型中，以线圈等效阻抗的变化率为研究目标，该目标体现了实际检测时的灵敏度。具体进行以下参数优化分析：对线圈激励频率进行扫频对比、对线圈几何尺寸（内外径、厚度）进行对比分析、对被测件材料（电导率、磁导率）进行对比分析、对检测距离（又称提离高度）进行对比分析等。根据数据的后处理，可以得出以上这些对检测精度和灵敏度有影响的参数的影响规律，进而得出优化后的模型参数。
（三）搭建实物，验证功能
根据上小节的仿真建模分析，对参数进行优化设计后，可以得到针对本项目课题的比较可行的一个方案。然后，按照仿真所提供的参数制作实物线圈，具体要求如下：线圈材料、匝数要和仿真设置中的参数一致，缠绕时的内外径和厚度也要保持一致，加载激励时的正弦交流电频率和仿真参数要一致。核心检测部分完成，剩下的内容就是如何将该装置运动起来（本文此部分不做详细介绍），这也体现了多学科交叉，多知识融合的特征，需要先进行三维建模，导出工程图，按需定制机械骨架，要具备一定的机械强度，拿到骨架之后还需要打孔、焊接等，目的是固定传感器探头；核心控制单元是单片机，可以称之为微型处理器，可以将提前编制好的控制程序存储起来，按照控制逻辑控制电机的正反转运行，电机通过减速器连接车轮，带动检测装置的前后运动，实现检测小车的研制和功能实现。整体装置实物如图3所示。
实物装置设计完成过程中要用到电气工程及其自动化专业学生所学的较多专业课程及实训知识，如单片机原理、C语言编程、焊接、AutoCAD建模等，很好地锻炼了学生的综合能力。对装置的功能验证，首先对硬件电路板通电，通过按钮可以修改程序参数，进而调节电机转速及转向，三个电机结合车轮完成装置的定速前进和后退。然后圆环骨架上搭载有根据仿真环节优化的探头线圈，其结构和尺寸与仿真结论保持一致，目的是获得较高的检测灵敏度。最后硬件装置在沿管道运行时，如果管道表面或亚表面有损伤，探头线圈的等效阻抗会发生变化，进而以输出电压的形式反馈给控制板，通过数据后期分析即可获知该管道的结构健康情况，具备较高的执行效率和应用价值。
三 结束语
本文以石河子大学大学生创新创业训练项目为背景，以ANSYS Maxwell为电磁仿真的载体，介绍了涡流无损检测的基本原理、学生训练项目的功能要求，阐述了电磁仿真软件在电气工程专业学生的课题实践中发挥的作用，明显提高学生对抽象电磁知识的理解能力，并获得了验证猜想的有力工具，以仿真结论为指导，可以快速低成本地帮助解决实际工程问题。通过本课题的实践表明，对电气工程及其自动化专业学生开设电磁仿真教学培训，可以使学生具备基本的必要的有限元仿真分析能力，初步培养其科研思维和问题分析能力，不仅可以在课余独立完成电磁场方面枯燥难懂知识的验证性学习和预习复习等有益于课程知识掌握的教学活动，同时也可以在工程实践中将实际问题抽象为仿真建模，在模型里可以方便地修改参数，直观地看到参数改变后对整个系统的相关影响，能够极大地帮助学生获取最便捷的方案优化设计，改善了以往学生训练项目的单一知识收获。该观点在学生中也取得了广泛的认可，在今后教学科研过程中还将不断总结思考，持续探索改进。
参考文献
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[2]胡敏强,王恩荣,颜伟,等.以创新教育为抓手的电气类专业特色建设[J].中国大学教学,2015(11):44-47.
[3]孙文杰.仿真技术在电气工程及其自动化专业教学改革中的应用[J].实验室研究与探索,2016,35(12):104-107.
[4]李阳,晁雪薇,聂晶,等.《电机学》课程教学中工程教育模式的建立[J].教育现代化,2017,4(23):45-46+51.
[5]肖俊生,杜志杰,王志春.基于ANSYS的电涡流测厚仿真分析[J].传感器与微系统,2018,37(03):26-28+31
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