1、1、課程設計的目的與作用1.1、設計目的1、學習電機的工作原理及電機設計的相關方法，利用電機設計仿真軟件Ansoft RMxprt2、參數設計法和利用MATLAB軟件編程的傳統設計方法完成典型電機產品設計；3、完成電機主要尺寸的選擇和確定、基本性能設計、磁路計算、參數設計、起動計算等；4、培養學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。5、培養學生綜合分析問題、發現問題和解決問題的能力。6、培養學生運用知識的能力和工程設計的能力。7、提高學生課程設計報告撰寫水平。1.2、設計作用課程設計是培養和鍛煉在校學生綜合應用所學理論知識解決實際問題能力、進行工程實訓的重要教學環

2、節，它具有動手、動腦，理論聯系實際的特點，是培養在校工科大學生理論聯系實際、敢于動手、善于動手和獨立自主解決設計實踐中遇到的各種問題能力的一種較好方法。電機學是電氣工程及自動化專業的一門專業基礎課，具有應用性、實踐性較強的特點，忽視了實踐環節，學生不能很好的理解所學內容。通過設計，使學生系統、深入了解各種電機的工作原理和抽象出來的數學模型，對這門課程的認識和理解提高到一個新的水平。通過設計實踐，培養學生查閱專業資料、工具書或參考書，掌握現代設計手段和軟件工具，并能以仿真程序及仿真結果表達其設計思想的能力。 通過設計，不但要培養和提高學生學習和應用專業知識的能力，而且要在實踐過程中鍛煉

3、培養正確的設計思想，培養良好的設計習慣，牢固樹立事實求是和嚴肅認真的科學工作態度。電機學課程設計是電機學課程學習的最后一個環節，通過設計不僅可以使學生更牢固的掌握所學知識，同時也可以為后續課程的學習打下扎實的理論基礎。2、設計任務及所用MATLAB軟件、MAXWELL軟件環境介紹2.1、MATLAB軟件環境作為和Mathematica、Maple并列的三大數學軟件。其強項就是其強大的矩陣計算以及仿真能力。要知道Matlab的由來就是Matrix + Laboratory = Matlab，所以這個軟件在國內也被稱作矩陣實驗室。每次MathWorks發布M

4、atlab的同時也會發布仿真工具Simulink。在歐美很多大公司在將產品投入實際使用之前都會進行仿真試驗，他們所主要使用的仿真軟件就是Simulink。Matlab提供了自己的編譯器：全面兼容C+以及Fortran兩大語言。所以Matlab是工程師，科研工作者手上最好的語言，最好的工具和環境。Matlab 已經成為廣大科研人員的最值得信賴的助手和朋友！ 目前 MATLAB 產品族可以用來進行： 數值分析  數值和符號計算  工程與科學繪圖  控制系統的設計與方針  

5、;數字圖像處理  數字信號處理  通訊系統設計與仿真  財務與金融工程.  Simulink 是基于 MATLAB 的框圖設計環境，可以用來對各種動態系統進行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數學來描述的系統進行建模，例如航空航天動力學系統、衛星控制制導系統、通訊系統、船舶及汽車等等，其中了包括連續、離散，條件執行，事件驅動，單速率、多速率和混雜系統等等。 Simulink 提供了利用鼠標拖放的方法建立系統框圖模型的圖形界面，而且 Simulin

6、k 還提供了豐富的功能塊以及不同的專業模塊集合，利用 Simulink 幾乎可以做到不書寫一行代碼完成整個動態系統的建模工作 2.2、MAXELL軟件環境 MAXWELL是主要建立在MAXWELL方程基礎上的，有限元分析軟件。MAXWELL 2D：工業應用中的電磁軟件，如傳感器、調節器、電動機、變壓器，以及其他工業控制系統比以往任何時候都使用得更加廣泛。由于設計者對性能與體積設計封裝的希望，因而先進而便于使用的數字場仿真技術的需求也顯著的增長。在工程人員所關心的實用性及數字化功能方面，MAXWELL的產品遙遙領先其他的一流公司。MAXWELL 2D包括交流/直流磁

7、場、靜電場以及瞬態電磁場、溫度場分析，參數化分級；以及優化功能。此外MAXWELL 2D還可以產生高精度的等效電路模型以供Ansoft的SIMPLORER模塊和其他電路分析工具調用。MAXWELL 3D向導式的用戶界面、精度驅動的自適應剖分技術和強大的后處理器時的MAXWELL 3D成為業界最佳的高性能三維電磁技術軟件。可以分析渦流、位移電流、集膚效應和鄰近效應具有不可忽視作用的系統，得到電機、母線、變壓器、線圈等電磁部件的整體特性。功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗（R和L）、力、轉矩、電感、儲能等參數可以自己計算。同時也可以給出整個相位的磁力線、B和H分布線、能量密度、溫度分布等圖形結果

8、。RMxprt是基于磁路法的旋轉電機專業設計軟件，能加快電機的設計和優化過程。通過RMxprt用戶能快速地對成百上千種設計方案進行評估，并可對預選方案進行優化設計。RMxprt是Ansoft電機及其驅動系統綜合設計流程的理想起點，它既可以生成系統的模型也可以生成物理模型，通過他們用戶可以結合電力電子技術和控制電路對初步設計加以優化。Rmxprt能分析的電機有：三項感應電動機，單相感應電動機，三相同步發電機和電動機，永磁直流無刷發電機，永磁同步電動機和發電機，永磁直流電動機，開關磁阻電動機，通用電動機，普通直流發電機和電動機，抓極交流發電機。3、設計題目3.1、變壓器鐵芯磁路的計算 鐵心磁路如圖

9、所示，磁路尺寸為：=3mm、=2mm、w=125mm、h=150mm、N1=2N2=100匝，鐵芯寬度l=50mm、鐵心厚度d=50mm。鐵芯寬度和厚度均勻，忽略鐵芯磁場邊緣效應。1、 假設鐵芯的磁導率為無窮大，（1）若I2=0，1=6mWb，求I1（2）若I1=10A，I2=20A，求1和2。2、 若鐵芯材料為DR510鋼片（磁化曲線見教材），若I2=0，1=6mWb，求I1和1。3.2、同步發電機的特性分析3.2.1、4、設計過程4.1、變壓器鐵芯磁路的計算4.1.1、原理描述由磁路基爾霍夫第一定律=0，可得，由于鐵芯寬度和厚度均勻，截面積相等，則由磁路基爾霍夫第二定律，得:磁場關系:則方

10、程為： 4.1.2、參數計算1、假設鐵芯的磁導率為無窮大，（1）若I2=0，1=6mWb，求I1（2）若I1=10A，I2=20A，求1和。鐵芯的磁導率為無窮大，則鐵芯磁路H=0，方程化簡為（1） 將I2=0，1=6mWb帶入上式方程，得I1=57.2958A（2） 將I1=10A，I2=20A帶入上式方程，得B1=0.418879T，B2=-0.628319T，則1=B1ld=1.04720mWb，2=B2ld=-1.57080mWb2、若鐵芯材料為DR510鋼片（磁化曲線見圖），若I2=0，1=6mWb，求I1和1。1=6mWb,則B1=1/(ld)=2.4T采用編程法求解，由方程可看作未

11、知數為B2的一元非線性方程，通過二分法求解出B2，再計算出B3，然后由方程計算出I1。為提高計算精度，可使用拉格朗日插值法或曲線擬合法，對表中不能直接得到的數據進行近似計算。本題使用拉格朗日插值法。拉格朗日插值法：假設任意兩個不同的xj都互不相同，那么應用拉格朗日插值公式所得到的拉格朗日插值多項式為：其中每個為拉格朗日基本多項式（或稱插值基函數），其表達式為：拉格朗日基本多項式的特點是在 上取值為1，在其它的點 上取值為0。圖表 1 B-H磁化曲線圖表 2 B-H磁化曲線4.1.3、機械特性圖、MATLAB代碼代碼如下：#include <iostream>#include <

12、;cstdlib>#include <cmath>#include <iomanip>#include <stdlib.h>using namespace std; double delta1=0.003,delta2=0.002,w=0.125,h=0.15,n1=100,n2=50,l=0.05,d=0.05; double pi=3.1415926535898; double u0=4*pi*pow(10,-7); double i1,i2,f10,f20; int i_diedai_root1=0,i_diedai_root2=0,i_ddjs

13、=0; double bh2150=0.4, double Lagrange(double xx); double b2h(double b); double f2(double b2,double b1); double root2(double x1,double x2,double b1); double linearfit2(double x); double linearfit1(double x);int main() double b1,b2,b3,h1,h2,h3,f1,f2; b1=2.4; b2=root2(0,2.4,b1); b3=b1-b2; i1=(h1*(2*w+

14、h+3*l-delta1)+b1*delta1/u0+h3*(h+l)/n1; i2=(b2h(b2)*(2*w+h+3*l-delta2)+b2*delta2/u0-b2h(b3)*(h+l)/(-n2); cout<<endl<<"計算過程信息："<<" 二分法計算B2次數:"<<i_diedai_root1<<endl; cout<<endl<<"磁密計算結果:"<<endl<<setprecision(16)<&l

15、t;"B1= "<<b1<<endl<<"B2= "<<b2<<endl<<"B3= "<<b3<<endl ; cout<<endl<<"磁通計算結果:"<<endl<<setprecision(16)<<"1= "<<b1*l*d<<endl<<"2= "<<b2*l*d

16、<<endl<<"3= "<<b3*l*d ; cout<<endl<<"I1= "<<i1; cout<<endl<<"結果驗算: "<<setprecision(16)<<"1="<<(b2+b3)*l*d<<" I2= "<<i2 ; system("pause"); return 0;double b2h(doub

17、le b) /計算磁場強度H,輸入磁感應強度B，輸出磁場強度H int t; double h_t; t=abs(int)(100*b)-40; if(t>134) if(b>=0) return linearfit2(b); else return -linearfit2(-b); if(t<15) if(b>=0) return linearfit1(b); else return -linearfit1(-b); if(b>=0) return Lagrange(b); else return -Lagrange(-b); double Lagrange(d

18、ouble xx) /拉格朗日插值，輸入自變量，輸出插值函數值 int i=0,j=0,n=150,z=0; double pai,sum; double *x,*y; x=bh0; y=bh1; z=(int)(100*xx)-45; if(xx<=0.45) z=0; n=10+z; if(xx>1.84) n=6+z; for(j=z,sum=0;j<n;j+) for(i=z,pai=1;i<n;i+) if(i=j) continue; pai=pai*(xx-*(x+i)/(*(x+j)-*(x+i); sum=sum+*(y+j)*pai; return

19、sum;double linearfit2(double x) return (56450*x-89188);double linearfit1(double x) return (202.21*x+57.015);double f2(double b2,double b1) double b3,h2,h3; b3=b1-b2; h2=b2h(b2); h3=b2h(b3); return h2*(2*w+h+3*l-delta2)+b2*delta2/u0-h3*(h+l)+n2*i2;double root2(double x1,double x2,double b1) double x,

20、y,y1; y1=f2(x1,b1); do cout<<'!'i_diedai_root1+; if(i_diedai_root1>=1000000) break; x=(x1+x2)/2; y=f2(x,b1); if(y*y1>0) x1=x; y1=y; else x2=x; while(fabs(y)>=2*pow(10,-13); return x;4.2、5、結果分析5.1、變壓器鐵芯磁路的計算計算結果（設定收斂精度10-13）：計算結果：B1=2.4T ，B2=0.721749T ，B3=1.67825T 1=0.006Wb，2=0

21、.0018044Wb，3=0.00419563Wb I1=57.2958A5.2、6、設計總結此次課設內容是鐵心磁路計算，只牽涉到電機學第一章的內容，所以難度并不是很大。但即便如此，既然是選擇這門課程設計，就必須與組員合作，認真努力地完成，不能圖完成任務，而且實際上也碰到了一些問題。我負責的是第二問，編程的時候所得出的磁感應強度超過了書上所給表格的對應范圍，當時還特意問了熊老師，老師說這個需要自己解決，并建議了我用線性插值法。回來的時候，和張豐偉一起討論了一下，便將磁化曲線進行了擬合，還運用了拉格朗日插值法（這個是從電路實驗上看到的，記得當時有提過，線性插值法精度好像不夠），但是一開始n設置的過大，導致了無法收斂，在網上查了原因，解釋是當插值點比較多的時候，拉格朗日插值多項式的次數可能會很高，因此具有數值不穩定的特點，也就是說盡管在已知的幾個點取到給定