《现代电机CAD技术》课程教学大纲（本科）

1、现代电机CAD技术(Latest CAD Technique of Modem Electrical Machine)课程编号：05410208学 分：L5学 时：24 （其中：讲课学时：20 实验学时：上机学时：4 ）先修课程：电机学、电磁场理论、电气工程软件基础适用专业：电气工程及其自动化教 材：贾好来编著，电机CAD技术，中国电力出版社，2010年2月第1版。一、课程性质与课程目标（-）课程性质现代电机CAD技术是电气工程及其自动化专业重要的专业选修课。课程学习内容 为现代电机CAD技术的基本过程，硬件、软件配置，应用路算法快速确定电机设计方案， 电机设计方案分析，参数化分析，电机电磁场

2、有限元分析，电机最终方案确定。通过本课程 的学习，使学生初步掌握和理解电机CAD的基本概念和基本技能，能根据实际要求完成电 机参数确定，方案分析，电机电磁场有限元分析，为从事新型电机设计初步奠定专业技术基 础。（二）课程目标现代电机CAD技术主要介绍电机设计的基本知识和基本技能。首先介绍电机主要 尺寸的确定、电磁负荷的确定、电机设计的磁路法，以及波形系数、饱和系数等电机设计的 基本概念；电机的参数化分析；电机优化设计的基本概念；基于Maxwell 2D有限元的电机 电磁场静态、动态分析，并能利用VB语言编写简单的电机CAD程序。课程目标1：掌握电机主要尺寸的确定方法，包括异步电机、永磁同步电机

3、、无刷直 流电机等类型电机；掌握电磁负荷的基本概念，各种电机电磁负荷的数值范围；了解制造电 机所需要的各种材料；能正确为电机选择合适的材料；理解电机的各种损耗产生的原理，以 及电机的冷却方式。课程目标2：掌握电机设计磁路法的基本原理，以及在RMxprt环境，能够根据电机设 计指标，安排电机结构参数，满足设计要求，并有合理的工作点；课程目标3：掌握有限元法的基本原理和基本概念；能够在Maxwell 2D环境，计算电 机各种特性，并将在RMxprt环境中计算得到的特性和有限元方法得到的电机特性做对比， 并予以修正。课程目标4：掌握VB的基础知识，能利用VB语言，编写简单的电机设计程序。（三）课程目

4、标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中的毕业要求指标点5-1、2-2. 6-3o毕业要求：5-1：初步掌握解决复杂电气工程问题所需的Matlab、Multisim、AutoCAD. Ansoft等现代工程工具。毕业要求：2-2：具备对分解后的复杂电气工程问题进行表达和建模的能力。毕业要求：6-3.能正确认识和评价电气工程解决方案及新产品、新技术、新工艺、新材料的开发和应用对于客观世界和社会的影响，并理解应承担的责任。目标毕业要求藉标点课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4毕业要求5-1/毕业要求2-2/毕业要求6-3二、课程内容及教学要求第一章绪论（一）教学内容L电机设计的

5、基本任务与一般过程；.电机CAD技术概况及发展趋势；.制造电机常用材料及其特性，电机的各种损耗；.电机结构型式，电机冷却方式；.VB基础知识和人机界面技术；.典型电机CAD软件介绍。（二）教学要求.理解掌握电机设计的基本内容、基本方法、基本步骤；.理解电机各种损耗的产生原理，以及减小损耗的各种措施；.理解掌握典型电机CAD软件的人机界面；（三）重点与难点重点：电机设计的基本任务和一般过程；电机CAD技术的概况和发展趋势。难点：电机的各种损耗及其减小方法。第二章电机设计的基础理论（一）教学内容L主要尺寸及其确定；.电磁负荷及其确定；.主要尺寸比及其确定；.磁路计算，包括三相异步电机、永磁同步电机

6、；.参数计算，包括永磁电机的最佳工作点计算；.损耗和效率计算；.电机的有限元分析计算；.设计方案的综合评价。（二）教学要求.掌握电机主要尺寸、饱和系数、电磁负荷的概念；.掌握电机磁路计算的方法，永磁电机最佳工作点的确定；.有限元的基本理论和基本方法；.掌握电机方案的综合评价方法（三）重点与难点.重点：主要尺寸、饱和系数、损耗计算方法、磁路计算方法、有限元基本原理和基本方法。.难点：磁路计算方法、最佳工作点的确定、设计方案的综合评价。第三章基于RMxprt的三相异步电机设计和参数化分析（一）教学内容.基于RMxprt的三相异步电机设计；.基于RMxprt的电机参数化分析，包括定子绕组匝数对电机性

7、能的影响；定子槽形 尺寸对电机性能的影响；鼠笼电机转子槽形尺寸对电机性能的影响；电源参数变化对电机性 能的影响；不同铁磁材料、绕组材料对电机性能的影响；不同磁钢尺寸对电机性能的影响； 定子极数对电机性能的影响；电机参数对起动能力和过载能力的影响。（二）教学要求L掌握基于RMxprt的三相异步电机和永磁电机设计方法；.掌握电机参数化分析的基本方法，理解各个参数对电机性能的影响。（三）重点和难点.重点：电机参数化分析方法.难点：铁磁材料对电机性能影响研究第四章基于Maxwell 2D的三相异步电机和永磁同步电机有限元分析（一）教学内容.应用Maxwell 2D计算电机设计系数和电抗参数；.应用Ma

8、xwell 2D计算电机空载起动性能；.应用Maxwell 2D计算电机负载运行性能；（二）教学要求1.掌握电机有限元建模方法，包括手动绘制法、UDP方法，RMxprt Solidworks AutoCAD导出法；2,掌握Maxwell 2D有限元分析过程和步骤；3 .理解电机各种性能曲线的意义。（三）重点和难点.重点：电机的有限元建模、性能分析；.难点：电机的性能曲线分析。第五章 基于VB的电机CAD软件编制（一）教学内容.基于VB的菜单系统设计；.基于VB的电机可视化CAD设计技术；.基于VB的三相异步电机CAD软件设计；（二）教学要求.掌握基于VB的菜单设计；.掌握基于VB的可视化设计技

9、术；.掌握电机CAD中的数值计算方法。（三）重点和难点.重点菜单设计技术和可视化设计技术。2 ,难点可视化设计技术。三、本课程开设的实验项目编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程 目标1基于RMxprt的三相异步电机设计和参数 化分析2设计性必做课程目标2, 32基于Maxwell 2D的永磁同步电机有限元分 析2设计性必做课程目标2, 3实验1:基于RMxprt的三相异步电机设计和参数化分析.实验目的及要求1）掌握基于RMxprt的三相异步电机设计方法；2）掌握基于RMxprt的电机参数化分析方法，体会参数对电机性能指标的影响；3）掌握电机结构参数安排方法，以满足性能指标要求；4）学会自我评

10、价电机方案的优劣。.实验主要内容1）设计额定电压10kV、额定功率10000kW额定转速2880rpm、额定效率95%,额定 功率因数0.95,启动转矩倍数1.0,过载倍数为L5,启动电流倍数为5的强迫风冷三相鼠笼 异步电机；2）对设计的上述电机在RMxprt环境做参数化分析，讨论每相串联匝数对功率因数的影 响、对效率的影响、对额定转矩、启动转矩的影响；讨论气隙对效率、功率因数的影响、对 额定转矩、启动转矩、过载能力的影响；当然，也可讨论其他参数对性能指标的影响。3）安排电机结构参数，使满足性能指标要求的前提下，在7080%额定负载时电机效 率和功率因数最高；.重难点重点：基于RMxprt的三

11、相异步电机设计及其参数化分析。难点：最高效率点、最高功率因数的安排。实验2:基于Maxwell 2D的永磁同步电机有限元分析1.实验目的及要求1）掌握基于Maxwell 2D的永磁同步电机建模方法；2）掌握基于Maxwell 2D的永磁同步电机静态磁场分析，包括漏磁系数、磁场波形系 数、极弧系数、饱和系数；体会参数对电机性能指标的影响；3）掌握电机有限元的参数化分析方法；4）掌握基于Maxwell 2D的永磁同步电机动态磁场分析，转矩、速度、反电势等特性 在空载、满载状态下，随时间变化的曲线。.实验主要内容1）设计额定电压380V、额定功率55kW、额定转速5（）00rpm、额定效率90%,额

12、定功 率因数0.95,风冷三相交流永磁同步电机；2）对上述永磁同步电机在Maxwell 2D环境下做静态有限元分析，计算空载气隙磁密、 齿部磁密、粗部磁密、漏磁系数、气隙磁密基波分量、齿槽转矩。3）对上述永磁同步电机在Maxwell 2D环境下做动态有限元分析，计算满载启动时相应 电磁转矩波形、速度波形，以及功角特性。4）安排电机结构参数，使满足性能指标要求的前提下，在7080%额定负载时电机效 率和功率因数最高；.重难点重点：Maxwell 2D建模。难点：动态有限元分析。注：本课程为专业课，授课对象为大四学生，实验为设计型，均需要提交实验报告，实 验报告主要包括实验目的、要求和内容，数据的

13、分析以及思考题的回答。实验评价内容和评 分细则参见附录lo四、学时分配及教学方法章教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目 标讲 课实 验上 机课外小 计第一章绪论44讲授、案例、演示、 讨论1, 2, 3第二章 电机设计的基础理论66讲授、自学1, 2, 3第三章基于RMxprt的三相异 步电机设计和参数化分析224讲授、案例、自学、 上机1, 2第四章基于Maxwell 2D的三 相异步电机和永磁同步电机有 限元分析426讲授、上机、探究、 对比、自学1, 3第五章基于VB的电机CAD 软件编制44讲授、探究、自学2, 4合计20424五、课程考核课程考核方式包括课程报告、上课讨论、上机

14、情况考核。考核方式 或途径考核要求考核权 重对指标点支 持备注上课讨论大约讨论45次，主要考查学生对每节课知识 点的理解和掌握度，每次讨论按10分计，按总 分的10%计入总成绩。10%2-2, 5-1, 6-3实验完成2个上机，主要训练学生应用所学知识构 建设计电机，建立电机的有限元模型，并进行 参数分析；最后按20%计入课程总成绩。20%2-2, 5-1, 6-3课程报告课程结束时，应提交课程报告，应为某种电机 手工计算过程报告书，或电机CAD技术在某种 电机设计时的具体应用，或者电机CAD技术的 发展趋势；最新技术应用等等70%2-2, 5-1, 6-3注：1.本课程针对大四学生，课堂到课

15、率很高，故考勤未计入课程考核。2 .考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六、参考书目及学习资料.陈世坤主编，电机设计，北京：机械工业出版社，2005年9月第2版。.张博、张洪亮编著，Ansoftl2在工程电磁场中的应用，北京：中国水利 电力出版社，2010年1月第1版。2017年7月3日附录1：实验考核方式及评分细则本实验以考查为主，考核的内容包括实验过程的表现（其中包含分析与解决问题的能 力）、实验报告的质量等。分析与解决问题的能力采用提问和现场操作的方式进行。实验成 绩中出勤、预习占10%,实验过程表现占60%、实验报告及思考题占30%。成绩组成考核/评价环节分值考核/评价细则对应的毕业 要求指标点出勤、预 习10%出勤状况， 预习评价10能按时到勤，遵守实验规定，不损