电动拖拉机电机性能评估与故障分析虚拟仿真实验

实验指导书

实验背景

近年来，农业生产过程的电气化与智能化成为我国促进农业发展、保障粮食安全的重要举措。总书记在中央农村工作会议上指出，“要坚持农业科技自立自强，加快推进农业关键核心技术攻关”。

以清洁电力为能源、以电机为驱动核心、结合智能控制技术的电动拖拉机技术迅速发展并逐步应用于国内现代农业生产中。电机、电池、电控是电动拖拉机等电力动力装备的核心关键技术，其中尤以驱动电机产业快速发展，人才紧缺。

现有的电气工程及其自动化、农业电气化等本科专业大类培养模式下课时压缩，《现代农业装备电机及驱动基础》、《电机学》等课程中理论讲解内容偏多。传统实验教学任务中电机硅钢片的加工、绕组绕制等实验程序繁琐。且对于电机异常工况缺乏关注，无法在实验中模拟电机的各类故障，学生对电机故障的类型、原因和判断方法缺乏了解。

电动拖拉机的电机驱动系统转速高、功率大，此类电机的设计周期长(电机加工制造必须委托电机加工公司,耗时常在半年以上)，电机测试条件苛刻。而高压、大电流、高速的测试条件对电机测试台架的要求高，不同工况负载试验需要专门的昂贵的试验设备（电磁场分析和系统仿真软件、功率分析仪、500MHz高速数字存贮示波器、dSPACE开发系统等软硬件设备500万元以上）。相关实验长周期、高危险、高费用，并且由于需要专业测试人员进行操作，学生的参与度低。

新工科新型交叉类课程设计，对学生的素质和能力提出了更高要求。传统实验手段无法令学生直观了解电力动力装备中电机种类、尺寸、结构参数、电磁参数对电机功率、效率、转矩、转矩脉动等性能的影响，也无法使学生对电机的故障类型、原因、特征和判断方法等建立一般的认知。

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实验预习

预习电机设计的方法和相关公式，针对电动拖拉机驱动电机的需求，先行设计和计算电机的相关参数。

1）拖拉机参数

整车质量：5600kg

电机功率：120kW

电机转矩：250N·M

2）电机性能需求

基速：3000rpm

转速范围：0-5000rpm

额定功率：120kW

峰值功率：300kW

额定转矩：200N·M

峰值转矩：500N·M

3）固定参数：

定子铁心内径：150mm

槽数：48

槽深：29.5mm

齿宽：7.95mm

槽口宽：1.93mm

轭宽度：20mm

转子内径：42mm

极数：8

转子结构：内置V字型

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实验目的

1）熟悉电动拖拉机总体结构及运行原理，践行课程思政，引导学生投身智能农业发展与新农村建设，为国家增强培养学生精益求精的大国工匠精神。

2）熟练掌握电机的拓扑结构与工作原理；

3）掌握电动拖拉机电机基本设计方法；

4）熟练掌握电机关键结构参数的改变对电机转矩性能的影响；

5）掌握电机台架测试与评估流程，测试数据分析处理方法以及电机故障状态现象与电机设计关键参数映射关系；

6）掌握电机装机后的转矩性能与拖拉机作业质量之间的关系，并能自主分析在不同工况下，电动拖拉机电机故障特征及其性能改进方法。

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实验内容

1）电动拖拉机认识：通过分解结构图，了解电动拖拉机结构各组成部分，并通过细节展示各部分的主要功能和特性需求。

2）电机认识：通过分解结构图，了解电驱动系统中的核心——电机结构的组成部分，使学生建立直观认识。

3）故障认知：介绍电机的典型故障（永磁体退磁、永磁体脱落、绕组匝间短路、相绕组断路）的原因、特征和判断方法。

4）电机参数设计，通过在界面上输入或选择基本电机参数，通过参数化建模的方式产生电机。

5）在上一模块生产成型的电机，按照实际测试要求，在电机测试台架上进行测试。若达标则进行大田测试，若不达标则重新回到上一个模块，重新设计参数。

6）电机通过台架测试后，安装到电动拖拉机上，进行大田测试。按照实际测试情景，测试多工况下的作业情况，以测试评估设计电机的实际性能。

7）故障分析。根据四台故障的电动拖拉机故障特征，判断故障的类型，分析故障的原因。

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硬件配置要求

处理器：Intel（R）Core（TM）i5

主频：2.4GHz

内存：8GB

显卡：NVIDIA GeForce GTX GT740 2G

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实验流程

本实验主要分为实验简介与电动拖拉机电机及故障分析认知、电机参数计算与设计、电机台架测试和大田作业等环节组成。

阅读实验简介

步骤1：阅读实验简介，熟悉课程相关基本内容，了解实验背景、实验目的、实验流程。掌握本实验相关理论与背景知识，如图1所示。

图1 实验简介

电动拖拉机结构认知

步骤2：“实验简介”学习完成后，进入电动拖拉机整体、电机结构与故障认知模块，如图2。该模块主要对电动拖拉机组成及电机结构和原理进行认知。点击【电动拖拉机结构】选项，选择认知电动拖拉机相关内容。点击后进入展厅，点击展厅中间的电动拖拉机模型，根据各部件及描述详细了解电动拖拉机总体结构及各部件运行原理，包括：【电机】、【电池】、【电控】、【提升装置】等，如图3。

图2 电动拖拉机及电机结构认知模块

图3 电动拖拉机总体结构及各部件运行原理描述

电机结构及原理认知

步骤3：电动拖拉机模块认知结束后，点击右边【切换认知模块】按钮，进入【电机认知】选项。选择【永磁电机】，在展台上将展示永磁电机模型，点击【分解展示】，电机展开，根据弹框中的描述以及电机工作原理以及磁场运行视频形象了解电机各部件结构，如图4。此处主要帮助学生掌握电机的基本运行原理以及永磁电机和感应电机各基本参数的概念，为本次实验的顺利展开打下基础。