电动拖拉机电机性能评估与故障分析虚拟仿真实验

· 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无人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，《电机学》、《农业装备电驱动与智能控制》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。

· 无人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。

· 因此，无人电动拖拉机电机设计与性能测试评估无法开展实物设计和实验测试等实验教学工作。

为培养服务于我国经济建设的电驱动人才，实验按照“能实不虚”的设计理念，围绕无人电动拖拉机电驱动各环节打造可用于电气工程及其自动化、农业电气化、自动化、交通工程等专业的课程实验，满足包括《电机学》、《农业装备电驱动与智能控制》等多课程的实验需求。基于此设计本实验课程的目标包括以下三个方面：

·       知识与技能目标

1.以电动拖拉机为例了解电力动力装备的电驱动系统结构、原理、正常运行和故障工况下的性能特征，对相关知识建立直观认识。

2.掌握电机参数对电机性能的影响规律，能够通过电机测试中的性能表现对电机参数进行优化，能够通过电驱动系统的故障现象判别故障类型并分析原因。

·       过程与方法目标：

1.在交互性的仿真环境下，通过探究学习的形式，掌握电机设计和测试的过程和故障判别方法。

2.借助实验测试的竞技元素，以交往式学习的方式，掌握电机的“测试-优化”迭代方法。

·       情感态度与价值观目标：

1.借助虚实结合的手段，引导学生在我国“碳中和”承诺背景下思考电动装备相较于传统燃油动力的环境优势，培养学生的专业兴趣。

2.使学生了解我国前沿农机发展技术，激发学生投身于祖国现代化建设的崇高使命感。

1、智能电动拖拉机认识：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。

8.测试结束后，给出实验成绩。