“电机学”理论教学与实践

杨益飞，邢绍邦，韩晓新，贺乃宝

(江苏理工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213001)

0 引言

“电机学”是高等院校电气信息类专业的一门重要的专业基础课，是学习电力系统分析、电力系统继电保护、发电厂电气装置、电力电子技术、运动控制、电机设计等后续专业课程的基础，在该类专业的教学中占有举足轻重的地位[1－3]。本文从电机学课堂教学不足、案例分析实践教学以及考核指标三个方面探讨电机学教学改革，并结合笔者所在的以培养应用型人才为目标的应用型本科院校为例，对现存的教学方案、知识点以及实践教学等方面改革创新，为学生将来从事专业方面的工作打下坚实的基础。

1 电机学课堂教学存在的问题

1.1 概念抽象

电机是一种能量转换电器，完成电能和机械能之间的转换。单单从能量转换方面来说，就涉及到磁场这一抽象的概念。电机学的讲解内容是具体的，但传统的课堂教学单纯的从书面讲解，使得理论与实践脱节，学生很难理解。比如，学生在计算叠绕组或者波绕组节距的时候，往往对于这两种绕组的概念以及在电机中部位缺乏客观认识。

1.2 电机本体结构的教学过于淡化

学生对于电机的结构仅仅局限于书面，关于定子、转子等这些根据名称可以想象出来的还好理解，但是至于换向器、换向极、绝缘电刷、端盖等不能直接从名称联想出来的，就需要联系实物教学。

1.3 与后续专业课衔接不够紧密

目前国内本科院校所教电机学这一门课多为电气工程一级学科毕业的博士。然而，电气工程一级学科下面又有五个二级学科，其中以电力电子与电力传动和电力系统及其自动化这两个专业居多。这两个二级学科的侧重点是不一样的，电力电子与电力传动侧重于新型电力电子器件及电机，而电力系统及其自动化则侧重于大中型发电厂及电力系统。但目前存在的问题是授课教师大多是电力电子与电力传动专业毕业的，对电力系统及其自动化的后续课程熟悉程度不够，使得教学效果大打折扣。

2 电机教学案例分析

笔者通过改进和探索电机学在课堂教学方面思路，采用图形结合的方式讲解，这将花费教师课堂以外很多时间，但学生对于电机学的理解效果很好。另外，在理论教学中强化与本专业课程的联系，采用由简单到复杂的案例分析，提高了电机教学的针对性，激发了学生的学习兴趣和热情，取得了良好的教学反响。直流电机启动方式有多种，这里介绍三种方法，同时运用到了电力电子技术，matlab课程设计这两门课。这样既温习了以前所学知识，同时能加深对现在所学知识的进一步认识。下文将以直流电机三种起动方法的理论教学为例，简单介绍这一思想在电机学教学中的应用。

以下所举的案例中，电机启动参数功率、电压以及额定转速均为3 730w，240V，1 200 rpm，额定转矩为Tr=30N.m。由式(1)的直流电机状态方程可知

式中，Va电枢电压，La电枢电感，ia电枢电流，Ra电枢电阻，J转动惯量，Bm阻尼系数，TL负载转矩，Te电磁转矩，ωm为发电机电角频率。

2.1 案例一

通过在稳恒磁场或者永磁励磁的条件下，给输入电压设置一定的变化速率作为启动直流电机的初始条件，同时给出合适的输入转矩，控制原理图如图1所示。得出转速、输出电流和输出电压和的仿真波形，分别如图2、图3以及图4所示。

图1 案例一控制原理图

图2 案例一电枢电流

图3 案例一转速

图4 案例一电压

2.2 案例二

通过查表的方法找到与速度有关的有效电枢电阻自动起动装置并建立如图5所示的simulink控制原理图。由图6所示的电流变化趋势可以看出在3s达到稳定时，所对应的图7转速变化也同样在3s时稳定。

图5 案例二控制原理图

图6 案例二电流

图7 案例二转速

2.3 案例三

课堂教学中可以先将PWM励磁回路的自激作用进行较深入的理论分析，建立其数字仿真如图8的控制原理图。在图9和图10中，当输入转矩在0.5～0.6s之间变化时，电枢电流由于输入转矩的影响变小后再逐渐变大以恢复到稳定状态，在此时间段内，电机转速经过一段时间的转矩变化，逐渐降低，直至恢复到稳定状态。

图8 案例三控制原理图

图9 案例三电枢电流

图10 案例三转速

图11 案例三电枢电压

2.4 课堂作业

对于以上三个案例的分析，学生要掌握直流电机的本体结构特征。然后，本科生要求完成直流电机的matlab建模，理解各个输出量和输入量之间的关系。

3 结论

电机学概念抽象，实践性较强，教学效果主要取决于教师的理论和实践水平以及经验。本文讨论了“电机学”教学上存在的问题，结合本文所述直流电机的三个案例加深电气工程相关专业和电机学的联系。教学实践表明，结合本文所讲的例子可以触类旁通的将其应用到其他教学案例中。如果能在以下几个方面做好的话，那么在提高学生求知欲以及实践能力方面，会起到积极作用:在实践教学方面，应注重电机学课程与以往所学专业知识的联系并在实验中体现，增加综合型、创新性实训内容，以增加学生的兴趣;在课堂理论教学方面，应当突出电机学专业特色，改变教学方案，不断创新以提高教学质量。

[1]高宁宇，秦岭.紧扣电气类后续课程拓展电机学应用教学中[J].中国电力教育，2010(34):110－112.

[2]李书权，曾令全，王秀云.电机理论教学的探索与实践[J].电气电子教学学报，2006，28(1):45－48.

[3]卢琴芬.“直线电机理论与应用”课程教学的探索与实践[J].电气电子教学学报，2013，35(5):47－49.