“電機學”課程體系的優化

謝寶昌,劉長紅,王君艷,馮 琳,侯國平

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院,上海 200240)

“電機學”是電氣工程的重要專業基礎課程之一。發電機、變壓器和電動機是電力工業發配電和用電的主角。“電機學”教學既要綜合多學科知識,又要為后續專業課程教學打基礎,其地位非常重要。如何在壓縮教學時數的前提下,提高教學質量,是當前必須面對和要解決的基本教學改革問題。

1 教學要求與目標

“電機學”教學以各類傳統電機(變壓器、直流電機、異步電機和同步電機)的穩態運行原理為主線,結合工程技術問題(起動、調速、制動與并網)的準穩態分析,拓展暫態行為研討,通過課堂教學、課外參觀、結合實物和虛擬實驗、習題練習和考試等環節完成整個教學過程。在實施過程中,提煉與拓展教學內就需要對各類傳統電機做深入研究。

電機內部的電磁場是學習電機的本質。掌握磁場的產生機理、空間與時間四維運動規律、定轉子磁場的相對位置與電磁轉矩的大小和方向關系是學生把握電機內部物理本質的的重點。傳統電機穩態運行內部磁場如表1所示,旋轉電機穩態運行定轉子磁場空間總是保持相對靜止的。而通過磁場理解電磁過程并獲得描述物理本質的基本方程、等效電路與相量圖等則是學生分析與求解工程問題的有效工具和手段。

與變壓器不同,三相交流電機每相繞組產生的脈振磁場是空間分布的,它可以分解為兩個幅值和轉速相同而轉向相反的旋轉磁場(雙旋轉磁場理論),這是分析單相和三相異步電機的基礎。同步和直流電機的勵磁與電樞磁場是相互獨立的,前者空間同步旋轉而后者是靜止的。旋轉電機中,沿著轉子旋轉方向看相對靜止的定轉子磁場,若定子磁場超前轉子磁場,則電磁轉矩起驅動作用(電動機狀態),滯后則起制動作用(發電機或制動狀態),同向或反向則電磁轉矩為零(空載或調相機),由此可以確定電機的運行狀態。

表1 傳統電機穩態運行內部磁場

電機內部電磁變化是一個反饋過程,最終達到動態平衡。動態平衡包含四個方面:繞組中的電勢平衡,磁勢平衡,電機與外部交換能量或功率的平衡,以及運動部件的力或轉矩平衡。

2 “電機學”教學內容體系

傳統“電機學”教學內容體系包括基本電磁定律,磁路,交流電機的繞組、磁勢和電勢等共性問題,而變壓器、異步電機、同步電機和直流電機四大機種的個性問題[1-5]。可以發現四大機種的主要教學內容中存在兩大變化:一是繞組的個數與連接方式不同,二是電機的運行狀態變化。

現代電機技術的發展,極大地豐富了電機的種類和功能,出現了永磁同步電機、混合勵磁同步電機、軸向磁場電機、橫截磁場電機、爪極電機、開關磁阻電機、雙饋異步發電機、超導電機、形狀記憶合金電機、納米電機、超聲波電機、磁流體發電機、磁懸浮電機、直線電機、平面電機、球形電機、無刷直流電機、變頻電機等。所有這些形形式式的名稱主要是強調各自不同的特點,如勵磁方式、繞組和功能材料特性、運動狀態、電力電子控制器類型等。有的已經超越了傳統電機的概念,如超聲波電機是利用超聲波電信號激發壓電陶瓷振動模態來驅動轉子運動,在微納米精細尺度運動控制方面具有優勢。

3 教學內容體系的優化

針對種類繁多的傳統電機和現代新穎電機,學時數大幅壓縮而內容不斷豐富是“電機學”教學必須面對的問題,如何解決這一矛盾必須提出一些切實可行的優化思路。

1)課堂教學內容

課堂教學重點是電機的基本結構、基本概念、運行特性的穩態或準穩態分析方法,以及獲得解決實際問題的數學工具和手段,如基本方程(電壓,磁勢,功率,轉矩)、等效電路與相量圖等。我們根據學生認知規律,電機工作原理由簡單交流到復雜交流系統,由復雜交直流回歸到簡單交直流系統,或者根據磁場形式從脈振磁場到交流耦合旋轉磁場,再到交直流獨立旋轉磁場,最后到交直流恒定磁場,給出了表2所示的優化教學內容。

表2 優化后的課堂教學內容

我們以三相異步電機為例,說明如何進行教學內容的優化。首先通過闡述異步電機內部磁場的空間分布和旋轉特性,說明異步電機的運動規律。再闡述合成磁場與定轉子每相繞組匝鏈的磁通仍然是交變或脈振的,由此與變壓器原理相類比獲得電磁變化過程的基本方程和折算規律。兩者的主要區別在于異步電機轉子運動時其感應電勢和電流的頻率是轉差頻率,因此需要進行頻率折算,即以時間和空間同步旋轉的坐標系觀測各物理量。然后,根據等效電路或相量圖獲得各種平衡關系、穩態與準穩態運行特性。最后通過繞線式異步電機轉子外接電阻運行方式,拓展到外接轉差頻率交流電源的交流勵磁工作方式,獲得更一般規律的雙饋電機特性。

2)實驗環節

實驗環節可以在電機系統與運動控制綜合平臺上實施。該公共基礎平臺融合現代科技成果,能完成各種傳統電機及其機組的驗證性實驗(包括電機參數測定、特性測試等)和創新設計實驗(學生自主研究型實驗),并留有智能化控制等高級拓展功能。

3)課外拓展

課外拓展能對課堂教學內容的延伸與補充,如課外答疑,課外習題,動態模型的計算機仿真或虛擬實驗,新穎電機原理的專題研究等。課外拓展通過網絡建立師生交互活動。專題研究以小組形式展開,小組成員通過網絡查找有關新穎電機的資料,通過網上討論學習,最終形成專題理論研究報告。

4 教學內容體系優化原則

1)教學內容的層次性

教學內容的層次性根據認識規律分為兩個方面:一是課堂教學內容的層次性,電機內部磁場遵循由簡單到復雜再回歸簡單的規律,而電機的結構由最簡單到最復雜的演變規律;二是整體教學內容體系的層次性,課堂教學以學生對電機穩態和準穩態分析能力培養為主體,實驗內容注重學生對操作技能、驗證方法和探究問題的能力建設,課外拓展則是學生對更高層次的電機動態建模、虛擬實驗和新穎電機原理探究的創新實踐。

2)教學內容的兼容性

教學內容的兼容性主要指本質上相同的概念的一致性。比如等效繞組與折算,歸一化與標幺值等。

3)教學內容的關聯性和差異性

電機中的共性問題是基礎,需要在不同機種的教學過程中反復強調,加深印象。比如,電磁平衡關系,交流與直流電動機的起動、調速和制動方法。

不同種類電機的個性問題是由產生磁場的方式不同引起的。同類電機的差別主要是由結構差異性引起的。強調差異性是為了突出不同電機的特性。

4)教學方法的新穎性

教學內容要面向工程應用,必須采用突出物理本質的新穎工程化教學理念。

5 結語

本文針對電氣工程與自動化專業“電機學”教學時數大幅壓縮現狀,討論了課程教學內容體系優化的若干問題。我們抓住電機內部磁場的物理本質,將課堂教學、實驗環節和課外拓展三部分形成完整的“電機學”教學內容優化體系,在實施過程中注重把握教學內容的層次性,兼容性,關聯性,差異性和教學方法的新穎性原則,優化教學資源配置,以學生能力建設、知識探究和人格養成為目標,切實提高“電機學”的教學質量。

[1] 許實章.電機學(上、下冊)[M].北京:機械工業出版社,1982

[2] 湯蘊繆,史乃.電機學[M].北京:機械工業出版社,2005

[3] 胡虔生,胡敏強.電機學[M].北京:中國電力出版社,2005

[4] 孫旭東,王善銘.電機學[M].北京:清華大學出版社,2006

[5] 周順榮.電機學[M].北京:科學出版社,2005