“電機學”理論教學與實踐

楊益飛，邢紹邦，韓曉新，賀乃寶

(江蘇理工學院電氣信息工程學院，江蘇 常州 213001)

0 引言

“電機學”是高等院校電氣信息類專業的一門重要的專業基礎課，是學習電力系統分析、電力系統繼電保護、發電廠電氣裝置、電力電子技術、運動控制、電機設計等后續專業課程的基礎，在該類專業的教學中占有舉足輕重的地位[1－3]。本文從電機學課堂教學不足、案例分析實踐教學以及考核指標三個方面探討電機學教學改革，并結合筆者所在的以培養應用型人才為目標的應用型本科院校為例，對現存的教學方案、知識點以及實踐教學等方面改革創新，為學生將來從事專業方面的工作打下堅實的基礎。

1 電機學課堂教學存在的問題

1.1 概念抽象

電機是一種能量轉換電器，完成電能和機械能之間的轉換。單單從能量轉換方面來說，就涉及到磁場這一抽象的概念。電機學的講解內容是具體的，但傳統的課堂教學單純的從書面講解，使得理論與實踐脫節，學生很難理解。比如，學生在計算疊繞組或者波繞組節距的時候，往往對于這兩種繞組的概念以及在電機中部位缺乏客觀認識。

1.2 電機本體結構的教學過于淡化

學生對于電機的結構僅僅局限于書面，關于定子、轉子等這些根據名稱可以想象出來的還好理解，但是至于換向器、換向極、絕緣電刷、端蓋等不能直接從名稱聯想出來的，就需要聯系實物教學。

1.3 與后續專業課銜接不夠緊密

目前國內本科院校所教電機學這一門課多為電氣工程一級學科畢業的博士。然而，電氣工程一級學科下面又有五個二級學科，其中以電力電子與電力傳動和電力系統及其自動化這兩個專業居多。這兩個二級學科的側重點是不一樣的，電力電子與電力傳動側重于新型電力電子器件及電機，而電力系統及其自動化則側重于大中型發電廠及電力系統。但目前存在的問題是授課教師大多是電力電子與電力傳動專業畢業的，對電力系統及其自動化的后續課程熟悉程度不夠，使得教學效果大打折扣。

2 電機教學案例分析

筆者通過改進和探索電機學在課堂教學方面思路，采用圖形結合的方式講解，這將花費教師課堂以外很多時間，但學生對于電機學的理解效果很好。另外，在理論教學中強化與本專業課程的聯系，采用由簡單到復雜的案例分析，提高了電機教學的針對性，激發了學生的學習興趣和熱情，取得了良好的教學反響。直流電機啟動方式有多種，這里介紹三種方法，同時運用到了電力電子技術，matlab課程設計這兩門課。這樣既溫習了以前所學知識，同時能加深對現在所學知識的進一步認識。下文將以直流電機三種起動方法的理論教學為例，簡單介紹這一思想在電機學教學中的應用。

以下所舉的案例中，電機啟動參數功率、電壓以及額定轉速均為3 730w，240V，1 200 rpm，額定轉矩為Tr=30N.m。由式(1)的直流電機狀態方程可知

式中，Va電樞電壓，La電樞電感，ia電樞電流，Ra電樞電阻，J轉動慣量，Bm阻尼系數，TL負載轉矩，Te電磁轉矩，ωm為發電機電角頻率。

2.1 案例一

通過在穩恒磁場或者永磁勵磁的條件下，給輸入電壓設置一定的變化速率作為啟動直流電機的初始條件，同時給出合適的輸入轉矩，控制原理圖如圖1所示。得出轉速、輸出電流和輸出電壓和的仿真波形，分別如圖2、圖3以及圖4所示。

圖1 案例一控制原理圖

圖2 案例一電樞電流

圖3 案例一轉速

圖4 案例一電壓

2.2 案例二

通過查表的方法找到與速度有關的有效電樞電阻自動起動裝置并建立如圖5所示的simulink控制原理圖。由圖6所示的電流變化趨勢可以看出在3s達到穩定時，所對應的圖7轉速變化也同樣在3s時穩定。

圖5 案例二控制原理圖

圖6 案例二電流

圖7 案例二轉速

2.3 案例三

課堂教學中可以先將PWM勵磁回路的自激作用進行較深入的理論分析，建立其數字仿真如圖8的控制原理圖。在圖9和圖10中，當輸入轉矩在0.5～0.6s之間變化時，電樞電流由于輸入轉矩的影響變小后再逐漸變大以恢復到穩定狀態，在此時間段內，電機轉速經過一段時間的轉矩變化，逐漸降低，直至恢復到穩定狀態。

圖8 案例三控制原理圖

圖9 案例三電樞電流

圖10 案例三轉速

圖11 案例三電樞電壓

2.4 課堂作業

對于以上三個案例的分析，學生要掌握直流電機的本體結構特征。然后，本科生要求完成直流電機的matlab建模，理解各個輸出量和輸入量之間的關系。

3 結論

電機學概念抽象，實踐性較強，教學效果主要取決于教師的理論和實踐水平以及經驗。本文討論了“電機學”教學上存在的問題，結合本文所述直流電機的三個案例加深電氣工程相關專業和電機學的聯系。教學實踐表明，結合本文所講的例子可以觸類旁通的將其應用到其他教學案例中。如果能在以下幾個方面做好的話，那么在提高學生求知欲以及實踐能力方面，會起到積極作用:在實踐教學方面，應注重電機學課程與以往所學專業知識的聯系并在實驗中體現，增加綜合型、創新性實訓內容，以增加學生的興趣;在課堂理論教學方面，應當突出電機學專業特色，改變教學方案，不斷創新以提高教學質量。

[1]高寧宇，秦嶺.緊扣電氣類后續課程拓展電機學應用教學中[J].中國電力教育，2010(34):110－112.

[2]李書權，曾令全，王秀云.電機理論教學的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2006，28(1):45－48.

[3]盧琴芬.“直線電機理論與應用”課程教學的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2013，35(5):47－49.