《電機學》模塊化教學探討

夏益輝 張俊洪 趙鏡紅 高嵬 王鐵軍 方芳

摘要：《電機學》課程是電氣工程及其自動化本科專業的基礎課程。目前，已有的教學內容安排上按典型電機結構原理自然分篇，其教學思想是典型的事例型教學，從教學效果上看，電機學傳統教學內容安排不利于從電磁大格局上把握電磁機械的結構原理及典型電機的使用維護知識。如何將《電機學》課程的核心內容如電機結構、工作原理及維護等講解透徹，使學生能夠深刻理解是一個非常困難的問題。在《電機學》教學過程中，提出模塊化教學方法，包括結構篇章、原理篇章和維護篇章。教學過程中應用研究表明該方法有助于學生理解和掌握所學理論知識，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：電機學;模塊化教學，結構篇章;原理篇章;維護篇章

中圖分類號：G642 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）07-0150-02

《電機學》講授典型電磁機械的結構原理及使用維護知識，是電氣工程專業的主干專業基礎課，涉及到電、磁、熱和機械等綜合知識。毋庸置疑，課程教學效果對學生后期發展有深遠影響[1-7]。

隨著國家對海洋權益的日益重視，國家對海軍和海警的作戰水平和巡邏能力提出了更高的要求。動力部門作為艦艇的心臟，《電機學》是其一門重要的專業基礎課程，因此其重要性不言而喻。目前《電機學》教學面臨兩方面的基本問題：其一是海軍戰略調整，戰訓任務大幅增加，電機專業化特征凸顯，電機使用管理知識需求加大;其二是電機學課程的有效學時大幅度減少，嚴重影響教學效果。采用傳統的教學模式，即在教學內容安排上按照典型電機結構原理自然分篇，這是一種事例型教學，雖然可以使學生對《電機學》的基本內容有所了解和掌握，但不能從總體上讓學生對其深刻理解和掌握。基于電氣工程專業電磁機械的學科基礎需求和《電機學》的專業化需求特征，以及《電機學》課程有效學時現狀，適時開展《電機學》課程模塊化教學內容優化研究，是十分必要的。該研究工作，對于有效解決《電機學》教學面臨的基本問題，培養高素質特色學生具有重要意義。

一、電機結構篇章

旋轉電機都有定子和轉子兩部分，在定、轉子之間有一個儲存磁能的氣隙[8]。因此，在對電機結構進行講解時，應注意總結直流和交流電機在結構上的共同點和區別。直流電機中定子由主磁極、機座和電刷等裝置組成，轉子是電樞，它由電樞鐵芯、電機繞組和換向器等部件構成。交流電機根據應用場合不同，可分為同步交流電機和感應交流電機。感應電機的定子由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成，轉子由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸組成，其中，轉子繞組分為籠型和繞線型兩類。籠型繞組是一閉合繞組，即轉子回路各參數如轉子電阻和漏感是常量。繞線型轉子的槽內嵌有用絕緣導線組成的三相繞組，繞組的三個出線端接到轉軸上的三個集電環上，再通過電刷引出，即轉子繞組是開路的，可根據需要改變轉子電阻。按照結構形式，同步電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式，旋轉電樞式的電樞放在轉子上，主磁極安裝在定子上，這種結構在小型同步電機中得到一定的應用。旋轉磁極式結構主磁極裝設在轉子上，多用于高壓、大型的同步電機上。按照主極的形狀，旋轉磁極式電機又可分為隱極式和凸極式。隱極同步電機的定子由定子鐵芯、定子繞組、機座和端蓋等組成。凸極式同步電機通常分為臥式和立式兩種結構。絕大部分同步電機、同步補償機和用內燃機或沖擊式水輪機拖動的同步發電機都采用臥式結構。低速、大容量的水輪發電機和大型水泵電動機則采用立式結構。臥式同步電機的定子結構與感應電機基本相同，定子亦有機座、鐵芯和定子繞組等部件組成;轉子則由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環和轉軸等部件組成。立式同步電機的定子繞組大多采用波繞組，轉子上除有勵磁繞組外，還裝有阻尼繞組。

綜上可知，無論是直流電機，還是交流電機（感應電機和同步電機），其在結構上存在一定的共性，也存在著一些明顯差異。因此，在電機結構模塊教學中，核心內容是按事例型教學的特點分析電機結構，按照由簡單到復雜，由易到難的教學步驟，進一步完善和豐富電磁機械結構的體系型教學特點，便于學生從總體上把握電機結構。

二、電機原理篇章

對于本篇章，可以從電磁感應定律出發，通過分析單根導線切割恒定磁場和單根導線在持續變化的磁場下產生感應電動勢的原理，讓學生理解和掌握感應電動勢產生的內在因素是什么：變化的磁場或運動的導體（多股導體通過串聯或并聯構成繞組）。在此基礎上，分析變壓器、直流電機和交流電機的工作原理，哪些是導體運動，哪些是磁場變化，以及哪些是導體和磁場都在變化。對于變壓器，可以看作是導體靜止，而磁場按照正弦規律發生變化，此時輸出的感應電動勢與輸入電壓頻率相同，輸出電壓幅值隨著導體數量即繞組匝數的變化而變化。對于直流電機，在繞組中產生的感應電動勢是交變的，由于直流電機中存在換向器，其作用相當于整流，使得輸出電壓為一正值。對于感應交流電機，大多數是作為電動機應用，由于轉子旋轉磁場與定子旋轉磁場旋轉速度不同，使得轉子中產生感應電動勢，閉合的轉子電路中產生電流，進而產生電磁轉矩阻礙定子相對于轉子磁場的變化。同步交流電機主要作為發電機運用，當轉子繞組以同步轉速旋轉時，勵磁電流建立主極磁場，并在氣隙中形成一個旋轉磁場，該磁場切割定子繞組，進而產生頻率與旋轉磁場相同的激磁電動勢，其是通過改變磁場來獲得感應電動勢的。

在電機原理模塊教學中，主要方法是按事例型教學的特點分析電機原理，并基于此構建原理篇章，便于學生承續前期教學基礎并從總體上把握電機原理。

三、電機維護篇章

電機進行能量轉換過程中，電機內部不可避免的會產生損耗，這一方面會影響電機的效率，另外一方面將使電機的溫升增加，縮短絕緣材料的使用壽命，輕者限制電機輸出，嚴重時會燒壞電機。因此，在教學中必須要讓學生深入了解和掌握電機是如何維護的。

在分析了電機溫升產生的原因之后，應對電機散熱的主要途徑進行講解，電機散熱的主要途徑包括兩種：內部傳導和外部冷卻。而對于內部傳導散熱，牽涉到“熱阻”這一物理量，其與導熱體的熱導率、垂直于熱流的導熱面積和導熱體在熱流方向上的長度有關，因此，在考慮從電機內部散熱時，應盡可能地減小絕緣層的熱阻，可以從絕緣材料、導熱面積和導熱長度等方面具體改善傳熱性能。常用的內部冷卻方式是采用空心導體，把冷卻介質通入導體內部直接將熱量帶走，冷卻介質應用較多的為氫氣或經過處理的潔凈水，其中水的冷卻效果較佳。對于電機外部冷卻，可以采用自冷式、自扇冷式或他扇冷式。自冷式是通過電機部件表面的輻射和冷卻介質的自然對流，把電機內部的能量帶走，這種方法效率比較低;自扇式是將風扇固定在轉子上，電機轉動時，風扇跟隨轉子一起轉動所產生的風壓強迫空氣流動，吹拂散熱表明，將熱量帶到外界。自扇冷式分為徑向通風式和軸向通風式兩種，徑向通風式具有結構簡單可靠，通風損耗較小和繞組與鐵芯沿軸向的溫升分布較為均勻的優點，缺點是因風扇直徑受到限制導致風壓低;軸向通風式能夠裝設較大直徑的風扇來確保冷卻效果，不足之處是通風損耗較大，電機沿軸向溫升不均勻，出風端溫升較高。對于電機采用何種冷卻方式，應根據其容量和實際應用場合來考慮確定。

綜上，電機維護模塊教學中，主要是針對船舶中實際應用的電機分析電機維護的內容，探和總結電機維護的體系型教學特點，并基于電機維護篇章的具體內容，便于學生從總體上把握電機維護體系的構成和分類，有效掌握使用管理知識。

四、總結

《電機學》作為電氣工程及其自動化專業非常重要的基礎課程，涵蓋了較多的知識內容，包括變壓器、直流電機、交流電機和一些特殊電機等，這就要求教員必須熟練掌握和理解電機是如何設計的、它的結構是什么、具體工作原理是什么以及它的應用對象、場合是哪些和有哪些具體的維護措施。從這里我們就可以看出，《電機學》對于一個教員的知識積累的要求是非常嚴格和非常高的。只有在熟練掌握這些知識之后才能對《電機學》按照篇章實施課程篇章教學計劃。

參考文獻：

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