電 機 學 實 驗 教 學 探 索

齊文娟， 徐青菁， 孫 佳， 許少倫

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院, 上海 200240)

0 引 言

電機學是電氣工程及其自動化專業的一門重要的專業基礎課，而電機學實驗是該課程的重要實踐教學環節，其教學效果的好壞直接關系到學生對理論知識的理解、應用和專業實驗能力的掌握[1-4]。過去電機學實驗教學中存在機組和測量儀器布置分散、部分設備儀器落后，學生實驗習慣和自主性差、實驗方案單一等弊端，學生只是按照實驗指導書的步驟進行機械式重復[5]，收獲不理想[6]。

針對以上問題，進行了以提高實驗教學效果，培養學生自主實踐和工程實踐意識為目的的探索，在實驗平臺和儀器、實驗方案、實驗規范化管理以及實驗過程的引導和把控等方面進行改善。在已有機組設備的基礎上進行實驗平臺和測量儀器更新，引入多種實驗方案和測量手段。在實驗教學的各環節包括課前教育、習慣培養、實驗安排、實驗報告管理、網站建設等方面進行完善，促進實驗規范化管理。在實驗準備和實驗過程指導等多方面進行合理引導，幫助同學克服畏難情緒，激發同學獨立思考與實踐。

1 電機學實驗的目標和任務

電機學實驗的目標在于通過實驗的方法來驗證和研究電機學理論，增強感性認識以促進認識的深化，培養學生科學的分析能力，使學生掌握電機學實驗的操作方法和基本技能；培養學生嚴肅認真和實事求是的科學作風，鍛煉科學實驗的能力[7]。

課程的任務包括掌握變壓器、感應電機、同步電機、直流電機的參數獲取和特性測試方法。掌握電機和常用測試儀器的操作方法。掌握實驗數據處理、問題分析、基本故障排除的能力。

2 實驗平臺和實驗方案更新

2.1 實驗平臺更新

積極推進實驗設備的更新，保證安全性和先進性。實驗設備采用大功率電機，同時電壓通常高于100 V，屬于強電實驗，安全問題應當引起重視。過去設備儀器零散放置，接線接頭部分裸露在外，同時不具有電壓電流保護功能，存在安全隱患。另外電壓表、電流表、功率表等儀表使用指針式儀表，設備陳舊。如果直接購買現有電機學實驗設備，通常是實驗臺和機組配套的設備，已有的機組、電阻箱、調壓器等設備將不能再使用，造成浪費，也不能根據個性化的需求增加功能。考慮到成本和功能需要，實驗室利用已有的機組、電抗器、調壓器、電阻箱等設備，設計實驗臺，將電源、儀表、設備的接線部件集成于實驗平臺內，同時具有過流保護，堵轉限壓，失磁保護等功能。將調壓器、電抗器、變壓器內置于實驗臺里面，機組布置于實驗臺后面。導線采用封閉式導線，接線只需要在實驗臺上完成，這樣既方便了實驗接線，又保證了安全性。將指針式儀表如電壓表、電流表和功率表更換為數字式儀表。實驗平臺實物圖見圖1。

2.2 實驗儀器更新

在條件允許的情況下，引入多種測試方案并進行相關儀器更新，開拓同學視野。使用直流低電阻測試儀測試變壓器高壓側和低壓側電阻，同學對變壓器電阻的數量級以及直流低電阻測試儀的使用有了認識，解決了之前使用萬用表測試不準確的問題，見圖2。使用帶外殼的滑動變阻器進行同步電機并網時無功功率的調節實驗，避免了安全隱患，滑動變阻器照片見圖3。同步電機負載特性測定使用的三相飽和電抗器采用直流穩壓電源供電，避免之前和電機電樞電源共用的安全問題。另外使用示波器加電流探頭觀察電機電流波形，可以進行變壓器激磁電流的波形觀察和分析，加深對電機特性的理解，圖4為電流探頭照片。同時配備非接觸激光轉速表(見圖5)，供同學了解不同的轉速測試方法。

圖2 使用直流低電阻測試儀測量變壓器繞組電阻

圖3 封閉外殼滑動變阻器

圖4 電流探頭

圖5 非接觸激光轉速表

2.3 實驗方案更新

對已有的機組實驗方案、儀表和直流電源等進行了更新和改善。原有的異步電機-直流發電機(永磁測功機)的方案繼續保留，同時引入異步電機-轉矩傳感器-磁粉制動器的機組方案，同學可以了解不同形式負載的測試和特性計算方法。兩種機組照片見圖6。對于不同的機組實驗臺的接線和測試部件、加載方式以及測量方式有所區別。對于異步電機-直流發電機機組使用光電編碼器作轉速測試，通過改變直流測功機內的勵磁電流調節負載轉矩，轉矩直接通過測功機指針讀取。對于異步電機-轉矩傳感器-磁粉制動器機組，通過張力控制器調節磁粉制動器的負載轉矩大小，力矩和轉速直接通過轉矩轉速測量儀讀取。

(a) 磁粉制動器機組

(b) 直流測功機機組

3 實驗規范化管理

為了培養良好的實驗習慣，克服畏難情緒，激發學習興趣，培養獨立能力，在以下環節進行改善，促成實驗規范化管理。

(1) 課前介紹。在學期實驗之前介紹電機學實驗特點和安全注意事項、實驗報告要求和提交方式、教師聯系方式等同學比較關心的問題。規范化的引導，引起同學對安全問題和實驗內容的重視。

(2) 實驗習慣培養。電機學實驗可以培養同學的工程實踐意識，同時需要在實驗時有意培養良好的實驗習慣。以往存在各個實驗桌之間導線亂拿，實驗結束后導線缺少、儀器儀表沒有正常關閉等現象。通過采用實驗后教師對照實驗檢查表檢查(見表1)，對沒有按照要求進行的項目扣分，檢查后再簽到的方式，解決了以上的問題。每臺實驗臺的設備和導線均貼上標簽，便于管理。

(3) 實驗安排。時間安排上結合課程的具體進度進行合理安排。為了避免實驗批次之間不平衡，要求同學在時間沖突需要調整時提前找其他同學調換。同時考慮到學生的特殊情況，對于個別生病、出國交流等不可抗力造成的實驗未完成的情況，給予補做的機會。

(4) 實驗報告管理。采用電子版提交FTP的方式。給出電子實驗報告模板，篩選合適的內容，盡量做到內容簡潔，重點內容突出，節約同學時間，避免無意義重復勞動。設計啟發意義的思考題，激發同學獨立思考能力。

表1 實驗檢查表

(5) 網站建設。實現電子化資源管理，提供多樣化資源供同學利用。實驗教學中心網站提供課程課件、教學視頻、實驗指導書、實驗報告模板以及儀器使用說明書等，供同學預習和復習使用，見圖7。網站同時起到發布實驗通知的作用，方便教學過程的進行。

圖7 電氣工程實驗教學中心網站

(6) 實驗安全保證。一方面是設備的保證，導線封閉、實驗設備的保護功能、電源的限流功能等。另一方面，每次實驗強調安全操作要求，如不帶電接線、不帶電拆線，旋轉電機操作要求不過載運行等。

4 實驗過程的引導和把控

(1) 實驗準備。為保證實驗過程順利進行，實驗前教師對每臺設備進行預實驗，了解不同實驗臺設備的特點，提前了解實驗現象，才能在同學有問題時給與及時解答。例如部分實驗臺異步電機啟動電流很大，電機仍未旋轉，同學會以為設備故障而斷電中斷實驗。實際上繼續升高電壓，電機即可啟動。又如三相變壓器實驗，開始上電電壓較低時，有一相電流為零，同學可能以為是電流表損壞或者接線問題，實際上是由于磁路不對稱導致的電流不平衡，當電壓較小時，較小一相電流顯示為零。另外，對于不同的實驗臺的設備，由于電阻箱情況有區別，能做到的負載點也不同，因此每臺設備進行調試和預實驗十分必要。需要根據具體情況有針對性地進行實驗講解準備。

(2) 實驗講解。講解過程中應當突出重點，給予解釋，激發自主思考，克服畏難情緒。在實驗進行前，強調安全問題。另外需要詳細介紹停機步驟、脫網步驟和接線原則等。實踐證明，為了提高教學效果，不僅需要告知怎么做，而且解釋為什么這么做，即著重于對實驗內容、實驗現象、以及操作原因的解釋，可以加強理解和記憶，克服畏難情緒，激發興趣，同學可以在原理層面了解操作背后的原因，實驗時主動性加強，避免了缺乏思考只是機械式地復制實驗步驟，減少誤操作。同時培養了學生的規范化操作意識，避免了實驗設備的損耗與損壞。如對同步電機勵磁電源斷電操作步驟的解釋，加深了同學對電感電流不能突變知識的理解和應用，避免了對電源的損壞。對直流電機飛車現象的解釋，避免停機誤操作導致的危險。同步電機脫網條件的解釋，幫助同學在實驗操作時有意識地把握和理解操作順序。對于課程未涉及但實驗需要用到的內容，進行知識補充。如進行同步電機實驗時，直流電機的內容尚未講解，但作為同步機的原動機，需要實驗時進行電機啟動操作，有必要對直流電機的部分內容進行補充，幫助同學理解。另外講解時有意識地引導同學關注和理解電機的額定參數，并根據額定參數設定實驗測試范圍、進行儀表量程選擇等。并對實驗前提條件進行理解(如同步機實驗轉速恒定)。針對實驗中出現的特殊現象進行引導和提問，如變壓器三相不對稱，停機步驟的原因，負載調節機理，磁路不對稱導致的驗證問題，激發同學自主思考。

(3) 實驗過程指導。對于強電、大電機實驗，由于安全性問題，指導教師實驗過程中應當保持警惕，觀察同學實驗中是否存在帶電接線、帶電拆線、靠近轉軸等危險行為，及時給予警示。另外對于操作是否規范，理解有誤導致的超過儀表量程和機組額定負載的情形也應給予及時提醒。同時對于同學的提問，應積極進行引導，鼓勵獨立解決，適時給予解釋。

(4) 實驗數據核查。仔細核查數據，對于有問題或者缺少數據的進行內容補做。對有問題的數據進行分析，給出原因，如對于因為操作問題導致的實驗條件未滿足的也應補做。例如沒有做到額定點，又如并勵直流電動機調速實驗時未保證負載轉矩不變以至于測出來的電樞電流變化趨勢不正確等。

(5) 實驗報告反饋。根據同學實驗報告的情況，對于常犯的錯誤或者理解有偏差的問題在下次實驗時給予反饋和提醒。

(6) 實驗指導書修正。指導書的步驟盡可能詳盡，如脫網步驟、勵磁電源歸零、停機順序等。不斷根據同學的實驗情況修正容易產生誤解的內容，其中對各個變量的說明具體沒有歧義，對于實驗的順利進行十分重要。如將三相同步發電機定子電流修改為三相同步發電機三相交流電流，避免和勵磁電流相混淆造成調節錯誤。

5 問題和展望

雖然在以上各個方面進行了改進，取得了一定的教學效果，但目前仍存在需要拓展和完善的內容。如當前各高校的電機學實驗仍然以傳統電機為主，對于目前使用日益廣泛的永磁同步電機、無刷直流電機、開關磁阻電機等電機缺少相應的電機認識和測試實驗。同時實驗內容多為電機電磁特性測試，缺少溫升測試等其他方面的測試內容。為了進一步豐富實驗內容，使得電機學實驗結合當今主流工業應用，在實驗對象、實驗內容以及實驗手段方面可在以下方向進一步拓展。

(1) 實驗對象拓展。對于傳統電機之外的永磁同步電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、開關磁通電機等電機適當引入相關實驗，如電機結構認識實驗，手工繞線實驗，電機組裝實驗，反電勢測量實驗，霍爾信號和相序測量實驗等，幫助同學對當今主流電機的結構以及電磁特性有基本認識。這需要對電機學課堂知識進行相應的補充，同時準備相應的實驗硬件條件。

(2) 實驗內容拓展。除了基本的空載負載特性實驗外，拓展進行電機溫升實驗、絕緣電阻測試、振動噪聲測試實驗等[8-11]。這需要配備相應的溫度計、熱像儀、振動噪聲測試儀等。

(3) 實驗手段拓展。引入實物實驗和仿真實驗相結合的手段。如結合Matlab或者電機電磁場仿真軟件[12-15]，搭建電機系統模型深入分析電機特性，增進對理論知識的理解，提升實驗效果。

6 結 語

電機學實驗作為電氣工程傳統的實驗課程，具有相對成熟的實驗設備和實驗內容，但仍然需要根據實驗的目標、存在的問題以及電機理論和應用的發展進行相應的完善和更新。本文針對電機學實驗教學進行探索，進行了實驗平臺、儀器和實驗方案更新，在實驗教學的規范化管理和實驗過程的引導和把控等方面進行了有針對性地改革，并針對當今電機學實驗普遍存在的實驗對象局限、實驗內容不夠全面、實驗手段拓展等問題提出了后續拓展和完善的內容。實踐教學表明，使用更新后的實驗設備、儀器和實驗方案，可以使得同學接觸當今業界工程技術同步的設備和技術，開拓同學的視野，教學過程中采取的舉措加深了同學對理論知識的理解和應用，培養了良好的實驗習慣，有助于更好地培養學生自主思考實踐和工程實踐意識。