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(yè)基礎(chǔ)課程之一。發(fā)電機、變壓器和電動機是電力工業(yè)發(fā)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(xù)專業(yè)課程教學打基礎(chǔ),其地位非常重要。如何在壓縮教學時數(shù)的前提下,提高教學質(zhì)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(tǒng)電機(變壓器、直流電機、異步電機和同步電機)的穩(wěn)態(tài)運行原理為主線,結(jié)合工程技術(shù)問題(起動、調(diào)速、制動與并網(wǎng))的準穩(wěn)態(tài)分析,拓展暫態(tài)行為研討,通過課堂教學、課外參觀、結(jié)合實物和虛擬實驗、習題練習和考試等環(huán)節(jié)完成整個教學過程。在實施過程中,提煉與拓展教學內(nèi)就需要對各類傳統(tǒng)電機做深入研究。

電機內(nèi)部的電磁場是學習電機的本質(zhì)。掌握磁場的產(chǎn)生機理、空間與時間四維運動規(guī)律、定轉(zhuǎn)子磁場的相對位置與電磁轉(zhuǎn)矩的大小和方向關(guān)系是學生把握電機內(nèi)部物理本質(zhì)的的重點。傳統(tǒng)電機穩(wěn)態(tài)運行內(nèi)部磁場如表1所示,旋轉(zhuǎn)電機穩(wěn)態(tài)運行定轉(zhuǎn)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(zhì)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(chǎn)生的脈振磁場是空間分布的,它可以分解為兩個幅值和轉(zhuǎn)速相同而轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(雙旋轉(zhuǎn)磁場理論),這是分析單相和三相異步電機的基礎(chǔ)。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(zhuǎn)而后者是靜止的。旋轉(zhuǎn)電機中,沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向看相對靜止的定轉(zhuǎn)子磁場,若定子磁場超前轉(zhuǎn)子磁場,則電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動作用(電動機狀態(tài)),滯后則起制動作用(發(fā)電機或制動狀態(tài)),同向或反向則電磁轉(zhuǎn)矩為零(空載或調(diào)相機),由此可以確定電機的運行狀態(tài)。

表1 傳統(tǒng)電機穩(wěn)態(tài)運行內(nèi)部磁場

電機內(nèi)部電磁變化是一個反饋過程,最終達到動態(tài)平衡。動態(tài)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(zhuǎn)矩平衡。

2 “電機學”教學內(nèi)容體系

傳統(tǒng)“電機學”教學內(nèi)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(fā)現(xiàn)四大機種的主要教學內(nèi)容中存在兩大變化:一是繞組的個數(shù)與連接方式不同,二是電機的運行狀態(tài)變化。

現(xiàn)代電機技術(shù)的發(fā)展,極大地豐富了電機的種類和功能,出現(xiàn)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(guān)磁阻電機、雙饋異步發(fā)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(fā)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(diào)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(tài)、電力電子控制器類型等。有的已經(jīng)超越了傳統(tǒng)電機的概念,如超聲波電機是利用超聲波電信號激發(fā)壓電陶瓷振動模態(tài)來驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動,在微納米精細尺度運動控制方面具有優(yōu)勢。

3 教學內(nèi)容體系的優(yōu)化

針對種類繁多的傳統(tǒng)電機和現(xiàn)代新穎電機,學時數(shù)大幅壓縮而內(nèi)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(yōu)化思路。

1)課堂教學內(nèi)容

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

表2 優(yōu)化后的課堂教學內(nèi)容

我們以三相異步電機為例,說明如何進行教學內(nèi)容的優(yōu)化。首先通過闡述異步電機內(nèi)部磁場的空間分布和旋轉(zhuǎn)特性,說明異步電機的運動規(guī)律。再闡述合成磁場與定轉(zhuǎn)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(guī)律。兩者的主要區(qū)別在于異步電機轉(zhuǎn)子運動時其感應電勢和電流的頻率是轉(zhuǎn)差頻率,因此需要進行頻率折算,即以時間和空間同步旋轉(zhuǎn)的坐標系觀測各物理量。然后,根據(jù)等效電路或相量圖獲得各種平衡關(guān)系、穩(wěn)態(tài)與準穩(wěn)態(tài)運行特性。最后通過繞線式異步電機轉(zhuǎn)子外接電阻運行方式,拓展到外接轉(zhuǎn)差頻率交流電源的交流勵磁工作方式,獲得更一般規(guī)律的雙饋電機特性。

2)實驗環(huán)節(jié)

實驗環(huán)節(jié)可以在電機系統(tǒng)與運動控制綜合平臺上實施。該公共基礎(chǔ)平臺融合現(xiàn)代科技成果,能完成各種傳統(tǒng)電機及其機組的驗證性實驗(包括電機參數(shù)測定、特性測試等)和創(chuàng)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(nèi)容的延伸與補充,如課外答疑,課外習題,動態(tài)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(wǎng)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(wǎng)絡查找有關(guān)新穎電機的資料,通過網(wǎng)上討論學習,最終形成專題理論研究報告。

4 教學內(nèi)容體系優(yōu)化原則

1)教學內(nèi)容的層次性

教學內(nèi)容的層次性根據(jù)認識規(guī)律分為兩個方面:一是課堂教學內(nèi)容的層次性,電機內(nèi)部磁場遵循由簡單到復雜再回歸簡單的規(guī)律,而電機的結(jié)構(gòu)由最簡單到最復雜的演變規(guī)律;二是整體教學內(nèi)容體系的層次性,課堂教學以學生對電機穩(wěn)態(tài)和準穩(wěn)態(tài)分析能力培養(yǎng)為主體,實驗內(nèi)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(tài)建模、虛擬實驗和新穎電機原理探究的創(chuàng)新實踐。

2)教學內(nèi)容的兼容性

教學內(nèi)容的兼容性主要指本質(zhì)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(nèi)容的關(guān)聯(lián)性和差異性

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

不同種類電機的個性問題是由產(chǎn)生磁場的方式不同引起的。同類電機的差別主要是由結(jié)構(gòu)差異性引起的。強調(diào)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(nèi)容要面向工程應用,必須采用突出物理本質(zhì)的新穎工程化教學理念。

5 結(jié)語

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

[1] 許實章.電機學(上、下冊)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1982

[2] 湯蘊繆,史乃.電機學[M].北京:機械工業(yè)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