楊益飛，邢紹邦，韓曉新，賀乃寶

(江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

“電機(jī)學(xué)”是高等院校電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣裝置、電力電子技術(shù)、運(yùn)動控制、電機(jī)設(shè)計(jì)等后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在該類專業(yè)的教學(xué)中占有舉足輕重的地位[1－3]。本文從電機(jī)學(xué)課堂教學(xué)不足、案例分析實(shí)踐教學(xué)以及考核指標(biāo)三個方面探討電機(jī)學(xué)教學(xué)改革，并結(jié)合筆者所在的以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的應(yīng)用型本科院校為例，對現(xiàn)存的教學(xué)方案、知識點(diǎn)以及實(shí)踐教學(xué)等方面改革創(chuàng)新，為學(xué)生將來從事專業(yè)方面的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 電機(jī)學(xué)課堂教學(xué)存在的問題

1.1 概念抽象

電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換電器，完成電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。單單從能量轉(zhuǎn)換方面來說，就涉及到磁場這一抽象的概念。電機(jī)學(xué)的講解內(nèi)容是具體的，但傳統(tǒng)的課堂教學(xué)單純的從書面講解，使得理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生很難理解。比如，學(xué)生在計(jì)算疊繞組或者波繞組節(jié)距的時候，往往對于這兩種繞組的概念以及在電機(jī)中部位缺乏客觀認(rèn)識。

1.2 電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的教學(xué)過于淡化

學(xué)生對于電機(jī)的結(jié)構(gòu)僅僅局限于書面，關(guān)于定子、轉(zhuǎn)子等這些根據(jù)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(lián)想出來的，就需要聯(lián)系實(shí)物教學(xué)。

1.3 與后續(xù)專業(yè)課銜接不夠緊密

目前國內(nèi)本科院校所教電機(jī)學(xué)這一門課多為電氣工程一級學(xué)科畢業(yè)的博士。然而，電氣工程一級學(xué)科下面又有五個二級學(xué)科，其中以電力電子與電力傳動和電力系統(tǒng)及其自動化這兩個專業(yè)居多。這兩個二級學(xué)科的側(cè)重點(diǎn)是不一樣的，電力電子與電力傳動側(cè)重于新型電力電子器件及電機(jī)，而電力系統(tǒng)及其自動化則側(cè)重于大中型發(fā)電廠及電力系統(tǒng)。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(yè)畢業(yè)的，對電力系統(tǒng)及其自動化的后續(xù)課程熟悉程度不夠，使得教學(xué)效果大打折扣。

2 電機(jī)教學(xué)案例分析

筆者通過改進(jìn)和探索電機(jī)學(xué)在課堂教學(xué)方面思路，采用圖形結(jié)合的方式講解，這將花費(fèi)教師課堂以外很多時間，但學(xué)生對于電機(jī)學(xué)的理解效果很好。另外，在理論教學(xué)中強(qiáng)化與本專業(yè)課程的聯(lián)系，采用由簡單到復(fù)雜的案例分析，提高了電機(jī)教學(xué)的針對性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，取得了良好的教學(xué)反響。直流電機(jī)啟動方式有多種，這里介紹三種方法，同時運(yùn)用到了電力電子技術(shù)，matlab課程設(shè)計(jì)這兩門課。這樣既溫習(xí)了以前所學(xué)知識，同時能加深對現(xiàn)在所學(xué)知識的進(jìn)一步認(rèn)識。下文將以直流電機(jī)三種起動方法的理論教學(xué)為例，簡單介紹這一思想在電機(jī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

以下所舉的案例中，電機(jī)啟動參數(shù)功率、電壓以及額定轉(zhuǎn)速均為3 730w，240V，1 200 rpm，額定轉(zhuǎn)矩為Tr=30N.m。由式(1)的直流電機(jī)狀態(tài)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(zhuǎn)動慣量，Bm阻尼系數(shù)，TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Te電磁轉(zhuǎn)矩，ωm為發(fā)電機(jī)電角頻率。

2.1 案例一

通過在穩(wěn)恒磁場或者永磁勵磁的條件下，給輸入電壓設(shè)置一定的變化速率作為啟動直流電機(jī)的初始條件，同時給出合適的輸入轉(zhuǎn)矩，控制原理圖如圖1所示。得出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(dá)到穩(wěn)定時，所對應(yīng)的圖7轉(zhuǎn)速變化也同樣在3s時穩(wěn)定。

圖5 案例二控制原理圖

圖6 案例二電流

圖7 案例二轉(zhuǎn)速

2.3 案例三

課堂教學(xué)中可以先將PWM勵磁回路的自激作用進(jìn)行較深入的理論分析，建立其數(shù)字仿真如圖8的控制原理圖。在圖9和圖10中，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩在0.5～0.6s之間變化時，電樞電流由于輸入轉(zhuǎn)矩的影響變小后再逐漸變大以恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，在此時間段內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過一段時間的轉(zhuǎn)矩變化，逐漸降低，直至恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

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(zhuǎn)速

圖11 案例三電樞電壓

2.4 課堂作業(yè)

對于以上三個案例的分析，學(xué)生要掌握直流電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)特征。然后，本科生要求完成直流電機(jī)的matlab建模，理解各個輸出量和輸入量之間的關(guān)系。

3 結(jié)論

電機(jī)學(xué)概念抽象，實(shí)踐性較強(qiáng)，教學(xué)效果主要取決于教師的理論和實(shí)踐水平以及經(jīng)驗(yàn)。本文討論了“電機(jī)學(xué)”教學(xué)上存在的問題，結(jié)合本文所述直流電機(jī)的三個案例加深電氣工程相關(guān)專業(yè)和電機(jī)學(xué)的聯(lián)系。教學(xué)實(shí)踐表明，結(jié)合本文所講的例子可以觸類旁通的將其應(yīng)用到其他教學(xué)案例中。如果能在以下幾個方面做好的話，那么在提高學(xué)生求知欲以及實(shí)踐能力方面，會起到積極作用:在實(shí)踐教學(xué)方面，應(yīng)注重電機(jī)學(xué)課程與以往所學(xué)專業(yè)知識的聯(lián)系并在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)，增加綜合型、創(chuàng)新性實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，以增加學(xué)生的興趣;在課堂理論教學(xué)方面，應(yīng)當(dāng)突出電機(jī)學(xué)專業(yè)特色，改變教學(xué)方案，不斷創(chuàng)新以提高教學(xué)質(zhì)量。

[1]高寧宇，秦嶺.緊扣電氣類后續(xù)課程拓展電機(jī)學(xué)應(yīng)用教學(xué)中[J].中國電力教育，2010(34):110－112.

[2]李書權(quán)，曾令全，王秀云.電機(jī)理論教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(1):45－48.

[3]盧琴芬.“直線電機(jī)理論與應(yīng)用”課程教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(5):47－49.