“電機(jī)學(xué)”課程體系的優(yōu)化

謝寶昌,劉長(zhǎng)紅,王君艷,馮 琳,侯國(guó)平

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

“電機(jī)學(xué)”是電氣工程的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)是電力工業(yè)發(fā)配電和用電的主角。“電機(jī)學(xué)”教學(xué)既要綜合多學(xué)科知識(shí),又要為后續(xù)專業(yè)課程教學(xué)打基礎(chǔ),其地位非常重要。如何在壓縮教學(xué)時(shí)數(shù)的前提下,提高教學(xué)質(zhì)量,是當(dāng)前必須面對(duì)和要解決的基本教學(xué)改革問(wèn)題。

1 教學(xué)要求與目標(biāo)

“電機(jī)學(xué)”教學(xué)以各類傳統(tǒng)電機(jī)(變壓器、直流電機(jī)、異步電機(jī)和同步電機(jī))的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行原理為主線,結(jié)合工程技術(shù)問(wèn)題(起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)與并網(wǎng))的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析,拓展暫態(tài)行為研討,通過(guò)課堂教學(xué)、課外參觀、結(jié)合實(shí)物和虛擬實(shí)驗(yàn)、習(xí)題練習(xí)和考試等環(huán)節(jié)完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程。在實(shí)施過(guò)程中,提煉與拓展教學(xué)內(nèi)就需要對(duì)各類傳統(tǒng)電機(jī)做深入研究。

電機(jī)內(nèi)部的電磁場(chǎng)是學(xué)習(xí)電機(jī)的本質(zhì)。掌握磁場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理、空間與時(shí)間四維運(yùn)動(dòng)規(guī)律、定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)位置與電磁轉(zhuǎn)矩的大小和方向關(guān)系是學(xué)生把握電機(jī)內(nèi)部物理本質(zhì)的的重點(diǎn)。傳統(tǒng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行內(nèi)部磁場(chǎng)如表1所示,旋轉(zhuǎn)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間總是保持相對(duì)靜止的。而通過(guò)磁場(chǎng)理解電磁過(guò)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(xué)生分析與求解工程問(wèn)題的有效工具和手段。

與變壓器不同,三相交流電機(jī)每相繞組產(chǎn)生的脈振磁場(chǎng)是空間分布的,它可以分解為兩個(gè)幅值和轉(zhuǎn)速相同而轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(雙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論),這是分析單相和三相異步電機(jī)的基礎(chǔ)。同步和直流電機(jī)的勵(lì)磁與電樞磁場(chǎng)是相互獨(dú)立的,前者空間同步旋轉(zhuǎn)而后者是靜止的。旋轉(zhuǎn)電機(jī)中,沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向看相對(duì)靜止的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),若定子磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),則電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動(dòng)作用(電動(dòng)機(jī)狀態(tài)),滯后則起制動(dòng)作用(發(fā)電機(jī)或制動(dòng)狀態(tài)),同向或反向則電磁轉(zhuǎn)矩為零(空載或調(diào)相機(jī)),由此可以確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

表1 傳統(tǒng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行內(nèi)部磁場(chǎng)

電機(jī)內(nèi)部電磁變化是一個(gè)反饋過(guò)程,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。動(dòng)態(tài)平衡包含四個(gè)方面:繞組中的電勢(shì)平衡,磁勢(shì)平衡,電機(jī)與外部交換能量或功率的平衡,以及運(yùn)動(dòng)部件的力或轉(zhuǎn)矩平衡。

2 “電機(jī)學(xué)”教學(xué)內(nèi)容體系

傳統(tǒng)“電機(jī)學(xué)”教學(xué)內(nèi)容體系包括基本電磁定律,磁路,交流電機(jī)的繞組、磁勢(shì)和電勢(shì)等共性問(wèn)題,而變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)和直流電機(jī)四大機(jī)種的個(gè)性問(wèn)題[1-5]?？梢园l(fā)現(xiàn)四大機(jī)種的主要教學(xué)內(nèi)容中存在兩大變化:一是繞組的個(gè)數(shù)與連接方式不同,二是電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)變化。

現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,極大地豐富了電機(jī)的種類和功能,出現(xiàn)了永磁同步電機(jī)、混合勵(lì)磁同步電機(jī)、軸向磁場(chǎng)電機(jī)、橫截磁場(chǎng)電機(jī)、爪極電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)電機(jī)、形狀記憶合金電機(jī)、納米電機(jī)、超聲波電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)、磁懸浮電機(jī)、直線電機(jī)、平面電機(jī)、球形電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、變頻電機(jī)等。所有這些形形式式的名稱主要是強(qiáng)調(diào)各自不同的特點(diǎn),如勵(lì)磁方式、繞組和功能材料特性、運(yùn)動(dòng)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(jī)的概念,如超聲波電機(jī)是利用超聲波電信號(hào)激發(fā)壓電陶瓷振動(dòng)模態(tài)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),在微納米精細(xì)尺度運(yùn)動(dòng)控制方面具有優(yōu)勢(shì)。

3 教學(xué)內(nèi)容體系的優(yōu)化

針對(duì)種類繁多的傳統(tǒng)電機(jī)和現(xiàn)代新穎電機(jī),學(xué)時(shí)數(shù)大幅壓縮而內(nèi)容不斷豐富是“電機(jī)學(xué)”教學(xué)必須面對(duì)的問(wèn)題,如何解決這一矛盾必須提出一些切實(shí)可行的優(yōu)化思路。

1)課堂教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)重點(diǎn)是電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、基本概念、運(yùn)行特性的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析方法,以及獲得解決實(shí)際問(wèn)題的數(shù)學(xué)工具和手段,如基本方程(電壓,磁勢(shì),功率,轉(zhuǎn)矩)、等效電路與相量圖等。我們根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律,電機(jī)工作原理由簡(jiǎn)單交流到復(fù)雜交流系統(tǒng),由復(fù)雜交直流回歸到簡(jiǎn)單交直流系統(tǒng),或者根據(jù)磁場(chǎng)形式從脈振磁場(chǎng)到交流耦合旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),再到交直流獨(dú)立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),最后到交直流恒定磁場(chǎng),給出了表2所示的優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

表2 優(yōu)化后的課堂教學(xué)內(nèi)容

我們以三相異步電機(jī)為例,說(shuō)明如何進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。首先通過(guò)闡述異步電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的空間分布和旋轉(zhuǎn)特性,說(shuō)明異步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。再闡述合成磁場(chǎng)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(guò)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(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)其感應(yīng)電勢(shì)和電流的頻率是轉(zhuǎn)差頻率,因此需要進(jìn)行頻率折算,即以時(shí)間和空間同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系觀測(cè)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(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。最后通過(guò)繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子外接電阻運(yùn)行方式,拓展到外接轉(zhuǎn)差頻率交流電源的交流勵(lì)磁工作方式,獲得更一般規(guī)律的雙饋電機(jī)特性。

2)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可以在電機(jī)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制綜合平臺(tái)上實(shí)施。該公共基礎(chǔ)平臺(tái)融合現(xiàn)代科技成果,能完成各種傳統(tǒng)電機(jī)及其機(jī)組的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(包括電機(jī)參數(shù)測(cè)定、特性測(cè)試等)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(學(xué)生自主研究型實(shí)驗(yàn)),并留有智能化控制等高級(jí)拓展功能。

3)課外拓展

課外拓展能對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的延伸與補(bǔ)充,如課外答疑,課外習(xí)題,動(dòng)態(tài)模型的計(jì)算機(jī)仿真或虛擬實(shí)驗(yàn),新穎電機(jī)原理的專題研究等。課外拓展通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立師生交互活動(dòng)。專題研究以小組形式展開(kāi),小組成員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找有關(guān)新穎電機(jī)的資料,通過(guò)網(wǎng)上討論學(xué)習(xí),最終形成專題理論研究報(bào)告。

4 教學(xué)內(nèi)容體系優(yōu)化原則

1)教學(xué)內(nèi)容的層次性

教學(xué)內(nèi)容的層次性根據(jù)認(rèn)識(shí)規(guī)律分為兩個(gè)方面:一是課堂教學(xué)內(nèi)容的層次性,電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)遵循由簡(jiǎn)單到復(fù)雜再回歸簡(jiǎn)單的規(guī)律,而電機(jī)的結(jié)構(gòu)由最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜的演變規(guī)律;二是整體教學(xué)內(nèi)容體系的層次性,課堂教學(xué)以學(xué)生對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析能力培養(yǎng)為主體,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注重學(xué)生對(duì)操作技能、驗(yàn)證方法和探究問(wèn)題的能力建設(shè),課外拓展則是學(xué)生對(duì)更高層次的電機(jī)動(dòng)態(tài)建模、虛擬實(shí)驗(yàn)和新穎電機(jī)原理探究的創(chuàng)新實(shí)踐。

2)教學(xué)內(nèi)容的兼容性

教學(xué)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(biāo)幺值等。

3)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性和差異性

電機(jī)中的共性問(wèn)題是基礎(chǔ),需要在不同機(jī)種的教學(xué)過(guò)程中反復(fù)強(qiáng)調(diào),加深印象。比如,電磁平衡關(guān)系,交流與直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)方法。

不同種類電機(jī)的個(gè)性問(wèn)題是由產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式不同引起的。同類電機(jī)的差別主要是由結(jié)構(gòu)差異性引起的。強(qiáng)調(diào)差異性是為了突出不同電機(jī)的特性。

4)教學(xué)方法的新穎性

教學(xué)內(nèi)容要面向工程應(yīng)用,必須采用突出物理本質(zhì)的新穎工程化教學(xué)理念。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)“電機(jī)學(xué)”教學(xué)時(shí)數(shù)大幅壓縮現(xiàn)狀,討論了課程教學(xué)內(nèi)容體系優(yōu)化的若干問(wèn)題。我們抓住電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的物理本質(zhì),將課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和課外拓展三部分形成完整的“電機(jī)學(xué)”教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化體系,在實(shí)施過(guò)程中注重把握教學(xué)內(nèi)容的層次性,兼容性,關(guān)聯(lián)性,差異性和教學(xué)方法的新穎性原則,優(yōu)化教學(xué)資源配置,以學(xué)生能力建設(shè)、知識(shí)探究和人格養(yǎng)成為目標(biāo),切實(shí)提高“電機(jī)學(xué)”的教學(xué)質(zhì)量。

[1] 許實(shí)章.電機(jī)學(xué)(上、下冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982

[2] 湯蘊(yùn)繆,史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005

[3] 胡虔生,胡敏強(qiáng).電機(jī)學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005

[4] 孫旭東,王善銘.電機(jī)學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006

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