電 機(jī) 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué) 探 索

齊文娟， 徐青菁， 孫 佳， 許少倫

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

0 引 言

電機(jī)學(xué)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)是該課程的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，其教學(xué)效果的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對理論知識的理解、應(yīng)用和專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ恼莆誟1-4]。過去電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在機(jī)組和測量儀器布置分散、部分設(shè)備儀器落后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和自主性差、實(shí)驗(yàn)方案單一等弊端，學(xué)生只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行機(jī)械式重復(fù)[5]，收獲不理想[6]。

針對以上問題，進(jìn)行了以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐和工程實(shí)踐意識為目的的探索，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和儀器、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)規(guī)范化管理以及實(shí)驗(yàn)過程的引導(dǎo)和把控等方面進(jìn)行改善。在已有機(jī)組設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測量儀器更新，引入多種實(shí)驗(yàn)方案和測量手段。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各環(huán)節(jié)包括課前教育、習(xí)慣培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)安排、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、網(wǎng)站建設(shè)等方面進(jìn)行完善，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)規(guī)范化管理。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)等多方面進(jìn)行合理引導(dǎo)，幫助同學(xué)克服畏難情緒，激發(fā)同學(xué)獨(dú)立思考與實(shí)踐。

1 電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和任務(wù)

電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)在于通過實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證和研究電機(jī)學(xué)理論，增強(qiáng)感性認(rèn)識以促進(jìn)認(rèn)識的深化，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的分析能力，使學(xué)生掌握電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作方法和基本技能；培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真和實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，鍛煉科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力[7]。

課程的任務(wù)包括掌握變壓器、感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)、直流電機(jī)的參數(shù)獲取和特性測試方法。掌握電機(jī)和常用測試儀器的操作方法。掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、問題分析、基本故障排除的能力。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)方案更新

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更新

積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新，保證安全性和先進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用大功率電機(jī)，同時(shí)電壓通常高于100 V，屬于強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，安全問題應(yīng)當(dāng)引起重視。過去設(shè)備儀器零散放置，接線接頭部分裸露在外，同時(shí)不具有電壓電流保護(hù)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(shè)備陳舊。如果直接購買現(xiàn)有電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通常是實(shí)驗(yàn)臺(tái)和機(jī)組配套的設(shè)備，已有的機(jī)組、電阻箱、調(diào)壓器等設(shè)備將不能再使用，造成浪費(fèi)，也不能根據(jù)個(gè)性化的需求增加功能?？紤]到成本和功能需要，實(shí)驗(yàn)室利用已有的機(jī)組、電抗器、調(diào)壓器、電阻箱等設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將電源、儀表、設(shè)備的接線部件集成于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)，同時(shí)具有過流保護(hù)，堵轉(zhuǎn)限壓，失磁保護(hù)等功能。將調(diào)壓器、電抗器、變壓器內(nèi)置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)里面，機(jī)組布置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)后面。導(dǎo)線采用封閉式導(dǎo)線，接線只需要在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成，這樣既方便了實(shí)驗(yàn)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(shù)字式儀表。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖見圖1。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器更新

在條件允許的情況下，引入多種測試方案并進(jìn)行相關(guān)儀器更新，開拓同學(xué)視野。使用直流低電阻測試儀測試變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)電阻，同學(xué)對變壓器電阻的數(shù)量級以及直流低電阻測試儀的使用有了認(rèn)識，解決了之前使用萬用表測試不準(zhǔn)確的問題，見圖2。使用帶外殼的滑動(dòng)變阻器進(jìn)行同步電機(jī)并網(wǎng)時(shí)無功功率的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，避免了安全隱患，滑動(dòng)變阻器照片見圖3。同步電機(jī)負(fù)載特性測定使用的三相飽和電抗器采用直流穩(wěn)壓電源供電，避免之前和電機(jī)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(jī)電流波形，可以進(jìn)行變壓器激磁電流的波形觀察和分析，加深對電機(jī)特性的理解，圖4為電流探頭照片。同時(shí)配備非接觸激光轉(zhuǎn)速表(見圖5)，供同學(xué)了解不同的轉(zhuǎn)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(dòng)變阻器

圖4 電流探頭

圖5 非接觸激光轉(zhuǎn)速表

2.3 實(shí)驗(yàn)方案更新

對已有的機(jī)組實(shí)驗(yàn)方案、儀表和直流電源等進(jìn)行了更新和改善。原有的異步電機(jī)-直流發(fā)電機(jī)(永磁測功機(jī))的方案繼續(xù)保留，同時(shí)引入異步電機(jī)-轉(zhuǎn)矩傳感器-磁粉制動(dòng)器的機(jī)組方案，同學(xué)可以了解不同形式負(fù)載的測試和特性計(jì)算方法。兩種機(jī)組照片見圖6。對于不同的機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)的接線和測試部件、加載方式以及測量方式有所區(qū)別。對于異步電機(jī)-直流發(fā)電機(jī)機(jī)組使用光電編碼器作轉(zhuǎn)速測試，通過改變直流測功機(jī)內(nèi)的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩直接通過測功機(jī)指針讀取。對于異步電機(jī)-轉(zhuǎn)矩傳感器-磁粉制動(dòng)器機(jī)組，通過張力控制器調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小，力矩和轉(zhuǎn)速直接通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀讀取。

(a) 磁粉制動(dòng)器機(jī)組

(b) 直流測功機(jī)機(jī)組

3 實(shí)驗(yàn)規(guī)范化管理

為了培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，克服畏難情緒，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)獨(dú)立能力，在以下環(huán)節(jié)進(jìn)行改善，促成實(shí)驗(yàn)規(guī)范化管理。

(1) 課前介紹。在學(xué)期實(shí)驗(yàn)之前介紹電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和安全注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求和提交方式、教師聯(lián)系方式等同學(xué)比較關(guān)心的問題。規(guī)范化的引導(dǎo)，引起同學(xué)對安全問題和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重視。

(2) 實(shí)驗(yàn)習(xí)慣培養(yǎng)。電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)同學(xué)的工程實(shí)踐意識，同時(shí)需要在實(shí)驗(yàn)時(shí)有意培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。以往存在各個(gè)實(shí)驗(yàn)桌之間導(dǎo)線亂拿，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)線缺少、儀器儀表沒有正常關(guān)閉等現(xiàn)象。通過采用實(shí)驗(yàn)后教師對照實(shí)驗(yàn)檢查表檢查(見表1)，對沒有按照要求進(jìn)行的項(xiàng)目扣分，檢查后再簽到的方式，解決了以上的問題。每臺(tái)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備和導(dǎo)線均貼上標(biāo)簽，便于管理。

(3) 實(shí)驗(yàn)安排。時(shí)間安排上結(jié)合課程的具體進(jìn)度進(jìn)行合理安排。為了避免實(shí)驗(yàn)批次之間不平衡，要求同學(xué)在時(shí)間沖突需要調(diào)整時(shí)提前找其他同學(xué)調(diào)換。同時(shí)考慮到學(xué)生的特殊情況，對于個(gè)別生病、出國交流等不可抗力造成的實(shí)驗(yàn)未完成的情況，給予補(bǔ)做的機(jī)會(huì)。

(4) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理。采用電子版提交FTP的方式。給出電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，篩選合適的內(nèi)容，盡量做到內(nèi)容簡潔，重點(diǎn)內(nèi)容突出，節(jié)約同學(xué)時(shí)間，避免無意義重復(fù)勞動(dòng)。設(shè)計(jì)啟發(fā)意義的思考題，激發(fā)同學(xué)獨(dú)立思考能力。

表1 實(shí)驗(yàn)檢查表

(5) 網(wǎng)站建設(shè)。實(shí)現(xiàn)電子化資源管理，提供多樣化資源供同學(xué)利用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站提供課程課件、教學(xué)視頻、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板以及儀器使用說明書等，供同學(xué)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)使用，見圖7。網(wǎng)站同時(shí)起到發(fā)布實(shí)驗(yàn)通知的作用，方便教學(xué)過程的進(jìn)行。

圖7 電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站

(6) 實(shí)驗(yàn)安全保證。一方面是設(shè)備的保證，導(dǎo)線封閉、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)功能、電源的限流功能等。另一方面，每次實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)安全操作要求，如不帶電接線、不帶電拆線，旋轉(zhuǎn)電機(jī)操作要求不過載運(yùn)行等。

4 實(shí)驗(yàn)過程的引導(dǎo)和把控

(1) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。為保證實(shí)驗(yàn)過程順利進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前教師對每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，了解不同實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的特點(diǎn)，提前了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，才能在同學(xué)有問題時(shí)給與及時(shí)解答。例如部分實(shí)驗(yàn)臺(tái)異步電機(jī)啟動(dòng)電流很大，電機(jī)仍未旋轉(zhuǎn)，同學(xué)會(huì)以為設(shè)備故障而斷電中斷實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上繼續(xù)升高電壓，電機(jī)即可啟動(dòng)。又如三相變壓器實(shí)驗(yàn)，開始上電電壓較低時(shí)，有一相電流為零，同學(xué)可能以為是電流表損壞或者接線問題，實(shí)際上是由于磁路不對稱導(dǎo)致的電流不平衡，當(dāng)電壓較小時(shí)，較小一相電流顯示為零。另外，對于不同的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備，由于電阻箱情況有區(qū)別，能做到的負(fù)載點(diǎn)也不同，因此每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和預(yù)實(shí)驗(yàn)十分必要。需要根據(jù)具體情況有針對性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解準(zhǔn)備。

(2) 實(shí)驗(yàn)講解。講解過程中應(yīng)當(dāng)突出重點(diǎn)，給予解釋，激發(fā)自主思考，克服畏難情緒。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，強(qiáng)調(diào)安全問題。另外需要詳細(xì)介紹停機(jī)步驟、脫網(wǎng)步驟和接線原則等。實(shí)踐證明，為了提高教學(xué)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、以及操作原因的解釋，可以加強(qiáng)理解和記憶，克服畏難情緒，激發(fā)興趣，同學(xué)可以在原理層面了解操作背后的原因，實(shí)驗(yàn)時(shí)主動(dòng)性加強(qiáng)，避免了缺乏思考只是機(jī)械式地復(fù)制實(shí)驗(yàn)步驟，減少誤操作。同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的規(guī)范化操作意識，避免了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗與損壞。如對同步電機(jī)勵(lì)磁電源斷電操作步驟的解釋，加深了同學(xué)對電感電流不能突變知識的理解和應(yīng)用，避免了對電源的損壞。對直流電機(jī)飛車現(xiàn)象的解釋，避免停機(jī)誤操作導(dǎo)致的危險(xiǎn)。同步電機(jī)脫網(wǎng)條件的解釋，幫助同學(xué)在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)有意識地把握和理解操作順序。對于課程未涉及但實(shí)驗(yàn)需要用到的內(nèi)容，進(jìn)行知識補(bǔ)充。如進(jìn)行同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，直流電機(jī)的內(nèi)容尚未講解，但作為同步機(jī)的原動(dòng)機(jī)，需要實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)操作，有必要對直流電機(jī)的部分內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，幫助同學(xué)理解。另外講解時(shí)有意識地引導(dǎo)同學(xué)關(guān)注和理解電機(jī)的額定參數(shù)，并根據(jù)額定參數(shù)設(shè)定實(shí)驗(yàn)測試范圍、進(jìn)行儀表量程選擇等。并對實(shí)驗(yàn)前提條件進(jìn)行理解(如同步機(jī)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速恒定)。針對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象進(jìn)行引導(dǎo)和提問，如變壓器三相不對稱，停機(jī)步驟的原因，負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)理，磁路不對稱導(dǎo)致的驗(yàn)證問題，激發(fā)同學(xué)自主思考。

(3) 實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)。對于強(qiáng)電、大電機(jī)實(shí)驗(yàn)，由于安全性問題，指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)保持警惕，觀察同學(xué)實(shí)驗(yàn)中是否存在帶電接線、帶電拆線、靠近轉(zhuǎn)軸等危險(xiǎn)行為，及時(shí)給予警示。另外對于操作是否規(guī)范，理解有誤導(dǎo)致的超過儀表量程和機(jī)組額定負(fù)載的情形也應(yīng)給予及時(shí)提醒。同時(shí)對于同學(xué)的提問，應(yīng)積極進(jìn)行引導(dǎo)，鼓勵(lì)獨(dú)立解決，適時(shí)給予解釋。

(4) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)核查。仔細(xì)核查數(shù)據(jù)，對于有問題或者缺少數(shù)據(jù)的進(jìn)行內(nèi)容補(bǔ)做。對有問題的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出原因，如對于因?yàn)椴僮鲉栴}導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)條件未滿足的也應(yīng)補(bǔ)做。例如沒有做到額定點(diǎn)，又如并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)時(shí)未保證負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變以至于測出來的電樞電流變化趨勢不正確等。

(5) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告反饋。根據(jù)同學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況，對于常犯的錯(cuò)誤或者理解有偏差的問題在下次實(shí)驗(yàn)時(shí)給予反饋和提醒。

(6) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書修正。指導(dǎo)書的步驟盡可能詳盡，如脫網(wǎng)步驟、勵(lì)磁電源歸零、停機(jī)順序等。不斷根據(jù)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)情況修正容易產(chǎn)生誤解的內(nèi)容，其中對各個(gè)變量的說明具體沒有歧義，對于實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行十分重要。如將三相同步發(fā)電機(jī)定子電流修改為三相同步發(fā)電機(jī)三相交流電流，避免和勵(lì)磁電流相混淆造成調(diào)節(jié)錯(cuò)誤。

5 問題和展望

雖然在以上各個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，取得了一定的教學(xué)效果，但目前仍存在需要拓展和完善的內(nèi)容。如當(dāng)前各高校的電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)仍然以傳統(tǒng)電機(jī)為主，對于目前使用日益廣泛的永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等電機(jī)缺少相應(yīng)的電機(jī)認(rèn)識和測試實(shí)驗(yàn)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為電機(jī)電磁特性測試，缺少溫升測試等其他方面的測試內(nèi)容。為了進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使得電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合當(dāng)今主流工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)對象、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)手段方面可在以下方向進(jìn)一步拓展。

(1) 實(shí)驗(yàn)對象拓展。對于傳統(tǒng)電機(jī)之外的永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、開關(guān)磁通電機(jī)等電機(jī)適當(dāng)引入相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如電機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識實(shí)驗(yàn)，手工繞線實(shí)驗(yàn)，電機(jī)組裝實(shí)驗(yàn)，反電勢測量實(shí)驗(yàn)，霍爾信號和相序測量實(shí)驗(yàn)等，幫助同學(xué)對當(dāng)今主流電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及電磁特性有基本認(rèn)識。這需要對電機(jī)學(xué)課堂知識進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充，同時(shí)準(zhǔn)備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)硬件條件。

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展。除了基本的空載負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)外，拓展進(jìn)行電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)、絕緣電阻測試、振動(dòng)噪聲測試實(shí)驗(yàn)等[8-11]。這需要配備相應(yīng)的溫度計(jì)、熱像儀、振動(dòng)噪聲測試儀等。

(3) 實(shí)驗(yàn)手段拓展。引入實(shí)物實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段。如結(jié)合Matlab或者電機(jī)電磁場仿真軟件[12-15]，搭建電機(jī)系統(tǒng)模型深入分析電機(jī)特性，增進(jìn)對理論知識的理解，提升實(shí)驗(yàn)效果。

6 結(jié) 語

電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)作為電氣工程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程，具有相對成熟的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但仍然需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)、存在的問題以及電機(jī)理論和應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)行相應(yīng)的完善和更新。本文針對電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、儀器和實(shí)驗(yàn)方案更新，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)范化管理和實(shí)驗(yàn)過程的引導(dǎo)和把控等方面進(jìn)行了有針對性地改革，并針對當(dāng)今電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍存在的實(shí)驗(yàn)對象局限、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠全面、實(shí)驗(yàn)手段拓展等問題提出了后續(xù)拓展和完善的內(nèi)容。實(shí)踐教學(xué)表明，使用更新后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器和實(shí)驗(yàn)方案，可以使得同學(xué)接觸當(dāng)今業(yè)界工程技術(shù)同步的設(shè)備和技術(shù)，開拓同學(xué)的視野，教學(xué)過程中采取的舉措加深了同學(xué)對理論知識的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)了良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，有助于更好地培養(yǎng)學(xué)生自主思考實(shí)踐和工程實(shí)踐意識。