夏益輝 張俊洪 趙鏡紅 高嵬 王鐵軍 方芳

摘要：《電機學》課程是電氣工程及其自動化本科專業(yè)的基礎(chǔ)課程。目前，已有的教學內(nèi)容安排上按典型電機結(jié)構(gòu)原理自然分篇，其教學思想是典型的事例型教學，從教學效果上看，電機學傳統(tǒng)教學內(nèi)容安排不利于從電磁大格局上把握電磁機械的結(jié)構(gòu)原理及典型電機的使用維護知識。如何將《電機學》課程的核心內(nèi)容如電機結(jié)構(gòu)、工作原理及維護等講解透徹，使學生能夠深刻理解是一個非常困難的問題。在《電機學》教學過程中，提出模塊化教學方法，包括結(jié)構(gòu)篇章、原理篇章和維護篇章。教學過程中應(yīng)用研究表明該方法有助于學生理解和掌握所學理論知識，取得了較好的教學效果。

關(guān)鍵詞：電機學;模塊化教學，結(jié)構(gòu)篇章;原理篇章;維護篇章

中圖分類號：G642 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）07-0150-02

《電機學》講授典型電磁機械的結(jié)構(gòu)原理及使用維護知識，是電氣工程專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及到電、磁、熱和機械等綜合知識。毋庸置疑，課程教學效果對學生后期發(fā)展有深遠影響[1-7]。

隨著國家對海洋權(quán)益的日益重視，國家對海軍和海警的作戰(zhàn)水平和巡邏能力提出了更高的要求。動力部門作為艦艇的心臟，《電機學》是其一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，因此其重要性不言而喻。目前《電機學》教學面臨兩方面的基本問題：其一是海軍戰(zhàn)略調(diào)整，戰(zhàn)訓任務(wù)大幅增加，電機專業(yè)化特征凸顯，電機使用管理知識需求加大;其二是電機學課程的有效學時大幅度減少，嚴重影響教學效果。采用傳統(tǒng)的教學模式，即在教學內(nèi)容安排上按照典型電機結(jié)構(gòu)原理自然分篇，這是一種事例型教學，雖然可以使學生對《電機學》的基本內(nèi)容有所了解和掌握，但不能從總體上讓學生對其深刻理解和掌握。基于電氣工程專業(yè)電磁機械的學科基礎(chǔ)需求和《電機學》的專業(yè)化需求特征，以及《電機學》課程有效學時現(xiàn)狀，適時開展《電機學》課程模塊化教學內(nèi)容優(yōu)化研究，是十分必要的。該研究工作，對于有效解決《電機學》教學面臨的基本問題，培養(yǎng)高素質(zhì)特色學生具有重要意義。

一、電機結(jié)構(gòu)篇章

旋轉(zhuǎn)電機都有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，在定、轉(zhuǎn)子之間有一個儲存磁能的氣隙[8]。因此，在對電機結(jié)構(gòu)進行講解時，應(yīng)注意總結(jié)直流和交流電機在結(jié)構(gòu)上的共同點和區(qū)別。直流電機中定子由主磁極、機座和電刷等裝置組成，轉(zhuǎn)子是電樞，它由電樞鐵芯、電機繞組和換向器等部件構(gòu)成。交流電機根據(jù)應(yīng)用場合不同，可分為同步交流電機和感應(yīng)交流電機。感應(yīng)電機的定子由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成，其中，轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩類?；\型繞組是一閉合繞組，即轉(zhuǎn)子回路各參數(shù)如轉(zhuǎn)子電阻和漏感是常量。繞線型轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌有用絕緣導線組成的三相繞組，繞組的三個出線端接到轉(zhuǎn)軸上的三個集電環(huán)上，再通過電刷引出，即轉(zhuǎn)子繞組是開路的，可根據(jù)需要改變轉(zhuǎn)子電阻。按照結(jié)構(gòu)形式，同步電機可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式，旋轉(zhuǎn)電樞式的電樞放在轉(zhuǎn)子上，主磁極安裝在定子上，這種結(jié)構(gòu)在小型同步電機中得到一定的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，多用于高壓、大型的同步電機上。按照主極的形狀，旋轉(zhuǎn)磁極式電機又可分為隱極式和凸極式。隱極同步電機的定子由定子鐵芯、定子繞組、機座和端蓋等組成。凸極式同步電機通常分為臥式和立式兩種結(jié)構(gòu)。絕大部分同步電機、同步補償機和用內(nèi)燃機或沖擊式水輪機拖動的同步發(fā)電機都采用臥式結(jié)構(gòu)。低速、大容量的水輪發(fā)電機和大型水泵電動機則采用立式結(jié)構(gòu)。臥式同步電機的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機基本相同，定子亦有機座、鐵芯和定子繞組等部件組成;轉(zhuǎn)子則由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等部件組成。立式同步電機的定子繞組大多采用波繞組，轉(zhuǎn)子上除有勵磁繞組外，還裝有阻尼繞組。

綜上可知，無論是直流電機，還是交流電機（感應(yīng)電機和同步電機），其在結(jié)構(gòu)上存在一定的共性，也存在著一些明顯差異。因此，在電機結(jié)構(gòu)模塊教學中，核心內(nèi)容是按事例型教學的特點分析電機結(jié)構(gòu)，按照由簡單到復雜，由易到難的教學步驟，進一步完善和豐富電磁機械結(jié)構(gòu)的體系型教學特點，便于學生從總體上把握電機結(jié)構(gòu)。

二、電機原理篇章

對于本篇章，可以從電磁感應(yīng)定律出發(fā)，通過分析單根導線切割恒定磁場和單根導線在持續(xù)變化的磁場下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理，讓學生理解和掌握感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的內(nèi)在因素是什么：變化的磁場或運動的導體（多股導體通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成繞組）。在此基礎(chǔ)上，分析變壓器、直流電機和交流電機的工作原理，哪些是導體運動，哪些是磁場變化，以及哪些是導體和磁場都在變化。對于變壓器，可以看作是導體靜止，而磁場按照正弦規(guī)律發(fā)生變化，此時輸出的感應(yīng)電動勢與輸入電壓頻率相同，輸出電壓幅值隨著導體數(shù)量即繞組匝數(shù)的變化而變化。對于直流電機，在繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是交變的，由于直流電機中存在換向器，其作用相當于整流，使得輸出電壓為一正值。對于感應(yīng)交流電機，大多數(shù)是作為電動機應(yīng)用，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)速度不同，使得轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，閉合的轉(zhuǎn)子電路中產(chǎn)生電流，進而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩阻礙定子相對于轉(zhuǎn)子磁場的變化。同步交流電機主要作為發(fā)電機運用，當轉(zhuǎn)子繞組以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，勵磁電流建立主極磁場，并在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場切割定子繞組，進而產(chǎn)生頻率與旋轉(zhuǎn)磁場相同的激磁電動勢，其是通過改變磁場來獲得感應(yīng)電動勢的。

在電機原理模塊教學中，主要方法是按事例型教學的特點分析電機原理，并基于此構(gòu)建原理篇章，便于學生承續(xù)前期教學基礎(chǔ)并從總體上把握電機原理。

三、電機維護篇章

電機進行能量轉(zhuǎn)換過程中，電機內(nèi)部不可避免的會產(chǎn)生損耗，這一方面會影響電機的效率，另外一方面將使電機的溫升增加，縮短絕緣材料的使用壽命，輕者限制電機輸出，嚴重時會燒壞電機。因此，在教學中必須要讓學生深入了解和掌握電機是如何維護的。

在分析了電機溫升產(chǎn)生的原因之后，應(yīng)對電機散熱的主要途徑進行講解，電機散熱的主要途徑包括兩種：內(nèi)部傳導和外部冷卻。而對于內(nèi)部傳導散熱，牽涉到“熱阻”這一物理量，其與導熱體的熱導率、垂直于熱流的導熱面積和導熱體在熱流方向上的長度有關(guān)，因此，在考慮從電機內(nèi)部散熱時，應(yīng)盡可能地減小絕緣層的熱阻，可以從絕緣材料、導熱面積和導熱長度等方面具體改善傳熱性能。常用的內(nèi)部冷卻方式是采用空心導體，把冷卻介質(zhì)通入導體內(nèi)部直接將熱量帶走，冷卻介質(zhì)應(yīng)用較多的為氫氣或經(jīng)過處理的潔凈水，其中水的冷卻效果較佳。對于電機外部冷卻，可以采用自冷式、自扇冷式或他扇冷式。自冷式是通過電機部件表面的輻射和冷卻介質(zhì)的自然對流，把電機內(nèi)部的能量帶走，這種方法效率比較低;自扇式是將風扇固定在轉(zhuǎn)子上，電機轉(zhuǎn)動時，風扇跟隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的風壓強迫空氣流動，吹拂散熱表明，將熱量帶到外界。自扇冷式分為徑向通風式和軸向通風式兩種，徑向通風式具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，通風損耗較小和繞組與鐵芯沿軸向的溫升分布較為均勻的優(yōu)點，缺點是因風扇直徑受到限制導致風壓低;軸向通風式能夠裝設(shè)較大直徑的風扇來確保冷卻效果，不足之處是通風損耗較大，電機沿軸向溫升不均勻，出風端溫升較高。對于電機采用何種冷卻方式，應(yīng)根據(jù)其容量和實際應(yīng)用場合來考慮確定。

綜上，電機維護模塊教學中，主要是針對船舶中實際應(yīng)用的電機分析電機維護的內(nèi)容，探和總結(jié)電機維護的體系型教學特點，并基于電機維護篇章的具體內(nèi)容，便于學生從總體上把握電機維護體系的構(gòu)成和分類，有效掌握使用管理知識。

四、總結(jié)

《電機學》作為電氣工程及其自動化專業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課程，涵蓋了較多的知識內(nèi)容，包括變壓器、直流電機、交流電機和一些特殊電機等，這就要求教員必須熟練掌握和理解電機是如何設(shè)計的、它的結(jié)構(gòu)是什么、具體工作原理是什么以及它的應(yīng)用對象、場合是哪些和有哪些具體的維護措施。從這里我們就可以看出，《電機學》對于一個教員的知識積累的要求是非常嚴格和非常高的。只有在熟練掌握這些知識之后才能對《電機學》按照篇章實施課程篇章教學計劃。

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