东南大学试谈电机学课程体系改革

试谈电机学课程体系改革

胡虔生　胡敏强

（东南大学电气工程学院，江苏南京，210096）

【摘要】　电机学是电气工程类专业的一门主干课。通过介绍《电机学》教材的编写思想，针对电机学课程体系改革和当前教学中的一些问题，阐述了课程的基本内容和要求，基本分析方法和使用，学习中的难点问题及其解决办法，并举例说明之，为课程体系改革提供了思路和做法，构建了一个良好的“平台”。

【关键词】　电机学　课程体系　分析方法　教材

【中图分类号】　TM301；G642．41　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2006）03－0006－03

1．引言

在课程建设中教材是核心，它规范本课程的基本教学内容，指导各个教学环节，决定本课程的教学体系。电机学是电气工程类专业的一门主干课，该课程当前的主要问题是课程内容较多，而学时较少；涉及面较宽，教学的难度较大。普遍反映电机学是该专业一门较难教难学的课程。电机学是处于基础课到专业课之间的课程，它不同于已学过的数学、物理等基础课，也不同于后面学的如电力系统等专业课，它既要了解电机的一般结构，又要较深入理解其原理与特性，它是将电、磁、力学等各方面知识综合起来，理论与实际紧密结合的一门课程，其基本概念较多，又有相当数量的工程计算问题。因此，我们要认识该课程的特点，明确课程任务，加深对教材的理解，要准确定位。本文通过介绍普通高等教育“十五”国家级规划教材《电机学》的编写思路，讨论电机学课程体系的改革。

2．电机学的基本课程内容

电机学以通用变压器、异步电机、同步电机和直流电机四种电机为主要研究对象，抓住每种电机的四个基本要求：基本结构和用途；基本作用原理；基本特性；基本分析方法，其中以基本作用原理与稳态特性为主。以教材中同步电机篇为例，有五个知识点：（1）同步电机的基本结构；（2）同步电机的基本理论分析；（3）同步电机的运行；（4）同步电机不对称运行；（5）同步电机的突然短路。本篇以（2）、（3）为重点，掌握同步电机的磁场分析、同步电机的参数、同步发电机稳态运行特性。对于初学同步电机结构，只要求了解与旋转电机原理相关的基本结构，即定子与转子两大部分，其中定子绕组、转子绕组以及滑环等组成电路，定子硅钢片和转子导磁铁芯等组成的磁路是同步电机结构的主要部分，而一些结构细节不必追究。因此，教材中压缩了结构方面的内容，将（1）、（2）两部分内容合并成一章。同步电机不对称运行和突然短路等是电机学不可缺少的组成部分，也是为本专业后续课打好基础，但是对于初学者较难掌握。因此，首先讲清物理概念，用与前面变压器类同的方法，着重分析旋转电机与变压器不同之处，如各序阻抗与等效电路图不同，突然短路瞬态、超瞬态电抗的变化等，由简到繁，逐步深入，以定性分析为主。

其他变压器、异步电机、直流电机与同步电机的基本要求类同。电机是一种与电能生产、输送和应用有关的能量转换装置，它的基本理论都是建立在电磁感应原理上，有交流电机又有直流电机，有不动的变压器又有旋转电机，因此电机学的基本内容和特性综合性很强，既有电磁特性又有机械特性。各类电机使用场合不同，结构不同，磁场特性各异，电机适应负载的特性各不相同，逐一研究，对比分析，其基本规律是相同的，但表现形式是丰富多彩的，通过四类电机的学习，对电机及电磁构件的工作原理、运行特性和使用有一总体了解。

3．电机的基本分析方法

分析方法是电机学的主要内容。电机分析都是从电磁场入手，针对不同的对象进行研究，其基本分析方法是相通的。稳态性能是电机学研究的主要内容，通常指处于对称和正弦理想状态，用电路方程式、等效电路和相量图三种方法。各类电机有所侧重，如变压器、异步电机侧重于等效电路，同步电机侧重于相量图，直流电机侧重于电路方程式；用对称分量法分析三相变压器和交流电机的不对称运行，用双反应法分析凸极同步电机磁路不对称问题；非正弦问题近似用线性叠加原理，用傅里叶级数进行分解，分解成基波和谐波，这些基本分析方法具有普遍意义，能帮助我们分析其他电机及电磁构件（见表1）。其实电机的分析方法远不止这些，如交流电机的暂态和稳态可用派克变换、克拉克变换、顾氏变换和莱昂变换来分析，对电机绕组内部不对称问题可用多回路理论和方法，还有如电机内电磁场分析方法，MATLAB仿真方法等，这些不是我们现在学习的内容，但适当的介绍对学生有启迪作用。

表1　《电机学》中电机分析方法

4．电机学难点问题及其解决办法

对于初学者电机学的主要难点可归纳为以下几个方面：

（1）电机结构和绕组

电机学是一门结合电机结构讲原理的课程，结构并不是重点，讲堂上也不可能花比较多时间去讲，但是若不了解结构，原理也就无法理解。要抓住要点，抓住特点讲结构，要结合原理讲结构，课堂用多媒体教学，制作动画，运用新的电机模型，展示结构和绕组构成，帮助学生初步了解电机的结构框架，建立相应的空间概念，再在电机实习和实验中经过亲身感受加深了解。对于交流和直流电机绕组要求要适当，着重于绕组对产生感应电动势和磁动势的大小、方向的影响，淡化绕组的绕法。

（2）电机计算题

电机学是通过课堂上讲原理为主，要求学生在课后理解基础上，参考例题，做好习题。开始学生对此不适应，习惯于上课讲例题，课后做习题，我们从提高学生自学能力和解题能力出发，积极引导，介绍学习方法，加强辅导，认真批改每一个人作业，帮助学生克服困难。根据长期教学经验，在教材中不断调整和精选例题、思考题和习题。此外，还编写出版了电机学习题教材，提供更多解题思路，取得了良好的效果。在习题教材的修订本中专门介绍了MA　TLAB解题方法，它对于解复杂的数学问题很有帮助，可以使许多电机问题的分析更深入、细致和全面，又能提高学生的学习兴趣。

（3）几个难点问题

①谐波问题，如三相绕组磁动势的空间谐波和时间谐波问题，三相变压器绕组连接法及其磁路系统对电动势波形的影响，异步电机谐波转矩等。②不对称问题，如三相异步电动机在不对称电压下运行、同步发电机不对称运行等。③瞬态过程，如变压器的瞬变过程，同步电机的突然短路等，还有如异步电机的绕组归算和频率归算，同步发电机的有功和无功调节，直流电机的换向等问题。这些问题是电机学的基本内容，不可回避，它也是电气工程类专业的基本概念，也是学生在本课程中首次遇到的，因此，学生感到较难掌握。对此，我们启发学生要他们对每一个问题要搞清楚它的来龙去脉，它的前提是什么，哪些假设发生了变化；用什么方法去解决；产生的结果是什么。例如三相绕组磁动势的空间谐波问题的学习应按下述顺序进行：①产生原因　一相绕组流入交流电流产生脉动的阶梯波磁动势，按傅里叶级数分解为基波和各次奇次谐波，谐波分量就是产生空间谐波的原因；②分析方法　与基波磁场分析方法相同，各次谐波的合成磁场也是圆形旋转磁场，但是要注意幅值大小，旋转速度大小，方向的变化；③合成结果　基波磁场和各次谐波旋转磁场在气隙中合成，其中基波磁动势是主要的，但是高次谐波，特别是次数较低的5次、7次谐波磁动势的影响也不可忽略。

5．结语

电机学课程体系的改革是长期的艰巨的工作，它取决于专业的发展和学科的发展，教材建设是重要的方面，东南大学电机学教材有优良传统，本文就“十五”国家级规划教材《电机学》编写中的一些做法进行了说明，要完成课程体系改革重任，教材仅是提供的一个良好“平台”，今后的工作还很多，如完善多媒体课件和网络课程，进一步提高实验和实习的质量等，需要师生共同努力，踏踏实实地学习与工作，在今后教学实践中不断探索，以取得更大的成功。

参考文献：

［1］　胡虔生，胡敏强．电机学［M］．北京：中国电力出版社，2005

［2］　A．E．Fitzgerald，等著；刘新正，等译．电机学（第六版）［M］．北京：电子工业出版社，2004

［3］　陈珩．同步电机运行基本理论与计算机算法［M］．北京：水利电力出版社，1992

［4］　高景德，等．交流电机及其系统的分析［M］．北京：清华大学出版社，1993

［5］　胡虔生．电机学试题分析与习题［M］．北京：中国电力出版社，2002

［6］　郑君里．试谈电工程与信息科学领域课程教学改革［J］．电气电子教学学报，2006，28（1）：1－5

（原载于《电气电子教学学报》，2006年第3期）