夏益輝 張俊洪 趙鏡紅 高嵬 王鐵軍 方芳

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

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué);模塊化教學(xué)，結(jié)構(gòu)篇章;原理篇章;維護(hù)篇章

中圖分類號(hào)：G642 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）07-0150-02

《電機(jī)學(xué)》講授典型電磁機(jī)械的結(jié)構(gòu)原理及使用維護(hù)知識(shí)，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(jī)械等綜合知識(shí)。毋庸置疑，課程教學(xué)效果對(duì)學(xué)生后期發(fā)展有深遠(yuǎn)影響[1-7]。

隨著國(guó)家對(duì)海洋權(quán)益的日益重視，國(guó)家對(duì)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(dòng)力部門(mén)作為艦艇的心臟，《電機(jī)學(xué)》是其一門(mén)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(jī)學(xué)》教學(xué)面臨兩方面的基本問(wèn)題：其一是海軍戰(zhàn)略調(diào)整，戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)大幅增加，電機(jī)專業(yè)化特征凸顯，電機(jī)使用管理知識(shí)需求加大;其二是電機(jī)學(xué)課程的有效學(xué)時(shí)大幅度減少，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即在教學(xué)內(nèi)容安排上按照典型電機(jī)結(jié)構(gòu)原理自然分篇，這是一種事例型教學(xué)，雖然可以使學(xué)生對(duì)《電機(jī)學(xué)》的基本內(nèi)容有所了解和掌握，但不能從總體上讓學(xué)生對(duì)其深刻理解和掌握?；陔姎夤こ虒I(yè)電磁機(jī)械的學(xué)科基礎(chǔ)需求和《電機(jī)學(xué)》的專業(yè)化需求特征，以及《電機(jī)學(xué)》課程有效學(xué)時(shí)現(xiàn)狀，適時(shí)開(kāi)展《電機(jī)學(xué)》課程模塊化教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化研究，是十分必要的。該研究工作，對(duì)于有效解決《電機(jī)學(xué)》教學(xué)面臨的基本問(wèn)題，培養(yǎng)高素質(zhì)特色學(xué)生具有重要意義。

一、電機(jī)結(jié)構(gòu)篇章

旋轉(zhuǎn)電機(jī)都有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，在定、轉(zhuǎn)子之間有一個(gè)儲(chǔ)存磁能的氣隙[8]。因此，在對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解時(shí)，應(yīng)注意總結(jié)直流和交流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)和區(qū)別。直流電機(jī)中定子由主磁極、機(jī)座和電刷等裝置組成，轉(zhuǎn)子是電樞，它由電樞鐵芯、電機(jī)繞組和換向器等部件構(gòu)成。交流電機(jī)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可分為同步交流電機(jī)和感應(yīng)交流電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)的定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)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(dǎo)線組成的三相繞組，繞組的三個(gè)出線端接到轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)集電環(huán)上，再通過(guò)電刷引出，即轉(zhuǎn)子繞組是開(kāi)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(jī)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(jī)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(jī)上。按照主極的形狀，旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)又可分為隱極式和凸極式。隱極同步電機(jī)的定子由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座和端蓋等組成。凸極式同步電機(jī)通常分為臥式和立式兩種結(jié)構(gòu)。絕大部分同步電機(jī)、同步補(bǔ)償機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)。低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和大型水泵電動(dòng)機(jī)則采用立式結(jié)構(gòu)。臥式同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)基本相同，定子亦有機(jī)座、鐵芯和定子繞組等部件組成;轉(zhuǎn)子則由主磁極、磁軛、勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等部件組成。立式同步電機(jī)的定子繞組大多采用波繞組，轉(zhuǎn)子上除有勵(lì)磁繞組外，還裝有阻尼繞組。

綜上可知，無(wú)論是直流電機(jī)，還是交流電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)），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(jī)結(jié)構(gòu)模塊教學(xué)中，核心內(nèi)容是按事例型教學(xué)的特點(diǎn)分析電機(jī)結(jié)構(gòu)，按照由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由易到難的教學(xué)步驟，進(jìn)一步完善和豐富電磁機(jī)械結(jié)構(gòu)的體系型教學(xué)特點(diǎn)，便于學(xué)生從總體上把握電機(jī)結(jié)構(gòu)。

二、電機(jī)原理篇章

對(duì)于本篇章，可以從電磁感應(yīng)定律出發(fā)，通過(guò)分析單根導(dǎo)線切割恒定磁場(chǎng)和單根導(dǎo)線在持續(xù)變化的磁場(chǎng)下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理，讓學(xué)生理解和掌握感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的內(nèi)在因素是什么：變化的磁場(chǎng)或運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體（多股導(dǎo)體通過(guò)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(jī)和交流電機(jī)的工作原理，哪些是導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，哪些是磁場(chǎng)變化，以及哪些是導(dǎo)體和磁場(chǎng)都在變化。對(duì)于變壓器，可以看作是導(dǎo)體靜止，而磁場(chǎng)按照正弦規(guī)律發(fā)生變化，此時(shí)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與輸入電壓頻率相同，輸出電壓幅值隨著導(dǎo)體數(shù)量即繞組匝數(shù)的變化而變化。對(duì)于直流電機(jī)，在繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變的，由于直流電機(jī)中存在換向器，其作用相當(dāng)于整流，使得輸出電壓為一正值。對(duì)于感應(yīng)交流電機(jī)，大多數(shù)是作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度不同，使得轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，閉合的轉(zhuǎn)子電路中產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩阻礙定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的變化。同步交流電機(jī)主要作為發(fā)電機(jī)運(yùn)用，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁電流建立主極磁場(chǎng)，并在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)切割定子繞組，進(jìn)而產(chǎn)生頻率與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同的激磁電動(dòng)勢(shì)，其是通過(guò)改變磁場(chǎng)來(lái)獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的。

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

三、電機(jī)維護(hù)篇章

電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電機(jī)內(nèi)部不可避免的會(huì)產(chǎn)生損耗，這一方面會(huì)影響電機(jī)的效率，另外一方面將使電機(jī)的溫升增加，縮短絕緣材料的使用壽命，輕者限制電機(jī)輸出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞電機(jī)。因此，在教學(xué)中必須要讓學(xué)生深入了解和掌握電機(jī)是如何維護(hù)的。

在分析了電機(jī)溫升產(chǎn)生的原因之后，應(yīng)對(duì)電機(jī)散熱的主要途徑進(jìn)行講解，電機(jī)散熱的主要途徑包括兩種：內(nèi)部傳導(dǎo)和外部冷卻。而對(duì)于內(nèi)部傳導(dǎo)散熱，牽涉到“熱阻”這一物理量，其與導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)率、垂直于熱流的導(dǎo)熱面積和導(dǎo)熱體在熱流方向上的長(zhǎng)度有關(guān)，因此，在考慮從電機(jī)內(nèi)部散熱時(shí)，應(yīng)盡可能地減小絕緣層的熱阻，可以從絕緣材料、導(dǎo)熱面積和導(dǎo)熱長(zhǎng)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(dǎo)體，把冷卻介質(zhì)通入導(dǎo)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(guò)處理的潔凈水，其中水的冷卻效果較佳。對(duì)于電機(jī)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(guò)電機(jī)部件表面的輻射和冷卻介質(zhì)的自然對(duì)流，把電機(jī)內(nèi)部的能量帶走，這種方法效率比較低;自扇式是將風(fēng)扇固定在轉(zhuǎn)子上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇跟隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的風(fēng)壓強(qiáng)迫空氣流動(dòng)，吹拂散熱表明，將熱量帶到外界。自扇冷式分為徑向通風(fēng)式和軸向通風(fēng)式兩種，徑向通風(fēng)式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，通風(fēng)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(diǎn)，缺點(diǎn)是因風(fēng)扇直徑受到限制導(dǎo)致風(fēng)壓低;軸向通風(fēng)式能夠裝設(shè)較大直徑的風(fēng)扇來(lái)確保冷卻效果，不足之處是通風(fēng)損耗較大，電機(jī)沿軸向溫升不均勻，出風(fēng)端溫升較高。對(duì)于電機(jī)采用何種冷卻方式，應(yīng)根據(jù)其容量和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)考慮確定。

綜上，電機(jī)維護(hù)模塊教學(xué)中，主要是針對(duì)船舶中實(shí)際應(yīng)用的電機(jī)分析電機(jī)維護(hù)的內(nèi)容，探和總結(jié)電機(jī)維護(hù)的體系型教學(xué)特點(diǎn)，并基于電機(jī)維護(hù)篇章的具體內(nèi)容，便于學(xué)生從總體上把握電機(jī)維護(hù)體系的構(gòu)成和分類，有效掌握使用管理知識(shí)。

四、總結(jié)

《電機(jī)學(xué)》作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課程，涵蓋了較多的知識(shí)內(nèi)容，包括變壓器、直流電機(jī)、交流電機(jī)和一些特殊電機(jī)等，這就要求教員必須熟練掌握和理解電機(jī)是如何設(shè)計(jì)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(duì)象、場(chǎng)合是哪些和有哪些具體的維護(hù)措施。從這里我們就可以看出，《電機(jī)學(xué)》對(duì)于一個(gè)教員的知識(shí)積累的要求是非常嚴(yán)格和非常高的。只有在熟練掌握這些知識(shí)之后才能對(duì)《電機(jī)學(xué)》按照篇章實(shí)施課程篇章教學(xué)計(jì)劃。

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