电 机 学 实 验 教 学 探 索

齐文娟， 徐青菁， 孙 佳， 许少伦

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240)

0 引 言

电机学是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础课，而电机学实验是该课程的重要实践教学环节，其教学效果的好坏直接关系到学生对理论知识的理解、应用和专业实验能力的掌握[1-4]。过去电机学实验教学中存在机组和测量仪器布置分散、部分设备仪器落后，学生实验习惯和自主性差、实验方案单一等弊端，学生只是按照实验指导书的步骤进行机械式重复[5]，收获不理想[6]。

针对以上问题，进行了以提高实验教学效果，培养学生自主实践和工程实践意识为目的的探索，在实验平台和仪器、实验方案、实验规范化管理以及实验过程的引导和把控等方面进行改善。在已有机组设备的基础上进行实验平台和测量仪器更新，引入多种实验方案和测量手段。在实验教学的各环节包括课前教育、习惯培养、实验安排、实验报告管理、网站建设等方面进行完善，促进实验规范化管理。在实验准备和实验过程指导等多方面进行合理引导，帮助同学克服畏难情绪，激发同学独立思考与实践。

1 电机学实验的目标和任务

电机学实验的目标在于通过实验的方法来验证和研究电机学理论，增强感性认识以促进认识的深化，培养学生科学的分析能力，使学生掌握电机学实验的操作方法和基本技能；培养学生严肃认真和实事求是的科学作风，锻炼科学实验的能力[7]。

课程的任务包括掌握变压器、感应电机、同步电机、直流电机的参数获取和特性测试方法。掌握电机和常用测试仪器的操作方法。掌握实验数据处理、问题分析、基本故障排除的能力。

2 实验平台和实验方案更新

2.1 实验平台更新

积极推进实验设备的更新，保证安全性和先进性。实验设备采用大功率电机，同时电压通常高于100 V，属于强电实验，安全问题应当引起重视。过去设备仪器零散放置，接线接头部分裸露在外，同时不具有电压电流保护功能，存在安全隐患。另外电压表、电流表、功率表等仪表使用指针式仪表，设备陈旧。如果直接购买现有电机学实验设备，通常是实验台和机组配套的设备，已有的机组、电阻箱、调压器等设备将不能再使用，造成浪费，也不能根据个性化的需求增加功能。考虑到成本和功能需要，实验室利用已有的机组、电抗器、调压器、电阻箱等设备，设计实验台，将电源、仪表、设备的接线部件集成于实验平台内，同时具有过流保护，堵转限压，失磁保护等功能。将调压器、电抗器、变压器内置于实验台里面，机组布置于实验台后面。导线采用封闭式导线，接线只需要在实验台上完成，这样既方便了实验接线，又保证了安全性。将指针式仪表如电压表、电流表和功率表更换为数字式仪表。实验平台实物图见图1。

2.2 实验仪器更新

在条件允许的情况下，引入多种测试方案并进行相关仪器更新，开拓同学视野。使用直流低电阻测试仪测试变压器高压侧和低压侧电阻，同学对变压器电阻的数量级以及直流低电阻测试仪的使用有了认识，解决了之前使用万用表测试不准确的问题，见图2。使用带外壳的滑动变阻器进行同步电机并网时无功功率的调节实验，避免了安全隐患，滑动变阻器照片见图3。同步电机负载特性测定使用的三相饱和电抗器采用直流稳压电源供电，避免之前和电机电枢电源共用的安全问题。另外使用示波器加电流探头观察电机电流波形，可以进行变压器激磁电流的波形观察和分析，加深对电机特性的理解，图4为电流探头照片。同时配备非接触激光转速表(见图5)，供同学了解不同的转速测试方法。

图2 使用直流低电阻测试仪测量变压器绕组电阻

图3 封闭外壳滑动变阻器

图4 电流探头

图5 非接触激光转速表

2.3 实验方案更新

对已有的机组实验方案、仪表和直流电源等进行了更新和改善。原有的异步电机-直流发电机(永磁测功机)的方案继续保留，同时引入异步电机-转矩传感器-磁粉制动器的机组方案，同学可以了解不同形式负载的测试和特性计算方法。两种机组照片见图6。对于不同的机组实验台的接线和测试部件、加载方式以及测量方式有所区别。对于异步电机-直流发电机机组使用光电编码器作转速测试，通过改变直流测功机内的励磁电流调节负载转矩，转矩直接通过测功机指针读取。对于异步电机-转矩传感器-磁粉制动器机组，通过张力控制器调节磁粉制动器的负载转矩大小，力矩和转速直接通过转矩转速测量仪读取。

(a) 磁粉制动器机组

(b) 直流测功机机组

3 实验规范化管理

为了培养良好的实验习惯，克服畏难情绪，激发学习兴趣，培养独立能力，在以下环节进行改善，促成实验规范化管理。

(1) 课前介绍。在学期实验之前介绍电机学实验特点和安全注意事项、实验报告要求和提交方式、教师联系方式等同学比较关心的问题。规范化的引导，引起同学对安全问题和实验内容的重视。

(2) 实验习惯培养。电机学实验可以培养同学的工程实践意识，同时需要在实验时有意培养良好的实验习惯。以往存在各个实验桌之间导线乱拿，实验结束后导线缺少、仪器仪表没有正常关闭等现象。通过采用实验后教师对照实验检查表检查(见表1)，对没有按照要求进行的项目扣分，检查后再签到的方式，解决了以上的问题。每台实验台的设备和导线均贴上标签，便于管理。

(3) 实验安排。时间安排上结合课程的具体进度进行合理安排。为了避免实验批次之间不平衡，要求同学在时间冲突需要调整时提前找其他同学调换。同时考虑到学生的特殊情况，对于个别生病、出国交流等不可抗力造成的实验未完成的情况，给予补做的机会。

(4) 实验报告管理。采用电子版提交FTP的方式。给出电子实验报告模板，筛选合适的内容，尽量做到内容简洁，重点内容突出，节约同学时间，避免无意义重复劳动。设计启发意义的思考题，激发同学独立思考能力。

表1 实验检查表

(5) 网站建设。实现电子化资源管理，提供多样化资源供同学利用。实验教学中心网站提供课程课件、教学视频、实验指导书、实验报告模板以及仪器使用说明书等，供同学预习和复习使用，见图7。网站同时起到发布实验通知的作用，方便教学过程的进行。

图7 电气工程实验教学中心网站

(6) 实验安全保证。一方面是设备的保证，导线封闭、实验设备的保护功能、电源的限流功能等。另一方面，每次实验强调安全操作要求，如不带电接线、不带电拆线，旋转电机操作要求不过载运行等。

4 实验过程的引导和把控

(1) 实验准备。为保证实验过程顺利进行，实验前教师对每台设备进行预实验，了解不同实验台设备的特点，提前了解实验现象，才能在同学有问题时给与及时解答。例如部分实验台异步电机启动电流很大，电机仍未旋转，同学会以为设备故障而断电中断实验。实际上继续升高电压，电机即可启动。又如三相变压器实验，开始上电电压较低时，有一相电流为零，同学可能以为是电流表损坏或者接线问题，实际上是由于磁路不对称导致的电流不平衡，当电压较小时，较小一相电流显示为零。另外，对于不同的实验台的设备，由于电阻箱情况有区别，能做到的负载点也不同，因此每台设备进行调试和预实验十分必要。需要根据具体情况有针对性地进行实验讲解准备。

(2) 实验讲解。讲解过程中应当突出重点，给予解释，激发自主思考，克服畏难情绪。在实验进行前，强调安全问题。另外需要详细介绍停机步骤、脱网步骤和接线原则等。实践证明，为了提高教学效果，不仅需要告知怎么做，而且解释为什么这么做，即着重于对实验内容、实验现象、以及操作原因的解释，可以加强理解和记忆，克服畏难情绪，激发兴趣，同学可以在原理层面了解操作背后的原因，实验时主动性加强，避免了缺乏思考只是机械式地复制实验步骤，减少误操作。同时培养了学生的规范化操作意识，避免了实验设备的损耗与损坏。如对同步电机励磁电源断电操作步骤的解释，加深了同学对电感电流不能突变知识的理解和应用，避免了对电源的损坏。对直流电机飞车现象的解释，避免停机误操作导致的危险。同步电机脱网条件的解释，帮助同学在实验操作时有意识地把握和理解操作顺序。对于课程未涉及但实验需要用到的内容，进行知识补充。如进行同步电机实验时，直流电机的内容尚未讲解，但作为同步机的原动机，需要实验时进行电机启动操作，有必要对直流电机的部分内容进行补充，帮助同学理解。另外讲解时有意识地引导同学关注和理解电机的额定参数，并根据额定参数设定实验测试范围、进行仪表量程选择等。并对实验前提条件进行理解(如同步机实验转速恒定)。针对实验中出现的特殊现象进行引导和提问，如变压器三相不对称，停机步骤的原因，负载调节机理，磁路不对称导致的验证问题，激发同学自主思考。

(3) 实验过程指导。对于强电、大电机实验，由于安全性问题，指导教师实验过程中应当保持警惕，观察同学实验中是否存在带电接线、带电拆线、靠近转轴等危险行为，及时给予警示。另外对于操作是否规范，理解有误导致的超过仪表量程和机组额定负载的情形也应给予及时提醒。同时对于同学的提问，应积极进行引导，鼓励独立解决，适时给予解释。

(4) 实验数据核查。仔细核查数据，对于有问题或者缺少数据的进行内容补做。对有问题的数据进行分析，给出原因，如对于因为操作问题导致的实验条件未满足的也应补做。例如没有做到额定点，又如并励直流电动机调速实验时未保证负载转矩不变以至于测出来的电枢电流变化趋势不正确等。

(5) 实验报告反馈。根据同学实验报告的情况，对于常犯的错误或者理解有偏差的问题在下次实验时给予反馈和提醒。

(6) 实验指导书修正。指导书的步骤尽可能详尽，如脱网步骤、励磁电源归零、停机顺序等。不断根据同学的实验情况修正容易产生误解的内容，其中对各个变量的说明具体没有歧义，对于实验的顺利进行十分重要。如将三相同步发电机定子电流修改为三相同步发电机三相交流电流，避免和励磁电流相混淆造成调节错误。

5 问题和展望

虽然在以上各个方面进行了改进，取得了一定的教学效果，但目前仍存在需要拓展和完善的内容。如当前各高校的电机学实验仍然以传统电机为主，对于目前使用日益广泛的永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等电机缺少相应的电机认识和测试实验。同时实验内容多为电机电磁特性测试，缺少温升测试等其他方面的测试内容。为了进一步丰富实验内容，使得电机学实验结合当今主流工业应用，在实验对象、实验内容以及实验手段方面可在以下方向进一步拓展。

(1) 实验对象拓展。对于传统电机之外的永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、开关磁通电机等电机适当引入相关实验，如电机结构认识实验，手工绕线实验，电机组装实验，反电势测量实验，霍尔信号和相序测量实验等，帮助同学对当今主流电机的结构以及电磁特性有基本认识。这需要对电机学课堂知识进行相应的补充，同时准备相应的实验硬件条件。

(2) 实验内容拓展。除了基本的空载负载特性实验外，拓展进行电机温升实验、绝缘电阻测试、振动噪声测试实验等[8-11]。这需要配备相应的温度计、热像仪、振动噪声测试仪等。

(3) 实验手段拓展。引入实物实验和仿真实验相结合的手段。如结合Matlab或者电机电磁场仿真软件[12-15]，搭建电机系统模型深入分析电机特性，增进对理论知识的理解，提升实验效果。

6 结 语

电机学实验作为电气工程传统的实验课程，具有相对成熟的实验设备和实验内容，但仍然需要根据实验的目标、存在的问题以及电机理论和应用的发展进行相应的完善和更新。本文针对电机学实验教学进行探索，进行了实验平台、仪器和实验方案更新，在实验教学的规范化管理和实验过程的引导和把控等方面进行了有针对性地改革，并针对当今电机学实验普遍存在的实验对象局限、实验内容不够全面、实验手段拓展等问题提出了后续拓展和完善的内容。实践教学表明，使用更新后的实验设备、仪器和实验方案，可以使得同学接触当今业界工程技术同步的设备和技术，开拓同学的视野，教学过程中采取的举措加深了同学对理论知识的理解和应用，培养了良好的实验习惯，有助于更好地培养学生自主思考实践和工程实践意识。