比較法在電機(jī)教學(xué)中的運(yùn)用

摘要：在電機(jī)教學(xué)中運(yùn)用比較法，對(duì)電路和磁路、各種電機(jī)工作原理、基本方程、各種特性進(jìn)行了系統(tǒng)的比較分析，進(jìn)一步對(duì)電樞反應(yīng)、等效電路、異步電機(jī)與變壓器的聯(lián)系、異步電機(jī)與同步電機(jī)的聯(lián)系、電機(jī)特性等問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了自己的見(jiàn)解。比較教學(xué)法對(duì)于電機(jī)教學(xué)是非常有效和必要的，可幫助學(xué)生將各種電機(jī)知識(shí)融會(huì)貫通，顯著提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電機(jī)教學(xué)；比較法；電機(jī)工作原理

作者簡(jiǎn)介：劉慧芳（1975-），女，江西宜春人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，講師；王振華（1975-），男，河南周口人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，講師。（北京 100083）

基金項(xiàng)目：本文系中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金預(yù)研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2-9-2012-38）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）25-0089-02

俄國(guó)教育家烏申斯基說(shuō)：“比較是一切理解、發(fā)現(xiàn)和思維的基礎(chǔ)，我們正是通過(guò)比較來(lái)了解世界上的一切的。”比較就是確定事物同異關(guān)系的思維過(guò)程和方法，有比較才能有鑒別，有鑒別才能有發(fā)現(xiàn)，有創(chuàng)新。任何事物的特點(diǎn)必須在相互比較中才能充分地顯示出來(lái)。

電機(jī)學(xué)是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，以先修課程大學(xué)物理、電路、高等數(shù)學(xué)等為基礎(chǔ)，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程電力拖動(dòng)自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)分析、電力電子技術(shù)、供電技術(shù)等做鋪墊，因此這門(mén)課程在整個(gè)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中占有重要地位。電機(jī)學(xué)涉及到電路、磁場(chǎng)、機(jī)械等方面，特別是繞組連接問(wèn)題和磁場(chǎng)問(wèn)題較為復(fù)雜。各種電機(jī)的知識(shí)點(diǎn)名稱(chēng)有許多相同之處，例如電機(jī)結(jié)構(gòu)、基本方程式、相量圖、等值電路、效率、工作特性、運(yùn)行特性、機(jī)械特性、電樞反應(yīng)、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩等等。學(xué)生往往感覺(jué)這些知識(shí)點(diǎn)容易混淆，難以融會(huì)貫通。比較教學(xué)法則是解決這些難題的利器。

在電機(jī)教學(xué)中，比較教學(xué)法可為學(xué)生搭建理解不同類(lèi)型電機(jī)知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系的橋梁，幫助學(xué)生將各種電機(jī)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，避免理解浮于表面、知識(shí)點(diǎn)孤立的狀態(tài)。下面運(yùn)用比較法對(duì)電機(jī)課程中知識(shí)點(diǎn)的異同之處進(jìn)行較為系統(tǒng)全面的歸納總結(jié)，供讀者參考。

一、比較法在電機(jī)教學(xué)中的運(yùn)用舉例

1.電路和磁路的比較

電機(jī)分析包括電路分析和磁路分析，這二者非常相似。如表1所示：

其中磁路的基爾霍夫第一定律是指任一閉合曲面的流入磁通與流出磁通相等；磁路的基爾霍夫第二定律是指任一閉合磁路各段的磁動(dòng)勢(shì)或磁壓降代數(shù)和為零。

讓學(xué)生通過(guò)熟悉的電路來(lái)理解磁路，既能降低學(xué)習(xí)難度，又能加深對(duì)磁路的理解，從而為各種電機(jī)原理的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.電機(jī)工作原理的比較

直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)、變壓器是四大基本電機(jī)類(lèi)型，其中變壓器為靜止電機(jī)，其余為旋轉(zhuǎn)電機(jī)。從其最本質(zhì)的工作原理來(lái)說(shuō)，所遵循的基本物理定律都是電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。各種電機(jī)工作原理比較見(jiàn)表2：

3.電機(jī)中的平衡關(guān)系比較

電機(jī)學(xué)中存在許多平衡關(guān)系，包括能量守恒、電壓平衡、磁勢(shì)平衡、轉(zhuǎn)矩平衡等。下面進(jìn)行具體說(shuō)明。

（1）能量守恒。這是自然界的普遍規(guī)律，電機(jī)當(dāng)然也不例外。電機(jī)的輸入功率等于輸出功率與電機(jī)中各種損耗功率之和，常用功率流程圖來(lái)表示。其各種損耗基本相同，包括繞組的銅耗，對(duì)直流電機(jī)和同步電機(jī)而言為電樞繞組，對(duì)異步電機(jī)而言為定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組，對(duì)變壓器而言為高壓繞組與低壓繞組；鐵磁損耗，包括磁滯損耗、渦流損耗、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械損耗、附加損耗等。各種電機(jī)均為可逆電機(jī)，有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)或升壓變、降壓變兩種運(yùn)行狀態(tài)。

（2）電壓平衡、磁勢(shì)平衡、轉(zhuǎn)矩平衡。這些平衡關(guān)系從本質(zhì)上說(shuō)根源于能量守恒，表現(xiàn)為電機(jī)的基本方程式、等效電路和相量圖。三者是完全等價(jià)的，只是表現(xiàn)形式不同。電壓平衡、磁勢(shì)平衡表現(xiàn)在所有電路中，轉(zhuǎn)矩平衡體現(xiàn)在所有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)體上。限于篇幅，讀者可自行歸納總結(jié)。

4.電機(jī)特性比較

通常發(fā)電機(jī)的特性稱(chēng)為運(yùn)行特性，電動(dòng)機(jī)的特性稱(chēng)為工作特性和機(jī)械特性。通過(guò)查閱不同版本的電機(jī)教材，筆者發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)國(guó)內(nèi)教材都是這樣進(jìn)行區(qū)分的，[3-5]而國(guó)外教材并不強(qiáng)調(diào)是運(yùn)行特性還是工作特性。[6-7]文獻(xiàn)[8]中則統(tǒng)稱(chēng)為運(yùn)行特性，然后將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性又分為工作特性和機(jī)械特性。筆者認(rèn)為“運(yùn)行”和“工作”并無(wú)實(shí)質(zhì)區(qū)別，故運(yùn)行特性和工作特性的區(qū)分并無(wú)意義。限于篇幅，請(qǐng)讀者自行歸納總結(jié)。還可按發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種類(lèi)型來(lái)比較，其中變壓器對(duì)于負(fù)載而言相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，故可歸入發(fā)電機(jī)一類(lèi)。還可按照各種電機(jī)的發(fā)電和電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行比較。

5.典型問(wèn)題分析

問(wèn)題一：為何直流電機(jī)和同步電機(jī)有電樞反應(yīng)，而異步電機(jī)沒(méi)有電樞反應(yīng)？

這要從電機(jī)磁場(chǎng)說(shuō)起。直流電機(jī)和同步電機(jī)都有專(zhuān)門(mén)的勵(lì)磁繞組，且均為直流勵(lì)磁，其中沒(méi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。區(qū)別在于：直流電機(jī)勵(lì)磁繞組一般位于定子，同步電機(jī)勵(lì)磁繞組一般位于轉(zhuǎn)子。文獻(xiàn)[1]指出：電樞是相對(duì)于磁極而存在的，電樞是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、通過(guò)電流、產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的部分，而異步電機(jī)的定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組都產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，都通過(guò)電流，其中沒(méi)有哪一個(gè)繞組是專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生磁場(chǎng)的，因此感應(yīng)電機(jī)只有定子與轉(zhuǎn)子之區(qū)分，沒(méi)有電樞與磁極之區(qū)分。因此異步電機(jī)沒(méi)有電樞反應(yīng)問(wèn)題。另外，文獻(xiàn)[2]對(duì)電樞反應(yīng)的定義進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的分析，指出電樞磁場(chǎng)并不能影響勵(lì)磁磁場(chǎng)，電樞反應(yīng)概念的真正含義應(yīng)該是“電樞繞組產(chǎn)生電樞磁勢(shì)的現(xiàn)象”，而非現(xiàn)行教材中較為普遍的“電樞反應(yīng)是電樞磁場(chǎng)對(duì)空載氣隙磁場(chǎng)的影響”。

問(wèn)題二：為什么直流電機(jī)和同步電機(jī)中沒(méi)有提到等效電路的問(wèn)題，異步電機(jī)和變壓器則都有等效電路？

首先明確等效電路是為了將能量輸入側(cè)和能量輸出側(cè)兩個(gè)電路統(tǒng)一為一個(gè)電路，以便于進(jìn)行定量分析的。如果能量輸入和輸出是在一個(gè)電路里完成，則不存在電路統(tǒng)一的問(wèn)題，即不存在等效電路。

異步電機(jī)和同步電機(jī)的電能都是通過(guò)定子繞組傳輸?shù)摹．惒诫姍C(jī)的機(jī)械能是通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而傳輸?shù)模串惒诫姍C(jī)的機(jī)械能是通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組傳輸?shù)摹Ｍ诫姍C(jī)的機(jī)械能則是由于轉(zhuǎn)子磁極受到定子等效磁極的吸引或阻礙產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而傳遞的，轉(zhuǎn)子繞組本身并未產(chǎn)生感應(yīng)電流及受到安培力作用。因此同步電機(jī)的機(jī)械能傳遞實(shí)際上是通過(guò)定子繞組完成的。當(dāng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流會(huì)發(fā)生變化，而同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流則沒(méi)有變化，也印證了異步電機(jī)的機(jī)械能是通過(guò)轉(zhuǎn)子傳遞的，同步電機(jī)的機(jī)械能不是通過(guò)轉(zhuǎn)子傳遞的。另外容易看出，直流電機(jī)的電能和機(jī)械能傳輸都是在電樞繞組上完成的，而變壓器的電能輸入和輸出是在不同繞組上完成的。從另一角度來(lái)說(shuō)，直流電機(jī)和同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組是專(zhuān)門(mén)勵(lì)磁的，只是提供能量轉(zhuǎn)化的環(huán)境，并不參與動(dòng)態(tài)的能量傳遞過(guò)程，其能量傳輸都是由電樞繞組一個(gè)電路完成的，不存在兩個(gè)電路需要統(tǒng)一的問(wèn)題。綜上所述，直流電機(jī)和同步電機(jī)沒(méi)有等效電路，反之，異步電機(jī)和變壓器都有等效電路。

問(wèn)題三：異步電機(jī)與變壓器有何聯(lián)系？

二者的區(qū)別：其一，體現(xiàn)在異步電機(jī)與變壓器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式。其二，在二者的磁路構(gòu)成不同。變壓器主磁路全部由鐵磁材料構(gòu)成，異步電機(jī)的主磁路除了定轉(zhuǎn)子鐵芯外，還包含兩段空氣隙。正是由于磁路的不同，導(dǎo)致二者的空載電流有很大差別，變壓器的空載電流為額定電流的2%～5%，異步電機(jī)的空載電流為定子額定電流的20%～30%。其三，變壓器繞組為集中繞組，繞組系數(shù)為1；異步電機(jī)為分布繞組，繞組系數(shù)小于1。其四，變壓器磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)（幅值隨時(shí)間變化），感應(yīng)方式為感生電動(dòng)勢(shì)，異步電機(jī)磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（位置隨時(shí)間變化），感應(yīng)方式為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)或切割電動(dòng)勢(shì)。

二者的相似之處：它們都沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的勵(lì)磁繞組，兩側(cè)繞組都有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流，均為交流，具有非常相似的等效電路，參數(shù)測(cè)量方法也幾乎相同。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)相當(dāng)于變壓器空載，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路且轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)相當(dāng)于變壓器短路。因此有一種說(shuō)法，變壓器相當(dāng)于靜止的異步電機(jī)，異步電機(jī)相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)的變壓器。

問(wèn)題四：異步電機(jī)和同步電機(jī)只有一字之差，如何理解其區(qū)別？

異步電機(jī)與同步電機(jī)在結(jié)構(gòu)上非常相似，都是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，定子繞組也是完全相同的，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子繞組是否有直流勵(lì)磁，并由此產(chǎn)生了本質(zhì)的區(qū)別。其一，轉(zhuǎn)速的問(wèn)題。異步電機(jī)必須有轉(zhuǎn)速差方能工作，同步電機(jī)必須嚴(yán)格以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。其二，異步電機(jī)沒(méi)有電樞反應(yīng)，同步電機(jī)有電樞反應(yīng)。其三，異步電機(jī)有等效電路，同步電機(jī)沒(méi)有等效電路。其四，異步電機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)問(wèn)題，同步電機(jī)有啟動(dòng)問(wèn)題。其五，同步電機(jī)可以靈活調(diào)節(jié)功率因數(shù)，異步電機(jī)卻不能，等等。總之二者雖然只有一字之差，但本質(zhì)上的區(qū)別卻很大。

二、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了如何在電機(jī)教學(xué)中運(yùn)用比較法分析各種電機(jī)的工作原理，電機(jī)中的各種平衡關(guān)系、電機(jī)特性等，然后對(duì)一些常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。總之通過(guò)比較法可以幫助學(xué)生把看似零亂復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)組織起來(lái)，建立一個(gè)井然有序的知識(shí)系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯：王意琴）