电机学1教案

电机学课程教案

课程名称 课程属性 课程总学时 先修课程 授课专业、班级 电机学 课程学分 必修课（ ∨ ） 专业选修课（ ） 校定公共选修课（ ） 80时 其中：讲课： 64学时 电路 实验： 16学时 电自2010级 教材名称 《电机学》 基本教材和主要参考书 参考书 《电机学》（上、下册） 《电机学》（上、下册） 出版社 中国电力出版社 出版社 科学出版社 机械工业出版社 作者 胡虔生 作者 李发海 许实章 出版时间 2005.8 出版时间 2001 1995 教学目的 及要求 一、教学目的 电机学是电气类相关专业的一门主要技术基础课，其特点是理论性强、概念多、与工程实际联系密切。通过本课程的学习，应使学生获得有关电机的基本理论、基本分析方法和基本实验技能，为进一步学习专业课和从事专业工作打下坚实的基础。 二、基本要求 变压器和同步电机的基本结构，基本工作原理，内部电磁过程，基本分析方法包括基本方程式、等效电路和相量图以及在定量计算和定性分析中的应用，参数的物理意义及其典型取值范围，运行特性分析，并联运行的条件、方法和特点，非正常运行和暂态运行时的分析方法。同步发电机并网运行时有功功率、无功功率的调节以及稳定性分析。变压器和同步电机的基本实验方法。

第一章 绪论

一、教学要求

磁路是整个电机学的基础，也是电气工程专业其它后续课程的基础理论知识，为此，要求通过磁路部分的学习，要牢固掌握：

(1)磁路的基本定律：安培环路定律及均匀磁路的欧姆定律、磁介质定律，电磁感应定律。 (2)铁磁物质的基本磁化曲线与磁滞回线。 (3)直流与交流磁路的共同特点及各自的分析方法。 二、知识结构

磁路的基本原理在普通物理中已有介绍，本课是在此基础上，在考虑铁心磁路及绕组空间结构及连接关系的基础上，进一步考虑铁磁物质的特性曲线，将物理学中对基本定律的定性理解，发展到对电磁量的定量分析。所以，可将知识结构描述为： 起点：物理学中的基本电磁定律

新的条件: (1)磁路与绕组的空间结构与连接； (2)铁磁物质的特性曲线。 要求：定量分析电压、电流与磁通之间的关系。 三、教学难点

涉及的概念很多，内容复杂，学生对单一概念易于理解，但对于总的知识框架不易掌握，因此，记不住，更不会用。往往出现翻开书全明白，合上书全忘记的情况。 四、教学策略

(1)人机交互技术： 通过人机交互直观理解饱和、磁滞等问题，

(2)数值分析可视化技术：在交流磁路分析中，通过人机交互环境下的数值分析、可视化，深入理解在计及饱和时，磁通正弦波、激磁电流尖顶波及电流正弦波、磁通平顶波的特点。 五、课前复习

1、 在电路中常用的欧姆定律、基尔霍夫定律。

2、 在磁路中常用的磁欧姆定律、磁通的连续性原理、安培环路定律。

第二章 变压器的基本工作原理与理论分析

一、教学要求

(1) 了解变压器的用途、分类 (2) 了解变压器的主要结构 (3 ) 了解变压器的发热、温升 (4) 掌握变压器的额定参数 （5）

二、教学难点

变压器主要额定值（在三相变压器计算中相绕组与线绕组额定值混淆） 三、教育技术应用

多媒体可视化技术：见《教学课件》栏目中“6.三相变压器磁路”

第三章 变压器运行分析

一、教学要求

(1) 掌握变压器基本方程式、相量图和等效电路图； (2) 掌握变压器的折合算法 (3) 掌握标么值 (4) 掌握 运行性能

以单相变压器为例来介绍变压器的运行分析及数学模型等，这些结果同样适用于三相变压器对称稳态运行分析。 二、教学难点 (1) 变压器的参数折算 (2) 变压器的励磁电流

(3) 变压器的电势平衡、磁势平衡和功率平衡 三、知识结构

通过掌握变压器空载、负载运行分析方法，及由磁势不变导出折合的概念与等值电路的建立。

四、教学策略 ⑴ 多媒体可视化技术 ⑵ 人机交互技术

⑶ 动态数值计算可视化技术 五、教育技术应用

多媒体课件见《教学课件》栏目中“1.安培环路定律；2.铁心磁路；3.饱和效应；4.磁滞回线；5.交流磁路” 六、教学预习

(1) 邱关源主编的《电路》第十章相量法。 (2)《高等数学》中的傅里叶积分。 (3)《工程电磁场》中的恒定磁场部分。

第三章 三相变压器

一、教学要求

(1) 了解三相变压器磁路系统的特点 (2) 掌握三相变压器联接组的判别方法

(3) 掌握三相变压器空载运行时的主磁通，空载电流以及电动势的波形与联接方式及磁路系统的关系 二、教学难点

各种变压器的主磁通与励磁电流的波形问题，以及它们对变压器空载相电势波形的影响。 三、教学策略

(1)多媒体可视化技术：见《教学课件》栏目中“6.三相变压器磁路” (2)动态计算分析 四、教学预习

(1) 邱关源主编的《电路》第十章相量法及三相电路。 (2)《工程电磁场》中的恒定磁场部分

第四章 三绕组变压器、自耦变压器和互感器

一 教学要求

(1) 掌握三绕组变压器的等效电路及其参数的意义； (2) 掌握自耦变压器的电磁关系、容量关系及其特点。 二 教学难点

自耦变压器电压、电流和容量的关系及等效电路 三 教学策略

(1) 多媒体可视化技术

(2) 利用三绕组变压器和双绕组变压器相比较法、自耦变压器和双绕组变压器相比较法。 四、教学预习

邱关源主编的《电路》第十二章具有耦合电感的电路。

第五章 变压器并联运行

一、教学要求

(1) 掌握变压器理想并联运行的条件 (2) 掌握并联运行时各变压器的负荷分配关系 二、教学难点

变压器并联运行是电力变压器实际运行的方式。通过本章学习变压器理想并联运行的情况和条件，能具体逐一分析不满足这些条件时的问题及实际并联条件.变比不等时，变压器内环流的产生及其大小和影响 三、教学策略 (1) 多媒体可视化技术 (2) 人机交互技术 (3) 用图解法 四、教学预习

邱关源主编的《电路》第十二章具有耦合电感电路中的理想变压器。

第六章 变压器的瞬变过程

一、教学要求

(1) 掌握变压器无载接通电源产生过电流现象的物理概念、数学模型及非线性磁路过渡过程分析计算的方法。

(2) 掌握变压器突然短路产生过电流现象的物理概念、数学模型。 (3) 了解变压器过电压产生的原因及防止过电压的一般措施。 二、知识结构

预备知识：一阶线性非齐次微分方程的求解，变压器磁化特性。 三、教学难点

非线性过渡过程问题的分析方法 四、教学策略

理论讲解，学生上机实际计算。 五、教育技术应用

用动态电磁计算结构作为辅助教学手段。

六、教学预习

邱关源主编的《电路》第七章的一阶电路。

七、相关的科研进展

(1)基于小波包变换的变压器励磁涌流识别新方法 《中国电机工程学报 》1992年07期 泽林湘宁. 刘沛. 程时杰.

(2)区分变压器励磁涌流和内部短路的积分型波形对称原理 《中国电机工程学报》 1999 年 08期 焦邵华. 刘万顺.

第七章 同步电机的基本知识及结构

一、教学要求

(1) 了解同步发电机的基本类型 (2) 熟悉同步发电机的基本结构 二、教学难点

电机内部的空间结构 三、知识结构 (1) 起点：空间想象力

(2) 新的应用条件：定子与转子的结构特点 (3) 知识结构图：发电机的基本结构---定子---转子 四、教学策略

首先通过立体的结构图（图一和图二）使学生对同步发电机的内部(定、转子)基本结构进行直观地了解，熟悉每一个部件的基本作用。

多媒体可视化技术：见《教学课件》栏目中\同步电机的基本原理；19.汽轮发动机定子绕组；20.汽轮发动机定子铁心；21.汽轮发动机转子结构\ 五、教学预习

交流同步发电机的基本工作原理； 六、相关的科研进展

(1) 300MW汽轮发电机定子绕组蒸发内冷的实验研究阮琳.作者： 顾国彪. 傅德平. 《电工电能新技术》 2002 年02 期

(2) 稀土永磁同步发电机的结构特点及关键技术 《微电机》1997年 01期 刘景林. 李声晋.

第八章 交流电机的绕组和电动势

一、教学要求

(1) 掌握交流电机的电动势求取 (2) 掌握同步电机和异步电机的工作原理 二、教学难点

电机绕组的绕线方式及内部的空间结构 三、教学策略

多媒体可视化技术：见《教学课件》栏目中：“7.同步电机基本结构；8.异步电机的基本结构；9.同步机与异步机结构对比；10.交流电机三相绕组；11.基波电势频率；12.同步电机的谐波电势；13.单层分布绕组的感应电势”。 四、教学预习

磁势（包括磁通、 磁密及磁场强度）等与磁场有关的物理量，在用向量表示时，其幅值为向量的长度，幅值的位置所在处为向量的角度。电势（包括电压、电流）等与电均有关的物理量，在相量表示时，相量的长度为电量的有效值，位置是2π的一个周期内不同时刻的位置。

第九章 交流绕组的磁动势

一、教学要求 (1) 掌握磁动势的公式 (2) 掌握产生旋转磁动势的条件 (3) 了解用三角函数和向量来表示磁动势 二、教学难点

交流电机绕组中流过电流，就会产生磁动势，此磁动势的空间分布为本章的难点。 三、教学策略

采用多媒体可视化技术：见《教学课件》栏目中：“14.单相绕组脉振磁场动画；15.三相电流建立旋转磁场认知动画”。 四、教学预习

(1)《高等数学》中的傅里叶积分 (2)《工程电磁场》中的恒定磁场部分

第十章 同步发电机的基本电磁关系

一.教学要求

(1) 掌握同步发电机空载运行时的磁动势与电动势的时-空向量图 (2) 理解对称负载时的电枢反应 二.教学难点

电和磁之间的抽象时空关系 三.知识结构

(1) 起点：电路中的时间相量图

(2) 新的应用条件：时间相量与空间向量的联系（时-空向量图）

(3) 要求：定性分析发电机端电压、空载电动势及电枢电流之间的关系，定量计算功率因数角、内功率因数角 (4) 知识结构图

发电机的磁场电磁耦合基本方程式及相量图 四.教学策略

以图一或图二为例，给出相关的空载运行时的磁场分布图（能够通过改变极数、气隙大小等条件得到不同的情况下的磁场），分析磁动势与电动势之间的关系，画出时-空向量图。

在温习电枢磁场产生机理的基础上，结合励磁磁场的空间分布情况，通过时空向量图理解电枢反应。 最后以数学分析的方式得出基本方程式（凸极机利用磁场分布图解释双反应理论） 五.教育技术应用 (1) 人机交互技术 (2) 数值分析可视化技术 (3) 动画可视化技术 六.教学预习

(1) 交流电枢绕组的磁动势的公式； (2) 产生旋转磁势的条件；

(3)用三角函数和向量来表示磁动势；

(4)邱关源主编的《电路》第十一章正弦电流电路的分析。

七.相关的科研进展

永磁同步电动机空载气隙永磁磁密波形优化 作者：徐衍亮. 许家群. 唐任远. 《微特电机》 2002 06

第十一章 同步发电机的并联运行

一、教学要求

(1) 熟悉同步发电机并联合闸的条件和方法

(2) 掌握同步发电机并联运行的基本电磁关系、功率及转矩平衡方程式 (3) 掌握有功功率和无功功率的调节 (4) 理解V形曲线的物理意义 二、教学难点

涉及到了有功功率和无功功率的调节，V 形曲线的物理意义。 三、知识结构

(1) 起点：同步发电机的单机运行

(2) 新的应用条件：无限大电网的特点及在此基础上的并联运行 (3) 要求：并联运行时的空载运行与单机运行时的异同 定量计算功率因数角、内功率因数角及功角 定量计算有功功率和无功功率的调节时的空载电动势 (4) 知识结构图：

单机运行发电机的基本结构--基本方程式及相量图--并联运行的功率平衡--有功功率和无功功率的调节

四、教学策略

首先通过人机交互实验（模拟暗灯法和旋转灯光法）使学生理解并联合闸的条件和方法；利用动画可视化技术和数值分析可视化技术（图和曲线）表现并联运行的同步发电机由空载到负载运行的过程；利用动画技术画出有功功率和无功功率调节时对应的相量图通过交互实验理解V形曲线的物理意义。 五、教育技术应用 (1) 人机交互技术 (2) 数值分析可视化技术 (3) 动画可视化技术 六、教学预习

(1) 同步发电机的电动势相量图和电动势磁动势的时空相-矢量图 (2) 同步发电机的单机运行的基本方程式及相量图

七、相关的科研进展

一种估计同步发电机功角的新方法 谢小荣. 肖晋宇. 《中国电机工程学报》2003 年11期

第十二章 同步电动机和同步调相机

一、教学要求

(1)了解同步电动机的优缺点 (2)熟悉同步补偿机的用途 二、教学难点

同步电动机与同步发电机的比较 三、知识结构

(1) 起点：同步发电机的结构及运行特性

(2) 新的应用条件：同步电动机和同步补偿机的运行特性

(3) 要求：定性分析同步电动机和同步补偿机的运行，掌握同步电动机的起动 (4) 知识结构图

同步电动机的运行方式---基本方程式及相量图---有功功率和无功功率的调节 四、教学策略

利用动画可视化技术表现同步电机的可逆性，加强对同步电动机的理解 五、教育技术应用 动画可视化技术 六、教学预习

（1）同步发电机的电动势相量图和电动势磁动势的时空相-矢量图。 （2）同步发电机的单机运行的基本方程式及相量图 七、相关的科研进展

一种新型的无刷同步电动机 黄孝和.《北京理工大学学报》，1998年 01期

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