Education Research Frontier June 2013, Volume 3, Issue 2, PP.37-43
The Teaching Activities and Practice in “Electrical Engineering Practice” Course for Excellent Engineer Education Plans Huifen Lu, Zaiping Pan, Wei Zhang, Xin Chen, Yanan Bai EE College, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China
Abstract As a core and obligatory module for the excellent engineer education plan, various teaching modes have been explored and provided regarding the course “Electrical engineering practice” both in teaching theories and know-how skills in order to yield promising teaching results. This paper discussed and summarized the integrated approaches involving in the teaching theory, on-the-spot teaching, and the practice education during the teaching of the course in College of Electrical Engineering, Zhejiang University. The study has showed that the establishment of excellence initiative platform that has broaden students’ horizon and deepened the understanding on theory of motor winding and motor design, has led to significant improvement and held reference value to some extent. Keywords: Excellent Engineer Education Plan; Creative Education; Practice; Mode
卓越计划《电机工程实践》课程教学和实践的研究 卢慧芬, 潘再平, 章玮, 陈欣, 白亚男 浙江大学电气工程学院,杭州 310027 摘
要：为提高电气工程专业学生工程应用能力和创新能力，《电机工程实践》作为卓越工程师教育培养计划单独开设
的一门必修课程，在理论教学与实践探索中,采用多种教学模式,取得了良好的教学效果。本文对浙江大学电气工程学院《电 机工程实践》课程讲授过程中如何将课堂理论教学、现场教学和实践教学相结合进行了总结和探讨。实践表明，卓越计 划平台的搭建开阔了学生视野，使学生对电机绕组理论和电机设计有了更深层次的认识，取得了明显的成效，具有一定 的参考价值。 关键词：卓越计划；创新性教学；实践环节；多种模式
引言 《电机学》课程是电气工程及其自动化专业基础课，涉及的基础理论和知识面广，所涵盖的基础内容涉 及电、磁、热、机械等基础理论知识，具有理论性强、概念抽象的特点，学生难以理解和适应它的分析计算 方法；《现代电机CAD技术》课程是电气工程及其自动化专业的一门专业课。课程内容多，内在结构复杂， 属于难教难学的课程。近几年在教学内容、方法、手段以及实践环节几方面进行了探索。实践环节是《电机 学》、《现代电机CAD技术》教学中实现理论联系实际的一个重要途径，通过单独开设《电机工程实践》， 对学生动手能力的培养，加深对电机理论的理解及电机设计的方法，增强工程意识均有着十分重要的作用。 在教育部“卓越工程师教育培养计划” 重大改革项目的推动下，《电机工程实践》作为卓越计划学生的必修课 程，对培养具有较强动手能力、创新能力、适应经济社会发展需要的高质量工程技术实用型人才具有深远的 意义。本文就《电机工程实践》教学过程中的一些问题进行探讨和研究。
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理论教学 在大三的一年中，学生已经学习了电机学、电机设计等电机方向专业基础理论课，了解了电机的工作原 - 37 www.erfrontier.org
理、组成，同时学习了一般电机的设计步骤，学生对电机的理论知识已经有了深入了解。《电机工程实践》 理论教学在介绍电机的基本类型、单三相异步电动机简介、结构及制造工艺、电机检验的基本要求和方法以 及三相异步电动机的拆卸和装配基础上，着重对中小型交流电动机的绕组基本知识及绕组展开图绘制、常用 单三相电机绕组分布及嵌线和接线、三相变极电机绕组分布及嵌线检查等问题进行讲解。从电机的制造、检 验、拆卸、装配是切合具体的电机生产过程，这在以前理论课上未曾接触过，通过电机工程实践前两天的理 论学习，学生对电机的生产流程有了宏观的认识，同时了解了检验电机合格与否的基本参数，除了学习却电 机的基本知识概述，又学习了交流电机的绕组，这部分内容使学生对理论与实际的差别有了更深刻的认识。 在之前，学生了解电机的绕组，对叠绕组、波绕组有一定的认识，但这次的学习中学生了解到了电机的显级、 庶级接法，同时还了解了变极电机的的绕组接法，这在以前的学习是从未了解过的。总之，前两天的理论课 学习为学生后面的电机制作打下了基础，也拓宽了对电机实际制作流程的认识。本文把这一课程的相关理论 知识梳理了一遍,对重点和难点进行简要的讲解，以加强学生对理论知识的理解和掌握。 感应电动机设计围绕着“指标要求—主要尺寸—磁路计算—参数计算—损耗计算—机械、结构设计—性 能计算”这一主线，详细讲解其具体设计过程，最终完成一台电机的设计，加深对所学知识的了解。做到讲 解的内容简练，但重点突出。学生围绕这一主线学习，目的明确，针对性强。课程结合实际特殊应用如三相 异步深井泵电动机的设计及工艺详细讲解，既能引起学生们的兴趣，又能加深记忆。采用互动式教学，在教 与学的过程中, 做到师生互动。教师提问学生回答, 学生提问教师解答等，以此调动学生学习的积极性、主 动性, 活跃课堂氛围。 课程还结合科研及行业的发展，介绍各种类型的电机的特点。随着电力电子技术发展，带动了电机技术 发展，一批新型特种电机相继出现，并迅速在工业和民用产品中大量使用。如直流无刷电动机、开关磁阻电 动机等，由于这些电机的机械特性与直流电机相仿，控制比三相异步电机简单，故而以其独特优势迅速发展。 通过列举具体的应用，拓宽了学生的知识面。 通过对教学全过程进行系统设计，实现课堂教学的整体优化。将先进的教学手段、教学方法与教学内容 有机结合起来，形成教学系统的最优结构，实现良好的教学效果。通过课堂教学，同学们开始磨拳擦掌、跃 跃欲试。
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现场教学 电机工程实践是一次广泛涉猎、综合性很强的课程，在学习了众多的专业课程之后，带着专业的眼光再
去相应的企业参观学习将具有很强的目的性和主观能动性，卓越工程师计划的目的就是为学生搭建一个与公 司之间联系的平台，对于一个工程师而言，真正的工程实践项目才是其工作的舞台，只有了解了公司具体的 设计、生产流程，才能更得心应手的解决工程问题，这也就是工程师经验更重要的原因。因此，在电机工程 实践中，安排参观实习两家公司，杭州富生电器股份有限公司、杭州杭发发电设备有限公司，其中一家是以 制造大批量小电机为主体的私营企业，而另一家是已制造小批量定做发电机为主的国有股份制公司。可以说， 这两家公司可以基本代表电机制造业的两种不同类型，同时两种不同的公司形式也可以使学生对电机制造有 一定的了解。
2.1 参观小功率电机生产企业 首先参观了位于富阳的富生电器股份有限公司，这是一家以制造大批量小功率电机为主体的私营企业。 该公司生产空调压缩机电机、冰箱压缩机电机、永磁直流电机、电容电机等系列产品，精良的加工设备和加 工工艺，完善的检测手段。让学生详细了解小型电机绕组制作工艺及先进的自动化设备。学生首先感受到的 是现代化企业的气息，了解了富生电器的发展历程，从 80 年代的作坊式电机制造到如今的销售额到几十亿 的现代化企业，公司理念“资源有限智无限”这是对于一个大环境的真实写照，身处激烈的竞争的洪流中， 资源对于一个公司来说是十分宝贵与短缺的，如何使公司真正地做强做大，这正是考验公司发展策略的地方。 - 38 www.erfrontier.org
“智无限”总的来讲就是反应在管理制度上的提升、完善与技术上的创新与追求，这也说明了一个企业只有 踏入高科技的道路才能使其立于不败之地。富生电器的办厂理念对于学生个人而言同样适用，每个人所处的 环境竞争是非常激烈的，也就是资源是有限的，如何提升自我的竞争力，必须发挥自己的聪明才智，不断完 善自己，获取新的突破。对于公司的具体项目而言，通常是一环扣一环，只有综合考虑多方面的因素、掌握 广阔的知识，才能得到问题的最优解，这也是大学生尤其是浙大的大学生应该掌握的东西，卓越计划让学生 提前了解工程的实际，也正是有益于拓展学生的知识面。 参观了富生电器的中试基地，在中试基地中见到了富生电器自主研发的“离心浇注机”。富生电器不仅生 产电机，同时也注重生产设备的研发和制造，从而提高企业的核心竞争力。在精密机械加工车间中，学生亲 眼看到了“嵌线模具”的制造过程、高速冲压模的制造、三坐标测量机等。可见富生电器生产链环环相扣，从 生产设备的研发制造到电机的生产，实现了自给自足的生产方式，具有一定的企业竞争力。 接着参观了电机的制造过程，富生电器主要是面向大批量家用电器如冰箱压缩机电机，批量生产单相异 步电机。从模具的制作、硅钢片的叠压、定转子的制作、定转子的检验、自动嵌线工艺、整体检验等几个方 面进行了深入的了解。通过这些连续的制作工艺，学生对电机的生产有了深刻的认识，也了解了真正生产线 上所需要考虑的因素，同时学生对于现代化的制造设备也感到十分惊奇，自动化设备提高了电机的产量、质 量，解放了生产力，这也是现代化企业必须的发展趋势。同时让学生体会到了电机的工艺提升比设计提升更 具有实际意义。此外，当看到先进的机床等自动化设备全部从国外引进，学生更加深刻的体会到了国内技术 上的差距，在电机领域里，学生深知这一代人还肩负这一定的历史重任。通过一天的富生电器的参观，每个 学生都开始真正意义上了解成批量电机的制作流程，同理论的结合分析也让学生在以后的研发过程中大有收 获。
2.2 参观大功率电机生产企业 组织学生到杭州杭发发电设备有限公司参观，这是一家制造小批量大功率发电机为主的国有股份制公 司。公司主导产品为水轮发电机组、汽轮发电机、电动机等，通过多年的积累和发展，已形成了 0.75MW—60MW 多种规格的汽轮发电机和 0.32MW—50MW 的水轮发电机组的生产能力。公司主要生产水 轮发电机组、汽轮发电机以及一些余热发电机组。主要的检测设备有定子线圈介损试验仪、西门子变频机组 （用于超速试验等〕、振动检测故障诊断分析仪（用以消除转子转动的不平衡量）、直流高压试验器（用于 测试绝缘好坏）、超声波探伤仪（检测电机内部成分是否符合要求）等，可以看出大型发电视的检测与小电 机的检测有较大不同。 请公司技术专家作了大型机组的设计讲座，使学生对大型机组的设计、定转子的加工、嵌线、电机安装 等整个过程有了深刻的认识，尤其让学生详细了解大型电机成型绕组制作工艺及测试方法。公司技术专家介 绍了水汽轮发电机大电机的设计过程。一是电磁设计，通过使用软件算法，输入电机的基本参数如功率、电 压、槽形、气隙长度等可以获得该电机的电负荷、轭部齿部磁密、温升等，通过输出的结果用以判断所作的 设计是否合理可行。绘出电机的空载特性曲线和负载特性曲线，齿谐波引起的电磁振动的计算等。二是结构 设计和计算，包括定子结构设计与计算，转子结构设计与计算，推力轴承设计与计算，导轴承设计与计算， 机架结构设计与计算，通风冷却与热计算和大部件运输要求计算。这是小电机所不会涉及的，也是以前未曾 注意到的、由于一些道路如高速公路有限高措施，因此对于超过规定的电机，先要进行分瓣处理，但分瓣对 电机的拆卸、组装带来难度。这让学生想到部分大型设备厂在选址时常邻江而建，这也许就是因为水路对高 度要求较小可以减少因运输要来而改变设计结构所带来的损失。 水轮发电机组、汽轮发电机这一类大型发电设备的生产工艺特点主要有以下几点：多为单机生产、专用 设备少、体积大、机组总装调试和电气要求高。从大型电机的工艺特点与小电机生产有很大不同：小电机生 产可以很容易实现生产的自动化，月产量极高，而大电机工序多而复子又因其体积较大，难以实现自动化生 产，产量低，但利润高。大电机制造工艺复杂从定子嵌线的工艺最能体现，工艺过程包括：预取部件、修槽 - 39 www.erfrontier.org
内毛刺、在全圆1／3处试嵌、布置测温元件、采用阶梯式吊把工艺将线圈加热后嵌入并测量槽电位差以保证 绝缘性能、利用导电排和导电环对线圈引线，然后进行处理和检查，如端部浇漆烘干固化、绝缘试验等等。 另外，大电机制造有许多特有的工艺比如定子冲片全圆由多片拼成以提高硅钢片利用率；定子中约每50厘米 有一段绝缘层用以通风降低温升；圈式线圈要进行防晕处理和防晕检测，这是由于电压较高会引起电晕而影 响电机性能。制造工艺包括定子嵌线（绝缘试验规范）、定子铁芯（定子冲片隔开距离）、机座（焊接）、 转子装配、轴半精车工艺、轴精车工艺。在参观杭发发电设备公司的生产车间时，学生第一次实际见到了大 型的水轮发电机和汽轮发电机定转子，并且参观了解了定子铁心，定转子绕组嵌线，转子开槽的制作流程， 以及定子的散热措施工艺等相关生产工艺。大型发电机的定转子绕组要比平时实验见到的铜线粗得多，定子 铁心是由一片片硅钢片堆砌并打压而成的，并配有相关的散热设施，保证电机的散热性能良好。与富生电器 公司的大规模微特电机生产不同的是，杭发发电设备公司生产的是大型水轮发电机和汽轮发电机，电机的生 产周期也较长，生产自动化水平还较低。 在杭发发电设备公司学生不仅上了一堂十分难得的电机制造工艺课程，还实际参观了大型发电机的生产 过程和制造工艺，可谓开阔了视野，增长了不少见识，很有收获。
2.3 现场教学效果 通过本次参观，使学生在课堂理论学习的基础上，能够进一步实际走进认识具体电机的制造过程和技术 工艺，同时还得到了各家公司领导的亲切教诲，学到了不少学习研究的经验和道理，真可谓获益匪浅，是一 次十分难得的实践经历。当前社会更需要复合型人才，比如搞电机如果仅仅只有电机的知识是远远不够的。 电机之所以称之为电机，即它是由“电”和“机”构成，而现在学的大多是电机“电气”的之一部分，对于电机“机 械”这一部分则较少提及，即我们的大学生的眼界不能太局限，不能仅仅盯着自己本专业的知识，而是应当广 泛涉猎，使自己有更大的发展空间。学历只是一张面具，真正重要的还是真才实学。更提醒学生要时刻保持 谦逊求是的态度，方能在自己的领域有所作为。 参观实习的两家公司代表了电机制造业的两种不同类型。通过现场进行教学，使学生亲眼看到各种电机 的内部结构，切身了解了微特电机和大型发电机组的生产工艺流程和要点，包括大功率电机制造工艺、小功 率电机制造工艺，原来书本上抽象的结构和工作原理，结合实物及各部件详细结构来讲解，非常直观易懂， 学生们获得了正确、鲜明、切实的感性知识，使学生将书本上的东西真正和实际联系上。同时通过专业人员 的介绍了解了电机行业的整体现状和发展方向。通过这些措施，明显提高了教学效果。
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实践教学 本课程包括讲课、阅读、参观和设计制作及测试。除对电机的设计绕线、嵌线、安装及最终通过测试外，
还要交 1 篇长约 3000 字的报告。本门课程的评分分为 3 个部分，每个部分分配如下：出勤占总评成绩的 10％； 实物评测（包括操作和完成质量）占总评成绩的 60％；报告评阅占总评成绩的 30％。实践实行分层次教学： 分为基本（完成基本要求）、综合（完成电机设计加基本要求）、提高（完成变极绕组设计加基本要求）。 三相异步电动机结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用维护方便，广泛用作各种生产机械的动力机。定 子绕组是三相异步电动机的主要组成部分,是电动机产生旋转磁场、实现能量转换的关键部件。掌握定子绕组 的基本结构、电机设计、嵌线方法及展开图的绘制,了解常见故障的处理方法是非常必要的。
3.1 基本实践训练 实训电机基于 71＃机座分马力电机，让学生完成电动机的拆卸、定子绕线模设计、绕线、嵌线、接线、 装配、测试的全过程。要求学生独立完成绕制定子线圈、嵌线、接线、整形、焊接和整机装配等过程，直到 测试合格，否则，需自行检查和排除故障。当看到自己设计绕制的电机通电后旋转起来，学生对绕组、磁场 等相关内容的理解也得到了加强。在实训过程中，针对不同学生的个体差异，因材施教，实施分层次教学， - 40 www.erfrontier.org
第一阶段为基本技能训练阶段，面向全体学生重点解决学生的共性问题，进行 24 槽 4 极单层链式绕组的训 练，其定子绕组的相关参数：槽数 Z1=24，线圈节距 y=5，极对数 p=2，极距 τ=6，每极每相槽数 q=2，槽距 角 30 度。实验样机的铁心叠长 L=72mm，根据定子冲片尺寸及线圈的跨槽数（5 槽），可计算电机定子绕组 的平均半匝长,由此可根据工艺情况设计相应的绕线模尺寸。电机绕组设计按常规三相电机设计，额定参数为 380V/50HZ，输出功率 250W，4 极，额定电流 0.8A，额定转速 1360 转/分，Y 接，B 级绝缘。绕组线径：Φ0.35， 每槽匝数：145。根据此参数绕制线圈（见图 1）。嵌线采用交叠法嵌线吊 2 边，嵌入 1 槽空出 1 槽，再嵌 1 槽，再空出 1 槽，按此规律将全部线圈嵌完。嵌线 完毕后，完成封口操作，线圈端部、每个极相端之间加垫绝缘物，焊接端部绕组连接，端部包扎（见图 2），最后完成电机安装及测试。
图 1 绕制线圈
图 2 交流感应电机实训图
3.2 综合及提高训练 第二阶段为分层训练阶段，根据学生的兴趣进行分层次教学，综合已学过的《现代电机 CAD 技术》课 程，利用实训电机铁心自行设计某个功率等级的电机，再绕制定子线圈、嵌线、接线、整机装配等过程，测 试结果是否符合设计要求。当学生看到自己设计的电机正常工作时，非常有成就感。最后进入提高阶段，在 完成了 24 槽 4 极电机设计与制作的基础上还可以进行变极绕组的设计与制作，如 24 槽 4/2 极、24 槽 6/4 极、 24 槽 8/4 极双层变极绕组的设计与制作，配备了不同形式绕组用的绕线模。各层次学生可通过训练、讨论、 思考等方式参与学习活动，使学生对电机绕组理论和电机设计有了更深层次的认识，从而使每个学生能在规 定时间内充分发挥自己的主观能动性，才能够激发学生的学习兴趣，突出学生个性，发挥学生的优势特长， 促进各层次学生的发展和成才。 在实施分层次教学过程中，教师进行分类指导、收集反馈信息和阶段性考核来对学生进行分析评价，完 成各自不同的学习目标和任务，达到因材施教的目的。实践结束后，李华阳同学在小结中反映，“通过短暂 的电机工程实践，通过短暂的动手实践，我深刻地体会到，也许你自我感觉对知识掌握良好，但是你真正进 入社会、进入工作岗位、接触真正的工程项目中，你才会发现收获的艰难。只有不断的参与、不断的总结， 我们才能不断完善自己，做到耕耘与收获的兼容，这也是卓越计划能够带给我们的东西”；沈绍斐在小结中 写道：“总体而言，这 1 学分的《电机工程实践》课程，真的带着我们进入了一个全新的电机世界，这正是 印证了‘纸上得来终觉浅、绝知此事要躬行’。”还有许多同学在小结中反映“…本课程既从企业经营发展 的角度了解了电机工业，又从生产工艺的角度熟悉了工业下的电机行业，多角度全方位地扩充了自身的专业 知识。同时充满艰辛的手动电机制作工程更是将理论知识的提升和实践探索能力的发展有机结合起来，是一 次有很大学习价值的实践活动,这段经历毕生难忘！”；“通过听课、参观工厂、设计、绕线、嵌线和装配及 测试，大大提高了自己的动手能力，拓宽了自己的知识面，的确受益匪浅，是大学生活中最美好的回忆之一。” - 41 www.erfrontier.org
3.3 电机测试与检测结果分析 以下为典型的电机测试及结果分析： 1）直流电阻测定结果分析 通过实测直流电阻值可知，三相电阻值分别为34.267Ω、34.158Ω、34.335Ω，三相电阻平均值34.253Ω， 最大电阻与最小电阻偏差百分比为0．52%，由此可见三相绕组的匝数，线径基本一致，接线方式正确，接线 质量良好，并且绕组匝间无明显短路，绕组绕制及嵌线符合设计要求。 2）绝缘电阻测量结果分析 三相绕组对机壳的绝缘电阻值分别为480MΩ、500MΩ、420MΩ，均远大于电机绝缘电阻的最小限值5M Ω（500V），说明电机绕组绝缘情况较好，基本能够保证运行的安全。值得注意的是，如果绝缘电阻值高于 规定值时，也并不一定表示该电动机的绝缘一定良好，有时绝缘可能已有损坏，但是只要线圈与机壳之间无 金属性接触，其电阻值仍然很高。例如，电动机槽衬破裂的情况，因断裂处的空气隙仍有很高的绝缘电阻， 所以用兆欧表已不能查出。因此，仍需进一步进行绝缘耐压试验。 3）绝缘耐压试验测试结果分析 在绝缘电阻测试满足设计安全要求的情况下，为检测电机的绝缘情况，进一步进行电机的绝缘耐压测试， 加1800V，历时1S，结果表明三相绕组对机壳的绝缘耐压均能通过，由此可见电机绕组的绝缘情况良好，能 保证安全运行。 4）空载运行试验结果分析 空载试验测试有如下几方面： （1）检查电动机的运转情况。电机安装完后，定、转子基本无摩擦，运转平稳，轻快，运转声音均匀 无杂音，轴承温升较低，表明电机运转情况良好。 （2）空载时三相电流情况。由测试结果可知，空载运行时三相电流分别为0.2809A、.2957A、0.2906A， 平均值为0.2917A，三相电流与平均值的偏差分别为0.93%，1.37%，0.34%，均远小于最大允许偏差10%，说 明三相空载电流平衡度较高，电机运转情况较好。 （3）空载电流数值检验。由实验测试的数据可知，空载电流平均值与额定电流的百分比为36.5%，对于 小功率电机而言，该数值较小，说明空载损耗较低，电机性能良好。 （4）电机空载转速测试。由测试结果知电机空载转速为1478r/min，较接近理想空载转速1500r/min，表 明电机摩擦较小，机械损耗较低，性能良好。
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结论 注重实践教学，培养学生工程应用能力和创新能力，通过以上几种教学方法的综合运用, 可以使学生在
学习中既锻炼分析问题和解决问题的能力, 又提高了专业技能。在教育理论与实践探索中,只有不断地创新教 学方法,采用多种教学模式,才能在实际教学中取得新的突破,获得好的教学效果。《电机工程实践》遵循“结 合科研，突出应用，强调实训”的原则，课程采用理论教学、现场教学与分层次实践教学相结合，积极实施 以能力为本位、以实践为目标的实践性教学，取得了明显的成效，在卓越计划的平台上搭建了完美的知识培 养体系。
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【作者简介】 卢慧芬(1965-), 女，汉族,工学硕士，研究员；研究方向:电机及控制, 实验技术与管理等。 Email: lhfen@zju.edu.cn
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