姜宏伟　梁芬

[摘 要]文章针对电机学教学过程的特点与难点，根据电机学对电机结构的学习要求，提出精简电机学教材中实际电机结构部分的内容，构建具有鲜明特点的简化电机模型，降低电机结构的学习难度，使学生能够快速完成电机基本结构部分内容的学习，顺利进行电机内磁场和电磁关系分析等部分的学习。同时基于VBA技术制作电机学PPT课件，在PPT幻灯片上通过模拟仿真的方式动态展示电机的基本结构和基本工作原理、电机内磁场分布和电磁关系变化过程等，把电机学中抽象的问题变得形象生动，便于教师的课堂讲解、与学生进行互动，提高学生的学习兴趣，降低电机学学习难度，以提升课堂教学效果。

[关键词]电机学;教材;教学;改革

[中图分类号]G642 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2022）02-0073-08

一、电机学课程的学习任务分析

电机学是电气工程及其自动化专业的一门重要课程，也是学生普遍反应比较难学的一门课程。电机学主要讲述电机（主要包括直流电机、同步电机、感应电机和变压器等四种经典电机）的基本结构和工作原理，通过分析电机内部的磁场分布和变化规律以及电磁关系，构建一个等值电路、代替既有磁又有电的实际电机，在此基础上利用电路方法对电机进行稳态分析和计算等。电机学课程兼有专业性质和专业基础性质，对课程学习的目标要求如下。

（一）学习掌握电机的基本结构

一是电机学是与实际电机对象结合十分紧密的一门课程，通过学习电机的基本结构，为后续学习的电机基本工作原理、内部磁场及电磁关系分析做铺垫;二是通过学习了解电机的典型结构，对特种电机结构学习有一定的帮助作用;三是通过学习实际电机的结构特点，为电机设计、电机控制等课程及毕业生从事电机设计、研发、控制等相关工作打基础、作准备。

（二）学习电机的基本工作原理、分析电机内部磁场及电磁感应

一是通过学习和分析，把电机内部磁的关系转化为电性质的关系，并建立替代实际电机的等值电路，是电机学重要环节;二是电机本身的种类很多，新特型电机结合新的控制方法不断涌现，掌握电机内磁场的基本分析方法有助于对新特电机工作原理及其控制方法的学习掌握。需要强调的是，电机内的磁场分析方法并不是基于“场”的思维方式，而是基于“路”（模仿电路）的思维方式，在电机学中称之为“磁路”。

（三）学习掌握电机的等值电路

一是在学习等值电路的基础上，学生才能对电机学所涉及的四种经典电机进行稳态分析和计算;二是电力系统在国民经济中占有重要地位，电机学中的变压器和同步发电机都是电力系统的重要组成部件，等值电路是进行电力系统稳态和瞬态分析的基础;三是感应电动机是“电动机家族”中重要的“成员”，其等值电路是进行感应电动机电力拖动分析的基础。

（四）通过等值电路对电机进行稳态分析，学习电机的相关特性

一是变压器和同步发电机特性学习是电力系统运行分析的重要基础;二是机械特性是反映电动机性能的一个重要指标，可以直观反映电动机的起动、制动、调速特点及控制要求;三是电动机种类繁多，掌握电动机的机械特性、起动和调速性能有助于根據实际的生产系统（负载特性、控制要求等）对电动机进行合理选型。直流电机结构复杂（需进行运行维护），随着电力电子技术发展、感应电动机控制方法的跃升以及一批新特型电动机的涌现，直流电机使用范围大幅缩小、在电机学中的地位降低。但直流电机是出现最早的一种电机，同时也是电机学中四种经典电机的重要组成部分，其内部磁场相对固定，工作原理简单，直流电动机具有较好的起动和调速性能，对电机学的学习具有重要意义和入门起步作用。

二、电机学课程教学过程中存在的问题

从前面课程学习分析可以看出，在电机学学习过程中，学习目标的四个环节是环环相扣的，如果其中一个学习环节出现问题，都会影响电机学整个学习过程，使学生对专业学习产生畏惧心理，直接影响学生的专业学习和发展，对电气专业的人才培养产生不良的影响。目前，电机学教材及教学方法中存在的一些问题（主要问题一般出现在第一、二环节），这些问题直接影响电机学课程的教与学，而针对问题所提出的一些解决方法由于没有抓住问题的关键，对解决问题没有起到实质性的帮助作用[1-6]。

（一）对电机结构部分内容未进行适当调整

电机实际结构是比较复杂的，而一些学校的电机学课程学时受到压缩，难以分配足够的学时。

对实际电机结构的学习，更多是为后续电机设计课程作准备的。目前很多学校已经不再开设电机设计课程，对实际电机结构的学习要求不高，电机学中所构建的电机模型只需抓住电机的结构特点，能够顺利进行后续的磁场和电磁关系分析即可。如电机学中的变压器部分，构造了一个具有典型特点的变压器模型，这个变压器模型没有考虑变压器的绕线方式（连续式、层式），也没考虑变压器作为高电压设备其内部的绝缘设计，更没有考虑变压器的高压分接绕组等，但这并不影响变压器结构、工作原理以及磁场和电磁关系分析等的学习，一个相对简单的变压器模型能够让学生快速掌握其结构特点，顺利进行后续内容的学习。

（二）对电机实践定位不够科学

电机结构的学习、内部磁场分布和电磁关系分析等学习内容，都是很抽象的内容，而课堂讲授又是这部分内容学习的主要方式和方法，对电机学学习的实际情况分析，目前的课堂讲授方式方法是需要改进的。

有文献指出，电机学课程难学，归结为电机学学习与实践结合不够。在教学过程中，结合电机的实践训练，加强对实际电机结构的学习和了解，本身这部分内容学习的重要性已经降低，过分强调这部分内容的学习，而且还占用实践课时，对后续电机内容学习帮助不大，还容易分散学生的学习精力，增加学生的学习负担。C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C

有文献指出，通过加强电机实验课程，理论结合实际，会有助于电机工作原理的学习以及内部电磁关系的分析。这种观点在实践中也会遇到困难，电机学实验很重要，但主要是为电机稳态工作时的特性分析及验证而开设的，实际电机考虑绕组的绝缘及机械强度，被严格包封起来，电机运行时转子绕组转动速度很高，内部磁场变化、电磁关系转换频率很快，这些都是难以直接进行观察验证的，基本上只能通过课堂讲解进行。

（三）电机学课程中难点被弱化

在一些应用型大学，部分教师采取弱化电机内部磁场分析及数学模型的建立过程，要求学生有选择性地学习电机学知识点，有些教师采取简单跳过知识难点的处理方法等，这些都会使学生基础知识不牢，并使专业知识缺乏系统连贯性。

（四）教学改革实践针对性不够强

有文献把电机学教学过程中存在的问题归结为电机学教学内容没有与时俱进、缺乏前瞻性等，难以引起学生的学习兴趣，提出增加一些本学科前沿的新知识、新技术，提出与教师科研相结合，其实质也是没有很好把握电机学的学习任务，对电机学在专业课程体系中的地位不明确所造成。另有一些文献提出，对电机学教学方式进行改革，如利用新兴网络技术教学手段，加强课堂互动和讨论环节，对考核方式进行改进等。

三、提升电机学课程学习的策略

通过上述分析，电机学课程学习的难点主要在电机结构和电机工作原理学习、电机内磁场分布和电磁关系分析等部分，在电机学的学习中起到重要作用，教学过程中要针对这些难点进行改进，把电机学的教学难度控制在一定范围，确保该课程的学习顺利完成。以下通过精简教材部分内容，采用新的课堂讲授方法加以说明。

（一）重构具有鲜明特点的电机模型，精简实际电机结构部分内容

使电机学教材更加贴合电机学教学任务和要求，对电机学的教学起到积极的作用，发挥教材的价值，使学生能够快速掌握电机结构部分的学习，顺利过渡到电机基本工作原理、电机内磁场分布和电磁关系分析等部分。

直流电机部分，构建盘形直流电机模型，包括主磁极、电枢、电枢绕组和换向器等主要部分，和鼓形直流电机模型相比，盘形电机的电枢绕线方式比较简单，有效导体（工作边）在电枢表面的分布更加直观，很容易理解电枢反应的基本概念和“电机旋转时，一個磁极下的导体中的电流方向一致，一个电枢支路中的导体电流方向一致，电刷是电枢表面导体电流的分界线”等常识性结论，并能顺利完成直流电机电磁关系分析部分的学习。最后可通过交代盘形电机与鼓形电机电枢绕组的拓补关系，使学生了解实际的鼓形电机电枢绕组结构特点。

变压器部分，仍使用目前电机学教材中常见的变压器模型。

同步电机和感应电机定子绕组（交流绕组），可用一个三相单层整距集中单匝绕组作为模型，通过这个模型，可直观看出三相绕组中电流变化时，三相绕组在气隙中产生旋转磁动势和旋转磁场，以及当正弦分布的旋转磁场切割三相对称绕组时，在三相绕组中产生的电动势的变化情况。最后可通过交代短距、分布等概念，使学生了解实际三相交流绕组的特点，以及短距、分布等措施对抑制谐波具有重要作用。

对同步电机、转子结构相对比较简单和易于理解，可使用现有的同步电机转子模型。

对感应电机绕线形转子，可构建一个与定子绕组相同的转子绕组结构（目前很多电机学教材中已经如此处理），学生在学习交流绕组的基础上，可快速掌握绕线形转子绕组结构特点。对感应电机笼型转子，结构相对比较简单，可使用现有感应电机笼型转子模型。

（二）开发基于VBA技术的电机学PPT教学课件

把电机的基本结构和基本工作原理、电机内磁场分布和电磁关系分析等，通过模拟仿真的形式在PPT课件上形象生动地展示出来，降低这部分内容的讲解难度和学习难度，通过课堂讲授使学生掌握相关内容，充分发挥课堂讲解在电机学学习中的作用。

VBA是Microsoft Office系列软件的内置编程语言，面向对象进行编程，功能强大，利用VBA嵌入式技术，可以增强PPT幻灯片的界面控制功能和视觉观感，增强PPT课件的应用效果[7]。基于VBA技术进行PPT课件制作，其基本原理是把幻灯片上图形中的内容划分为可控部分和不可控部分两类，然后利用VBA的控制功能，控制可控部分图形进行位移和角度的变化，从而产生运动的效果，可模拟仿真电机的实际运行以及展示电机内部的电磁变化规律。

四、基于VBA技术的电机学PPT课件设计方案

基于VBA技术开发电机学PPT教学课件，构建具有典型特点的电机模型，通过模拟仿真展示电机的基本工作原理和内部磁场分布以及电磁关系等，同时还可把VBA技术用于电机的特性分析和实验仿真等教学环节。基于VBA技术的“电机学”课程PPT课件设计过程如下。

（一）绪论部分

该部分主要为引论，并讲述磁场及其定则、电磁感应定律、磁路概念及磁路的基本定律等。在进行PPT课件设计时，可利用两视图（主视图和俯视图）建立一个可控的直线电机运动模型，通过模拟仿真直线电机的运动，便于学生学习磁场、左手定则、右手定则以及电磁感应定律，使学生对电动机原理和发电机原理的并生性建立初步的认识。

（二）直流电机部分

直流电机结构复杂，但工作原理相对简单，易于起动和调速控制，在电机学课程学习中占有一定地位。

构建盘形直流电机模型，通过模拟仿真，有利于学生学习直流电机基本结构和基本工作原理、电枢反应和电磁关系分析等。如图1所示，该图为电机学课件中设计的直流电机模型，通过单击动画模型控制按钮，可以方便地进行直流电机模拟仿真。

直流电动机机械特性章节，可在PPT幻灯片上构造直流电动机调控电路，通过模拟仿真调节直流电动机的电枢电压、励磁电流和转子串电阻，在机械特性图上动态展示人为机械特性，利用人为机械特性讲解直流电动机的调速原理，进行恒转矩负载的调速分析。C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C

（三）变压器部分

为了让学生更好地理解变压器内部磁场变化，构造一个能够实时变化的交变磁场，如下页图2所示，用磁力线方向及其疏密变化反映变压器内部空载和负载时的磁场及其变化规律，利于学生对变压器内部交变磁场、主磁路、漏磁路等产生直观认识。

旋转矢量在变压器、感应电机及同步电机分析中占有重要地位，这里可在PPT幻灯片上，让这些矢量真正地旋转起来，交代矢量之间的相对静止关系等，让学生学习掌握矢量分析法的基本知识。

为了让学生更好地理解变压器短路实验过程，构造一个能够进行电压调节，并通过仪表实时显示电路中的电流和电压的变压器短路实验接线图，模拟仿真变压器短路实验的调节过程以及参数读取，达到仿真实验的效果，并避免学生在实际变压器短路实验时的电压误操作导致实验设备和仪器损坏。

（四）三相交流绕组部分

该部分主要讲述：一是同步电机和感应电机定子绕组结构;二是三相交流绕组通三相交流电时所产生的磁动势和磁场，其磁场为正弦分布的以同步转速运动的旋转磁场;三是正弦分布的旋转磁场切割三相定子绕组时，在定子绕组内产生三相对称的电动势等问题。这部分内容的特点是电生磁、磁又生电，磁场是正弦分布的、同时又是运动的，电是随时间按正弦规律进行变化的，两者之间紧密相关，这些内容非常抽象，也难于讲授和理解。这里在PPT幻灯片上构建一个三相单层整距集中单匝绕组，通过模拟仿真进行课堂教学。

通过模拟的方式实时展示单相绕组通单相交流电时，气隙中产生正弦分布的脉振磁场及其变化的规律;三相绕组通三相交流电时，在气隙中产生正弦分布的磁场，以及该磁场以同步转速进行正向旋转的情况，如下页图3所示，其中，“演示”“初始化”“停止”为控制按钮。

通过设计动画演示把圆形气隙切口并展开成一条直线的过程，过程中气隙中的磁场保持正弦分布不变，展开后气隙磁场运动方式由旋转运动变化为平移运动，通过这种转变，利于对旋转磁场的特点进行描述。

通过设计动画实时展示正弦分布的旋转磁场切割一相绕组时，在绕组中产生的单相交变电动势;正弦分布的旋转磁场切割三相绕组时，在绕组中产生的对称的三相交变电动势。

（五）同步电机部分

在PPT幻灯片上构建同步电机模型，通过模拟的方式实时展示同步发电机空载运行时，转子磁场切割定子绕組过程，以及产生的电动势E0。

在同步发电机外特性章节，通过给定的同步发电机参数，在PPT幻灯片上编程实时计算不同功率因数情况下同步发电机的外特性曲线，并进行绘制。

构造同步发电机并入无穷大电网的接线电路，可使用暗灯法及灯光旋转法接线方式，模拟仿真电网与发电机的电压矢量（包括大小、旋转速度和相位关系等），以及调节发电机励磁和转速时的矢量变化情况（包括灯光变化情况），达到并网要求后进行并网操作。如下页图4所示，为同步发电机并联运行模拟动画。

通过旋转矢量分析建立时空统一矢量图，同步发电机电动势E_0与电压矢量U之间夹角，等于主磁极旋转磁场与气隙旋转磁场夹角。PPT幻灯片制作时，在所构造的同步发电机模型上，展示电动势E_0与电压矢量U，主磁极以及气隙旋转磁场旋转过程及位置关系。并可利用此模型讲述同步发电机并入无穷大电网后向电网输送有功功率的调节原理。

在PPT幻灯片上，利用矢量图动态展示同步发电机与无穷大电网并联运行时的无功调节，以及各物理量的变化规律。

利用同步电机模型模拟仿真电机运行时，内部气隙旋转磁场和转子旋转磁场在三种运行状态下（发电机、补偿机、电动机）的相对位置关系。

仿真讲解同步电动机的基本结构、直接起动情况以及起动措施。

仿真演示同步磁阻电机的基本结构和基本运行原理。

（六）感应电机部分

在PPT幻灯片上，利用构造的绕线形转子感应电机模型，仿真感应电机气隙磁场旋转与转子旋转之间的关系，如图5所示，通过控制按钮，可从外部视角、定子视角、转子视角等不同的角度进行观察，另外也可选择当转差率s=0和s=1，以及正常转差率时进行观察。利用该幻灯片可形象讲解转子电流频率以及转子磁动势的转速。

在PPT幻灯片上，利用给定的感应电机参数，实时计算感应电机转子串不同电阻时的转矩转差率特性，并绘制曲线。利用该曲线可直观认识转子串不同电阻时的最大转矩和临界转差率等的变化规律，有助于对感应电机起动和调速的讲解。

在PPT幻灯片上进行单相感应电动机的气隙旋转磁场演示。

（七）特种电机

这部分主要讲述永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、伺服电机、步进电机等特种电机的基本结构和基本运行原理，该部分一般不作为“电机学”的重点，可利用PPT幻灯片构造这些电机的模型，介绍这些电机的结构特点，通过仿真其实际运行情况，讲授这些电机的基本工作原理和控制方法。

五、基于VBA技术制作电机学PPT课件的基本方法

（一）图形绘制的方法

基于VBA技术进行PPT幻灯片图案设计时，对不可控图形，可以使用AutoCAD等绘图软件进行图纸设计，并生成矢量图，或利用其它绘图方法绘图并生成图片格式的图形;对可控图形，必须使用PPT中的绘图方法进行绘图，并保留图形的固有格式。PPT中的绘制可控图形的方法总的来说有两种。

一是SlideShowWindows.View.DrawLine方法，这种方法利用画笔在PPT幻灯片上进行绘图，但这种方法具有局限性。

二是ActivePresentation.Slides.Shapes.Add方法，包括Addline、AddShape、AddPolyLine以及AddLabel等，功能比较齐全。利用该方法在PPT界面上可手工绘制图案，也可通过编程进行参数化绘图，这种方法绘制的图形与PPT风格一致，方便在PPT幻灯片上进行配色，具有线条光滑、图案清晰、图形靓丽等特点，具有较好的视觉效果。如果使用程序进行参数化绘图，可以生成复杂的图形，故经常使用这种方法进行不控图形的绘制。C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C

（二）动画效果制作

VBA控制PPT幻灯片产生动画效果的方法主要有以下3种。

一是使用SlideShowWindows.View.DrawLine方法进行绘图，并间隔一段时间后擦除图形，然后重新计算绘制新的图形，这种方法易在幻灯片上产生屏闪。

二是使用ActivePresentation.Slides.Shapes.Add方法在界面添加文字、线条、形状和多段线（统称形状Shape）等构成图案，间隔一段时间后，删除这些Shape，然后重新计算并添加所需的Shape。因PPT程序进行界面添加Shape操作时，会花费一定的时间，程序复杂时，可能会降低程序执行的速度。

三是在图案设计阶段，对构成可控图形所添加的Shape进行赋名，执行程序时，每间隔一段时间重新计算Shape的相关参数，修改Shape的相关属性，屏幕自动刷新。这一点有些类似于VB中的直线控件的使用方法。

六、结语

电机学教材中精简实际电机结构部分的内容，构造具有鲜明特点的电机模型，降低电机结构部分的学习难度，使教材更加贴合教学活动，有利于学生快速掌握电机的结构，在此基础上顺利学习电机的基本工作原理、电机内部的磁场分布及进行电磁关系分析等内容。

基于VBA技术制作电机学PPT课件，在课件上构造电机模型，通过模拟仿真的方式展示电机的基本结构特点和基本工作原理、电机内部的磁场分布和变化规律，电磁关系以及变化过程和变化规律等。每一次动态展示都相当于一堂生动的电机实验课，通常这些实验课程是难以通过实物的方式在实验室开设的，通过PPT在课堂上进行模拟仿真，具有较好的观察效果，使一些复杂抽象的问题变得比较形象和简单化，能够提高学生的学习兴趣，降低学生的学习难度，便于教师课堂讲解和互动学习，也便于学生理解和掌握知识难点，具有较好的教学效果。

[参考文献]

[1]孙雨萍.“电机学”特色教学体系研究[J].电气电子教学学报，2010（S1）：59-64.

[2]李朝生，李先允.应用型本科电机学实验教学改革与探讨[J].中国现代教育装备，2010（19）：105-107.

[3]刘团结，胡艳丽，杨国诗.应用型大学《电机学》课程教学改革研究[J].教育教学论坛，2016（7）：97-98.

[4]何笠，孫盼，周斌华，等.《电机学》模块化教学改革实践及思考[J].教育教学论坛，2019（2）：230-232.

[5]宋战锋，刘涛.《电机学》教学方法改革探究[J].中国电力教育，2021（1）：66-77.

[6]董淑惠，李永刚.《电机学》课程教学方法改革探究[J].高教学刊，2020（27）：147-150.

[7]高鸥.VBA for Power Point画线方法研究[J].软件导刊，2009（12）：186-188.

[作者简介]姜宏伟，中原工学院副教授，研究方向：电机电器;梁芬，河南工业贸易职业学院副教授，硕士，研究方向：电机及电机控制。

[责任编辑 韦书令]C6084D8E-4726-4A24-A912-68DF98A9884C