《电机与拖动》课程教学大纲

《电机与拖动》教学大纲课程名称：电机与拖动（ElectricalMachineandDrive）课程编码：1501ZY032 课程类别：专业基础-必修学 分：4分总学时：64学时，其中，理论学时：56学时；实验学时：8学时适用专业：自动化先修课程：电路理论、模拟电子技术、数字电子技术邹必昌一、课程性质《电机与拖动》是自动化专业的一门专业基础必修课程，具有很强的工程性和实践性。通过本课程的学习，帮助学生掌握变压器、交流电机和直流电机的基本知识、基本理论、基本计算方法和一般运行分析问题，了解在自动控制系统中使用的各种控制电机的结构、基本原理、控制方式和特性曲线，学生能在系统中正确的选择、分析和使用控制电机。为后续专业课的学习打好必要的基础。二、课程目标（一）育人目标阅读相关科技文献资料，多角度了解自动化领域电机与拖动方面前沿技术，多了解发达国家在该领域的发展现状，形成强烈的爱国情怀，激励学生奋发学习、刻苦钻研，凝聚学生对社会主义核心价值观的共识。鼓励学生树立严肃、严密、严谨的科学态度，结合本专业课的特点，能识别、表达与分析复杂控制系统的工作过程、约束条件以及性能指标并给出有效结论，并理解应承担的责任与义务。让学生认识到具备良好职业道德的重要性，突显工匠精神与科研态度。通过本课程基本原理的学习，将系统论、工程论、科学思维应用到工程实际中，具有研究学习科技自信及爱国主义情怀，加强师生间交流互动，进行“三观”教育和学习方法指导，培养学生的专业素质，全面提高学生缘事析理、明辨是非的能力，培养学生成为德才兼备、全面发展的人才。（二）知识和能力目标了解电机的发展概况，铁磁材料的特性，掌握电机中使用的基本电磁定律；掌握电机的基本原理和基本结构，学会分析其磁路系统和电路系统，重点掌握研究不同运行状态时的电磁过程及工作特性。（支撑毕业要求1.3）将各种电机的电磁关系，工作原理，机械性能和特征应用于电力拖动控制系统中复杂工程问题的研究，包括建模与仿真、设计实验、分析复杂控制系统的工作过程、约束条件以及性能指标并给出有效结论。（支撑毕业要求2.1）课程目标与毕业要求指标点对应关系课程目标毕业要求指标点课程目标11.3掌握自动化领域过程控制系统与运动控制系统所需的工程基础、专业知识，并能据此寻求最佳解决方案。课程目标22.1能识别、表达与分析复杂控制系统的工作过程、约束条件以及性能指标并给出有效结论。三、基本要求本课程系统的介绍了各种电机（含变压器）的结构、电磁关系、基础理论知识、基本运行特性和一般分析方法。能够基于自动化领域中科学原理和文献研究，对自动化领域中复杂工程问题进行工程建模，拟定解决方案，选择研究路线，具有很强的实用性。在直流电机的讲述中，了解直流电机工作原理、基本结构和励磁方式；掌握直流电机磁场及电枢反应，感应电动势和电磁转矩，学会分析直流电动机的运行特性，掌握直流电动机的起动和调速方法。在变压器的教学中，掌握变压器空载运行，变压器负载运行的特点；掌握变压器基本方程式，等效电路和相量图及相关计算，理解变压器的运行特性，三相变压器的联结组别，变压器的并联运行的条件。章节教学内容授课学时思政元素教学模式对应课程目标1绪论2讲述我国电机与拖动的发展现状，激发学生的爱国情怀和专业认同感，定位自己的社会责任，从而明确本课程学习的目标课堂授课，课后练习2题，课堂讨论1/22直流电机原理8介绍电磁场的基本理论，了解我国电机制造方面面临的困难和挑战，思考自己未来职业规划。课堂授课，课后练习3题，实验1/23直流电机的电力拖动9介绍电机与拖动方面的前沿技术，讲述典型人物的故事，激励学生奋发学习、刻苦钻研。课堂授课，课后练习3题，实验1/24变压器12分析变压器特性参数时，通过数学建模和分析，使学生建立数学现象和物理本质的联系，培养学生将工程问题抽象成数学模型的能力。课堂授课，课后练习3题，实验1/25三相感应电动机原理10结合三相感应电动机的工作原理讲解，能识别、表达与分析复杂控制系统的工作过程、约束条件以及性能指标并给出有效结论，并理解应承担的责任与义务。课堂授课，课后练习3题1/26三相感应电动机的电力拖动6结合电力拖动装置系统讲解，学会利用工程管理和经济分析手段解决工程实际问题，达到本行业“节能、环保、经济”生产的目的。课堂授课，课后练习3题27三相同步电动机11结合发电机案例讲解，提高安全节能意识，设计出安全节能型的产品，是本行业人员应承担的责任和义务。课堂授课，课后练习3题，实验1/28驱动和控制微电机4增强学生间的互动交流，要求学生分组讨论和研究，形成交叉领域热点技术综述报告，并分组汇报。通过自主学习、合作研究、课堂互动，培养学生的学习研究能力、合作协同意识。课堂授课，课后练习2题29电动机的选择2结合电动机的选型问题的讲解，拓宽学生的行业视野，增加学生的专业认同课堂授课，课后练习2题2感，培育学生“爱国、敬业”的社会主义核心价值观。在异步电机和同步发电机的讲述中，了解感应电机和同步发电机的结构和工作原理，掌握其电枢反应，能熟练运用等效电路和相量图分析计算同步电机的性能和主要运行数据；熟练掌握同步发电机的功率和转矩及计算；掌握同步发电机与电网并联运行的条件及起动方法。在实验中，应结合实际电机性能指标需求，能够设计实验，并对实验结果进行评价。四、教学内容分章节说明教学内容，课时安排，并说明教学重点、主要教学模式（包括授课、自学、实验、课堂讨论、作业等）。第一章绪论1、本课程的内容、性质和任务；2、电机理论中常用的基本知识；3、电机理论中常用的基本定律；4、常用的铁磁材料及其特性。本章重点：了解电机的发展概况，铁磁材料的特性，掌握电机中使用的基本电磁定律。能力：能够将电机基本概念、模型、主要性能指标用于分析电机系统的复杂工程问题。第二章直流电机1、直流电机的基本原理、结构；2、直流电机的电枢绕组；3、直流电机的磁场；4、直流电机的电枢感应电动势和电磁转矩；5、直流电动机的运行原理；6、直流发电机的运行原理；7、直流电机的换向。本章重点：了解直流电机工作原理，基本结构和励磁方式；掌握直流电机磁场及电枢反应，感应电动势和电磁转矩，直流电动机的运行特性。能力：能够将直流电机电路与磁路分析与计算用于分析发电机与直流电动机基本特性。第三章直流电机的电力拖动1、电力拖动系统的动力学基础；2、各类生产机械的负载转矩特性；3、电力拖动系统稳定运行条件；4、直流电力拖动系统的动态分析；5、直流电机的起动、制动、调速。本章重点：掌握电力拖动系统的动力学基础知识；掌握电力拖动系统稳定运行条件，直流电力拖动系统的动态分析方法，直流电动机的起动、制动和调速等方法。能力：能够利用数学模型分析电力拖动系统的稳定运行条件；并能通过实验验证对直流电动机的起动、制动和调速等原理。第四章变压器1、变压器的电气构造和工作原理；2、单相变压器的空载运行；3、单相变压器的负载运行；4、变压器的参数测定；5、标幺值；6、变压器的运行性能和特性；7、三相变压器；8、变压器的并联运行；9、其他用途的变压器。本章重点：掌握变压器空载运行，变压器负载运行的特点；掌握变压器基本方程式，等效电路和相量图及相关计算，理解变压器的运行特性，三相变压器的联结组别，变压器的并联运行的条件。能力：根据变压器的基本原理，建立单相变压器和三相变压器的系统模型，分析单相变压器和三相变压器的空载运行和负载运行。第五章三相感应电动机原理1、三相异步电动机的电气构造和基本工作原理；2、三相异步电动机定子绕组；3、三相异步电动机的定子磁动势与磁场；4、三相异步电动机定子绕组感应电动势；5、三相异步电动机的工作原理及运行状态；6、三相异步电动机的电磁关系；7、三相异步电动机的基本方程式、等效电路和相量图；8、三相异步电动机的功率与转矩；9、三相异步电动机的参数测定；10、单相异步电动机。本章重点：了解交流绕组的基本概念，掌握三相双层绕组，三相单层绕组的联接规律；掌握交流绕组的感应电动势的计算，了解单相绕组的磁动势，三相绕组的磁动势的计算。了解感应电机的结构与工作原理，了解感应电动机运行时的电磁过程；能熟练运用等效电路和相量图分析计算感应电机的性能和主要运行数据；掌握三相感应电动机的功率和转矩，三相感应电动机的工作特性和机械特性及计算；能力：能够将异步电机旋转磁场的基础知识、用于建立异步电机的工作特性和机械特性模型，对异步电机各种参数作定量分析和计算。第六章三相感应电动机的电力拖动1、三相感应电动机的机械特性；2、三相感应电动机的起动、制动、调速。本章重点：掌握三相感应电动机机械特性的三种表达式；掌握三相感应电动机起动、制动、调速的方法，机械特性及性能。能力：根据交流电机磁场建立的基本知识和机械特性的三种表达式，分析三相感应电动机拖动系统的机械特性及性能。第七章三相同步电动机1、三相同步电动机原理、结构；2、三相同步电动机的电枢反应；3、三相同步电动机的电动势平衡方程式、等效电路与相量图；4、三相同步电动机功角特性、矩角特性、工作特性；5、三相同步电动机的功率因数调节与V形曲线；6、三相同步电动机的起动。本章重点：了解同步发电机的结构和工作原理，掌握同步发电机的电枢反应；能熟练运用等效电路和相量图分析计算同步电机的性能和主要运行数据；熟练掌握同步发电机的功率和转矩及计算，了解同步发电机的运行特性；了解同步发电机的参数测定的意义，掌握同步发电机与电网并联运行的条件及起动方法；了解同步电动机和同步调相机的原理。能力：能够将同步电机基本概念、模型、主要性能指标用于分析同步发电机与同步电动机系统的复杂工程问题。第八章驱动和控制微电机1、伺服电动机；2、测速发电机；3、步进电动机。本章重点：熟悉几种常用控制电机的基本结构，工作原理和运行特性；了解控制电机在自动控制系统中作用。能力：能够将几种常用控制电机用于自动控制系统中、分析其复杂的工程问题。第九章电动机的选择1、电动机的一般选择方法。本章重点：了解连续工作制、短时工作制及断续周期工作制下电动机容量的选择。能力：能够利用平均损耗法及各种等效法，使用时应注意的应用条件，对电动机的容量进行选择。五、实验与学时分配实验项目与类型序号实验项目学时实验性质演示验证综合设计1直流并励电动机实验3√2变压器实验2√3三相异步电动机实验3√实验一直流并励电动机目的要求掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性；掌握直流并励电动机的调速方法。主要实验仪器及材料电机试验台、直流并励电动机、万用表。掌握要点掌握直流并励电动机的机械特性与调速方法。实验内容测量直流电动机的固有机械特性；改变电枢电源电压测量直流电动机的机械特性；改变电枢电阻测量直流电动机的机械特性，对结果进行分析，完成实验报告。实验二变压器实验目的要求用实验方法求取变压器的空载特性和短路特性；通过空载和短路实验求取变压器的参数和损耗；计算变压器的电压变化百分比和效率。主要实验仪器及材料电机试验台、万用表。3．掌握要点掌握变压器的短路参数与空载参数的测量方法与折算方法。4．实验内容通过空载实验，测量变压器的Rm和Xm，通过短路实验，测量变压器的Rk和Xk，对结果进行分析，完成实验报告。实验三三相异步电动机实验目的要求掌握电机定子绕组的联结方法；掌握电机的启动方式及实现正反转的方法；三相异步电动机的参数测定和工作特性。主要实验仪器及材料电机试验台、三相绕线式异步电动机、万用表。掌握要点掌握三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性的测量方法。实验内容测量三相异步电动机的固有机械特性；降低供电电压测量机械特性；在三相异步电动机的转子里面串联对称电阻测量机械特性，对结果进行分析，绘制机械特性曲线，完成实验报告。六、教学方法本课程是一门理论性、实践性很强的学科课程。为了提高教学质量，增强学生分析问题和解决问题的能力，本课程的教学采用课堂教学、课后作业、实验等相结合的教学方式方法，达到使学生掌握各种电机（含变压器）的结构、电磁关系、基础理论知识、基本运行特性和一般分析方法等教学目标。主要教学环节包括课堂教学、习题练习以及课后自学。课堂教学采用多媒体课件和板书相结合的方式，穿插使用提问、回答、启发、互动等方法，课堂教学以讲授为主，注重培养学生运用知识的实际能力和创新意识。引导、激励学生的学习积极性和自主性，多举一些生活中常见的电机实例，使课程更生动，让学生有直观的认识，对课程学习产生兴趣。授课过程中采用学生课前自学、课堂讨论、教师总结、课后答疑的双向教学方式。课堂提问、课后习题作业是检验学生对所学知识掌握情况的有效的手段。为了达到能让学生不仅吸收所学知识，并且将知识融会贯通、学以致用，课堂上教师采取引导性的提问，培养学生的思维能力和创新能力；布置作业时，从基础知识出发，引发学生思考，扩展学生思维。让学生在自己完成作业的过程中，使学生进一步理解和巩固课程所学的基本概念、基本理论和方法。实验教学为了加深学生对理论教学内容的理解、训练学生的思维方式和动手能力。本课程配合理论学习，安排有8学时的实验。实验要求学生在教师的指导下，能独立完成相关实验要求，进一步加深对电机基础理论的理解；通过亲身实践，掌握课程基本知识内容，从而培养学生分析问题与解决问题的思路和方法，提高学生创造能力和适应变化能力。七、考核与评价方式及标准考核标准与成绩评定课程考核由平时成绩、期末考试两个部分进行成绩评定。平时成绩（百分制），包括课堂测验、作业、实验等。平时成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）了解电机的发展概况，铁电机与拖动的相关电机与拖动的相电机与拖动的相电机与拖动的相磁材料的特性，掌握电机理论知识清晰，具关理论知识较为关理论知识基本关理论知识不清中使用的基本电磁定律；备非常好的分析、清晰，具备非常清晰，初步具备晰，不具备的分掌握电机的基本原理和计算和实践的能较好的分析、计分析、计算和实析、计算和实践基本结构，学会分析其磁力。算和实践的能践的能力。的能力。路系统和电路系统，重点能够将各种电机的力。初步能够将各种不能够将各种电掌握研究不同运行状态电磁关系，工作原基本能够将各种电机的电磁关机的电磁关系，时的电磁过程及工作特理，机械性能和特电机的电磁关系，工作原理，工作原理，机械性。征应用于电力拖动系，工作原理，机械性能和特征性能和特征应用将各种电机的电磁关系，控制系统中复杂工机械性能和特征应用于电力拖动于电力拖动控制工作原理，机械性能和特程问题的研究，包应用于电力拖动控制系统中复杂系统中复杂工程征应用于电力拖动控制括建模与仿真、设控制系统中复杂工程问题的研问题的研究，包系统中复杂工程问题的计实验、分析复杂工程问题的研究，包括建模与括建模与仿真、研究，包括建模与仿真、控制系统的工作过究，包括建模与仿真、设计实验、设计实验、分析设计实验、分析复杂控制程、约束条件以及仿真、设计实验、分析复杂控制系复杂控制系统的系统的工作过程、约束条性能指标并给出有分析复杂控制系统的工作过程、工作过程、约束件以及性能指标并给出效结论。统的工作过程、约束条件以及性条件以及性能指有效结论。约束条件以及性能指标并给出有标并给出有效结能指标并给出有效结论。论。效结论。优秀（0.9-1（07089（06069不合格（00目能够根据直流电基本上能够根据标2变压器和三相异2步电动的基本原异步电动的基本和三相异步电动结果；根据实验项目的的基本原理开实验的方案较正告书写工整、清确。报告书写清验的方案基本正）期末考试成绩：70%，考试方式为闭卷，题型包括：单选题、填空题、判断对错题、回答题、画图题、计算题、应用题。课程期末考试考核内容与评价标准基本要求评价标准比例（%）优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目了解电机的发展概电机与拖动的电机与拖动的电机与拖动的电机与拖动的标况，铁磁材料的特相关理论知识相关理论知识相关理论知识相关理论知识1性，掌握电机中使用清晰，具备非较为清晰，具备基本清晰，初不清晰，不具备的基本电磁定律；掌常好的分析、非常较好的分步具备分析、的分析、计算和握电机的基本原理计算和实践的析、计算和实践计算和实践的实践的能力。和基本结构，学会分能力。的能力。能力。40析其磁路系统和电路系统，重点掌握研究不同运行状态时的电磁过程及工作特性。目将各种电机的电磁能够将各种电基本能够将各初步能够将各不能够将各种标关系，工作原理，机机的电磁关种电机的电磁种电机的电磁电机的电磁关2械性能和特征应用系，工作原理，关系，工作原关系，工作原系，工作原理，于电力拖动控制系机械性能和特理，机械性能和理，机械性能机械性能和特统中复杂工程问题征应用于电力特征应用于电和特征应用于征应用于电力的研究，包括建模与拖动控制系统力拖动控制系电力拖动控制拖动控制系统仿真、设计实验、分中复杂工程问统中复杂工程系统中复杂工中复杂工程问析复杂控制系统的工作过程、约束条件题的研究，包括建模与仿问题的研究，包括建模与仿真、程问题的研究，包括建模题的研究，包括建模与仿真、设60以及性能指标并给真、设计实验、设计实验、分析与仿真、设计计实验、分析复出有效结论。分析复杂控制复杂控制系统实验、分析复杂控制系统的系统的工作过的工作过程、约杂控制系统的工作过程、约束程、约束条件束条件以及性工作过程、约条件以及性能以及性能指标能指标并给出束条件以及性指标并给出有并给出有效结有效结论。能指标并给出效结论。论。有效结论。注