新能源汽车驱动电机及控制技术 教案全套 1-1新能源汽车驱动电机系统认知与发展趋势 -10-3新能源汽车驱动电机系统检修-过热与异响故障诊断及实践

1-1新能源汽车驱动电机系统认教学目标1.知识目标：

理解驱动电机系统的定义、组成及各核心部件的工作原理；

掌握直流电机、交流异步电机、永磁同步电机的技术特点及发展历程；

了解我国新能源汽车产业政策（如《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》）对驱动电机技术的推动作用。

2.能力目标：

能通过资料分析对比国内外驱动电机系统的技术差异（如功率密度、冷却技术等）；

能独立完成电动汽车驱动电机发展资料的搜集与汇报制作；

能运用专业知识解释实际案例中驱动电机系统的故障现象（如DCDC转换器失效导致低压电器异常）。

3.素养目标：

培养严谨的工程思维，树立绿色低碳的发展理念；

增强民族自信心与创新意识，认同我国在新能源汽车领域的制度优势与技术突破。课程重点1.驱动电机系统的组成与工作逻辑。

2.驱动电机技术发展脉络。

3.我国驱动电机产业现状。课程难点1.电力电子技术在电机控制中的应用。

2.驱动电机系统集成化趋势。

3.

解读《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中“三纵三横”研发布局对核心技术攻关的指导意义。教学过程一、情境引入（15分钟）

1.实物对比：展示传统燃油车与新能源汽车动力舱拆解图，引导学生观察“发动机+变速箱”与“电机+控制器”的结构差异。

2.视频分析：播放纯电动汽车系统动画，提问：“当驾驶员踩下油门时，能量如何从动力电池传递到车轮？”

3.概念导入：结合GB/T18488—2024标准，明确驱动电机、控制器、系统的定义。

二、理论讲解（40分钟）

模块1：驱动电机系统组成

-核心部件：对比燃油车。

模块2：技术发展历程

-时间轴梳理：从1821年法拉第圆盘发电机到1886年特斯拉两相异步电机，再到2020年我国永磁同步电机产业化；

-技术迭代分析：表格对比直流电机（19世纪）、交流异步电机（20世纪初）、永磁同步电机（21世纪）的效率、功率密度、应用场景。

模块3：国内外技术对比

-中国进展：以上海电驱动16000r/min高速电机为例，说明扁线绕组+油冷技术如何实现功率密度突破；

-国外动态：分析特斯拉SiC电机控制器（800V平台）对充电速度与续航里程的提升作用。

三、问题讨论（20分钟）

“未来5年，交流异步电机与永磁同步电机谁将主导新能源汽车市场？”（提示：从成本、稀土资源、效率等角度切入）

四、实践任务布置（10分钟）

任务要求：

-分组搜集2010-2023年全球驱动电机专利数据（重点企业：丰田、比亚迪、特斯拉）；

-制作PPT，包含技术路线图（如稀土永磁材料替代方向）、政策影响分析（如我国新能源汽车补贴退坡对技术创新的倒逼作用）；

-下节课随机抽取小组汇报（10分钟/组）。

五、课堂小测（15分钟）

1.选择题：以下哪种技术可使电机控制器功率密度从12kW/L提升至24kW/L？（）

A.水冷冷却B.扁线绕组C.IGBT双面焊接D.无线充电

（答案：C，解析：双面焊接减少热阻，提升散热效率）

2.简答题：简述《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中“三横”技术体系对驱动电机发展的具体要求。

六、探索发现（课后拓展）

主题：驱动电机系统的发展趋势

-资料查阅：调研“轮毂电机”（如日产e-4ORCE技术）的优缺点。思政案例案例名称：从“技术跟跑”到“标准制定”——我国新能源汽车驱动电机的逆袭之路

背景：

2009年，我国新能源汽车驱动电机80%依赖进口，核心控制器IGBT芯片完全被英飞凌、安森美等国外企业垄断，一辆车的电机系统成本占比高达35%。某车企曾因进口电机控制器断供，导致数千辆订单延误。

转折：

2012年《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》出台，明确“以纯电驱动为战略取向”，中央财政设立专项基金支持核心技术攻关。中车时代电动联合湖南大学，历经5年攻关，突破永磁同步电机稀土永磁材料配方与磁路设计技术，2017年实现电机功率密度从2.5kW/kg提升至4.0kW/kg，成本下降40%。

成就：

2023年，我国驱动电机市场规模达1200亿元，全球份额超60%，比亚迪“刀片电池+八合一电驱系统”实现续航超1200公里，华为DriveONE电驱系统入选国际电工委员会（IEC）标准制定工作组。某国际车企高管感叹：“中国在电机控制器领域的专利数量，已让我们从‘技术输出’变为‘技术引进’。”

讨论问题：

1.对比传统燃油车时代我国“发动机受制于国外”的困境，分析新能源汽车领域“换道超车”的制度优势体现在哪些方面？

2.中车时代电动在研发初期曾因稀土永磁体高温退磁问题遭遇多次失败，如果你是研发团队成员，会如何运用“工匠精神”应对挫折？思政元素制度自信：

通过《新能源汽车产业发展规划》“三纵三横”布局，展现我国集中力量办大事的体制优势，对比欧美国家产业政策分散导致技术迭代缓慢的案例，凸显顶层设计对科技创新的引领作用。

2.文化自信：

挖掘我国古代“司南”（磁场应用）、“水力鼓风装置”（能量转换思想）等科技智慧，将传统创新精神与现代驱动电机技术发展相呼应，增强文化认同感。

3.创新精神：

以精进电动“无稀土电机”研发团队为例，讲述其突破钕铁硼依赖、采用铁氧体磁钢实现性能达标的奋斗故事，培养学生敢为人先的创新意识。

4.绿色理念：

结合何康动力“绿色科技造福人类”的企业愿景，计算1辆电动大巴年减排CO₂约50吨的环境效益，引导学生将个人职业发展与“双碳”目标相结合。1-2新能源汽车驱动电机技术及教学目标1.知识目标：

掌握驱动电机的分类及各类电机的特点与应用场景；

理解驱动电机与工业电机的关键区别；

明确新能源汽车对驱动电机的性能要求。

2.能力目标：

能够根据车型需求选择合适的驱动电机并阐述理由；

具备分析驱动电机工作特性曲线的基本能力；

提升资料查询、PPT制作及答辩展示的综合实践能力。

3.思政目标：

认识我国驱动电机企业的发展历程与技术突破，增强民族自豪感；

理解科技创新在国家产业升级中的重要作用，培养创新精神与家国情怀。课程重点1.驱动电机的分类及特点。

2.驱动电机与工业电机的区别：从封装尺寸、工作环境、可靠性、冷却方式、控制性能、功率密度、性价比等方面对比。

3.新能源汽车对驱动电机的性能要求：低速大转矩、高速宽调速、高功率密度、高效率、能量回馈、控制精度与动态响应、高可靠性与安全性、低成本、低噪声等。课程难点1.驱动电机工作特性的理解：转矩-转速特性曲线的分析，为何驱动电机低速大转矩、高速小转矩的特性符合车辆行驶需求，与发动机特性曲线的差异及对变速机构的影响。

2.不同类型驱动电机的选型决策：综合考虑车型定位（如乘用车与商用车）、性能需求（加速、续航、成本等）、技术成熟度等因素，如何为特定车型（如吉利帝豪EV、北汽EU260）选择最优驱动电机。

3.驱动电机控制技术的初步认知：精确转矩控制、动态响应快等控制性能要求的技术实现原理，以及与工业电机变频调速控制的本质区别。教学过程一、情境引入（15分钟）

提问：同学们日常乘坐或观察新能源汽车时，是否思考过它们为何加速快、噪音小？

展示发动机与驱动电机的工作特性曲线对比图：发动机功率随转速上升而上升，转矩先升后降，需复杂变速机构；驱动电机转矩随转速上升而下降，低速大转矩、高速小转矩，无需多档变速箱。

引出主题：驱动电机作为新能源汽车的“心脏”，其技术优势是新能源汽车性能优越的关键，本节课深入学习驱动电机技术。

二、驱动电机的技术优势（20分钟）

1.工作特性优势：结合曲线分析，驱动电机低速大转矩满足起步加速，高速宽调速省去复杂变速箱（举例：传统燃油车5-10档变速箱，新能源汽车多为固定档齿轮组）。

2.响应速度优势：发动机机械响应过程（节气门打开→进气量增大→喷油量增大→转速上升）耗时较长；驱动电机电信号传递快，响应速度远高于机械系统（体验：新能源汽车起步“推背感”）。

三、驱动电机的分类（30分钟）

1.有刷电机：

-主要为直流电机，最早应用形式，分为永磁励磁电机（永磁体作励磁单元）和其他励磁电机（电流励磁，如串励、并励电机）。

-缺点：碳刷易磨损、产生电火花，可靠性和寿命受限，现多用于小型微电机（如雨刮电机、车窗电机）。

2.无刷电机：

-交流异步电机（感应电机）：工业领域广泛应用，部分新能源汽车使用（如特斯拉），结构坚固但功率密度中等。

-永磁无刷电机：

-永磁同步电机：使用永磁体励磁，效率高、功率密度高，广泛应用于电动汽车（如比亚迪E平台3.0电机）。

-无刷直流电机：与永磁同步电机类似，多用于电动自行车。

-开关磁阻电机：工作原理特殊，低速启动性能好但噪声大，是有前景的电机类型。

课堂活动：小组讨论不同电机类型的适用场景，每组代表发言。

四、驱动电机与工业电机的区别（25分钟）

展示表1.1，逐项对比分析：

-封装尺寸：工业电机空间不受限用标准封装，驱动电机布置空间有限需特殊设计。

-工作环境：驱动电机环境温度变化大（-40-105℃），工业电机适中（-20-40℃）。

-可靠性：驱动电机需保证驾乘人员安全，要求更高；工业电机以保证生产效率为主。

-冷却方式：驱动电机多液冷（体积小），工业电机多风冷（体积大）。

-控制性能：驱动电机需精确转矩控制和高动态响应，工业电机多定工况变频调速。

-功率密度：驱动电机2.0-4.5kW/kg，工业电机0.5-1.5kW/kg。

-性价比：驱动电机作为汽车核心部件，价格敏感，要求极高性价比。

总结：驱动电机是“工业电机皇冠上的明珠”，技术要求更高。

五、驱动电机的性能要求（35分钟）

结合实例详细讲解八大性能要求：

1.低速大转矩、高速宽调速：加速爬坡需4-5倍额定转矩，调速范围宽可省变速箱（如比亚迪E平台3.0电机最高转速超17000转/分钟）。

2.高功率密度、轻量化：受安装空间和整车重量限制，如驱动电机需小体积、轻质量输出大功率。

3.高效率：提升续驶里程，要求宽调速范围内均高效。

4.能量回馈：制动时回收能量（占总能量15%-25%），区别于内燃机汽车。

5.控制精度高、动态响应快：适应复杂工况，如频繁起制动、路面变化。

6.高可靠性与安全性：恶劣环境（高低温、振动等）下保证安全，如车载高压系统（300-800V）的安全防护。

7.低成本：降低整车售价，提升市场竞争力。

8.低噪声：改善驾乘体验，NVH性能是重要评价指标。

案例分析：以比亚迪某款纯电动车为例，分析其驱动电机如何满足上述性能要求。

六、问题讨论与资料查询（20分钟）

提出问题：不同品牌新能源汽车为何选择不同类型的驱动电机？（如特斯拉与比亚迪的选择差异）

指导学生利用在线资源（如企业官网、行业报告）查询典型车型的驱动电机参数及技术特点，记录查询过程中的关键信息。

七、实践任务布置（10分钟）

任务：对照新能源汽车对驱动电机的要求，为某一车型（如吉利帝豪EV、北汽EU260或自选车型）选择一款驱动电机，并说明理由。

要求：

1.明确车型定位（如紧凑型轿车、SUV等）及目标用户需求。

2.列出所选驱动电机的类型、关键性能参数（转速、功率密度、效率等）。

3.结合课程所学知识，从性能匹配、成本、技术成熟度等方面阐述选择理由。

4.制作PPT（10-15页），下节课进行展示和答辩。

八、课堂小测（15分钟）

通过在线答题形式，考查驱动电机分类、与工业电机区别、性能要求等基础知识。

九、课程思政（20分钟）

引入“中华民族伟大复兴的历史必然-我国驱动电机企业的崛起之路”案例，讲解精进电动、上海大郡、上海电驱动、比亚迪等企业的发展历程：

-精进电动：2008年创立，为北汽、吉利等配套，经历菲斯科破产危机后转向商用车市场重获生机。

-上海大郡、上海电驱动：早期技术积累，后被正海磁材、大洋电机收购，推动行业整合与技术进步。

-比亚迪：收购宁波中纬掌握电机技术，自主研发IGBT芯片打破国际垄断，构建垂直供应链。

讨论：我国驱动电机企业从技术空白到接近国际水平的发展，体现了哪些精神？（如艰苦奋斗、自主创新、产业协作）

十、课堂总结与作业安排（5分钟）

总结本节课重点知识：驱动电机分类、与工业电机区别、性能要求及思政启示。

强调实践任务的时间节点和注意事项，鼓励学生主动思考、积极探索。思政案例案例名称：精进电动的“逆袭之路”

案例内容：2008年，余平、蔡蔚怀揣打造“中国心”的梦想创立精进电动。2009年成功开发我国第一套自主知识产权的BSG系统，为北汽配套并打入北美市场，为菲斯科卡玛提供驱动电机。2010年建立国内最早驱动电机量产线，2011年出口1万余台电机。然而，2012年菲斯科因电池问题破产，拖欠货款导致精进电动产值下降四分之三、团队流失三分之二。面对绝境，企业未放弃，加大研发投入转向商用车市场，2014年推出拳头产品，2015年商用车驱动电机系统产销突破1万套，稳固行业地位。

思政引导：

1.家国情怀：创始人放弃国外优厚条件回国创业，以“为中国新能源汽车制造强大心脏”为使命，体现强烈的爱国精神。

2.艰苦奋斗与resilience（抗压力）：在企业濒临绝境时，团队没有解散，而是调整战略、专注研发，展现了中国企业家坚韧不拔的奋斗精神。

3.技术创新：从跟随到自主研发，精进电动的发展历程证明，只有掌握核心技术，才能在国际竞争中立于不败之地，激励学生勇于攻克技术难关。思政元素1.民族自豪感：我国驱动电机企业从无到有、从弱到强，技术水平从空白接近国际水平，国产化程度高，如2015年电驱动系统供应商超154家，配套量近40万台套，让学生为国家产业发展成就感到自豪。

2.科技创新精神：比亚迪收购宁波中纬后自主研发IGBT芯片，打破德国英飞凌垄断；精进电动等企业在困境中坚持研发实现技术突破，体现科技创新是产业升级的核心动力，培养学生勇于探索、敢于创新的精神。

3.产业报国情怀：正海磁材收购上海大郡、大洋电机收购上海电驱动等案例，展现传统企业通过整合资源、转型升级投身新能源产业，服务国家战略，引导学生将个人发展与国家需求相结合。

4.竞争与协作意识：驱动电机行业从早期少数企业到2015年154家供应商的竞争格局，既促进技术进步，也体现企业间协作（如上下游产业链整合）的重要性，培养学生的竞争意识与团队协作精神。1-3电动汽车驱动系统布置形式教学目标1.知识目标：掌握电动汽车驱动系统的传统布置形式、典型布置形式及新型布置形式的结构特点与应用场景；理解集中式与分布式驱动系统的分类标准及技术差异；了解我国新能源汽车技术的发展现状及全球竞争力。

2.能力目标：能够通过实物观察与结构分析，识别不同车型的驱动系统布置类型；能绘制典型驱动系统布置示意图并分析其性能优劣；具备运用专业知识解释新能源汽车技术突破案例的能力。

3.素养目标：培养工程思维与创新意识，认识技术迭代对产业发展的推动作用；增强民族自豪感与科技自信，树立投身新能源汽车产业的责任感。课程重点1.电动汽车典型驱动布置形式（前置前驱、后置后驱）的结构组成与性能特点。

2.集中式驱动（单电机直驱、电机+变速器）与分布式驱动（轮边电机、轮毂电机）的技术差异。

3.驱动系统布置形式对电动汽车续航、操控性及舒适性的影响机制。课程难点1.传统燃油车改造型驱动布置形式的局限性分析（结构复杂性、传动效率低）。

2.轮毂电机布置中“簧下质量”对车辆舒适性的影响原理。

3.驱动系统集成化趋势（如“三合一”电驱动桥）与电动汽车性能提升的关联。教学过程一、情境引入（15分钟）

1.对比提问：展示燃油车前置后驱结构图与特斯拉Model3驱动系统图，引导学生观察差异（如传动轴的有无），提问：“为什么电动汽车不需要长长的传动轴？”

2.视频导入：播放特斯拉ModelS加速测试片段（0-100km/h仅需2.1秒），引出核心问题：“电动机的特性如何改变了汽车的动力传递方式？”

二、理论讲解（40分钟）

（一）驱动布置形式演进

1.传统改造型布置

-结构特点：基于燃油车底盘，用电机取代发动机，保留离合器、变速器、传动轴（举例：早期日产Leaf原型车）。

-缺点分析：以“传动效率”为核心，计算多部件能量损耗（离合器1%、变速器3%、传动轴5%，总效率约85%），对比纯电驱动系统（95%以上）。

2.典型布置形式

-前置前驱：电机+减速器+差速器集成（举例：比亚迪秦PLUSEV），优点：结构紧凑、车内空间大，适合家用车。

-后置后驱：电机布置于后轴（举例：特斯拉Model3Performance），优点：前后轴荷比接近50:50，操控性提升，适合高性能车型。

（二）集中式与分布式驱动分类

1.集中式驱动

-单电机直驱：无变速器（举例：日产Leaf），依赖电机宽转速特性（0-15000rpm）。

-电机+2挡变速器：低速大扭矩、高速高效率（举例：比亚迪DM-i超级混动系统）。

2.分布式驱动

-轮边电机：电机安装于车轮附近，保留半轴（举例：蔚来ES8双电机四驱）。

-轮毂电机：电机直接集成于轮毂（举例：丰田Fine-ComfortRide概念车），重点分析“簧下质量”问题：对比传统车轮（25kg）与轮毂电机车轮（45kg），用“跑鞋与铅鞋”类比解释舒适性下降原理。

三、实物认知与问题讨论（25分钟）

1.教具展示：拆卸式驱动桥模型（含电机、减速器、差速器），学生分组观察并标注关键部件。

2.问题链设计：

-Q1：为什么动力电池布置在底盘中部会限制传统传动轴的使用？（引导分析空间冲突）

-Q2：高性能电动车为何多采用后置后驱？（结合F1赛车配重原理）

-Q3：轮毂电机为何未大规模应用？（从散热、密封、簧下质量三方面总结）

四、实践任务（30分钟）

​驱动电机系统认知实验

1.准备工具：电动汽车实车（或底盘教具）、举升机、扭矩扳手、布置形式分析表。

2.步骤：

-记录车辆信息（品牌、型号、驱动方式）；

-举升车辆后观察驱动系统：识别电机位置（前轴/后轴）、是否有变速器、半轴数量；

-绘制布置示意图并标注关键部件（电机、减速器、差速器）；

-分析案例：对比比亚迪汉EV（前置前驱）与保时捷Taycan（双电机四驱）的结构差异，预测其操控性能差异。

五、课堂小测（10分钟）

学生完成在线学习平台上的课堂测验，教师进行点评和讲解。

六、课后拓展

调研任务：收集3款国产电动车（如比亚迪海豹、小鹏P7、蔚来ET5）的驱动布置形式，分析其技术参数（电机功率、续航里程）与定位的关系。思政案例案例：中国新能源汽车的“弯道超车”之路

1.技术突破：展示比亚迪“刀片电池+八合一电驱桥”技术组合，其电驱系统效率达97.5%，较国际品牌高3%，使比亚迪汉EV续航突破715km。

2.市场表现：2023年全球新能源汽车销量前十车型中，中国品牌占6席（比亚迪宋PLUS、元PLUS等），出口量达679万辆，同比增长120%，超越德国成为全球第二大汽车出口国。

3.国际竞争：欧盟对中国电动车发起反补贴调查，却倒逼中国车企加速本地化生产（如比亚迪在匈牙利建厂），体现“技术自信+产业链韧性”。

讨论问题：“当欧洲车企还在纠结燃油车平台改造时，中国车企如何通过纯电平台（如吉利SEA、蔚来NT2.0）实现领先？”引导学生认识自主创新的战略意义。思政元素1.科技自立自强：从“燃油车时代技术落后”到“新能源时代全球领先”，体现核心技术突破的重要性。

2.绿色发展理念：驱动系统效率提升（如从85%到95%）直接减少能源消耗，呼应“双碳”目标。

3.大国工匠精神：以华为电机团队为例，其研发的扁线电机功率密度达4.0kW/kg，突破国际专利壁垒，展现工程师的钻研精神。2-1电磁感应现象及应用教学目标1.知识目标

掌握磁场、磁感线、磁感应强度等基本概念，理解电磁感应定律，能解释自感、互感现象及变压器工作原理。

2.能力目标

通过虚拟仿真与实物实验结合，培养观察现象、分析数据的科学探究能力；能运用电磁感应定律解决简单工程问题，如分析变压器电压比关系。

3.思政目标

​激发爱国情怀与科技报国志向；学习其“做一辈子研究生”的钻研精神，培养严谨治学态度与终身学习意识。课程重点1.电磁感应定律的物理意义：磁通量变化是产生感应电动势的根本条件，楞次定律揭示感应电流的方向规律。

2.实验验证：通过磁铁靠近线圈、互感线圈组等实验，直观观察磁通量变化与感应电流的关系。

3.工程应用：以变压器为例，理解电磁感应原理在电力传输中的核心作用，推导电压比公式。课程难点1.磁通量变化的量化分析：如何通过磁场强度、面积、夹角等参数综合判断磁通量。

2.楞次定律的深层理解：“阻碍磁通量变化”而非“阻碍磁场本身”，需结合相对运动方向进行逻辑推理。

3.理论与实践的衔接：将奥斯特实验、法拉第发电机等历史案例与现代电磁设备（如手机无线充电）建立关联。教学过程

一、情境引入（5分钟）

播放林为干院士纪录片片段：聚焦1951年他与留美学生冲破阻挠回国的场景，引用其回答导师的话“我的祖国需要我”，设问：“这位‘中国微波之父’为何放弃美国优渥条件？他归国后开创的微波技术如何改变中国？”引出本节课主题——电磁现象的探索与应用。

二、知识讲授（30分钟）

1.磁场基础

-演示奥斯特实验（虚拟仿真）：通电导线使小磁针偏转，类比1820年奥斯特的偶然发现，说明“电生磁”的里程碑意义。

-重点讲解磁感线特点：闭合曲线、疏密表示磁场强弱，用铁屑模拟条形磁铁磁场分布（实物演示）。

-磁感应强度，磁通量的定义，结合公式说明“磁场是物质存在的特殊形式”。

2.电磁感应定律

-还原法拉第实验：1831年法拉第将磁铁插入线圈，电流计指针偏转，引导学生总结条件——闭合回路+磁通量变化。

-推导楞次定律：通过实验对比（磁铁插入/拔出线圈时电流方向），用“阻碍变化”口诀判断感应电流方向，强调与能量守恒的内在联系。

3.自感与互感

-演示自感现象：断电瞬间灯泡闪亮，解释物理意义（线圈储能特性）。

-互感应用：展示变压器模型（两组线圈绕制在铁心上），说明电力系统降压传输的原理。

三、虚拟仿真与问题讨论（25分钟）

1.仿真任务：在虚拟实验平台中完成两项操作：

-改变磁铁靠近线圈的速度，记录感应电流峰值与速度的关系（预期结论：速度越快，越大，电流越大）。

-调整变压器原副线圈匝数比（1:2、2:1），测量输出电压，验证理论公式。

2.分组讨论：

-Q1：林为干院士1951年回国后为何选择从基础教学抓起？（提示：结合新中国“微波技术空白”背景）

-Q2：手机无线充电是否应用电磁感应原理？如何设计线圈匝数以提高充电效率？

-Q3：若变压器铁芯改用非铁磁材料（如铝），互感系数会如何变化？（联系磁导率）

四、实践任务（20分钟）

电磁感应实验操作：

1.工具准备：线圈（N=50匝）、条形磁铁、示波器、信号发生器、铁心。

2.步骤：

-实验1（动生电动势）：将线圈接示波器，分别以0.5m/s、1m/s速度将磁铁插入线圈，对比波形峰值。

-实验2（互感电动势）：在铁心上绕制原线圈（N1=100）接信号发生器（f=50Hz，U1=10V），副线圈（N2=200）接示波器，读取U2，验证电压比。

3.误差分析：讨论铁心损耗、线圈电阻对测量结果的影响。

五、课堂小测（10分钟）

学生在在线学习平台完成测验，教师进行点评和讲解。

思政案例案例：破解电磁学“哥德巴赫猜想”的赤子之心

1951年，林为干在加州大学伯克利分校的博士论文中提出“一腔多模”理论：一个圆柱谐振腔可利用5个简并模，突破传统“2个简并模”认知。这一成果发表于《应用物理》杂志首页，被学界称为“解开了电磁学的难题”。

细节还原：

-科研动力：导师温纳里问他为何每天工作16小时，林为干指着笔记本上“中华不振，唯有科技救国”的批注说：“中国的雷达、通信设备全靠进口，我要让祖国拥有自己的微波技术。”

-归国贡献：1952年他在华南工学院创建电讯系，编写国内首部《微波技术》教材，培养出新中国第一批微波人才。1980年主动辞去副院长职务，专注科研，76岁仍攻克“介质球静电镜像”百年难题。

启示：

-家国情怀：从“三所名校选清华”的少年志向，到“公海漂泊回国”的坚定抉择，体现知识分子“以身许国”的担当。

-治学精神：96岁高龄仍坚持阅读国际期刊，用“做一辈子研究生”诠释对科学的敬畏与执着。思政元素1.爱国主义：林为干等留美学生“回国报效”的集体行动，与当代“卡脖子”技术攻关相呼应，培养科技报国责任感。

2.创新精神：“一腔多模”理论打破权威认知，鼓励学生质疑“常识”，敢于挑战学术难题。

3.工匠精神：实验操作中强调“数据记录要精确到小数点后两位”，传承林为干“论文图表必须亲自手绘”的严谨作风。

4.育人情怀：学习林为干资助学生留学、“把讲台当战场”的师者风范，引导学生树立“立德树人”的职业追求。2-2机电能量转换基础——磁路教学目标1.知识目标：理解磁路的基本概念（主磁通与漏磁通），掌握安培环路定律、磁路欧姆定律及基尔霍夫定律的应用，能推导电磁转矩计算公式并分析影响因素。

2.能力目标：通过类比电路分析磁路问题，培养工程思维；通过实践任务观察电机转速变化，提升实验操作与数据分析能力。

3.思政目标：结合“中国航母电磁弹射”的案例，激发爱国情怀与科研创新精神，树立科技报国的理想信念。课程重点1.磁路基本定律：安培环路定律、磁路欧姆定律及基尔霍夫定律（磁通连续性与磁动势平衡）。

2.电磁转矩计算：掌握磁链、电流及空间相位差的物理意义。

3.磁阻转矩特性：理解凸极转子结构下气隙磁导变化对转矩的影响，区分电磁转矩与磁阻转矩的产生机制。课程难点1.磁路非线性分析：由于铁磁材料磁导率随磁场强度变化，磁阻非恒定值，需结合磁化曲线理解磁路欧姆定律的应用限制。

2.电磁转矩公式推导：从安培力到转矩公式的转化过程，涉及磁链与互感的关联。

3.工程案例迁移：将磁路理论与电机实际结构（如定转子气隙）结合，解释福建舰电磁弹射技术的原理。教学过程一、情境引入（5分钟）

1.生活实例提问：“电动车行驶时电能如何转化为机械能？手机无线充电利用了什么原理？”引导学生思考能量转换本质。

2.展示电机剖面图：指出定子、转子铁芯构成的闭合路径，引出“磁路”概念，类比电路中电流的流动，提出核心问题：“磁场如何在铁芯中传递并实现能量转换？”

二、知识讲解（40分钟）

（一）磁路基本概念

1.主磁通与漏磁通：通过磁铁吸附铁钉实验，对比铁芯中集中磁感线（主磁通）与空气中分散磁感线（漏磁通），强调主磁通是能量转换的核心载体。

2.直流磁路与交流磁路：结合手电筒（直流）与家用插座（交流），说明励磁电流性质决定磁路类型，展示直流电机与异步电机的结构差异。

（二）磁路基本定律

1.安培环路定律：

-演示实验：线圈通电后铁钉磁化，改变电流大小观察磁性变化，引出公式(Hl=Ni)（磁场强度与电流、匝数成正比）。

-工程应用：计算励磁电流。

2.磁路欧姆定律：

-类比电路：磁动势类比电动势、磁通类比电流、磁阻类比电阻。

-非线性分析：展示硅钢片磁化曲线，与线性电阻对比。

3.基尔霍夫定律：

-第一定律（磁通连续性）：以三相变压器铁芯为例，类比电路KCL。

-第二定律（磁动势平衡）：分析电机定转子气隙磁路，类比电路KVL。

（三）电磁转矩与磁阻转矩

1.电磁转矩推导：

-微观机制：通电导体在磁场中受力，多个导体形成转矩。

-公式应用：已知定子磁链，转子电流，空间相位差，计算转矩大小。

2.磁阻转矩特性：

-凸极电机模型：展示转子凸极结构，当直轴时气隙最小、磁导最大，交轴时磁导最小，推导转矩公式，强调最大转矩出现在45°。

三、实践任务（30分钟）

任务名称：他励直流电机转速调节实验

1.器材准备：他励直流电机、可调直流电源（2台）、转速计、导线若干。

2.步骤：

-连接电路：励磁绕组接电源U1，电枢绕组接电源U2，确保极性正确。

-调节励磁电压：固定U2=100V，U1从50V增至150V，记录转速变化（预期：励磁电流增大→磁通增强→转速降低）。

-调节电枢电压：固定U1=100V，U2从50V增至200V，记录转速变化（预期：电枢电流增大→电磁转矩增大→转速升高）。

3.数据分析：绘制“转速-电压”曲线，解释曲线斜率与电磁转矩公式的关联。

四、课堂小结与小测（15分钟）

1.小结：磁路定律→磁场能量→电磁转矩→电机运动的逻辑链条，强调“磁场是能量转换的媒介”。

2.学生在在线学习平台完成测验，教师进行点评和讲解。思政案例中国电磁弹射之父——马伟明院士的科研报国之路

一、攻坚克难的自主创新

20世纪90年代，我国从国外引进的潜艇发电机存在“固有振荡”缺陷，国外专家傲慢回应：“你们解决不了。”马伟明带领团队将洗脸间改造成实验室，用6年时间、几十万组数据研发出多相整流发电机，彻底解决系统瘫痪问题，使我国海军装备摆脱对外依赖。他说：“核心技术买不来，要不来，必须自己干！”

二、电磁弹射的中国速度

美国花21年、32亿美元研发电磁弹射技术，而马伟明团队仅用数年就突破关键瓶颈。在福建舰建造中，他力排众议采用电磁弹射，使我国成为世界上第二个掌握该技术的国家。鉴定会上，老专家抚摸样机泣不成声：“中国终于有了自己的‘争气机’！”

三、科技强军的使命担当

面对“美国技术封锁”，马伟明提出“全能舰”概念，计划用电磁能取代化学能，推动海军装备跨越式发展。他强调：“科研要敢于走别人没走过的路，国家需要什么，我们就攻关什么。”如今，福建舰的电磁弹射系统已实现战机高效起飞，彰显了中国科技工作者的使命与担当。思政元素1.爱国情怀：通过马伟明院士拒绝国外技术垄断、为国研发“争气机”的案例，培养学生“科技报国”的责任感。

2.创新精神：对比中美电磁弹射研发周期，展现“敢为人先”的科研勇气，鼓励学生突破思维定式。

3.工匠精神：实验室改造、春节加班维修潜艇等细节，诠释“精益求精、攻坚克难”的工程伦理。

4.文化自信：从福建舰电磁弹射技术到“全能舰”构想，增强学生对中国科技实力的自豪感，理解“自立自强”的国家发展战略。2-3铁磁材料的性能测试与技术1.知识目标：掌握铁磁材料的磁导率、磁滞回线、剩磁、矫顽力等基本概念；理解软磁、硬磁、矩磁材料的分类及应用；了解铁心损耗的组成及影响因素。

2.能力目标：通过实验操作，学会使用直流电源、高斯计等仪器测量铁磁材料的磁化曲线和剩磁；培养数据分析与图表绘制能力，能根据实验结果区分不同铁磁材料的性能差异；提升解决实际工程问题的思维能力。

3.思政目标：通过稀土磁铁等案例，认识技术创新对国家发展的重要性；树立资源保护与可持续发展意识，培养严谨求实的科学态度和爱国情怀。课程重点1.铁磁材料的磁化曲线与磁滞回线特征分析。

2.剩磁（Br）和矫顽力（Hc）的实验测量方法。

3.软磁、硬磁材料的性能差异及工程应用实例。课程难点1.磁滞现象的物理本质及磁滞回线各阶段的物理意义。

2.实验数据的误差分析与磁化曲线的准确绘制。

3.稀土材料技术创新与国家战略安全的关联性理解。教学过程一、情境引入（10分钟）

【案例导入】展示司南、现代稀土永磁电机、核磁共振设备图片，提问：

1.古代指南针如何利用磁铁特性指引方向？

2.为什么稀土磁铁被称为“永磁之王”？它对我国高铁、新能源汽车产业有何影响？

通过古今对比，引出铁磁材料的技术演进与国家发展的关系，激发学生兴趣。

二、知识讲解（25分钟）

1.铁磁材料的磁导率（μ）

-展示铁、铜、空气的磁导率数值对比（铁：μ≈10⁴~10⁶H/m，铜：μ≈1H/m），说明铁磁材料高导磁特性的微观机制（磁畴理论）。

-结合磁化曲线示意图，解释“起始磁化-线性增长-磁饱和”三阶段特征。

2.磁滞回线与关键参数

-动态演示交变磁场下B-H曲线的形成过程，重点标注剩磁（Br）和矫顽力（Hc）。

-举例：软磁材料（如硅钢片）Br≈0.1T，Hc>10⁵A/m。3.材料分类与应用

-软磁材料：电机、变压器铁心（硅钢片）；硬磁材料：永磁电机、扬声器（钕铁硼）；矩磁材料：计算机存储磁芯。

三、实践任务（40分钟）

任务：比较铁、镍、钴三种材料的磁化性能

1.实验准备

-工具：铁磁材料样品（铁、镍、钴）、直流电源（0-30V）、高斯计（量程0-2T）、铁心线圈（N=1000匝）。

-安全提示：线圈通电时避免长时间短路，高斯计探头需垂直磁场方向。

2.步骤实施

-①调节电源使电流从0逐渐增大至5A，记录H（H=NI/L，L为线圈长度）与B（高斯计读数）数据，绘制磁化曲线。

-②断电后测量剩磁Br，反向通电至B=0，记录矫顽力Hc。

-③重复测试镍、钴样品，对比数据差异。

3.数据处理

-用Excel绘制三种材料的B-H曲线，标注饱和点、Br、Hc数值。

四、问题讨论（15分钟）

1.实验中发现钴的矫顽力大于铁，这与它的应用场景有何关联？（提示：钴可用于制造高温永磁体）

2.为什么变压器铁心采用薄硅钢片叠合？（结合涡流损耗公式Pₑ∝f²Bₘ²d²，说明减小厚度d可降低损耗）

3.若实验中磁场强度未达到饱和，对结果有何影响？

五、课堂小测（10分钟）

学生在在线学习平台完成测验，教师进行点评和讲解。

六、课程思政拓展（10分钟）

播放我国稀土永磁材料产业纪录片片段，讨论：

-我国稀土储量占全球38%，但高端稀土加工技术曾依赖进口，如何看待“资源优势”与“技术自主”的关系？

-作为工科学生，如何在专业领域为“科技强国”贡献力量？教学反思1.优势：通过“理论+实验+思政”三维教学，将抽象的磁学概念与工程实践、国家战略相结合，提升了学生的参与度。实验数据的对比分析有效加深了对材料性能差异的理解。

2.不足：部分学生对磁畴理论的微观机制理解不够深入；实验时间紧张，个别小组数据记录不够完整。

3.改进方向：

-引入磁畴运动的动画演示，增强直观性；

-增加预习环节，要求学生提前设计数据记录表；

-增设“废旧稀土磁铁回收”小组讨论，强化资源保护意识。思政案例案例名称：稀土永磁材料的“中国突围”

背景：20世纪90年代，我国稀土储量虽占全球80%，但稀土分离提纯技术被日本、美国垄断，出口廉价稀土矿砂，进口高价永磁体。2006年，中科院团队突破“钕铁硼晶界扩散技术”，使我国稀土永磁体性能跃居世界第一，目前全球90%的高端稀土磁铁产自中国。

讨论问题：

1.为什么说“稀土不是土，是战略资源”？（关联雷达、导弹制导、新能源汽车等关键领域）

2.从“资源大国”到“技术强国”，我国稀土产业的发展给我们哪些启示？

思政融入点：科技自立自强的重要性、工程师的责任担当、国家利益至上的价值观。思政元素1.爱国主义：通过稀土材料技术突破案例，激发学生科技报国的热情。

2.创新精神：强调从“跟跑”到“领跑”的技术创新历程，培养批判性思维。

3.资源伦理：讨论稀土资源的合理开发与循环利用，树立可持续发展理念。

4.工匠精神：学习科研团队攻克技术难关的毅力，培养严谨求实的态度。2-4电机制造材料与技术创新教学目标1.知识目标：掌握硅钢片、永磁体、绝缘材料等电机核心材料的分类、性能参数及应用场景；理解材料性能对电机效率、寿命的影响机制。

2.能力目标：能使用千分尺、磁力计等工具检测电机材料性能；能结合实验数据评价材料优劣；培养工程问题分析与解决能力。

3.素养目标：树立“材料是工业基础”的工程意识；体会工匠精神与技术创新的重要性；增强民族工业自信心与社会责任感。课程重点1.硅钢片的分类（取向/无取向）、性能参数（含硅量、厚度、铁损）及其对电机铁芯损耗的影响。

2.永磁材料（钕铁硼、铁氧体等）的磁性能指标（剩磁、矫顽力、磁能积）对比及选型依据。

3.绝缘材料的耐热等级、耐电晕性能与电机可靠性的关系。课程难点1.材料微观结构（如硅钢片晶格取向）与宏观性能（导磁率、铁损）的关联机制。

2.多材料性能参数的综合权衡（如钕铁硼高磁能积与低居里温度的矛盾）。

3.实验数据与理论知识的结合应用（如通过硅钢片厚度测量推断电机铁损水平）。教学准备1.教具：拆解电机（新能源汽车驱动电机实物）、千分尺、磁力计、万用表、硅钢片样品（不同厚度/牌号）、永磁体样品（钕铁硼/铁氧体）。

2.课件：包含材料性能图表、产业链案例、肖华技能大赛视频片段。

3.学习资料：《电机制造材料手册》节选、宝武集团硅钢片研发历程文献。

4.分组：4-5人/组，每组一套实验工具。教学过程一、情境引入（15分钟）

播放新能源汽车电机拆解视频，提问：“为什么同款车型续航差异可达50公里？核心材料如何影响性能？”

展示数据：电控电机占整车成本20%-30%，永磁体占电机成本45%，引发学生对材料重要性的思考。

二、知识学习（40分钟）

1.硅钢片专题

（1）分类对比：通过实物观察取向硅钢片（变压器用）与无取向硅钢片（电机用）的磁性能差异，演示磁力计在不同方向的偏转角度。

（2）参数解析：以宝钢B20AV1300为例，解读“20（0.2mm厚度）”“1300（13W/kg铁损）”的含义，对比0.3mm与0.5mm厚度硅钢片的铁损数据。

（3）案例：我国硅钢片从依赖进口到宝武集团实现自主化的历程，突出“40年研发”背后的技术攻坚精神。

2.永磁材料专题

（1）性能对比：展示钕铁硼、铁氧体等样品，通过剩磁测试实验（磁力计吸附铁钉数量）直观比较磁能积差异，结合表格数据（剩磁Br、矫顽力Hc）分析车用选型逻辑。

（2）产业链视角：讨论“少重稀土永磁体”研发意义，结合国内钢厂投入案例，说明材料创新对产业安全的影响。

3.绝缘与结构材料

（1）绝缘材料：展示耐电晕漆包线样品，讲解纳米粒子改性技术如何提升耐温等级（从F级到H级），播放绝缘击穿实验视频。

（2）轴承与减速器：结合驱动电机转速要求（最高15000rpm），分析深沟球轴承的高速稳定性设计。

三、问题讨论（25分钟）

1.为何新能源汽车电机优先选用无取向硅钢片？（引导学生结合电机旋转磁场特点分析）

2.钕铁硼居里温度低（345℃），如何解决其在高温环境下的退磁问题？（提示：材料涂层、结构散热设计）

3.结合“材料炒菜论”，讨论电机材料配方优化的实验方法（如正交试验法）。

四、实践任务（30分钟）

分组进行“电机材料性能评价”实验：

1.拆解电机，识别硅钢片、永磁体、漆包线等部件。

2.用千分尺测量硅钢片厚度（记录数据，对比标准值0.2mm），磁力计测量剩磁（与理论值1.47T对比）。

3.测量漆包线直径及电阻，计算电阻率并评估导电性能。

4.提交实验报告，分析材料是否符合标准要求。

五、课堂小测（10分钟）

学生在在线学习平台完成测验，教师进行点评和讲解。

六、课程思政（20分钟）

1.榜样案例：播放全国技术能手肖华的绕线工作视频，重点讲解其“千锤百练”的工匠精神（合格率98%+、97项改善成果），讨论“技术无捷径”的内涵。

2.产业自信：对比中日硅钢片技术差距（新日铁vs宝武），结合新能源汽车电机企业“从千余家到头部几家”的整合历程，分析我国制造业升级路径。

七、课后任务

1.课后自测：完成永磁材料性能参数计算题（如已知钕铁硼Br=1.47T，计算磁能积）。

2.读后感：结合“材料炒菜论”，撰写《电机材料创新与工匠精神》短文（300字）。教学反思1.优势：通过“理论+实验+思政”三维教学，将抽象的材料性能转化为可测量的实验数据，增强学生直观认知；肖华案例有效激发了学生的职业认同感。

2.不足：部分学生对晶格取向等微观概念理解困难，需增加动画演示；实验时间较紧张，可考虑课前预录拆解视频。

3.改进方向：引入虚拟仿真软件，模拟不同材料组合对电机性能的影响；增设“材料选型”角色扮演活动（如为某款电动车设计电机材料方案）。思政案例案例1：全国技术能手肖华的“绕线人生”

肖华从数控专业跨界成为绕线工，通过11年坚持（日均练习超2小时、总结200+操作技巧），将步进电机合格率提升至100%，并带动10名徒弟成长。其“传帮带”行为体现了工匠精神的传承，印证了“技能改变人生”的价值。

案例2：中国硅钢片的“逆袭之路”

我国硅钢片研发历经40年，从依赖进口到宝武集团突破0.2mm超薄高磁感硅钢技术，打破新日铁垄断。2023年国内硅钢片自给率达95%，支撑新能源汽车电机成本下降30%，展现了“十年磨一剑”的科技自立自强精神。思政元素1.工匠精神：严谨专注（肖华98%合格率）、精益求精（97项改善）、传承创新（传帮带）。

2.科技自信：从“跟跑”到“并跑”的产业升级（硅钢片、钕铁硼材料国产化）。

3.社会责任：材料创新对“双碳”目标的贡献（电机效率提升1%，车辆续航增加5%）。

4.系统思维：产业链协同（钢厂、电机厂、车企联动创新）。3-1电力电子器件及其应用教学目标1.知识目标：

掌握功率二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等典型电力电子器件的结构、工作原理、特性及参数；

理解电力电子器件在电能变换与控制中的作用；

了解电力电子技术的发展历程及宽禁带半导体器件的应用前景。

2.能力目标：

能正确区分不同类型电力电子器件的特点及适用场合；

能运用所学知识分析简单电力电子电路中器件的工作状态；

具备通过实验测量MOS管参数的基本技能。

3.素养目标：

培养严谨的工程思维和实践操作能力；

激发对电力电子技术的学习兴趣和创新意识；

增强民族自信心和科技报国情怀。课程重点1.功率二极管的工作原理（PN结单向导电性）、静态特性（伏安特性）、动态特性（反向恢复过程）及主要类型（普通二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管）。

2.晶闸管的结构（四层PNPN结构）、工作原理（正向电压加门极触发导通，导通后门极失控，需电流降至维持电流以下关断）、特性及主要参数。

3.MOSFET的结构（N沟道增强型为主）、工作原理（电压控制沟道形成与消失）、静态特性（转移特性）、动态特性（开关速度快）及主要参数。

4.IGBT的结构（MOSFET驱动的晶体管）、工作原理（电压控制导通与关断，电导调制效应）、特性（综合GTR和MOSFET优点）及主要参数。

5.各类电力电子器件的优缺点比较及典型应用场合。课程难点1.晶闸管导通与关断的条件及内部正反馈过程的理解。

2.MOSFET和IGBT的导电机理，特别是MOSFET的沟道形成过程和IGBT的电导调制效应。

3.电力电子器件动态特性（如反向恢复时间、开关损耗）对电路性能的影响。

4.IGBT擎住效应的成因及避免措施。

5.不同电力电子器件在实际应用中的选型依据。教学过程一、情境引入（15分钟）

教师活动：以“如果把电比作血液，电机/电控好比电动汽车的心脏，那么电力电子器件就是心脏的‘CPU’”为切入点，展示电力电子器件在照明、工业、消费、交通、医疗、可再生能源、电力传输等领域的应用实例（如新能源汽车电机控制器、变频器、开关电源等图片或短视频）。

提出问题：“应用在驱动电机上的电力电子器件有哪些？它们是如何实现电能转换和控制的？”引导学生思考，激发学习兴趣。

学生活动：观看实例，思考教师提出的问题，初步感知电力电子器件的重要性。

二、新课讲授（120分钟）

模块一：电力电子器件概述（20分钟）

1.起源与发展：

教师活动：讲解20世纪交流电机调速的困境（依赖变频电源，当时难以获得），引出电力电子器件的诞生是解决这一难题的关键。介绍电子技术的分类：信息电子技术（处理信号，如手机电脑电路）与电力电子技术（电能变换与控制，如变频器、电源适配器）。

强调电力电子器件的特点：工作在开关状态、大功率、需散热器、需信息电子电路控制驱动。

结合PPT展示电力电子技术发展的关键节点：1950年代功率整流管和晶闸管诞生（标志开端）→1970年代后期全控型器件（GTO、GTR、MOSFET）→1980年代复合型器件（IGBT）→1980年代后期至今模块化与智能化。

2.基本概念：

教师活动：解释主电路（直接负责电能变换或控制的电路，如整流电路、功率变换器）和电力电子器件（主电路中实现电能变换的元件，如二极管、IGBT）的定义。展示主电路与控制电路关系示意图，说明主电路是“干活的”，控制电路是“指挥的”。

学生活动：认真听讲，记录笔记，理解电力电子器件的定义、特点及发展脉络。

模块二：功率二极管（25分钟）

1.结构与工作原理：

教师活动：复习PN结的形成过程（P型和N型半导体结合，载流子扩散形成空间电荷区）和单向导电性（正偏导通，反偏截止）。指出功率二极管结构与普通二极管类似，由大面积PN结、引线和封装组成，展示螺栓形和平板形封装图片及电气图形符号。

2.特性：

静态特性：讲解伏安特性，强调正向电压达到一定值后电流明显增加，反向时只有微小漏电流。

动态特性：重点讲解关断过程（反向恢复过程，因存储少子导致反向电流过冲和恢复时间，频率越高损耗越大）和开通过程（正向恢复过程，正向压降过冲）。

3.主要参数：正向平均电流、正向压降、反向重复峰值电压、最高工作节温、反向恢复时间、浪涌电流。

4.主要类型：

普通二极管（整流二极管）：反向恢复时间长（>5μs），用于低频整流。

快速恢复二极管（FRD）：反向恢复时间短（数百ns至100ns以下），用于中高频整流和逆变。

肖特基二极管（SBD）：反向恢复时间极短（10-40ns），正向压降小（0.15-0.45V），但耐压低（<200V），用于低压高频整流。

学生活动：结合教师讲解，回顾PN结知识，理解功率二极管的特性和参数，比较不同类型二极管的特点。

模块三：晶闸管（SCR）（25分钟）

1.结构与外形：

教师活动：介绍晶闸管的四层PNPN结构，形成三个PN结，引出阳极（A）、阴极（K）、门极（G）。展示螺栓形、平板形、塑封形等外形图片。

2.工作原理：

导通条件：阳极加正向电压，门极加正向触发电流。通过内部正反馈过程（IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑）解释其导通机制。

关断条件：流过晶闸管的电流减小到维持电流以下。

强调：反向电压不导通；正向电压加触发才导通；导通后门极失效。

3.主要参数：断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、通态（峰值）电压、通态平均电流、维持电流、擎住电流、浪涌电流。

4.派生器件：快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、光控晶闸管（LAT），简要介绍其特点和应用。

学生活动：通过“汉堡”模型理解晶闸管结构，重点理解其导通和关断条件及正反馈过程。

模块四：电力MOSFET（25分钟）

1.结构与分类：

教师活动：介绍MOSFET全称为金属氧化物半导体场效应晶体管，分为结型和绝缘栅型，重点讲解绝缘栅型中的N沟道增强型。说明三个电极：栅极（G）、漏极（D）、源极（S）。

2.工作原理：

截止：栅源电压为零，PN结反偏，无电流。

导通：栅源加正向电压UGS超过开启电压UT，形成导电沟道，漏源导通。UGS越大，沟道越宽，漏极电流ID越大。

3.特性：

静态特性：转移特性（ID与UGS的关系）。

动态特性：开关速度快（10-100ns），工作频率高（>100kHz），因无少子存储效应。

4.主要参数：漏极电压UDS、漏极电流ID和IDM、栅源电压UGS、极间电容（CGS、CGD、CDS）。

5.优缺点及应用：优点（驱动简单、开关速度快、热稳定性好），缺点（电流容量小、耐压低），适用于10kW以下电力电子装置。

学生活动：理解电压控制电流的原理，对比MOSFET与晶闸管的控制方式差异。

模块五：IGBT（25分钟）

1.结构与工作原理：

教师活动：介绍IGBT（绝缘栅双极晶体管）是MOSFET驱动的晶体管，结构上比MOSFET多一层P+注入区。等效电路为MOSFET驱动厚基区PNP晶体管。

导通：栅射电压UGE超过开启电压UT，MOSFET形成沟道，为PNP晶体管提供基极电流，IGBT导通，电导调制效应降低导通电阻。

关断：UGE为0或反向，沟道消失，IGBT关断。

2.特性：

静态特性：转移特性，开启电压UGE(th)一般为2-6V，随温度升高略有下降。

动态特性：开关速度介于MOSFET和GTR之间，因存在少数载流子存储效应，关断有延迟。

参数权衡：击穿电压、导通压降、关断时间之间的关系（如高压器件N基区厚，导致导通压降大、关断时间长）。

3.主要参数：最大集射极间电压UCES、最大集电极电流（IC、ICP）、最大集电极功耗PCM。

4.优缺点及应用：优点（开关速度高、损耗小、安全工作区宽、通态压降低、输入阻抗高），缺点（开关速度低于MOSFET，电压电流容量不及GTO），广泛应用于变频器、电动汽车、电机控制器等。

5.擎住效应：解释其成因（寄生晶闸管导通）及避免措施（限制集电极电流、抑制dUCE/dt、优化散热）。

学生活动：理解IGBT如何综合MOSFET和GTR的优点，思考其在新能源汽车等领域的重要性。

三、课堂小结（15分钟）

教师活动：引导学生回顾本节课学习的主要电力电子器件（功率二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT）的核心知识点，通过对比表格（见“内容要求”中的总结表格）梳理各类器件的优缺点和应用场合。强调重点难点，解答学生疑问。

学生活动：参与总结，完善笔记，巩固所学知识。

四、实践任务（30分钟）：MOS管的参数测量

教师活动：布置实践任务，讲解实验目的、准备工具（直流电源、MOS管驱动电路、示波器、万用表等）和步骤：

1.将直流电源连接到MOS管驱动电路，设置合适的电压和电流值。

2.调节输入电压，使用示波器测量输入和输出信号的波形，并记录下来。

3.对实验进行多次重复，确保实验结果的准确性。

强调实验注意事项（如栅源电压不能超过20V，防止击穿）。

学生活动：分组进行实验，按照步骤操作，观察现象，记录数据，分析输出电压随输入电压的变化关系。

五、课堂测验（15分钟）

教师活动：通过选择题、填空题、简答题等形式，考查学生对本节课基本概念、器件原理、特性参数的掌握情况。例如：

1.功率二极管的反向恢复时间对其在高频电路中的应用有何影响？

2.晶闸管导通的条件是什么？如何使其关断？

3.MOSFET和IGBT的控制方式有何不同？

学生活动：独立完成测验，检验学习效果。

六、知识拓展（10分钟）

教师活动：简要介绍宽禁带半导体器件（如SiC、GaN），对比硅材料，说明其在耐压、通态电阻、导热、耐高温等方面的优势，以及在新能源汽车、轨道交通等领域的应用前景。

学生活动：了解宽禁带半导体技术的发展趋势。教学反思1.成功之处：

本次课程通过情境引入激发了学生的学习兴趣，将抽象的电力电子器件与生活中的应用实例相结合，使学生更容易理解其重要性。教学过程中，对各类器件的结构、原理、特性和参数进行了系统讲解，并通过对比表格帮助学生梳理和记忆，重点突出，条理清晰。实践任务的设置，锻炼了学生的动手操作能力，加深了对理论知识的理解。

2.不足之处：

内容较多，部分知识点（如晶闸管的正反馈过程、IGBT的电导调制效应）较为抽象，学生理解起来可能存在困难，课堂上留给学生消化和思考的时间略显不足。实践任务时间有限，可能无法让所有学生充分体验和深入探究。

3.改进措施：

对于抽象的原理，可以考虑采用更生动的动画演示或仿真软件辅助教学，帮助学生直观理解。适当增加课堂互动环节，如小组讨论、提问答疑，鼓励学生主动思考。在后续课程中，可以设置综合性的课程设计，让学生有更多时间进行实践和深入研究。对于宽禁带半导体等前沿内容，可以推荐相关文献或视频资料，引导学生课后拓展学习。思政案例案例：中国IGBT技术的突围之路

案例介绍：

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）被称为新能源汽车的“CPU”，是电力电子领域的核心器件。20世纪末期，全球IGBT芯片产业主要由德国英飞凌、日本富士电机等国际巨头垄断，中国在该领域技术落后，严重依赖进口。面对这一“卡脖子”困境，中国企业比亚迪与中车株洲等奋起直追。

2009年，比亚迪IGBT1.0横空出世，实现了中国在IGBT技术上从零到一的突破，但仅相当于国外1995年左右的技术水平。此后，比亚迪持续投入研发，历经IGBT2.5（相当于国外2000年水平），到IGBT4.0，其综合损耗较市场主流IGBT降低约20%，达到国外同一阶段主流性能水平，部分指标实现反超。比亚迪通过自建IDM模式（集芯片设计、晶圆制造、封装测试、生产于一体），实现了IGBT的自主可控。2020年底，比亚迪半导体宣布自建SiC（碳化硅）产线，汉EV成为国内首家使用SiCMOSFET控制电机的车型。

中车株洲也于2014年成功研制出8英寸IGBT芯片，打破了国外垄断。2021年，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》将IGBT、碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展列入科技前沿领域攻关技术。

思政融入点：

1.制度自信：国家将关键核心技术攻关列入发展规划，体现了我国集中力量办大事的制度优势，为科技自主创新提供了有力保障。

2.敢于竞争与自主创新精神：比亚迪、中车株洲等企业面对技术封锁，不甘落后，坚持自主研发，从跟跑到并跑，甚至在部分领域实现领跑，展现了中国企业敢于在全球最先进技术领域竞争的勇气和毅力。

3.科技报国情怀：科研工作者和企业研发团队潜心钻研，攻坚克难，为国家摆脱技术依赖、实现科技自强贡献力量，激发学生的爱国热情和投身科技事业的责任感。

4.创新驱动发展：IGBT技术的突破是创新驱动发展战略的生动体现，说明只有不断创新，才能掌握发展的主动权，实现国家科技的自立自强。

教师引导：

教师在讲解IGBT时引入此案例，提问：“为什么IGBT被称为新能源汽车的‘CPU’？中国企业在IGBT领域面临了哪些挑战？又是如何突破的？”引导学生思考核心技术自主可控的重要性，讨论科技创新对国家发展的意义，培养学生的民族自豪感和创新意识。思政元素1.科技自信与民族自豪感：通过中国在IGBT等核心技术领域从落后到突破的案例，增强学生对我国科技发展的信心和民族自豪感。

2.自主创新精神：强调在关键技术领域坚持自主研发的重要性，培养学生勇于探索、敢于创新的精神。

3.工匠精神与精益求精：电力电子器件的研发和制造需要严谨的态度和精益求精的工匠精神，引导学生在学习和未来工作中追求卓越。

4.家国情怀与社会责任感：认识到电力电子技术在国家能源战略、新能源产业发展中的重要作用，激发学生为国家科技进步和社会发展贡献力量的责任感。

5.可持续发展理念：电力电子器件的高效化、节能化（如宽禁带半导体器件降低损耗）符合绿色低碳的可持续发展理念，引导学生关注环保和能源节约。3-2功率变换电路及其在新能源教学目标1.知识目标：掌握AC-DC整流电路（半波、桥式）、DC-DC变换电路（降压、升压、升降压）及DC-AC逆变电路的基本原理与拓扑结构，理解PWM脉宽调制技术的工作机制。

2.能力目标：能分析不同功率变换电路的电压转换关系，通过实验操作验证电路功能，结合新能源汽车场景设计能量回收方案。

3.素养目标：培养工程实践能力与创新思维，树立绿色发展理念，理解技术进步对节能减排的推动作用。课程重点1.AC-DC整流电路的工作原理：对比半波整流（效率50%）与桥式整流（效率100%）的波形差异及应用场景。

2.DC-DC变换电路的拓扑与计算：降压电路（U₀=D·Uᵢ）、升压电路（U₀=Uᵢ/(1-D)）、升降压电路（U₀=D·Uᵢ/(1-D)）的占空比调节机制。

3.PWM技术的工程应用：通过离散化与数字化过程实现模拟信号到脉冲信号的转换，理解占空比对输出电压的调控作用。课程难点1.电感元件在DC-DC电路中的能量转换过程：以降压电路为例，分析开关导通时电感储能（u_L=Uᵢ-U₀）与关断时续流放电（u_L=-U₀）的动态平衡。

2.三相桥式逆变电路的相位协同控制：6个开关管按180°导电方式交替工作，确保输出三相对称交流电（相位差120°）。

3.功率变换电路的效率优化：结合V2G技术，分析能量双向流动中AC/DC与DC/DC电路的协同设计。教学过程一、情境导入（15分钟）

1.案例引入：展示新能源汽车制动能量回收系统动画，提问“为何传统燃油车无法回收制动能量？”引导学生思考功率变换电路的核心作用。

2.数据对比：呈现城市工况下制动能量占比（40%-50%）与V2G技术节能数据（单次充电续航提升15%-20%），激发学习兴趣。

二、知识讲解（60分钟）

（1）AC-DC整流电路

-半波整流：通过“波浪截取”类比，演示二极管单向导电性，输出脉动直流（仅正半周导通），结合手机充电器案例说明滤波电容的作用（C=1000μF时纹波电压≤5%）。

-桥式整流：用“电桥换向”模型解释四个二极管的交替导通，对比半波整流输出波形（频率翻倍），展示三相桥式整流在充电桩中的应用（输出电压脉动≤2%）。

（2）DC-DC变换电路

-降压电路（Buck）：电路图分析，推导公式U₀=D·Uᵢ（D=ton/T），动画演示电感电流连续模式（CCM）与断续模式（DCM）。

-升压电路（Boost）：分析开关导通时电感储能、关断时电压叠加（U₀=Uᵢ+UL），结合电动汽车12V低压蓄电池充电案例（输入300V→输出14V）。

-升降压电路（Buck-Boost）：通过占空比D切换，解释能量回收时电机回馈电压（150V-800V）的自适应调节。

（3）DC-AC逆变电路

-全桥逆变：用“开关矩阵”模型演示四个IGBT管交替导通（频率50Hz），输出方波经LC滤波后得到正弦波，对比电压型（电池供电）与电流型（光伏并网）逆变电路差异。

-PWM技术：通过“啤酒倾倒”实验（快倒→慢倒→滴流）类比脉冲宽度调制，展示单片机生成PWM信号的过程（占空比0-100%可调）。

三、实践任务（45分钟）

实验名称：功率变换电路性能测试

1.器材准备：可调直流电源（0-30V）、整流/DC-DC/逆变实验板、示波器（带宽100MHz）、负载电阻（10Ω/20W）。

2.步骤：

-测量半波/桥式整流电路的输出电压纹波（对比无电容/有电容时的波形差异）。

-搭建降压电路，调节占空比D=0.3→0.7，记录U₀与理论值的误差（要求≤±5%）。

-模拟V2G场景：用逆变电路将12V直流电逆变为220V交流电，测量输出频率与失真度。

3.数据记录与分析：填写实验报告，讨论滤波电容容值对纹波的影响（C增大，纹波减小但响应速度变慢）。

​四、课堂小结与思政延伸（15分钟）

1.知识梳理：以“能量流”为主线，串联AC-DC→DC-DC→DC-AC的转换逻辑，强调电感、电容在能量缓冲中的作用。

2.思政融入：解读《车网互动试点通知》，讨论IGBT芯片国产化对新能源产业的战略意义，播放“中国新能源汽车出口量全球第一”新闻片段，增强民族自信。3.

学生在在线学习平台完成测验，教师进行点评和讲解。教学反思1.教学效果：通过“案例+仿真+实验”三维教学，学生对功率变换电路的理解从抽象公式提升为工程应用，但三相逆变电路的相位控制仍是薄弱环节，需增加动态仿真演示。

2.改进方向：

-引入虚拟仿真软件（如PSpice），实时观察开关管导通时序对输出波形的影响。

-增设“故障排查”环节，模拟二极管击穿、电感饱和等故障，培养学生问题解决能力。

3.思政深化：结合“双碳”目标，设计“校园V2G充电桩”创意方案竞赛，将技术学习与社会责任结合。思政案例V2G技术：新能源汽车与电网的智能互动

案例背景：2024年国家发改委《车网互动试点通知》要求推广V2G技术，实现新能源汽车与电网的双向充放电。某车企研发的120kWV2G充电桩，可在20ms内完成充放电切换，低谷时段充电（电价0.3元/度）、高峰时段放电（电价1.2元/度），车主年收益可达1200元。

思政要点：

1.绿色发展：V2G技术将电动汽车转变为“移动储能站”，每年可减少碳排放约0.5吨/车，体现“绿水青山就是金山银山”的理念。

2.科技自信：我国IGBT芯片国产化率从2015年的5%提升至2024年的70%，打破国外垄断，彰显科技自立自强的重要性。

3.社会责任：鼓励学生思考“如何通过技术创新助力‘双碳’目标”，培养工程报国情怀。思政元素1.绿色发展理念：通过能量回收、V2G技术等案例，理解技术对节能减排的推动作用。

2.创新精神：分析功率变换电路拓扑的演进（半波→桥式→三相），培养工程创新思维。

3.家国情怀：结合宽禁带半导体（SiC、GaN）的国产化进程，增强科技报国意识。

4.工匠精神：实验操作中强调电路参数的精准调试（如占空比误差≤2%），培养严谨的工程态度。3-3传感器技术——驱动电机传教学目标1.知识目标：掌握电流传感器、温度传感器、转子位置传感器（光电式、霍尔式、磁阻式、旋转变压器）的工作原理及应用特点

2.能力目标：能够正确区分不同类型传感器的结构差异，独立完成旋转变压器的检测操作，分析传感器输出信号与预期的偏差原因

3.素质目标：培养工程实践中的严谨性与创新意识，树立国产传感器技术自主创新的责任感，理解技术突破对国家产业安全的重要性课程重点1.霍尔式电流传感器的磁场耦合原理及非接触式检测优势

2.NTC热敏电阻的温度-电阻特性及电机温度监测应用

3.旋转变压器的幅值调制原理（正弦/余弦输出电压与转子角度关系）

4.各类位置传感器的性能对比（精度、环境适应性、成本）课程难点1.旋转变压器输出电压公式推导

2.磁阻效应与巨磁阻（GMR）技术的电阻变化机制

3.传感器选型时精度、成本与环境适应性的综合权衡教学过程一、情境导入（15分钟）

1.产业痛点呈现：展示我国传感器市场现状（年进口额超1700亿元，汽车传感器95%外资垄断），播放“卡脖子”技术专题短片

2.任务驱动：提出问题“新能源汽车驱动电机如何通过传感器实现安全稳定运行？”

二、理论授课（60分钟）

模块1：电流传感器

-案例分析：比亚迪汉电机控制器中的霍尔电流传感器应用，对比传统分流器的弊端

-原理拆解：结合图2-36，动态演示原边电流→磁场→霍尔电压的转换过程

模块2：温度传感器

-实验演示：用万用表测量NTC电阻在0℃/25℃/100℃时的阻值变化，验证负温度系数特性

-工程应用：展示特斯拉Model3电机绕组温度监测点布置图

模块3：转子位置传感器

-对比教学：通过动画演示光电式（增量式vs绝对式码盘）、霍尔式、磁阻式、旋转变压器的工作差异

-重点突破：旋转变压器原理，用示波器实时显示转子旋转时正弦/余弦绕组的电压波形（图2-47）

三、任务实施（45分钟）：旋转变压器检测

1.工具准备：旋转变压器、万用表、信号发生器（7Vrms/10kHz）、示波器

2.操作步骤：

①用万用表识别励磁绕组（120Ω±10%）与输出绕组

②连接电路：信号发生器→励磁绕组，示波器→输出绕组

③旋转转子，观察波形变化，记录θ=0°/90°/180°时的电压幅值

3.数据处理：根据公式计算实测角度与理论值偏差，分析误差来源（如气隙不均匀、温度漂移）

四、课堂小结（10分钟）

1.知识梳理：传感器技术树状图（分类-原理-应用）

2.思政升华：播放华为海思传感器研发纪录片，讨论“卡脖子”技术突破路径教学反思1.成功经验：通过“产业痛点-原理拆解-实验验证”三步教学法，有效提升学生工程问题解决能力，旋转变压器检测实验的参与度达95%。

2.改进方向：

-增设虚拟仿真环节：针对磁阻效应等抽象概念，开发VR可视化模型

-分层教学设计：为基础薄弱学生提供传感器原理动画预习包

3.思政融入建议：邀请企业工程师开展“传感器国产化”专题讲座，增强职业使命感思政案例案例名称：从“进口依赖”到“自主可控”——中国磁阻传感器突围之路

背景：2019年某新能源车企因国外磁阻传感器断供导致10万台电动车停产，损失超50亿元。

案例展开：

1.困境：我国磁阻传感器长期依赖意法半导体等外企，核心材料坡莫合金需进口

2.突破：中科院团队研发GMR材料，电阻变化率达50%（传统材料仅2-3%），2022年实现量产

3.启示：播放团队负责人访谈视频，强调“十年磨一剑”的科