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摘要：以变压器空载运行状态为例建模仿真，介绍一种将MATLAB/Simulink可视化仿真引入到电机学课程的课堂教学方法。该方法能将抽象的理论知识图形化、立体化，将知识能力素质有机结合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，使学习更具探究性和个性化。
关键词：电机学；电机仿真；教学方法；数值模拟
本文引用格式：郭欣欣,等.MATLAB/Simulink在电机学课程教学中的应用[J].教育现代化,2019,6(70):154-156,159.
Application of MATLAB/Simulink in the Teaching of Electric Machinery
GUO Xin-xin,CHEN Xiao-hui,LU Hua-cai，LIU Shi-lin
(Anhui Polytechnic University,School of Electrical Engineering,Wuhu Anhui)
Abstract:Taking modeling and simulation of no-load transformer as an example,this paper introduces a teaching method of introducing MATLAB/Simulink visual simulation experiment into teaching of electric Machinery.This method is based on the understanding of knowledge and combining the visual numerical simulation to improve students’interest in learning.It is helpful to train students to master knowledge and to analyze and solve practical engineering problems.
Key words:Electric eachinery;Motor simulation;Teaching reform;Numerical simulation
电机学是电气工程及其自动化等强电类专业本科的专业基础课程，其内容涉及高等数学、大学物理、工程电磁场、电路等课程综合知识[1-3]，教学内容理论性、实践性很强，学习起来要有一定的空间想象力和抽象思维能力。多年来，我们一直沿用灌输式教学方式，使得学生不能真正掌握电机学课程中的知识，学习24小时后的知识保持率很低。更不要说将学到的知识应用到后续专业课程的学习中，“考完即忘完”情况普遍存在，学生没有真正掌握电机知识，只是应付考试，这种局面不符合新工科教育的本质。教育本质上是人类知识和文明的传承，教学能够功能性地重组人脑，课程是一次次认知的情景学习和塑造，爱因斯坦也曾说过“学校始终要把发展独立思考和独立判断的一般能力放在首位。”因此有必要尝试新的教学模式和方法来弥补传统教学方法不利于学生知识能力素质培养的部分。
近年来，随着计算机和信息化技术手段的发展，电机学课程的教学改革不断涌现，且形式多种多样，其中信息化技术在电机学课程教学中的应用尤为突出[4,5]。计算机辅助课堂教学新模式特点独特、教学内容详实兼具教学形式生动活泼，同时这种教学模式为学生逐步养成独立思考、创造性的思维提供了技术条件。
本文将MATLAB/Simulink引入到电机学课程课堂教学中，Simulink仿真平台使抽象的电机内部电磁关系立体化，这种混合教学方式能使知识更直观，也有助于课堂教学的延伸和拓宽，有助于综合性人才的培养，有助于提高学生高级思维的养成。
一 传统教学方式的弊端分析
电机学课堂教学一直采用比较单一的教学方法，学生在课堂上被动接受老师的授课内容，学生运用、分析、综合能力得不到尝试。随着培养计划的不断修订改革，电机学课程的学时在缩减，而其知识体系结构基本不变，利用传统灌输式教学方式使学生在短时间内掌握电机知识的难度变大。
电机是由电路和磁路组成、依据电磁感应定律和电磁力定律，实现机电能量转换的机械装置或设备，电机学课程主要的任务是让学生掌握各种基本电机的结构、工作原理、平衡方程、等效电路和向量图。而课堂上由于各种条件的限制，学生不易理解电、磁转换的过程，也很难把握电机的动态变化过程。比如单相交流电产生的脉振磁动势、三相对称电流通入到三相对称绕组产生的旋转磁动势等，课堂上，这些随时间和空间波动的电磁物理量很难采用传统教学方法进行演示。学生对这些知识点理解不够深刻的话，就很难生出继续探究知识之心，因此有必要改进传统教学方式，增强学生的学习主动性，使学生“回归常识”，提高对知识的理解和应用能力。这也与教育部提出的“提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度，拓展课程深度、扩大课程的可选择性，水课变金课”目标一致。
二 MATLAB/Simulink在电机学教学中的应用
MATLAB凭借强大的数值计算能力、出色的数据图形立体化技术及日益丰富的以工具库形式挂接于MATLAB的SIMULINK动态仿真模型库，成为首屈一指的数字化建模仿真工具[6-8]。MATLAB/SIMULINK建模过程简单、可操作性强，SIMULINK模型库内有变压器、异步电机、同步电机和直流电机等元件模型，只需根据研究内容的不同修改相应参数，鼠标单击搭建一个完整电路即可。
三 实例应用
变压器是靠电磁耦合将能量从一次绕组传递到二次绕组，一、二次绕组在电路上没有联系，仅有磁耦合。工程上为了研究方便，将内部时、空交变的变压器用模拟电路进行等效，并可用一系列数学等式进行描述。变压器空载运行时，电源电压为正弦波，几何尺寸一定的变压器铁心，因所用硅钢片磁化特性的非线性及磁路的饱和特性，其励磁电流波形偏离正弦波，畸变为尖顶波，除了基波外，尚有较大的3次谐波和其他高次谐波，谐波电流影响主磁通波形。磁通畸变的话，根据谐波分析法，除基波外，磁通也存在3次谐波和其他高次谐波磁通。这样一来，需要研究变压器的磁路结构，分析3次谐波所走磁路的特点，以确定其影响[9]。利用MATLAB/Simulink建立仿真模型，可视化的图形就能使同学们很容易理解这些抽象的物理现象和变化。
变压器仿真模型建立:
1）在Simulink仿真平台搭建变压器空载运行仿真模型如图1所示。
2）对仿真模块的参数设置，选定额定数据等。参数设置如图2所示。
3）可自行根据需要选择需要测量的波形以及有效值量，加入示波器以及计算模块进行测量并设定仿真时间。
当变压器一、二次侧绕组联结方式为Yd11时，空载运行时，A相感应电动势、A相励磁电流和磁通波形如图3所示。从图3可见，变压器电源电压按正弦规律变化时，空载相电流随时间按正弦规律变化，主磁通发生了很小的畸变但随时间仍近似按正弦规律变化。由于变压器铁芯损耗的存在，空载相电流超前主磁通一个铁耗角，此主磁通将产生滞后其90°电角度的感应电动势，且波形发生了畸变，感应电动势随时间变化不再是标准正弦波。尽管变压器电源电压是标准正弦波，但感应电动势并不是理想正弦波而只是近似正弦波。仿真结果与理论分析一致。
改变变压器绕组的联结方式，将变压器一、二次侧绕组联结方式改成星-星型。二次侧绕组为Y型联结，不具备三次谐波电流流通的条件，绕组中只能流过接近正弦波的电流，因此主磁通为平顶波，该磁通将使感应电动势畸变为尖顶波，变压器空载运行A相感应电动势波形如图4所示，不同于标准的正弦波。
四 结束语
将MATLAB/Simulink引入到电机学课程的课堂教学中，在建立变压器空载模型的基础上，将磁通、空载电流、感应电动势等电磁量随时间波动的规律图形化、立体化。这种借助信息化手段的教学模式，是一种以能力锻炼为载体，培养学生运用、分析能力的教学方法，是对传统电机学教学方式的很好的改进，有助于提高学生对电机学课程的学习积极性和对实际工程应用进行高级思维的能力，增强学生对知识的理解和融会贯通，因此这种利用信息技术手段的混合式教学方法具有一定的课堂实际应用价值。
参考文献
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[6]曹春岩.分段式永磁同步直线电动机闭环控制系统的硬件设计[D].太原理工大学,2010
[7]王晶,翁国庆等.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2018.
[8]张俊等.MATLAB/Simulink在理论力学教学中的应用[J].教育现代化2018(12):218-221.
[9]李发海.电机学[M].北京:科学出版社,2013.
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