喬鳴忠 朱 鵬 魏永清 于 飛 夏益輝

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)及其控制理論的迅速發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)逐步成熟起來(lái)，使得交流調(diào)速的靜、動(dòng)態(tài)特性可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。交流調(diào)速技術(shù)的重大進(jìn)步，有力地促進(jìn)了船舶電力推進(jìn)的迅猛發(fā)展，使電力推進(jìn)作為大中型船舶的動(dòng)力成為可能，過(guò)去一直只局限于特種船舶的電力推進(jìn)，目前已擴(kuò)展到幾乎所有的民船領(lǐng)域和軍用艦艇。國(guó)外20世紀(jì)80年代以后建造的民用船舶中有三分之一以上都采用了電力推進(jìn)技術(shù)，其應(yīng)用范圍涉及破冰船、客輪、油輪、海洋勘探船、多用途船等多個(gè)領(lǐng)域。在軍用領(lǐng)域，英國(guó)的45 型驅(qū)逐艦和美國(guó)DDG1000 驅(qū)逐艦均采用綜合電力推進(jìn)技術(shù)，目前作為最先進(jìn)的艦船航行在全球海域。

另外，我國(guó)是一個(gè)造船大國(guó)，航運(yùn)大國(guó)。造船業(yè)與航運(yùn)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)， 需要大量人才，鑒于此，國(guó)內(nèi)船舶類高校和海軍院校都紛紛開(kāi)設(shè)了船舶電力推進(jìn)課程。

這門課程是船舶電氣工程專業(yè)必修課程，其重要性在于一方面它可以將電子技術(shù)基礎(chǔ)、 自動(dòng)控制原理、電路、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)等前導(dǎo)課程知識(shí)融合運(yùn)用于裝（設(shè)）備，可以幫助學(xué)生打通各基礎(chǔ)課程知識(shí)壁壘，將知識(shí)融會(huì)貫通；另一方面作為專業(yè)課，學(xué)生可以學(xué)習(xí)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行原理和控制技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，了解電力推進(jìn)系統(tǒng)裝（設(shè)）備構(gòu)造及其性能（見(jiàn)圖1）。這門課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決裝備實(shí)際使用中問(wèn)題的能力，對(duì)于奠定學(xué)生必要的工程技術(shù)素質(zhì)和提升實(shí)踐能力具有重要意義。

圖1 船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)

1 教學(xué)現(xiàn)狀

該課程一般在大四第7 或第8 學(xué)期開(kāi)設(shè)，前導(dǎo)課程主要有：電子技術(shù)基礎(chǔ)、自動(dòng)控制原理、電路、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)等，主要以綜合全電力推進(jìn)技術(shù)為內(nèi)容，講授綜合電力系統(tǒng)、螺旋槳特性、推進(jìn)電機(jī)及其控制、變頻器、主推進(jìn)裝置、側(cè)推進(jìn)裝置、推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)等內(nèi)容，學(xué)時(shí)一般為32～48 學(xué)時(shí)不等。該課程的難點(diǎn)知識(shí)主要集中在推進(jìn)電機(jī)及其控制部分，推進(jìn)電機(jī)本身也是電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，是課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一，因此，對(duì)于推進(jìn)電機(jī)教學(xué)至關(guān)重要。

推進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)的教法，首先講解船舶推進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)和使用要求，然后對(duì)其進(jìn)行分類，傳統(tǒng)的推進(jìn)電機(jī)主要有直流推進(jìn)電機(jī)、異步推進(jìn)電機(jī)、電勵(lì)磁同步推進(jìn)電機(jī)和永磁同步推進(jìn)電機(jī)，然后分別講解各種推進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、特性以及控制技術(shù)，學(xué)生對(duì)于這種教學(xué)模式并不“買賬”，興趣不高，教學(xué)效果不理想。為了提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，下面以推進(jìn)電機(jī)作為教學(xué)案例進(jìn)行探討。

2 引入前沿知識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

依托網(wǎng)絡(luò)或雨課堂， 讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)相關(guān)的MOOC 課程，掌握推進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及特性等通用基礎(chǔ)理論，MOOC 課程成績(jī)納入平時(shí)成績(jī)， 課堂上不再講授這部分內(nèi)容，而是瞄準(zhǔn)推進(jìn)電機(jī)的學(xué)術(shù)前沿，講授熱點(diǎn)問(wèn)題。如高功率密度的問(wèn)題：

由于艙室空間的限制，高功率密度是衡量和選用推進(jìn)電機(jī)的一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)，也是船舶推進(jìn)電機(jī)研究開(kāi)發(fā)的核心和熱點(diǎn)問(wèn)題。

現(xiàn)階段各國(guó)主要研發(fā)單軸功率20MW 左右的推進(jìn)電機(jī)。圖2 為各類推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度對(duì)比。從目前國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用狀況來(lái)看，高功率密度的多相推進(jìn)電機(jī)主要有三大類，即先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)（AIM）、永磁同步電機(jī)和高溫超導(dǎo)電機(jī)。

圖2 推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度對(duì)比

先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)（AIM）特指法國(guó)Alstom 公司針對(duì)低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場(chǎng)合所研發(fā)的高性能感應(yīng)電機(jī)，通過(guò)獨(dú)特的技術(shù)措施，AIM 克服了普通感應(yīng)電機(jī)功率因數(shù)偏小和噪聲較大的缺點(diǎn)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的功率因數(shù)（0.85～0.90）和效率，且功率密度較高、噪聲較低。

永磁同步電機(jī)可分為：普通徑向磁通（Radial flux）永磁同步電機(jī)、軸向磁通（Axial flux）永磁同步電機(jī)和橫向磁通（Transverse flux）永磁同步電機(jī)大三類。軸向磁通和橫向磁通永磁同步電機(jī)雖然具有較高的功率密度，但對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和加工制造要求高，且特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所造成的功率因數(shù)偏低的缺點(diǎn)需要設(shè)法彌補(bǔ)。

高溫超導(dǎo)電機(jī)分高溫超導(dǎo)同步推進(jìn)電機(jī)和高溫超導(dǎo)直流單極兩大類，高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)具有很高的功率密度，但造價(jià)昂貴且需要先進(jìn)的超導(dǎo)材料和先進(jìn)的超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)做支撐。

將先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和超導(dǎo)電機(jī)知識(shí)直接引入課題，學(xué)生往往對(duì)此類前沿的知識(shí)興趣很高。

3 運(yùn)用MATLAB 仿真，化解難點(diǎn)知識(shí)

推進(jìn)電機(jī)的矢量控制是該課程的難點(diǎn)，Clark 變換、Park 變換、磁場(chǎng)定向等概念學(xué)生很難理解，即便課堂上“似乎”聽(tīng)明白，下課后又很快糊涂了，尤其是異步推進(jìn)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的兩套繞組，定子繞組作為靜止繞組向同步轉(zhuǎn)速的坐標(biāo)軸變換，轉(zhuǎn)子繞組以旋轉(zhuǎn)速度向同步轉(zhuǎn)速的坐標(biāo)軸變換，這兩個(gè)變換經(jīng)常把學(xué)生搞得“云里霧里”的。

為了化解這個(gè)難點(diǎn)知識(shí)，采用MATLAB 的Simlink仿真軟件，充分利用軟件現(xiàn)有的模塊，如逆變器、異步電機(jī)，如圖3 所示，把軟件中沒(méi)有的模塊單獨(dú)拿出來(lái)進(jìn)行分析， 這樣可以把一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)算系統(tǒng)簡(jiǎn)化，同時(shí)可以利用軟件中“示波器”觀測(cè)和顯示各個(gè)點(diǎn)電壓電流等波形，如圖4 所示。

圖3 異步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)

圖4 仿真波形

這樣學(xué)生不再需要面對(duì)一堆枯燥的公式，學(xué)生很容易直觀的理解異步推進(jìn)電機(jī)矢量控制的全過(guò)程。

4 開(kāi)設(shè)自主實(shí)驗(yàn)，提升動(dòng)手能力

為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，課程配套了開(kāi)放的電氣傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室， 實(shí)驗(yàn)臺(tái)上配有集成的整流、DC/DC 斬波、逆變電路以及多型電機(jī)模塊，學(xué)員可以動(dòng)手搭建電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，并將編寫的仿真程序，直接導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)仿真器，控制變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行各種控制策略的調(diào)速實(shí)驗(yàn)，并觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也方便將實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)快捷方便。多年實(shí)踐表明，這種教學(xué)模式，學(xué)生很容易感受到“學(xué)習(xí)成就”和樂(lè)趣，同時(shí)也提升了動(dòng)手能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文是筆者在船舶電力推進(jìn)課程教學(xué)過(guò)程中的一些體會(huì)， 該課程涉及多門電氣專業(yè)難學(xué)的課程，比較難學(xué)，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)效果，筆者先分析了該課程的教學(xué)現(xiàn)狀， 然后從引入前沿知識(shí)—激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，運(yùn)用MATLAB 仿真—化解難點(diǎn)知識(shí)，開(kāi)設(shè)自主實(shí)驗(yàn)—提升動(dòng)手能力三個(gè)方面入手進(jìn)行了探討。