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摘要：在电机教学中运用比较法，对电路和磁路、各种电机工作原理、基本方程、各种特性进行了系统的比较分析，进一步对电枢反应、等效电路、异步电机与变压器的联系、异步电机与同步电机的联系、电机特性等问题进行了探讨，提出了自己的见解。比较教学法对于电机教学是非常有效和必要的，可帮助学生将各种电机知识融会贯通，显著提高教学效果。
关键词：电机教学；比较法；电机工作原理
作者简介：刘慧芳（1975-），女，江西宜春人，中国地质大学（北京）信息工程学院，讲师；王振华（1975-），男，河南周口人，中国地质大学（北京）信息工程学院，讲师。（北京 100083）
基金项目：本文系中央高校基本科研业务费专项资金预研项目（项目编号：2-9-2012-38）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）25-0089-02
俄国教育家乌申斯基说：“比较是一切理解、发现和思维的基础，我们正是通过比较来了解世界上的一切的。”比较就是确定事物同异关系的思维过程和方法，有比较才能有鉴别，有鉴别才能有发现，有创新。任何事物的特点必须在相互比较中才能充分地显示出来。
电机学是电气工程及其自动化专业一门非常重要的专业基础课，以先修课程大学物理、电路、高等数学等为基础，为后续专业课程电力拖动自动控制、电力系统分析、电力电子技术、供电技术等做铺垫，因此这门课程在整个专业教学中占有重要地位。电机学涉及到电路、磁场、机械等方面，特别是绕组连接问题和磁场问题较为复杂。各种电机的知识点名称有许多相同之处，例如电机结构、基本方程式、相量图、等值电路、效率、工作特性、运行特性、机械特性、电枢反应、电磁功率、电磁转矩等等。学生往往感觉这些知识点容易混淆，难以融会贯通。比较教学法则是解决这些难题的利器。
在电机教学中，比较教学法可为学生搭建理解不同类型电机知识内在联系的桥梁，帮助学生将各种电机知识点融会贯通，避免理解浮于表面、知识点孤立的状态。下面运用比较法对电机课程中知识点的异同之处进行较为系统全面的归纳总结，供读者参考。
一、比较法在电机教学中的运用举例
1.电路和磁路的比较
电机分析包括电路分析和磁路分析，这二者非常相似。如表1所示：
其中磁路的基尔霍夫第一定律是指任一闭合曲面的流入磁通与流出磁通相等；磁路的基尔霍夫第二定律是指任一闭合磁路各段的磁动势或磁压降代数和为零。
让学生通过熟悉的电路来理解磁路，既能降低学习难度，又能加深对磁路的理解，从而为各种电机原理的学习打下基础。
2.电机工作原理的比较
直流电机、异步电机、同步电机、变压器是四大基本电机类型，其中变压器为静止电机，其余为旋转电机。从其最本质的工作原理来说，所遵循的基本物理定律都是电磁感应定律和电磁力定律。各种电机工作原理比较见表2：
3.电机中的平衡关系比较
电机学中存在许多平衡关系，包括能量守恒、电压平衡、磁势平衡、转矩平衡等。下面进行具体说明。
（1）能量守恒。这是自然界的普遍规律，电机当然也不例外。电机的输入功率等于输出功率与电机中各种损耗功率之和，常用功率流程图来表示。其各种损耗基本相同，包括绕组的铜耗，对直流电机和同步电机而言为电枢绕组，对异步电机而言为定子绕组与转子绕组，对变压器而言为高压绕组与低压绕组；铁磁损耗，包括磁滞损耗、涡流损耗、旋转电机的机械损耗、附加损耗等。各种电机均为可逆电机，有发电机、电动机或升压变、降压变两种运行状态。
（2）电压平衡、磁势平衡、转矩平衡。这些平衡关系从本质上说根源于能量守恒，表现为电机的基本方程式、等效电路和相量图。三者是完全等价的，只是表现形式不同。电压平衡、磁势平衡表现在所有电路中，转矩平衡体现在所有旋转运动体上。限于篇幅，读者可自行归纳总结。
4.电机特性比较
通常发电机的特性称为运行特性，电动机的特性称为工作特性和机械特性。通过查阅不同版本的电机教材，笔者发现绝大多数国内教材都是这样进行区分的，[3-5]而国外教材并不强调是运行特性还是工作特性。[6-7]文献[8]中则统称为运行特性，然后将电动机的运行特性又分为工作特性和机械特性。笔者认为“运行”和“工作”并无实质区别，故运行特性和工作特性的区分并无意义。限于篇幅，请读者自行归纳总结。还可按发电机和电动机两种类型来比较，其中变压器对于负载而言相当于发电机，故可归入发电机一类。还可按照各种电机的发电和电动运行状态进行比较。
5.典型问题分析
问题一：为何直流电机和同步电机有电枢反应，而异步电机没有电枢反应？
这要从电机磁场说起。直流电机和同步电机都有专门的励磁绕组，且均为直流励磁，其中没有感应电流产生。区别在于：直流电机励磁绕组一般位于定子，同步电机励磁绕组一般位于转子。文献[1]指出：电枢是相对于磁极而存在的，电枢是产生感应电动势、通过电流、产生电磁转矩的部分，而异步电机的定子绕组与转子绕组都产生感应电动势，都通过电流，其中没有哪一个绕组是专门产生磁场的，因此感应电机只有定子与转子之区分，没有电枢与磁极之区分。因此异步电机没有电枢反应问题。另外，文献[2]对电枢反应的定义进行了严谨细致的分析，指出电枢磁场并不能影响励磁磁场，电枢反应概念的真正含义应该是“电枢绕组产生电枢磁势的现象”，而非现行教材中较为普遍的“电枢反应是电枢磁场对空载气隙磁场的影响”。
问题二：为什么直流电机和同步电机中没有提到等效电路的问题，异步电机和变压器则都有等效电路？
首先明确等效电路是为了将能量输入侧和能量输出侧两个电路统一为一个电路，以便于进行定量分析的。如果能量输入和输出是在一个电路里完成，则不存在电路统一的问题，即不存在等效电路。 异步电机和同步电机的电能都是通过定子绕组传输的。异步电机的机械能是通过转子绕组切割旋转磁场产生感应电动势、感应电流，从而产生电磁转矩而传输的，即异步电机的机械能是通过转子绕组传输的。同步电机的机械能则是由于转子磁极受到定子等效磁极的吸引或阻碍产生电磁转矩而传递的，转子绕组本身并未产生感应电流及受到安培力作用。因此同步电机的机械能传递实际上是通过定子绕组完成的。当转矩发生变化时，异步电机的转子电流会发生变化，而同步电机的转子电流则没有变化，也印证了异步电机的机械能是通过转子传递的，同步电机的机械能不是通过转子传递的。另外容易看出，直流电机的电能和机械能传输都是在电枢绕组上完成的，而变压器的电能输入和输出是在不同绕组上完成的。从另一角度来说，直流电机和同步电机的励磁绕组是专门励磁的，只是提供能量转化的环境，并不参与动态的能量传递过程，其能量传输都是由电枢绕组一个电路完成的，不存在两个电路需要统一的问题。综上所述，直流电机和同步电机没有等效电路，反之，异步电机和变压器都有等效电路。
问题三：异步电机与变压器有何联系？
二者的区别：其一，体现在异步电机与变压器的结构和运动形式。其二，在二者的磁路构成不同。变压器主磁路全部由铁磁材料构成，异步电机的主磁路除了定转子铁芯外，还包含两段空气隙。正是由于磁路的不同，导致二者的空载电流有很大差别，变压器的空载电流为额定电流的2%～5%，异步电机的空载电流为定子额定电流的20%～30%。其三，变压器绕组为集中绕组，绕组系数为1；异步电机为分布绕组，绕组系数小于1。其四，变压器磁场为交变磁场（幅值随时间变化），感应方式为感生电动势，异步电机磁场为旋转磁场（位置随时间变化），感应方式为动生电动势或切割电动势。
二者的相似之处：它们都没有专门的励磁绕组，两侧绕组都有感应电动势、感应电流，均为交流，具有非常相似的等效电路，参数测量方法也几乎相同。异步电机转子绕组开路时相当于变压器空载，异步电动机转子绕组短路且转子堵转时相当于变压器短路。因此有一种说法，变压器相当于静止的异步电机，异步电机相当于旋转的变压器。
问题四：异步电机和同步电机只有一字之差，如何理解其区别？
异步电机与同步电机在结构上非常相似，都是交流旋转电机，定子绕组也是完全相同的，主要区别在于转子绕组是否有直流励磁，并由此产生了本质的区别。其一，转速的问题。异步电机必须有转速差方能工作，同步电机必须严格以同步转速运行。其二，异步电机没有电枢反应，同步电机有电枢反应。其三，异步电机有等效电路，同步电机没有等效电路。其四，异步电机没有启动问题，同步电机有启动问题。其五，同步电机可以灵活调节功率因数，异步电机却不能，等等。总之二者虽然只有一字之差，但本质上的区别却很大。
二、结语
本文介绍了如何在电机教学中运用比较法分析各种电机的工作原理，电机中的各种平衡关系、电机特性等，然后对一些常见问题进行了说明。总之通过比较法可以帮助学生把看似零乱复杂的知识点组织起来，建立一个井然有序的知识系统。
参考文献：
[1]林宪枢.同步电机与直流电机电枢反应的比较[J].电力系统及其自动化学报，1998，10（3）：62-66.
[2]程小华.对部分教科书中“电枢反应”和“相带”概念的辩证[J].微电机，2009，42（2）：83-86.
[3]阎治安，崔新艺，苏少平.电机学[M].第2版.西安：西安交通大学出版社，2006.
[4]许建国，陶醒世.电机与拖动基础[M].第2版.北京：高等教育出版社，2009.
[5]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].第3版.北京：清华大学出版社，2005.
[6][日]仁田工吉，冈田隆夫，安陪稔.电机学[M].冯浩，译.北京：科学出版社，2004.
[7][美]A. E. Fitzgerald，Charles Kingsley， Jr.，Stephen D. Umans .电机学[M].刘新正，苏少平，高林，译.第6版.北京：电子工业出版社，2006.
[8]陈世元.电机学[M].北京：中国电力出版社，2004.
（责任编辑：王意琴）
关键词：电机教学；比较法；电机工作原理
作者简介：刘慧芳（1975-），女，江西宜春人，中国地质大学（北京）信息工程学院，讲师；王振华（1975-），男，河南周口人，中国地质大学（北京）信息工程学院，讲师。（北京 100083）
基金项目：本文系中央高校基本科研业务费专项资金预研项目（项目编号：2-9-2012-38）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）25-0089-02
俄国教育家乌申斯基说：“比较是一切理解、发现和思维的基础，我们正是通过比较来了解世界上的一切的。”比较就是确定事物同异关系的思维过程和方法，有比较才能有鉴别，有鉴别才能有发现，有创新。任何事物的特点必须在相互比较中才能充分地显示出来。
电机学是电气工程及其自动化专业一门非常重要的专业基础课，以先修课程大学物理、电路、高等数学等为基础，为后续专业课程电力拖动自动控制、电力系统分析、电力电子技术、供电技术等做铺垫，因此这门课程在整个专业教学中占有重要地位。电机学涉及到电路、磁场、机械等方面，特别是绕组连接问题和磁场问题较为复杂。各种电机的知识点名称有许多相同之处，例如电机结构、基本方程式、相量图、等值电路、效率、工作特性、运行特性、机械特性、电枢反应、电磁功率、电磁转矩等等。学生往往感觉这些知识点容易混淆，难以融会贯通。比较教学法则是解决这些难题的利器。
在电机教学中，比较教学法可为学生搭建理解不同类型电机知识内在联系的桥梁，帮助学生将各种电机知识点融会贯通，避免理解浮于表面、知识点孤立的状态。下面运用比较法对电机课程中知识点的异同之处进行较为系统全面的归纳总结，供读者参考。
一、比较法在电机教学中的运用举例
1.电路和磁路的比较
电机分析包括电路分析和磁路分析，这二者非常相似。如表1所示：
其中磁路的基尔霍夫第一定律是指任一闭合曲面的流入磁通与流出磁通相等；磁路的基尔霍夫第二定律是指任一闭合磁路各段的磁动势或磁压降代数和为零。
让学生通过熟悉的电路来理解磁路，既能降低学习难度，又能加深对磁路的理解，从而为各种电机原理的学习打下基础。
2.电机工作原理的比较
直流电机、异步电机、同步电机、变压器是四大基本电机类型，其中变压器为静止电机，其余为旋转电机。从其最本质的工作原理来说，所遵循的基本物理定律都是电磁感应定律和电磁力定律。各种电机工作原理比较见表2：
3.电机中的平衡关系比较
电机学中存在许多平衡关系，包括能量守恒、电压平衡、磁势平衡、转矩平衡等。下面进行具体说明。
（1）能量守恒。这是自然界的普遍规律，电机当然也不例外。电机的输入功率等于输出功率与电机中各种损耗功率之和，常用功率流程图来表示。其各种损耗基本相同，包括绕组的铜耗，对直流电机和同步电机而言为电枢绕组，对异步电机而言为定子绕组与转子绕组，对变压器而言为高压绕组与低压绕组；铁磁损耗，包括磁滞损耗、涡流损耗、旋转电机的机械损耗、附加损耗等。各种电机均为可逆电机，有发电机、电动机或升压变、降压变两种运行状态。
（2）电压平衡、磁势平衡、转矩平衡。这些平衡关系从本质上说根源于能量守恒，表现为电机的基本方程式、等效电路和相量图。三者是完全等价的，只是表现形式不同。电压平衡、磁势平衡表现在所有电路中，转矩平衡体现在所有旋转运动体上。限于篇幅，读者可自行归纳总结。
4.电机特性比较
通常发电机的特性称为运行特性，电动机的特性称为工作特性和机械特性。通过查阅不同版本的电机教材，笔者发现绝大多数国内教材都是这样进行区分的，[3-5]而国外教材并不强调是运行特性还是工作特性。[6-7]文献[8]中则统称为运行特性，然后将电动机的运行特性又分为工作特性和机械特性。笔者认为“运行”和“工作”并无实质区别，故运行特性和工作特性的区分并无意义。限于篇幅，请读者自行归纳总结。还可按发电机和电动机两种类型来比较，其中变压器对于负载而言相当于发电机，故可归入发电机一类。还可按照各种电机的发电和电动运行状态进行比较。
5.典型问题分析
问题一：为何直流电机和同步电机有电枢反应，而异步电机没有电枢反应？
这要从电机磁场说起。直流电机和同步电机都有专门的励磁绕组，且均为直流励磁，其中没有感应电流产生。区别在于：直流电机励磁绕组一般位于定子，同步电机励磁绕组一般位于转子。文献[1]指出：电枢是相对于磁极而存在的，电枢是产生感应电动势、通过电流、产生电磁转矩的部分，而异步电机的定子绕组与转子绕组都产生感应电动势，都通过电流，其中没有哪一个绕组是专门产生磁场的，因此感应电机只有定子与转子之区分，没有电枢与磁极之区分。因此异步电机没有电枢反应问题。另外，文献[2]对电枢反应的定义进行了严谨细致的分析，指出电枢磁场并不能影响励磁磁场，电枢反应概念的真正含义应该是“电枢绕组产生电枢磁势的现象”，而非现行教材中较为普遍的“电枢反应是电枢磁场对空载气隙磁场的影响”。
问题二：为什么直流电机和同步电机中没有提到等效电路的问题，异步电机和变压器则都有等效电路？
首先明确等效电路是为了将能量输入侧和能量输出侧两个电路统一为一个电路，以便于进行定量分析的。如果能量输入和输出是在一个电路里完成，则不存在电路统一的问题，即不存在等效电路。 异步电机和同步电机的电能都是通过定子绕组传输的。异步电机的机械能是通过转子绕组切割旋转磁场产生感应电动势、感应电流，从而产生电磁转矩而传输的，即异步电机的机械能是通过转子绕组传输的。同步电机的机械能则是由于转子磁极受到定子等效磁极的吸引或阻碍产生电磁转矩而传递的，转子绕组本身并未产生感应电流及受到安培力作用。因此同步电机的机械能传递实际上是通过定子绕组完成的。当转矩发生变化时，异步电机的转子电流会发生变化，而同步电机的转子电流则没有变化，也印证了异步电机的机械能是通过转子传递的，同步电机的机械能不是通过转子传递的。另外容易看出，直流电机的电能和机械能传输都是在电枢绕组上完成的，而变压器的电能输入和输出是在不同绕组上完成的。从另一角度来说，直流电机和同步电机的励磁绕组是专门励磁的，只是提供能量转化的环境，并不参与动态的能量传递过程，其能量传输都是由电枢绕组一个电路完成的，不存在两个电路需要统一的问题。综上所述，直流电机和同步电机没有等效电路，反之，异步电机和变压器都有等效电路。
问题三：异步电机与变压器有何联系？
二者的区别：其一，体现在异步电机与变压器的结构和运动形式。其二，在二者的磁路构成不同。变压器主磁路全部由铁磁材料构成，异步电机的主磁路除了定转子铁芯外，还包含两段空气隙。正是由于磁路的不同，导致二者的空载电流有很大差别，变压器的空载电流为额定电流的2%～5%，异步电机的空载电流为定子额定电流的20%～30%。其三，变压器绕组为集中绕组，绕组系数为1；异步电机为分布绕组，绕组系数小于1。其四，变压器磁场为交变磁场（幅值随时间变化），感应方式为感生电动势，异步电机磁场为旋转磁场（位置随时间变化），感应方式为动生电动势或切割电动势。
二者的相似之处：它们都没有专门的励磁绕组，两侧绕组都有感应电动势、感应电流，均为交流，具有非常相似的等效电路，参数测量方法也几乎相同。异步电机转子绕组开路时相当于变压器空载，异步电动机转子绕组短路且转子堵转时相当于变压器短路。因此有一种说法，变压器相当于静止的异步电机，异步电机相当于旋转的变压器。
问题四：异步电机和同步电机只有一字之差，如何理解其区别？
异步电机与同步电机在结构上非常相似，都是交流旋转电机，定子绕组也是完全相同的，主要区别在于转子绕组是否有直流励磁，并由此产生了本质的区别。其一，转速的问题。异步电机必须有转速差方能工作，同步电机必须严格以同步转速运行。其二，异步电机没有电枢反应，同步电机有电枢反应。其三，异步电机有等效电路，同步电机没有等效电路。其四，异步电机没有启动问题，同步电机有启动问题。其五，同步电机可以灵活调节功率因数，异步电机却不能，等等。总之二者虽然只有一字之差，但本质上的区别却很大。
二、结语
本文介绍了如何在电机教学中运用比较法分析各种电机的工作原理，电机中的各种平衡关系、电机特性等，然后对一些常见问题进行了说明。总之通过比较法可以帮助学生把看似零乱复杂的知识点组织起来，建立一个井然有序的知识系统。
参考文献：
[1]林宪枢.同步电机与直流电机电枢反应的比较[J].电力系统及其自动化学报，1998，10（3）：62-66.
[2]程小华.对部分教科书中“电枢反应”和“相带”概念的辩证[J].微电机，2009，42（2）：83-86.
[3]阎治安，崔新艺，苏少平.电机学[M].第2版.西安：西安交通大学出版社，2006.
[4]许建国，陶醒世.电机与拖动基础[M].第2版.北京：高等教育出版社，2009.
[5]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].第3版.北京：清华大学出版社，2005.
[6][日]仁田工吉，冈田隆夫，安陪稔.电机学[M].冯浩，译.北京：科学出版社，2004.
[7][美]A. E. Fitzgerald，Charles Kingsley， Jr.，Stephen D. Umans .电机学[M].刘新正，苏少平，高林，译.第6版.北京：电子工业出版社，2006.
[8]陈世元.电机学[M].北京：中国电力出版社，2004.
（责任编辑：王意琴）