课程名称：机电传动控制    适用专业：机械电子工程、机器人工程

开课学院：机械工程学院    主讲教师：陈康宇

课程简介：

本课程是机械电子工程专业的核心专业基础课，以“掌握机械设备电气传动与控制知识”为核心目标，助力学生搭建机电传动控制领域的知识框架，掌握分析、设计、应用机电传动控制系统及相关装置、器件的核心技能，为成为合格工程师做好知识与技能储备。

课程目标：通过课程学习，学生需掌握拖动技术基础与传动系统过渡过程；精通直流电机的结构、工作原理、特性及应用场景；了解电力电子技术基础；熟悉直流调速系统的组成与分析方法，能运用理论知识解决机电传动中的实际问题。

思政目标：落实《高等学校课程思政建设指导纲要》，将爱国主义、海洋强国战略、“双碳”目标、科学精神、协作意识及工匠精神融入教学。引导学生认识直流电机在“海洋运输装备（如大型船舶）”与“深海探测装备（如载人潜水器）”中的关键作用，推动学生将职业规划与国家海洋科技自立自强需求相结合，把爱国情怀转化为投身海洋机电领域的实际行动。

一、章节名称

第三章 直流电机的工作原理及特性

3.1 直流电机的基本结构和工作原理

二、章节教学目标

1. 知识目标

（1）掌握：直流电机的基本结构（定子、转子、换向器、电刷等）、工作原理（电磁感应与电磁力作用）、电枢反应及补偿方法、额定参数（额定功率、额定转速、额定电压等）；

（2）熟悉：直流电机的电枢绕组连接方式、电枢电流与转矩的关系、机械特性曲线。

2. 思政目标

（1）价值认同：结合习近平总书记关于建设海洋强国的重要论述，通过分析国产大型船舶推进直流电机与“奋斗者”号载人潜水器动力直流电机的技术共性，让学生理解直流电机对“海洋运输保障”与“深海探索突破”的双重支撑，树立服务海洋强国建设的责任意识；

（2）素养培育：以国产20MW船舶推进直流电机（如沪东重机某型号）、“奋斗者”号载人潜水器专用直流电机的技术突破为案例，增强学生专业认同感与民族自豪感，培育严谨的科学精神（如电机耐高压、抗腐蚀设计）和敢于创新的探索精神，具备海洋强国建设重任的基础素养；

（3）协作意识：围绕“直流电机研发-海洋装备适配-深海运维”全链条，说明机械设计、电气工程、海洋环境工程等学科的协作需求，培养学生跨领域协同解决海洋机电难题的团队能力。

三、案例设计与内容

1. 案例导入

（1）案例呈现

①播放5分钟“我国自主研发大型集装箱船‘中远海运金牛座9号’航行实录”视频，展示船用推进系统中的国产20MW直流电机，结合船舶行业报告与新闻，说明该电机完全自主知识产权及在全球船舶动力领域的领先水平；

②播放3分钟“‘奋斗者9号’万米深潜全程”短视频（选取央视“深海探秘”专题片段），聚焦潜水器内部驱动机械臂与推进器的专用直流电机，建立“海洋运输动力”与“深海探测动力”的关联。

（2）问题引导

“大型船舶推进直流电机与‘奋斗者9号’专用直流电机的核心工作原理（电磁力驱动、换向器作用）有何共性？深海环境下的直流电机需额外应对高压、低温、海水腐蚀等哪些挑战？我国在这两类直流电机的国产化进程中突破了哪些关键技术？”由此引出本节主题：直流电机的工作原理。

（3）图片补充

图1 船用电机推进综合系统

图2 20MW船舶推进直流电机实物

（4）思政融合点

强调大型船舶推进直流电机、“奋斗者”号专用直流电机均实现100%国产化，其中深海直流电机耐高压等级突破110MPa、低温工作下限达-2℃，打破国外对高端海洋直流电机的技术垄断，融入民族自豪感、海洋科技自信与精益求精的工匠精神。

2. 案例教学方法

（1）复习旧知，引出新知

复习上一章节“电机分类与基本电磁原理”，指出电机运行的核心是“电磁相互作用”。通过对比分析：直流电机与此前提及的简易电磁驱动装置相比，增加了换向器与电刷结构，这一设计如何解决“持续旋转”难题？由此引出本节课重点——直流电机的结构与工作原理。

引导分析：直流电机实现持续转动需满足两个关键条件：一是定子提供恒定磁场，二是转子（电枢）绕组通过电流后受电磁力驱动，且通过换向器实时改变电枢绕组电流方向。设问：“若缺少换向器，电枢绕组转动半周后受力方向会发生什么变化？电机能否持续运转？”激发学生思考，自然过渡到直流电机结构的讲解。

（2）问题导向，拆解知识难点

直流电机的“换向过程”与“电枢反应”是本节教学难点。采用三维动画演示与实物拆解结合的方式，以问题为导向设计教学环节：

问题1：直流电机的恒定磁场如何产生？

结合动画展示定子结构（主磁极、励磁绕组），说明励磁方式（他励、并励、串励、复励），对比不同励磁方式在船舶推进（需稳定转矩）与深海探测（需精准调速）中的应用差异；引用“中远海运金牛座”号电机并励励磁设计案例，说明其如何保障船舶匀速航行。

问题2：换向器如何实现电枢电流方向的实时切换？

通过慢动作动画演示换向器与电刷的配合过程，拆解“电枢转动—换向片切换—电流方向改变”的步骤；对比普通直流电机与“奋斗者”号专用电机的换向器材质（前者为铜合金，后者为耐蚀高强度合金），说明深海环境对电机部件的特殊要求，融入材料创新与工匠精神。

问题3：电枢反应会对电机运行产生哪些影响？如何补偿？

结合电磁仿真软件，展示电枢电流产生的磁场对定子主磁场的“畸变”作用（电枢反应），分析其导致的电机转速波动、换向火花等问题；介绍我国研发的“电枢反应补偿绕组技术”，以“奋斗者”号电机为例，说明该技术如何将换向火花控制在最小范围，保障深海作业可靠性，融入科技自立自强意识。

（3）课堂讨论，深化理解

设计3个核心讨论问题，组织学生以4人小组为单位讨论，每组推选代表发言：

1）直流电机的电枢转速与电枢电压、励磁电流存在什么关系？船舶航行中，如何通过调节这两个参数实现“加速”与“减速”？

2）若深海直流电机的电刷磨损，会导致哪些故障？结合海洋运维场景，提出3种预防电刷磨损的技术方案。

3）对比串励直流电机与并励直流电机的机械特性，分析为何大型船舶推进系统选用并励直流电机，而潜水器应急驱动装置选用串励直流电机？

（4）结合额定参数，融入思政元素

讲解直流电机额定参数时，重点分析“额定效率”与“额定转矩”：

额定效率：目前我国船用直流电机平均效率达94%，较10年前提升6个百分点，每年为单艘大型船舶节省燃油消耗约800吨。结合“双碳”目标，说明电机效率提升对减少船舶碳排放的重要意义，计算100艘船舶每年的减排总量（约8万吨CO2），融入社会责任感与绿色发展理念；

额定转矩：以20MW船舶推进电机为例，其额定转矩达1.2×106N・m，可驱动10万吨级船舶以22节（约40.7km/h）速度航行，对比国外同功率电机（转矩上限1.0×106N・m），凸显我国技术优势，强化民族自豪感。

（5）延伸应用：直流电机在海洋新能源领域的拓展

从船舶与潜水器用直流电机，延伸至“海洋能发电装备中的直流电机”：如潮汐能发电系统中，直流电机作为发电机使用时，通过整流装置将交流电转化为直流电，再接入储能系统。结合2024年国家能源局《海洋可再生能源发展规划》，说明直流电机在“潮汐能-电能”转化中的核心作用，介绍我国在浙江温岭潮汐电站中应用的国产直流发电机（额定功率5MW），其效率达92%，技术水平位居全球前列，融入创新意识与国际视野。

3. 思政融合点汇总

表1 思政科技汇总表

四、教学效果与反思

1. 预期效果

通过将思政元素与直流电机专业知识深度融合，学生不仅系统掌握了直流电机的结构、工作原理及特性，更对我国海洋装备领域的技术突破有了直观认知。课堂上，学生参与讨论的积极性显著提升，尤其是围绕“深海电机技术挑战”“国产化突破意义”等话题，能结合专业知识提出独到见解；课后作业中，85%以上学生能在“直流电机与海洋强国建设”相关论述题中，准确关联技术细节与国家战略需求，体现出较强的社会责任感与专业认同。

2. 教学反思

（1）教案优势

案例选取紧密结合我国海洋装备发展实际，将抽象的直流电机知识与具象的“大国重器”结合，降低学习难度的同时，有效激发学生爱国情怀；采用“动画演示+实物拆解+仿真模拟”多元教学手段，突破换向过程、电枢反应等知识难点，同时融入技术突破细节，兼顾专业性与思政性。

（2）改进方向

可增加“直流电机故障模拟实验”，让学生通过实操排查“换向火花过大”“转速波动”等故障，进一步强化理论与实践结合，同时渗透精益求精的工匠精神；可邀请海洋装备企业工程师开展线上讲座，分享直流电机在实际海洋装备中的运维案例，深化学生对跨学科协作的理解，提升职业规划与海洋科技需求的匹配度。

未来将持续优化案例内容，紧跟我国海洋直流电机技术新突破，不断丰富思政融合点，为培养兼具专业能力与家国情怀的海洋机电人才奠定基础。