近年来，农业生产过程的电气化与智能化成为我国促进农业发展、保障粮食安全的重要举措。总书记在中央农村工作会议上指出，“要坚持农业科技自立自强，加快推进农业关键核心技术攻关”。

以清洁电力为能源、以电机为驱动核心、结合智能控制技术的电动拖拉机技术迅速发展并逐步应用于国内现代农业生产中。电机、电池、电控是电动拖拉机等电力动力装备的核心关键技术，其中尤以驱动电机产业快速发展，人才紧缺。

现有的电气工程及其自动化、农业电气化等本科专业大类培养模式下课时压缩，《现代农业装备电机及驱动基础》、《电机学》等课程中理论讲解内容偏多。传统实验教学任务中电机硅钢片的加工、绕组绕制等实验程序繁琐。且对于电机异常工况缺乏关注，无法在实验中模拟电机的各类故障，学生对电机故障的类型、原因和判断方法缺乏了解。

电动拖拉机的电机驱动系统转速高、功率大，此类电机的设计周期长(电机加工制造必须委托电机加工公司,耗时常在半年以上)，电机测试条件苛刻。而高压、大电流、高速的测试条件对电机测试台架的要求高，不同工况负载试验需要专门的昂贵的试验设备（电磁场分析和系统仿真软件、功率分析仪、500MHz高速数字存贮示波器、dSPACE开发系统等软硬件设备500万元以上）。相关实验长周期、高危险、高费用，并且由于需要专业测试人员进行操作，学生的参与度低。

新工科新型交叉类课程设计，对学生的素质和能力提出了更高要求。传统实验手段无法令学生直观了解电力动力装备中电机种类、尺寸、结构参数、电磁参数对电机功率、效率、转矩、转矩脉动等性能的影响，也无法使学生对电机的故障类型、原因、特征和判断方法等建立一般的认知。

预习电机设计的方法和相关公式，针对电动拖拉机驱动电机的需求，先行设计和计算电机的相关参数。

1）拖拉机参数

整车质量：5600kg

电机功率：120kW

电机转矩：250N·M

2）电机性能需求

基速：3000rpm

转速范围：0-5000rpm

额定功率：120kW

峰值功率：300kW

额定转矩：200N·M

峰值转矩：500N·M

3）固定参数：

定子铁心内径：150mm

槽数：48

槽深：29.5mm

齿宽：7.95mm

槽口宽：1.93mm

轭宽度：20mm

转子内径：42mm

极数：8

转子结构：内置V字型

教师须知：指导教师可告知学生需要设计的参数，包括：叠片长度、匝数、并绕根数、线径、槽满率、气隙大小、转子外径、永磁体宽度、永磁体长度，也可告知范围。

1）熟悉电动拖拉机总体结构及运行原理，践行课程思政，引导学生投身智能农业发展与新农村建设，为国家增强培养学生精益求精的大国工匠精神。

2）熟练掌握电机的拓扑结构与工作原理；

3）掌握电动拖拉机电机基本设计方法；

4）熟练掌握电机关键结构参数的改变对电机转矩性能的影响；

5）掌握电机台架测试与评估流程，测试数据分析处理方法以及电机故障状态现象与电机设计关键参数映射关系；

6）掌握电机装机后的转矩性能与拖拉机作业质量之间的关系，并能自主分析在不同工况下，电动拖拉机电机故障特征及其性能改进方法。

1）电动拖拉机认识：通过分解结构图，了解电动拖拉机结构各组成部分，并通过细节展示各部分的主要功能和特性需求。

2）电机认识：通过分解结构图，了解电驱动系统中的核心——电机结构的组成部分，使学生建立直观认识。

3）故障认知：介绍电机的典型故障（永磁体退磁、永磁体脱落、绕组匝间短路、相绕组断路）的原因、特征和判断方法。

4）电机参数设计，通过在界面上输入或选择基本电机参数，通过参数化建模的方式产生电机。

5）在上一模块生产成型的电机，按照实际测试要求，在电机测试台架上进行测试。若达标则进行大田测试，若不达标则重新回到上一个模块，重新设计参数。

6）电机通过台架测试后，安装到电动拖拉机上，进行大田测试。按照实际测试情景，测试多工况下的作业情况，以测试评估设计电机的实际性能。

7）故障分析。根据四台故障的电动拖拉机故障特征，判断故障的类型，分析故障的原因。

处理器：Intel（R）Core（TM）i5

主频：2.4GHz

内存：8GB

显卡：NVIDIA GeForce GTX GT740 2G

阅读实验简介

电动拖拉机结构认知

步骤2：“实验简介”学习完成后，进入电动拖拉机整体、电机结构与故障认知模块，如图2。该模块主要对电动拖拉机组成及电机结构和原理进行认知。点击【电动拖拉机结构】选项，选择认知电动拖拉机相关内容。点击后进入展厅，点击展厅中间的电动拖拉机模型，根据各部件及描述详细了解电动拖拉机总体结构及各部件运行原理，包括：【电机】、【电池】、【电控】、【提升装置】等，如图3。

图2 电动拖拉机及电机结构认知模块

图3 电动拖拉机总体结构及各部件运行原理描述

电机结构及原理认知

故障认知

认知环节考核测试

电机参数需求

图7 估算电机参数

电机参数设计环节

电机特性校准

电机台架测试环节

安装电机

电机轻载试验

电机额定试验和过载实验

电机优化设计

电机装车

无人农机装备作业大赛

电机故障分析

查看故障波形

故障种类、原因及解决方法的判别

故障分析完成

生成实验报告

1）电动拖拉机是怎么实现能量转换的？

答：电池将化学能转化为电能，并输入到电控中；电控对电能

（电压、电流）进行控制，并输入到电机中；电机将电能转化为机械能，带动拖拉机前进。

2）电机参数对电机转矩的影响分别是什么？

1、叠片长度主要是指永磁电机的有效长度（l_ef），是电机的主要尺寸之一，根据电机尺寸计算公式可知，当电枢直径D确定时，叠片长度的大小和电机电磁转矩成正比。

2、匝数是指每个线圈的圈数。在永磁电机中，反电动势大小以及电机转矩和线圈匝数成正比关系。

3、气隙越小转矩，气隙磁密越大，转矩越大。

4、永磁体宽度增加时，有效磁通增加，电机转矩增加。

5、永磁体长度增加时，有效磁通增加，电机转矩增加。

3）槽满率过大或者过小对电机有什么影响？

槽满率是指线圈放入槽内后占用槽内空间的比例。通俗的讲就是导线截面积占槽有效面积的比值×100%。槽满率过大会导致实际嵌线时，无法把绕组嵌入槽内，槽满率过小又会导致绕组过于松动，使绝缘被破坏。槽满率过小势必因为线径、并绕根数或者匝数过小，可能导致电流过大，电机过热被烧毁。

4）当电机发生永磁体退磁故障时，电机会出现什么现象？

电机发生不可逆失磁的时候，电机的铁损和铜损都会增加，电机效率会明显下降，转速和转矩都会有所下降。