異步電機(jī)課程教學(xué)中的動(dòng)畫應(yīng)用技巧

郭強(qiáng) 宋曉煒 李春雷 楊蕾

摘 ?要 電動(dòng)機(jī)是電氣和電工技術(shù)課程中的教學(xué)難點(diǎn)，主要在于異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理中，磁場(chǎng)的分布及旋轉(zhuǎn)是一個(gè)較為抽象的概念。根據(jù)定子合成磁場(chǎng)的形狀特點(diǎn)，利用PPT動(dòng)畫的陀螺旋功能，可分步演示磁場(chǎng)方向隨電流相位的變化，從而化解難點(diǎn);多次交替使用陀螺旋，還可演示電機(jī)轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的異步轉(zhuǎn)動(dòng)過程;把給定形狀的復(fù)件與原形狀組合，可改變復(fù)合組件陀螺旋的旋轉(zhuǎn)重心，以滿足旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與其他圖形的配合需要。

關(guān)鍵詞 異步電機(jī);旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);動(dòng)畫;陀螺旋

中圖分類號(hào)：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）18-0075-04

Skills on Making Animation in Teaching Asynchronous Machine//

GUO Qiang， SONG Xiaowei， LI Chunlei， YANG Lei

Abstract Electic motor is a difficulty in teaching electromechanics and electrotechnics. Its because magnetic field distribution and rota-

tion is an abstract concept in the principle of motor rotation. Accor-

ding to characteristics of resultant magnetic field distribution of stator

space， using of top spiral function which is used to make animation of PPT， we can demonstrate variation of magnetic field direction with

current phase step by step， and resolve the difficulty. Furthermore， alternate using top spiral， we can also demonstrate asynchronous rotation of the rotor with rotating magnetic field. Putting original shape with its copy together， we can change the center of rotation of

the top spiral of the compound component， so as to make the center of rotation and other shapes cooperate.

Key words asynchronous machine; rotating magnetic field; top spiral

1 引言

電動(dòng)機(jī)教學(xué)是電氣專業(yè)電機(jī)學(xué)課程或電類專業(yè)電工技術(shù)課程中的必修章節(jié)。而電動(dòng)機(jī)也是相對(duì)的難點(diǎn)章節(jié)，其中電機(jī)定子空間的磁場(chǎng)形成和旋轉(zhuǎn)需要抽象的空間想象能力[1-2]，而磁場(chǎng)并非平常所見的有形實(shí)體，再加上與三相對(duì)稱電流的周期關(guān)系、磁場(chǎng)的合成，以及合成磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成無(wú)形磁場(chǎng)空間內(nèi)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程，給學(xué)生的理解造成困難。

目前較為流行的傳統(tǒng)課件，大都采用若干磁場(chǎng)位置的多組圖形來說明其形成和旋轉(zhuǎn)過程，需要占用大量課件空間，擠占了公式和文字表達(dá)，且在聯(lián)動(dòng)效果上不理想[1，3]。

相比之下，采用連續(xù)動(dòng)畫方式，不但可以用同一個(gè)圖完整地表示磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)過程，而且可以根據(jù)輸入的三相電流變化，分步表示磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的位置，生動(dòng)形象地表示出由三相電流變化形成的定子線圈磁場(chǎng)，到線圈磁場(chǎng)合成定子空間磁場(chǎng)，再到合成磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)過程。

以下以三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理為例，按照“三相電流的輸入產(chǎn)生定子線圈磁場(chǎng)→線圈磁場(chǎng)的合成→合成磁場(chǎng)的分步轉(zhuǎn)動(dòng)→合成磁場(chǎng)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)”[3]的順序，描述動(dòng)畫的制作過程。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的動(dòng)畫制作

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理分旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)部分，其中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生是動(dòng)畫展示的主要內(nèi)容，圖1所示是整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分制作動(dòng)畫的基本組件。所有動(dòng)畫組件共15組，包括單個(gè)形狀組件和多個(gè)形狀的復(fù)合組件，按圖1中的序號(hào)，各組件所表示的意義、構(gòu)成和動(dòng)畫如表1所示。

為了能夠清晰地表示組件，采用圖1b表示當(dāng)交流電流相位ωt=90°時(shí)，W繞組中重疊在原ωt=60°時(shí)的電流方向。圖1表示了“電流輸入→線圈磁場(chǎng)→合成磁場(chǎng)→磁場(chǎng)分步轉(zhuǎn)動(dòng)”的過程，選擇ωt=0°、60°、90°三個(gè)相位點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是只有W繞組的電流方向變化一次，在不影響過程表述的同時(shí)，減少了組件制作的數(shù)量。

由表1可見，15個(gè)組件絕大部分都是一次單擊一次動(dòng)畫，只有組件3、組件6和組件7分別出現(xiàn)兩次和三次動(dòng)作。其中W繞組電流和磁場(chǎng)組件3和6是隨U線圈電流（組件10）出現(xiàn)而同時(shí)消失，為表示出現(xiàn)與消失動(dòng)作的同步性，消失開始時(shí)間采用在組件10出現(xiàn)“之前”;線圈電流引起的磁場(chǎng)往往是理解合成磁場(chǎng)的一個(gè)難點(diǎn)，因此在分析V繞組組件2第一個(gè)電流磁場(chǎng)時(shí)分成兩步進(jìn)行，即組件4、5，且以輪子的動(dòng)畫出現(xiàn)形式，這樣可以右手螺旋定則講述不同電流方向產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向，從而化解難點(diǎn)。以后再出現(xiàn)電流磁場(chǎng)的分析時(shí)，用一步即可（如組件6、11、15）。電流磁場(chǎng)的分析結(jié)果使定子空間的合成磁場(chǎng)水到渠成。

合成磁場(chǎng)即本文內(nèi)容的關(guān)鍵——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。實(shí)際上，有了合成磁場(chǎng)，只要用一個(gè)陀螺旋的動(dòng)畫即可完成磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。利用陀螺旋可設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度的功能，可以演示不同相位點(diǎn)時(shí)，合成磁場(chǎng)的方向變化，從而得出磁場(chǎng)隨輸入三相電流相位的變化而旋轉(zhuǎn)的結(jié)論。如組件7為兩個(gè)半圓形虛線和中間兩箭頭表示的磁場(chǎng)方向所組成的復(fù)合組件，陀螺旋的特點(diǎn)是使圖形以其重心為圓心產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，而復(fù)合組件7是一個(gè)圓形組件，其重心剛好為圓心，這為演示磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)提供了極大的便利。對(duì)應(yīng)所選的三個(gè)相位點(diǎn)，0°時(shí)磁場(chǎng)合成，方向?yàn)橄蛏霞^的0°指向，在組件6出現(xiàn)后，單擊開始，以圓形擴(kuò)展出現(xiàn);相位60°和90°時(shí)設(shè)置60°和30°旋轉(zhuǎn)，分別在組件11和15出現(xiàn)后，單擊開始陀螺旋。圖2（圖中W繞組電流磁場(chǎng)的出現(xiàn)采用單擊開始，故多了一個(gè)動(dòng)畫動(dòng)作16）為合成磁場(chǎng)（組件7）分別在組件11和組件15后的兩次陀螺旋的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，在整體動(dòng)畫中為第12和第17個(gè)單擊開始的動(dòng)作。