郭強 宋曉煒 李春雷 楊蕾

摘 ?要 電動機是電氣和電工技術(shù)課程中的教學(xué)難點，主要在于異步電機轉(zhuǎn)動原理中，磁場的分布及旋轉(zhuǎn)是一個較為抽象的概念。根據(jù)定子合成磁場的形狀特點，利用PPT動畫的陀螺旋功能，可分步演示磁場方向隨電流相位的變化，從而化解難點;多次交替使用陀螺旋，還可演示電機轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場的異步轉(zhuǎn)動過程;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)點與其他圖形的配合需要。

關(guān)鍵詞 異步電機;旋轉(zhuǎn)磁場;動畫;陀螺旋

中圖分類號：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：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

電動機教學(xué)是電氣專業(yè)電機學(xué)課程或電類專業(yè)電工技術(shù)課程中的必修章節(jié)。而電動機也是相對的難點章節(jié)，其中電機定子空間的磁場形成和旋轉(zhuǎn)需要抽象的空間想象能力[1-2]，而磁場并非平常所見的有形實體，再加上與三相對稱電流的周期關(guān)系、磁場的合成，以及合成磁場的旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成無形磁場空間內(nèi)的連續(xù)運動過程，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)動效果上不理想[1，3]。

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

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

2 三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的動畫制作

三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理分旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動兩個部分，其中旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生是動畫展示的主要內(nèi)容，圖1所示是整個轉(zhuǎn)動部分制作動畫的基本組件。所有動畫組件共15組，包括單個形狀組件和多個形狀的復(fù)合組件，按圖1中的序號，各組件所表示的意義、構(gòu)成和動畫如表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，W繞組中重疊在原ωt=60°時的電流方向。圖1表示了“電流輸入→線圈磁場→合成磁場→磁場分步轉(zhuǎn)動”的過程，選擇ωt=0°、60°、90°三個相位點的優(yōu)點是只有W繞組的電流方向變化一次，在不影響過程表述的同時，減少了組件制作的數(shù)量。

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

合成磁場即本文內(nèi)容的關(guān)鍵——旋轉(zhuǎn)磁場。實際上，有了合成磁場，只要用一個陀螺旋的動畫即可完成磁場的旋轉(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時，合成磁場的方向變化，從而得出磁場隨輸入三相電流相位的變化而旋轉(zhuǎn)的結(jié)論。如組件7為兩個半圓形虛線和中間兩箭頭表示的磁場方向所組成的復(fù)合組件，陀螺旋的特點是使圖形以其重心為圓心產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，而復(fù)合組件7是一個圓形組件，其重心剛好為圓心，這為演示磁場旋轉(zhuǎn)提供了極大的便利。對應(yīng)所選的三個相位點，0°時磁場合成，方向為向上箭頭的0°指向，在組件6出現(xiàn)后，單擊開始，以圓形擴展出現(xiàn);相位60°和90°時設(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繞組電流磁場的出現(xiàn)采用單擊開始，故多了一個動畫動作16）為合成磁場（組件7）分別在組件11和組件15后的兩次陀螺旋的動畫設(shè)計，在整體動畫中為第12和第17個單擊開始的動作。