异步电机课程教学中的动画应用技巧

郭强 宋晓炜 李春雷 杨蕾

摘  要 电动机是电气和电工技术课程中的教学难点，主要在于异步电机转动原理中，磁场的分布及旋转是一个较为抽象的概念。根据定子合成磁场的形状特点，利用PPT动画的陀螺旋功能，可分步演示磁场方向随电流相位的变化，从而化解难点;多次交替使用陀螺旋，还可演示电机转子随旋转磁场的异步转动过程;把给定形状的复件与原形状组合，可改变复合组件陀螺旋的旋转重心，以满足旋转点与其他图形的配合需要。

关键词 异步电机;旋转磁场;动画;陀螺旋

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：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

电动机教学是电气专业电机学课程或电类专业电工技术课程中的必修章节。而电动机也是相对的难点章节，其中电机定子空间的磁场形成和旋转需要抽象的空间想象能力[1-2]，而磁场并非平常所见的有形实体，再加上与三相对称电流的周期关系、磁场的合成，以及合成磁场的旋转，构成无形磁场空间内的连续运动过程，给学生的理解造成困难。

目前较为流行的传统课件，大都采用若干磁场位置的多组图形来说明其形成和旋转过程，需要占用大量课件空间，挤占了公式和文字表达，且在联动效果上不理想[1，3]。

相比之下，采用连续动画方式，不但可以用同一个图完整地表示磁场的旋转过程，而且可以根据输入的三相电流变化，分步表示磁場旋转的位置，生动形象地表示出由三相电流变化形成的定子线圈磁场，到线圈磁场合成定子空间磁场，再到合成磁场的旋转过程。

以下以三相异步电动机的转动原理为例，按照“三相电流的输入产生定子线圈磁场→线圈磁场的合成→合成磁场的分步转动→合成磁场的连续转动”[3]的顺序，描述动画的制作过程。

2 三相异步电动机旋转磁场的动画制作

三相异步电动机的转动原理分旋转磁场的产生和转子的转动两个部分，其中旋转磁场的产生是动画展示的主要内容，图1所示是整个转动部分制作动画的基本组件。所有动画组件共15组，包括单个形状组件和多个形状的复合组件，按图1中的序号，各组件所表示的意义、构成和动画如表1所示。

为了能够清晰地表示组件，采用图1b表示当交流电流相位ωt=90°时，W绕组中重叠在原ωt=60°时的电流方向。图1表示了“电流输入→线圈磁场→合成磁场→磁场分步转动”的过程，选择ωt=0°、60°、90°三个相位点的优点是只有W绕组的电流方向变化一次，在不影响过程表述的同时，减少了组件制作的数量。

由表1可见，15个组件绝大部分都是一次单击一次动画，只有组件3、组件6和组件7分别出现两次和三次动作。其中W绕组电流和磁场组件3和6是随U线圈电流（组件10）出现而同时消失，为表示出现与消失动作的同步性，消失开始时间采用在组件10出现“之前”;线圈电流引起的磁场往往是理解合成磁场的一个难点，因此在分析V绕组组件2第一个电流磁场时分成两步进行，即组件4、5，且以轮子的动画出现形式，这样可以右手螺旋定则讲述不同电流方向产生的磁场方向，从而化解难点。以后再出现电流磁场的分析时，用一步即可（如组件6、11、15）。电流磁场的分析结果使定子空间的合成磁场水到渠成。

合成磁场即本文内容的关键——旋转磁场。实际上，有了合成磁场，只要用一个陀螺旋的动画即可完成磁场的旋转。利用陀螺旋可设置旋转角度的功能，可以演示不同相位点时，合成磁场的方向变化，从而得出磁场随输入三相电流相位的变化而旋转的结论。如组件7为两个半圆形虚线和中间两箭头表示的磁场方向所组成的复合组件，陀螺旋的特点是使图形以其重心为圆心产生旋转，而复合组件7是一个圆形组件，其重心刚好为圆心，这为演示磁场旋转提供了极大的便利。对应所选的三个相位点，0°时磁场合成，方向为向上箭头的0°指向，在组件6出现后，单击开始，以圆形扩展出现;相位60°和90°时设置60°和30°旋转，分别在组件11和15出现后，单击开始陀螺旋。图2（图中W绕组电流磁场的出现采用单击开始，故多了一个动画动作16）为合成磁场（组件7）分别在组件11和组件15后的两次陀螺旋的动画设计，在整体动画中为第12和第17个单击开始的动作。