CN107633752A - 新型电机教学模型 - Google Patents
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Abstract
一种新型电机教学模型，包括电机机械模型、光电绕组和电流磁场演示控制器；该电流磁场演示控制器与电机机械模型进行电路连接，所述电机机械模型中的定子铁芯为透明的可弯折的定子铁芯模型，弯折后置于机座中；所述光电绕组嵌放在透明的可弯折的定子铁芯模型槽中；所述光电绕组为双向光电导体，由光电绕组有效边和绕组端部接线两部分组成，所述绕组有效边封装材料为透明材料，绕组有效边的两端设置有接线座，所述绕组端部接线为导线，其两端头装有与接线座相适应的插头，所述绕组有效边与绕组端部接线通过插头插入接线座中进行连接。本发明可以对抽象的绕组电流变化、绕组中磁场变化通过光电演示出来。
Description
技术领域
本发明涉及一种教学模具，特别是一种新型电机教学模型。
背景技术
目前现有的电机教学模型，大体上都只能够解决电机理论教学中对电机的基本结构、绕组绕法、电机运动状态等内容进行直观的展示，但是无法对抽象的绕组电流变化、绕组中磁场变化、绕组展开、绕组嵌绕与连接进行直观的展示。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明采用一种新的办法，利用透明可弯折材料、光电元件制作的电机模型，既能够解决对电机基本结构、绕组绕法、电机运转原理有直观认识，也可以对抽象的绕组电流变化、绕组中磁场变化通过光电演示出来，还可以对绕组展开、绕组嵌绕与连接进行直观的展示，能够将旋转电机展开为直线电机进行演示，以克服现有技术存在的上述不足。
本发明采取的技术方案是：一种新型电机教学模型，包括电机机械模型，所述电机机械模型包括转子、转轴、轴承、前端盖、后端盖、圆筒形透明的机座和定子铁芯；所述转轴穿过转子，转子通过前端盖、后端盖和轴承支撑在定子铁芯中；所述定子铁芯嵌在机座中；所述新型电机教学模型还包括光电绕组和电流磁场演示控制器；所述电流磁场演示控制器与电机机械模型进行电路连接，用于将220V交流电转换成适合电机机械模型工作的变压变频的三相交流电供给电机机械模型的三相光电绕组；所述定子铁芯为透明的可弯折的定子铁芯模型，弯折后置于机座中；所述光电绕组嵌放在透明的可弯折的定子铁芯模型槽中；所述光电绕组为双向光电导体，由光电绕组有效边和绕组端部接线两部分组成，所述绕组有效边封装材料为透明材料，绕组有效边的两端设置有接线座，所述绕组端部接线为导线，其两端头装有与接线座相适应的插头，所述绕组有效边与绕组端部接线通过插头插入接线座中进行连接。
其进一步的技术方案是：所述电流磁场演示控制器包括单片机控制模块、直流模块、驱动模块、逆变模块、按键模块和显示模块；
所述单片机控制模块分别与直流模块、驱动模块、按键模块和显示模块进行电路连接，所述单片机控制模块为系统的控制核心，负责接收按键模块的按键信号并通过驱动模块中的驱动电路控制逆变模块里的逆变器按照相应的要求工作，同时对直流模块中的直流环节的电压电流状态进行监控；
所述直流模块还分别与220V的单相交流电源以及逆变模块进行电路连接，用于将单相220V交流电整流滤波变换为逆变模块逆变所需要的直流电源；
所述驱动模块还与逆变模块进行电路连接，用于实现控制电路与被驱动的绝缘栅双极型晶体管栅极的电隔离，并提供合适的栅极驱动脉冲；
所述逆变模块还分别与直流模块和电机机械模型中光电绕组电路连接，所述逆变模块是由绝缘栅双极型晶体管构成三相桥式逆变电路，由单片机控制完成将直流电逆变为相应频率的三相交流电；
所述按键模块为输入设备，通过按键的输入控制电机机械模型中光电绕组的电流变化的频率；
所述显示模块采用低功耗的液晶显示屏，负责对电机机械模型电路的工作状态和工作频率进行显示。
其更进一步的技术方案是：所述前端盖、后端盖、圆筒形透明的机座和转子均采用透明有机玻璃加工成型。
由于采取上述技术方案，本发明之新型电机教学模型具有如下有益效果：
1、本发明利用透明可弯折材料制作成定子铁芯5、利用透明材料封装发光元件制作成光电绕组、利用透明有机玻璃加工成型成前端盖1、后端盖8、圆筒形透明的机座7和转子4，构成透明的电机机械模型，该透明的电机机械模型与实际应用的电机结构相同，能够解决对电机基本结构、绕组绕法、电机运转原理有直观认识；所述光电绕组6为双向光电导体，由绕组有效边61和绕组端部接线62两部分组成，所述绕组有效边61封装材料为透明材料，绕组有效边61的两端设置有接线座611，用以和绕组端部接线62连接组成光电绕组，其组成的光电绕组双向导电，内可发光，可以对抽象的绕组电流变化、绕组中磁场变化通过光电演示出来，还可以对绕组展开、绕组嵌绕与连接进行直观的展示，所述透明的可弯折材料的定子铁芯模型能够将旋转电机展开为直线电机进行演示，通过感性认识，增强学生的理性认识。在实践教学中，可代替实际电机完成电机绕组绕制训练，控制器的制作训练；该模型简单易制，既能够作演示设备，也能够作操作设备，而且成本较实际实践设备低得多，具有一定的推广价值。
2、本发明的电流磁场演示控制器结构简单，包括单片机控制模块111、直流模块112、驱动模块113、逆变模块114、按键模块115和显示模块116，具有整流、恒流、逆变、变频及逆变变频控制等功能，其中逆变变频控制部分由单片机组成，该电流磁场演示控制器用于将220V交流电转换成适合的变压变频的三相交流电供给电机机械模型的三相光电绕组6，控制光电绕组中的电流变化、磁场变化并以光电绕组的发光变化直观演示出来。该电流磁场演示控制器专门作为电机光电绕组三相电路的发光变化而设计，除了能够实现三相逆变和变频外，还可以实现三相电流的静止状态、步进状态和极低频率的变化状态控制，这样就能够比较清楚的观察低速旋转磁场在绕组中的电流变化状况。
下面，结合附图和实施例对本发明之新型电机教学模型的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明之电机机械模型与电流磁场演示控制器连接示意图；
图2：本发明之电机机械模型结构示意图；
图3：本发明之电流磁场演示控制器电路结构方框图；
图4：本发明之透明的可弯折的定子铁芯模型展开示意图；
图5：本发明之绕组有效边结构示意图；
图6：本发明之绕组端部接线结构示意图；
图7：实施例之光电绕组单层链式绕法前端部分接线示意图；
图8：实施例之光电绕组单层链式绕法后端部分接线示意图；
图9： 本发明之新型电机教学模型在某一静止时刻的电流时在平面上显示状态以及电流所形成的磁极位置演示示意图；
图10：本发明之新型电机教学模型在某一静止时刻的电流时在圆周空间上显示状态以及电流所形成的磁极位置演示示意图；
图11-1-图11-8：本实施例之新型电机教学模型输入一定频率的三相交流电时光电现象演示示意图。
图中：
1-前端盖，2-转轴，3-轴承，4-转子，5-定子铁芯，6-光电绕组，61-绕组有效边，611-接线座，62-绕组端部接线，621-插头，7-机座，8-后端盖，9-支撑脚，10-接线盒，11-电流磁场演示控制器，111-单片机控制模块，112-直流模块，113-驱动模块，114-逆变模块，115-按键模块，116-显示模块；S1、S2表示南极，N1、N2表示北极。
具体实施方式
一种新型电机教学模型， 包括透明的电机机械模型、光电绕组6和电流磁场演示控制器11。
所述透明的电机机械模型如图2所示，它包含转子4、转轴2、轴承3、前端盖1、后端盖8，圆筒形透明的机座7及支撑脚9、透明的可弯折的定子铁芯5及光电绕组6、接线盒10（内有6个接线柱）等几个部分组成，其中可弯折的定子铁芯模型嵌在机座中。所述转轴2穿过转子4，转子4通过前端盖2、后端盖3和轴承3支撑在定子铁芯5中。所有制作材料均为透明材料，便于观察电机内部结构。
所述定子铁芯5采用透明软体可弯折材料制作，可收卷及展开（参见图4），定子铁芯5的槽间距的大小应考虑弯折变形后的余量，弯折后置于圆筒形透明的机座中，槽内可嵌放光电绕组的有效边（参见图2）。
所述前端盖1、后端盖8、圆筒形透明的机座7及支撑脚9、接线盒10、转子4等均采用透明有机玻璃加工成型，重量轻便，方便携带。
所述光电绕组6为双向光电导体，由绕组有效边61和绕组端部接线62两部分组成，拆装方便；所述绕组有效边61封装材料为透明材料，以便使绕组内电流变化时其发光可视，绕组有效边61的两端设置有接线座611（参见图5），用以和绕组端部接线62连接组成光电绕组，并嵌放在铁芯槽中。其组成的光电绕组双向导电，内可发光，当光电导体中流过不同方向电流时其发光颜色或流水灯移动方向不同，用以表现导体内部电流运动方向；所述绕组端部接线62为导线，其两端头装有与接线座611相适应的插头621，便于与绕组有效边连接（参见图6）。所述绕组有效边61与绕组端部接线62通过插头621插入接线座611中进行连接。
如图7、图8分别是光电绕组单层链式绕法的前端部分和后端部分接线示意图，在电机的每个槽中嵌放好光电绕组有效边，根据电机槽数、极对数、绕法及节距的要求，利用绕组端部接线将有效边连接起来，构成三相对称绕组，并将三相绕组的六个接线头（U1、U2、V1、V2、W1、W2）与接线盒中对应的接线柱连接（接线盒中接线柱的排列和实际电机相同）。
所述电流磁场演示控制器11与透明的电机机械模型进行电路连接，用于将220V交流电转换成适合电机机械模型工作的变压（恒流）变频（低频）的三相交流电供给电机机械模型的三相光电绕组6。所述电流磁场演示控制器11能够实现三相逆变和变频外，还可以实现三相电流的静止状态、步进状态和极低频率的变化状态控制，这样就能够比较清楚的观察低速旋转磁场在绕组中的电流变化状况。
该电流磁场演示控制器11包括单片机控制模块111、直流模块112、驱动模块113、逆变模块114、按键模块115和显示模块116；电流磁场演示控制器实现了整流、恒流、逆变、变频及逆变变频控制等功能，其中逆变变频控制部分由单片机组成，电路结构方框图如3所示。具体的：
所述单片机控制模块111分别与直流模块112、驱动模块113、按键模块114和显示模块116进行电路连接，所述单片机控制模块为系统的控制核心，负责接收按键模块的按键信号并通过驱动模块中的驱动电路控制逆变模块里的逆变器按照相应的要求工作，同时对直流模块中的直流环节的电压电流状态进行监控；
所述直流模块112还分别与220伏的单相交流电源以及逆变模块114进行电路连接，用于将单相交流电整流滤波变换为逆变模块逆变所需要的直流电源；
驱动模块113还与逆变模块114进行电路连接，用于实现控制电路与被驱动的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）栅极的电隔离，并提供合适的栅极驱动脉冲；
所述逆变模块114还分别与直流模块112和电机机械模型电路连接，所述逆变模块是由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成三相桥式逆变电路，由单片机控制完成将直流电逆变为相应频率的三相交流电；
所述按键模块115为输入设备，通过按键的输入控制电机机械模型的电流及磁场变化的频率；
所述显示模块116采用低功耗的液晶显示屏，负责对电机机械模型电路的工作状态和工作频率进行显示。
本实施例中的电流磁场演示控制器11与电机机械模型的连接方法有三相星形连接和三相三角形连接两种方式，一般采用星形连接。该星形连接方法是将电流磁场演示控制器11的ABC三根线分别与电机机械模型的接线盒9中的U1、V1、W1连接，并将接线盒9中的U2、V2、W2短接。
本发明之新型电机教学模型的演示方法：
该新型电机教学模型主要用于演示交流旋转电机的定子在工作中不易理解的旋转磁场及直线电机行波磁场的变化状态，本发明的模型通过光电绕组中光色变化或者发光流水灯的移动表现出绕组中电流变化的状态，也揭示了由电流产生的磁场所形成的磁极的运动状态。
例如，揭示静止磁极的状态，当通过电流磁场演示控制器11输出三相交流电某一时刻的电流时，由于每相该时刻电流方向不同，输入电机机械模型后将会使电机机械模型的24根导体（光电绕组）（如图7、图8所示的24槽四极单层链式绕组）按照6根一组且相邻每组显示不同颜色（颜色只有两种，用以表明导体中的不同电流方向）表明导体中的不同电流方向，其在平面上和圆周空间上的显示状态以及电流所形成的磁极位置如图9、图10所示。在图9中箭头指向上的导体电流的颜色可以显示为红色，箭头指向下的导体电流的颜色可以显示为蓝色，以表示不同电流方向。在图10中，标记有“十”的导体电流的颜色可以显示为蓝色，标记有“●”的导体电流的颜色可以显示为红色，以表示不同电流方向。
又例如，揭示旋转磁场的状态，当电流磁场演示控制器11输出一定频率的三相交流电时，导体（光电绕组）中的电流将随着时间的变化而有规律变化，其形成的光电现象在圆周空间上是旋转的，其旋转的速度跟电流磁场演示控制器11输出的频率有关；如图11-1~图11-8所示，通过电流磁场演示控制器11向定子光电绕组通入三相交流电后，电流在定子铁芯的圆周空间形成了四个磁极（N1、N2、S1、S2）的磁场，当绕组中电流随着时间发生变化时，这个磁场在定子的空间上是运动的，它会按照箭头的方向在转动，所以称为旋转磁场，电动机的转子会在这个磁场的带动下转动，这就是交流电动机的运转原理。这样我们可以很直观的从图11-1到图11-8看出，图中，箭头方向表示磁场的旋转方向，标记有“十”的导体电流的颜色可以显示为蓝色，标记有“●”的导体电流的颜色可以显示为红色，以表示不同电流方向；当电流变化时，N1从最顶端位置运动到了右侧水平的位置，相当于整个磁场旋转了1/4圈，即这四个磁场在定子圆周空间上移动了1/4圈；随着时间的变化，导体（光电绕组）所形成的磁场按顺时针方向旋转，其旋转的转速与控制器的输出频率有关，转向与绕组输入的相序有关，这就是定子旋转磁场的工作原理；同理也可以将定子铁芯5圆周展开，这样将得到平面的铁芯及光电绕组布置，当给这个光电绕组通入三相交流电时，这个光电绕组所产生的光电现象是平移的，这就是直线电机行波磁场的工作原理；因此，这些抽象的电流变化、磁场变化都可以通过光电现象演示了出来，增强了学生的理性认识。
Claims (3)
1.一种新型电机教学模型，包括电机机械模型，所述电机机械模型包括转子（4）、转轴（2）、轴承（3）、前端盖（1）、后端盖（8）、圆筒形透明的机座（7）和定子铁芯（5）；所述转轴（2）穿过转子（4），转子（4）通过前端盖（2）、后端盖（3）和轴承（3）支撑在定子铁芯（5）中；所述定子铁芯（5）嵌在机座（7）中；其特征在于：所述新型电机教学模型还包括光电绕组（6）和电流磁场演示控制器（11）；所述电流磁场演示控制器（11）与电机机械模型进行电路连接，用于将220V交流电转换成适合电机机械模型工作的变压变频的三相交流电供给电机机械模型的三相光电绕组（6）；所述定子铁芯（5）为透明的可弯折的定子铁芯模型，弯折后置于机座（7）中；所述光电绕组（6）嵌放在透明的可弯折的定子铁芯模型槽中；所述光电绕组（6）为双向光电导体，由光电绕组有效边（61）和绕组端部接线（62）两部分组成，所述绕组有效边（61）封装材料为透明材料，绕组有效边（61）的两端设置有接线座（611），所述绕组端部接线（62）为导线，其两端头装有与接线座（611）相适应的插头（621），所述绕组有效边（61）与绕组端部接线（62）通过插头（621）插入接线座（611）中进行连接。
2.根据权利要求1所述的新型电机教学模型，其特征在于：所述电流磁场演示控制器（11）包括单片机控制模块（111）、直流模块（112）、驱动模块（113）、逆变模块（114）、按键模块（115）和显示模块（116）；
所述单片机控制模块（111）分别与直流模块（112）、驱动模块（113）、按键模块（114）和显示模块（116）进行电路连接，所述单片机控制模块为系统的控制核心，负责接收按键模块的按键信号并通过驱动模块中的驱动电路控制逆变模块里的逆变器按照相应的要求工作，同时对直流模块中的直流环节的电压电流状态进行监控；
所述直流模块（112）还分别与220V的单相交流电源以及逆变模块（114）进行电路连接，用于将单相220V交流电整流滤波变换为逆变模块逆变所需要的直流电源；
所述驱动模块（113）还与逆变模块（114）进行电路连接，用于实现控制电路与被驱动的绝缘栅双极型晶体管栅极的电隔离，并提供合适的栅极驱动脉冲；
所述逆变模块（114）还分别与直流模块（112）和电机机械模型中光电绕组电路连接，所述逆变模块是由绝缘栅双极型晶体管构成三相桥式逆变电路，由单片机控制完成将直流电逆变为相应频率的三相交流电；
所述按键模块（115）为输入设备，通过按键的输入控制电机机械模型中光电绕组的电流变化的频率；
所述显示模块（116）采用低功耗的液晶显示屏，负责对电机机械模型电路的工作状态和工作频率进行显示。
3.根据权利要求1或2所述的新型电机教学模型，其特征在于：所述前端盖（1）、后端盖（8）、圆筒形透明的机座（7）和转子（4）均采用透明有机玻璃加工成型。
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