交互式電機(jī)原理教學(xué)儀

摘 要：對(duì)于學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)的學(xué)生而言，電機(jī)工作原理相關(guān)課程無疑是一大難點(diǎn)。該文所介紹的交互式電機(jī)原理教學(xué)儀能通過增加師生課堂互動(dòng)、向?qū)W生直觀展示電機(jī)原理，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，是對(duì)于教具開發(fā)的大膽嘗試。

關(guān)鍵詞：教學(xué)用具 電機(jī)原理 交互式

中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（b）-0108-01

電機(jī)原理是機(jī)械專業(yè)重要的基礎(chǔ)知識(shí)，要求學(xué)生理解并掌握各型電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。很多同學(xué)反映在學(xué)習(xí)中遇到許多問題，比如在課堂學(xué)習(xí)過程中，即使有圖片、視頻來輔助教學(xué)，也很難直觀地展現(xiàn)電機(jī)；同時(shí)在課堂上也缺少足夠的動(dòng)態(tài)演示以及師生的互動(dòng)；就算學(xué)生有機(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)室接觸真實(shí)電機(jī)，由于電機(jī)不易拆卸，他們對(duì)工作原理的理解仍不夠全面。這些不足都會(huì)影響學(xué)生對(duì)電機(jī)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。為了解決以上問題，我設(shè)計(jì)了一種用于課堂教學(xué)的交互式電機(jī)原理教學(xué)儀。

該教學(xué)儀由三輪全向底盤、可控升降臺(tái)和模擬演示臺(tái)三部分組成。

1 三輪全向底盤

底盤部分負(fù)責(zé)展示儀的移動(dòng)。在課堂上，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，由教師遠(yuǎn)程操縱底盤，教學(xué)儀可以靈活移動(dòng)到教室的各個(gè)地方，為每位同學(xué)近距離演示。

底盤選定使用三輪全向底盤，原因如下：二輪底盤平衡性較差，控制難度很大，在此項(xiàng)目中無實(shí)際意義與優(yōu)勢(shì)；而四輪底盤的四個(gè)輪子同時(shí)著地時(shí)需要做懸掛機(jī)構(gòu)，并且四個(gè)輪子同時(shí)著地時(shí)輪壓不同，可能會(huì)造成某一輪子懸空致使定位失靈造成移動(dòng)混亂，甚至引發(fā)惡性事故，同時(shí)四輪底盤比三輪底盤增加一個(gè)車輪的阻力，運(yùn)轉(zhuǎn)輸出功率數(shù)低，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活度低于三輪底盤，造價(jià)更高一些，所以四輪底盤在此項(xiàng)目中也不宜使用。而三輪底盤有平衡性高、可控制性強(qiáng)、定位精準(zhǔn)度較高、成本較低，并且可以實(shí)現(xiàn)原地自轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，更適合此項(xiàng)目。底盤是通過三個(gè)直流電機(jī)控制三個(gè)輪子的速度，合成出最終需要的，底盤質(zhì)心的移動(dòng)速度，最終決定移動(dòng)方向。

三輪全向底盤由支架部分和全向輪驅(qū)動(dòng)部分組成。底盤支架由合金鋼方管焊接而成，全向輪驅(qū)動(dòng)裝置由螺母、全向輪、軸承蓋、軸承座、軸、梅花十字聯(lián)軸器、電機(jī)組成，將軸承座用螺釘連接固定在底盤支架上，從而使整個(gè)底盤成為一個(gè)整體。

2 升降機(jī)構(gòu)

考慮到學(xué)生身高和座椅高度等問題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)升降機(jī)構(gòu)來保證學(xué)生可以用最舒服的高度來觀察教具。我決定使用絲杠機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。升降臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整升降速度還可以向?qū)W生展示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)方面，通過固定角鋁將升降機(jī)構(gòu)固定在底盤上。導(dǎo)軌滑塊分別固定在三個(gè)合金鋼支架上，選用導(dǎo)軌滑塊是因?yàn)橹本€運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌可以支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，并且導(dǎo)軌滑塊有摩擦小、自動(dòng)調(diào)心能力強(qiáng)、具有互換性等優(yōu)勢(shì)。絲杠部分為了保持與升降支架平行，使用了絲母連接件和絲杠端固定件。

此升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，除了它本身可以實(shí)現(xiàn)的升降功能，固定角鋁的使用讓整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配和拆散都很容易，便于保存和攜帶，也對(duì)底盤的多功能使用提供了便利。同時(shí)，三個(gè)升降支架的位置精度要求很高，這種便于裝拆的結(jié)構(gòu)也對(duì)位置調(diào)整有重要意義。

3 模擬演示臺(tái)

模擬演示臺(tái)上將會(huì)安置模擬的電機(jī)演示器，電機(jī)演示器將采用開放式的結(jié)構(gòu)，方便學(xué)生清楚直觀的了解電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。學(xué)生也可以通過與其連接的手柄，選擇自己希望學(xué)習(xí)的內(nèi)容，模擬控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程。當(dāng)學(xué)生通過手柄發(fā)出命令，演示臺(tái)上的電機(jī)模型相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且通過對(duì)應(yīng)的指示LED燈的發(fā)光來代替不易觀察的電流方向和磁極狀態(tài)，使學(xué)生能夠直觀的學(xué)習(xí)和理解工作原理。

電機(jī)的模擬分為三個(gè)模塊，即步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)以及異步電機(jī)模擬模塊。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)模塊，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源將脈沖信號(hào)電壓按一定的順序輪流加到定子的三相繞組上，此時(shí)與各個(gè)繞組對(duì)應(yīng)的LED燈也按照順序發(fā)光。學(xué)生能在轉(zhuǎn)子的三個(gè)工作位置處（即45 °、60 °、90 °）觀察到此時(shí)的通電狀態(tài)。當(dāng)學(xué)生選擇直流電機(jī)模塊時(shí)，由于直流電機(jī)換向器使電源正極負(fù)極分別只與N、S極下的電樞導(dǎo)體接通，所以隨著電樞的旋轉(zhuǎn)，電樞導(dǎo)體內(nèi)的電流方向是交變的，用紅色和綠色的LED燈信號(hào)分別表示電流不同的方向，學(xué)生可以通過LED燈顏色的改變來確定電流的方向。在異步電動(dòng)機(jī)演示模塊，在往三個(gè)定子繞組中通三相電流時(shí)，與繞組連接的LED燈將體現(xiàn)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向變化，學(xué)生可以簡(jiǎn)單明了的了解轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)速差別以及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化規(guī)律，從而了解異步電機(jī)的工作原理。

展示臺(tái)平面用塑料板雕刻而成，同樣為了便于裝拆，使用固定角鋁將其與滑塊連接。定子有六個(gè)極，LED燈和三相繞組將按相關(guān)規(guī)則布置在定子上。模擬轉(zhuǎn)子為四個(gè)極，轉(zhuǎn)子由下面的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

這種展示臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于，整個(gè)展示模塊簡(jiǎn)單易懂，將平常難以拆開的步進(jìn)電機(jī)的作用原理和基本結(jié)構(gòu)清晰地展示出來。同時(shí)，展示臺(tái)要滿足多個(gè)模擬模塊的展示，必須要易于拆卸和實(shí)現(xiàn)多功能化，我的這種設(shè)計(jì)恰恰符合要求。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

本臺(tái)電機(jī)原理教學(xué)儀是一種交互式的教學(xué)用具，在加強(qiáng)師生互動(dòng)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面有重要的意義。同時(shí)，教學(xué)儀的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于加工制作，如上文中多次提到，此結(jié)構(gòu)便于裝拆?？紤]到這是一個(gè)教學(xué)用的模型，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)還易于改裝成其他教具的展示儀，也可以改裝成可移動(dòng)式收作業(yè)機(jī)和可移動(dòng)的投影儀。它的后期功能開發(fā)還有很大的空間。

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