通（斷）電延時空氣式時間繼電器的動畫教學法*

摘" 要" 通（斷）電延時空氣式時間繼電器是基于器件腔體內空氣氣壓的變化，實現(xiàn)通（斷）電的延時控制。由于器件結構復雜，且以空氣氣壓變化為主的作用過程包括緊密銜接的多個環(huán)節(jié)，連續(xù)性、抽象性強。利用PPT動畫的色彩漸變功能，可動態(tài)地演示出隨氣腔內、橡皮膜上下氣壓的變化，引起活塞、杠桿和微動開關的一系列動作過程，將無形的或不可見的變化過程形象地演示出來，從而化解難點，減少教學課件中的文字描述，提高授課效率。關鍵詞" 通（斷）電延時空氣式時間繼電器；動畫組件；電工技術

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）10-0064-04

0" 引言

通（斷）電延時空氣式時間繼電器屬繼電接觸器控制系統(tǒng)中的時間控制器件，是電工技術課程中的必修章節(jié)，也是通信、電信專業(yè)需掌握的基本內容。繼電接觸器控制系統(tǒng)的教學特點是機、電結合的作用過程，作用環(huán)節(jié)多，不易觀察或不可見[1]。傳統(tǒng)教學多是結合器件固定的外形或剖面圖進行文字講解[2]，占用較多課時，且往往效果不佳。

通（斷）電延時空氣式時間繼電器就是其中的一個典型代表，特別是其作用過程中最關鍵的氣壓變化環(huán)節(jié)，給學生的理解造成困難。氣壓的變化不僅直接與控制的延時有關[3]，而且與氣腔進氣和出氣口的開合有關，所有這些過程均可用動畫演示，完整地動態(tài)展示從通（斷）電開始到通（斷）電完成的全部作用過程。以通電延時空氣式時間繼電器為例，按照“啟動→吸引線圈通電吸合→動鐵芯動作→釋放彈簧作用及活塞受力→進氣孔進氣橡皮膜上下氣壓變化→活塞桿動作→杠桿動作→觸動微動開關→完成延時通電過程”和“關閉→吸引線圈斷電→恢復彈簧作用及活塞桿復原→橡皮膜復原→空氣由出氣口排出→繼電器狀態(tài)復原”的先后順序來描述動畫的制作過程。

1" 通電延時空氣式時間繼電器工作過程的動畫制作

通電延時空氣式時間繼電器完整的工作過程分為兩步：一是繼電器的通電延時啟動過程；二是繼電器的通電延時恢復過程（或稱斷電恢復過程）。

1.1" 通電延時的啟動過程

按照上述通電延時啟動過程的九個步驟，其動畫制作所涉及的全部組件如圖1所示。這里，組件是指每個可獨立產(chǎn)生動畫動作的組成圖形，這些圖形可以由多個圖形組合而成一個整體，稱為復合組件；也可由單個圖形產(chǎn)生動作，稱為單個圖形組件。

圖中共有33個組件，其中前14個為結構名稱文字組件。另外，有兩個通電線圈組件；有兩個恢復彈簧組件；有兩個由橡皮膜、活塞桿、釋放彈簧和擋塊組成的復合組件，稱為活塞組件；有兩個由托板和動鐵芯組成的復合組件，稱為動托組件；有三個氣腔內橡皮膜上下的空氣密度變化組件；有兩個不同角度的杠桿組件；有四個微動開關觸點組件；有兩個排氣孔彈簧組件。包括單個形狀組件和多個形狀的復合組件，按圖1中的序號，各組件所表示的意義、構成和動畫如表1所示。

表1中，序號1～14的組件按順序分別對應圖1中從橡皮膜到微動開關1的繼電器內部結構名稱；從序號15～33的各組件，主要按照啟動過程動畫動作的先后順序排列。組件結構表示復合組件或單個圖形組件。

對于組件的命名，特別是較復雜的、同一結構的復合組件，需要在命名時加以區(qū)別。比如兩個活塞組件，26號是活塞釋放彈簧處于壓縮狀態(tài)時的組件，因此命名為“活塞組件（縮）”；而當彈簧處于釋放伸展狀態(tài)時，則將對應的27號組件命名為“活塞組件（伸）”。對于19、20號和32、33號的恢復彈簧和排氣口彈簧，也用類似方法進行區(qū)別命名；15、16號是兩個重疊在一起的通電線圈組件，通、斷電狀態(tài)分別以紅、黃兩色表示，命名為“通電線圈（紅）”和“通電線圈（黃）”。

序號23～25的三個組件是以腔體空間顏色的深淺變化來表示空氣密度的變化，從而表示氣壓變化的，這是以動畫表示繼電器工作教學法的關鍵內容，是采用動畫演示以延時時間長短進行時間控制的關鍵步驟。23、24兩下腔體顏色采用快速改變?yōu)樯铧S色的動畫效果，表示線圈通電后，活塞桿受力，下腔體氣壓快速增大；而上腔體組件25的顏色則隨23、24，采用慢速漸變的動畫選項由淺黃逐漸變?yōu)樯铧S，表示隨進氣孔進氣量的增加，逐漸使氣壓與下腔體達到平衡，進而使活塞組件產(chǎn)生下拉動作。為便于教師課堂剖析氣壓變化進程，這里的腔體氣壓變化動作采用單擊開始。

另外，兩微動開關共四個常開、常閉觸點，由于沒有形狀或顏色變化，僅位置不同，因此不再區(qū)別命名，僅用序號加以區(qū)別。但21、22和30、31觸點所代表的兩微動開關的性質截然不同，前者為瞬時觸點，后者為延時觸點。目前的主流教材對此并未詳述，容易產(chǎn)生誤解，而圖中17、18兩動托組件的設置則很好地解決了這個問題。這里“動托組件（下）”的單擊出現(xiàn)，使恢復彈簧19、20和觸點21、22連續(xù)動作，使微動開關1未經(jīng)延時就先于微動開關2觸點30、31發(fā)生跳變，而觸點30、31是經(jīng)過腔體氣壓變化延時后才發(fā)生跳變，這樣就把瞬時和延時通過動畫直觀地表示出來，因而使學生對此概念的理解輕而易舉[4-5]。

1.2" 通電延時的恢復過程

通電延時的恢復過程就是通電線圈斷電后，整個繼電器再恢復到通電線圈啟動前狀態(tài)的過程。如表1中動畫的第二列，其步驟從組件15通電線圈（黃）的出現(xiàn)和組件16通電線圈（紅）的消失開始，表示線圈已斷電，隨后的動作，包括動托組件，活塞組件，上、下杠桿，常開、常閉觸點和恢復彈簧，基本上是按照啟動時的相反動作（消失、出現(xiàn)）恢復到啟動前狀態(tài)的。由于啟動后上下腔體氣壓平衡，故組件23、24、25消失，當活塞組件恢復原位置[活塞組件（縮）]后，在橡皮膜沖擊作用下，上腔體氣壓沖開排氣口彈簧，為此采用僅在恢復過程的排氣口彈簧動畫組件，即組件32和33。32、33組件的使用連同進氣孔的作用，可以很好地詮釋延時繼電器的氣壓漸變到恢復平衡的完整過程，這是課堂教學中容易忽視、卻必不可少的重要環(huán)節(jié)。

2" 斷電延時空氣式時間繼電器工作過程概述

斷電延時空氣式時間繼電器的工作原理本質上與通電延時空氣式時間繼電器是相同的，區(qū)別僅在于動鐵芯的位置上下倒換，活塞桿與動鐵芯處于不受力接觸狀態(tài)，如圖2所示。

斷電延時空氣式繼電器工作的動畫制作也可分啟動和恢復兩個過程，啟動過程是通電線圈通電后，兩微動開關的觸點都是瞬時跳變，腔體排氣，沒有氣壓的漸變過程，其步驟類似于表1中的“恢復（瞬時）”欄；恢復過程即斷電過程，是通電線圈斷電后，微動開關1仍是瞬時跳變；腔體氣壓漸變，使微動開關2延時跳變，實現(xiàn)斷電延時，其步驟類似于表1中的“啟動（延時）”欄。

3" 結束語

通（斷）電延時空氣式時間繼電器是電工技術教學“繼電接觸器控制系統(tǒng)”部分的典型代表器件，其特點是結構復雜，工作原理涉及電磁、機械、氣動多個領域的知識點，并包括多個連續(xù)的作用環(huán)節(jié)，且各環(huán)節(jié)多為抽象、隱秘或不可見的作用過程，占用大量的課堂教學時間和教學資源，教學效果卻不理想。

利用33個動畫組件，按照通電線圈的通、斷，完成整個繼電器通電啟動和斷電恢復兩個過程的動畫制作，充分、詳盡地演示和剖析各工作環(huán)節(jié)的動態(tài)過程。特別采用顏色變化表示腔體空氣氣壓變化，進而演示并強化繼電器通電延時概念的形成，使這一抽象概念得以明確、有形展示；結合氣壓變化，采用活塞和動托組件分別動作的方法，很好地表明及對比在通電啟動和斷電恢復兩個過程中，瞬時和延時動作的概念及區(qū)別，消除許多教學材料中未展開詳述[2]而造成不解或被忽視的問題。

高密度的動畫應用，非常適合高校培養(yǎng)計劃中課時壓縮、內容多點的情況，特別是對于那些連續(xù)、抽象、不可見的無形變化過程[6]，并無其他圖形或公式等更多的描述方法，而語言、文字描述費時費力的情況。動畫不但能夠剖析難點，而且能提高授課效率。

參考文獻

[1]"李洪波，韓天，張佳明，等.機電傳動控制課程教學改革[J].中國冶金教育，2021，6（3）：24-26.

[2] 秦曾煌，姜三勇.電工學（上冊）[M].7版.北京：高等教育出版社，2009：296-298.

[3]杜海龍，段照斌，李靜昭.基于PSpice的機載10S延時電路仿真教學研究[J].電氣電子教學學報，2021，43（2）：83-88.

[4] 田麗霞.PPT動畫制作的信息化教學研究與實現(xiàn)[J].軟件，2020，41（6）：284-289.

[5]孫瑋.PPT復雜動畫的研究與教學實現(xiàn)[J].信息與電腦（理論版），2017，12（24）：220-222.

[6]王琦，張博濤，劉追.繼電保護半實物仿真教學系統(tǒng)設計[J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：99-102.

*項目來源：2020年度河南省高等學校優(yōu)秀基層教學組織建設“中原工學院通信工程系”（教高〔2020〕393號）；2018年度河南省高等學校合格基層教學組織建設“中原工學院通信工程系”（教高〔2018〕1058號）；2020年度校級一流本科專業(yè)建設“通信工程系”。

作者：郭強，中原工學院電子信息學院，工學博士，教授，研究方向為通信、雷達信號處理與算法仿真；宋曉煒，中原工學院科技處，工學博士，教授，研究方向為信號與信息處理；楊蕾，中原工學院電子信息學院通信工程系，工學博士，副教授，研究方向為通信與信息系統(tǒng)；李春雷，中原工學院電子信息學院通信工程系，工學博士，教授，研究方向為通信與信息系統(tǒng)；常怡萍，中原工學院電子信息學院通信工程系，副教授，研究方向為通信與信息系統(tǒng)（450007）。