基于SolidWorks的電機結構和繞組三維模型圖課件制作及教學應用

1、2006年9月第21卷第3期鄭州經濟管理干部學院學報JOURNALOFZHENGZHOUECONOMICS&MANAGEMENTINSTITUTESep.2006Vo.l21No.3基于SolidWorks的電機結構和繞組三維模型圖課件制作及教學應用姜宏偉,徐其迎,王克甫2(1.中原工學院,河南鄭州450007;2.鄭州經濟管理干部學院,河南鄭州451191)摘要:在電機學教學過程中,講述一種電機時都要先講解其結構和繞組,如果這部分概念不清,將使學生繼續(xù)學習的興趣和積極性受到打擊,并直接影響到后面對該類型電機基本工作原理及運行特性的學習,影響電機學的教學效果。基于SolidWorks的電機結構

2、和繞組的三維立體模型圖課件,可以幫助學生建立一個立體的電機模型,提高課程的教學質量。關鍵詞:電機;結構和繞組;課件;SolidWorks中圖分類號:TM303.1-42 文獻標識碼:C 文章編號:1671-4989(2006)03-0078-03電機學是電氣工程類專業(yè)一門十分重要的專業(yè)基礎課程。該課程主要講述變壓器、交流電機、直流電機的基本結構、工作原理、基本電磁關系及運行特性、能量關系及工程應用等方面的問題。1在教學過程中,講述一種電機時,都要先講解其結構和繞組,如果這部分概念不清,學生繼續(xù)學習的興趣和積極性將受到打擊,并直接影響到后面對該類型電機基本工作原理及運行特性的學習和理解,影響教學

3、效果。因此電機的結構和繞組部分在電機學教學中占有非常重要的地位。電機的結構和繞組部分空間性較強,理解時需要一定的空間想象力。教學時常采用以下兩種方法:一是運用多媒體教學,借助大量的電機結構和繞組圖片進行課堂教學,使學生通過圖片,建立一個空間的模型概念。二是運用實物教學,包括到電機變壓器廠實地參觀和在實驗室對電機進行拆裝等方法,幫助學生對電機有一個形象立體的認識。但這兩種教學方式又有其不足和局限性,主要表現(xiàn)在實際電機內部結構比較復雜,學生在觀察圖片和實物時一般不容易抓住重點。針對上述問題,我們在教學中開發(fā)了基于SolidWorks的電機結構和繞組的三維立體模型圖課件。該課件重點突出,可根據需要隨

4、時應用于課堂教學,受眾廣,對學生建立一個立體的電機模型概念起到很好的幫助作用。一、SolidWorks軟件SolidWorks軟件從1995年發(fā)布以來,已在全球逐漸成為一種標準化的實體模型設計系統(tǒng)。該軟件基于Windows平臺開發(fā),具有人性化的操作界面,易學易用,擁有大量用戶,是一款非常受歡迎的三維機械CAD軟件。該軟件具有以下特點:1.該軟件主要用于產品的開發(fā),其主要模塊有零件、裝配體、工程圖等。這里主要用于實體模型的生成。2.該軟件是一個基于特征的、參數(shù)化的實體造型系統(tǒng)。特征技術和參數(shù)化技術是當前先進CAD系統(tǒng)的幾個顯著特征之一,SolidWorks利用后發(fā)優(yōu)勢,幾乎具備所有當前CAD軟件

5、的先進技術:采用特征技術進行零件設計,用戶可隨時對特征做合理、不違反幾何順序的調整、插入、刪除和重定義等修正。參數(shù)化技術使得實體設計過程中的尺寸修改變得容易,而實體造型技術則克服了三維圖傳統(tǒng)線框、曲面造型技術的不足。23.生成的三維立體模型圖可進行三維觀察,還能直接使用三維實體零件進行仿真裝配,動態(tài)地觀察可運動零部件的運動情況。4.采用單一數(shù)據庫技術,既可以方便地設計出三維立體零件,又支持零件和工程視圖之間的相關性,即一方的任何修改都可自動傳到另一方。收稿日期:2006-03-26作者簡介:姜宏偉(1967-),男,河南鄭州人,中原工學院高級工程師,鄭州市電機工程協(xié)會理事。姜宏偉,徐其迎,王克

6、甫 基于SolidWorks的電機結構和繞組三維模型圖課件制作及教學應用SolidWorks技術先進,特點突出,非常便于三維工程模型的生成以及對實體模型進行形象的三維觀察。因此,我們選擇其作為電機結構及繞組三維模型圖課件的開發(fā)平臺。 二、課件設計下面以4極直流電機為例,介紹基于Solid-Works三維立體模型圖課件的詳細制作方法。首先確定生成電機實體模型時必需的幾個參數(shù):電機為4極直流電機,12槽雙層疊繞組,定子內徑U100mm,定子磁極長40mm,轉子鐵心長60mm。直流電機三維立體模型圖生成包括兩個步驟:首先分別生成三維定子和轉子零件,然后對其進行裝配。生成后的三維模型圖如圖1所示。在生

7、成直流電機三維實體模型圖時,需注意以下幾點:一是要有明確的目的與原則,必須注意與實際電機的區(qū)別,從教學的實際需要出發(fā),把與教學密切相關的關鍵部件繪制出來。具體原則是重點突出,便于觀察。因此,可在關鍵部件保持相對物理關系不變情況下,盡量多地使用簡化和變形處理,其它部件或做簡化處理或直接忽略。原則確定后,應進行方案規(guī)劃,確定一些基本參數(shù)和模型特征關系,在實體模型生成時避免走彎路,在課件應用時也便于對模型及模型上的部件進行靈活的顯示(隱藏)、上色等操作。二是對某些地方應進行特殊處理。如為便于觀察繞組的連接規(guī)律34,選擇了4極12槽雙層繞組電機,繞組匝數(shù)為1;為便于同時觀察轉子繞組上下端接情況,轉子長

8、度不應畫得太長,而把有效邊畫得比轉子鐵心長;為了觀察電機轉子在裝配后的情況,則可以把定子磁極畫得比轉子短一些;為便于說明電刷和換向片,把換向片畫大一些,可使畫面更加簡潔。三是配色時應盡量選擇鮮艷、對比強烈的顏色,并在制作過程中參考授課教室投影儀的實際顏色分辨率情況。定轉子三維零件模型生成后,選擇裝配體工作模式對定轉子進行裝配選擇定子為固定(/地0)。圖1 直流電機三維模型圖零件裝配過程,實際上是根據設計要求約束其空間自由度的過程。當施加的裝配關系完全限制了零部件的運動自由時,稱為全約束,此時零部件被固定在其裝配位置,無法運動;當零部件的裝配關系還不足以固定零件時,零件處于欠約束狀態(tài)。轉子選擇欠

9、約束條件進行裝配,約束條件為:定轉子軸心線重合;電刷端面與換向片端面重合。當轉子為上述欠約束狀態(tài)時,轉子可繞軸心線旋轉。裝配后效果如圖1。SolidWorks生成三維零件模型一般需按以下三個步驟操作:第一步,草圖繪制。SolidWorks默認有三個相互垂直的平面:前視基準面、右視基準面和上視基準面。首先選定一個空間平面或建立一個空間平面,然后在上面繪制一個平面草圖。第二步,草圖繪制好后,進行特征操作。這里以定子磁極為例說明,進行拉伸及倒圓角等特征操作,生成一個三維磁極。第三步,進行圓周陣列操作,生成四個對稱分布的磁極。在實體生成過程中,為便于觀看,可選用鮮明的顏色對實體表面分別上色。整個定子磁

10、極模型生成過程見圖2。磁極生成后,同樣按上述方法操作生成定子電刷等部件,則定子三維零件模型生成完畢。轉子三維模型圖生成過程同上,但比定子模型生成復雜。特別是在生成轉子繞組時,在適當?shù)牟輬D平面上分別繪制出繞組有效邊、端接線的中心線等,形成一個三維曲線,然后繪制導線截面,并使用/掃描0特征操作,完成一個線圈模型的生成,最后使用/陣列0可生成完整的轉子模型圖(見圖3)。圖2 定子磁極三維模型生成三、課堂教學的應用課件制作好后,可結合SolidWorks提供的一些方法,投入電機結構及繞組的課堂教學中去。以上只生成了定子和轉子的三維零件及裝配體,還可以生成換向極、機座及定子繞組等零件并進行裝配。2006

11、年9月第21卷第3期鄭州經濟管理干部學院學報JOURNALOFZHENGZHOUECONOMICS&MANAGEMENTINSTITUTESep.2006Vo.l21No.3在講定轉子結構時,可通過模型進行演示觀察。1.整體觀察。首先,按下鼠標左鍵移動鼠標,選擇不同的觀察角度,連續(xù)進行三維觀察;其次,使用SolidWorks播放器(如圖4)進行三維空間旋轉觀察;再次,使用SolidWorks播放器錄制三維空間旋轉過程為avi文件格式,可脫離SolidWorks在WindowsMediaPlayer上進行播放。四、結束語以上以直流電機為例介紹了基于SolidWorks的三維電機結構和繞組實體模型

12、圖課件的制作方法與過程,參照此方法同樣可對變壓器、交流電機(感應電機、同步電機)三維結構和繞組實體模型圖進行制作。在講解不同電機結構及繞組時,使用相應課件進行適當操作,可引起學生的強烈興趣,并便于學生抓住關鍵,建立起電機空間模型概念,利于學生對電機繞組的連接規(guī)律及電機基本工作原理和運行特性的學習。該課件進行錄制后還可以放置在校園網上,學生通過互聯(lián)網下載課件,或者由學生自己動手制作課件來復習和鞏固課程知識。在實際教學中,圖3轉子三維模型圖我們使用開發(fā)的課件對電機學課程進行教學,收到了很好的效果。圖4 動畫控制器2.零件觀察。首先,直接打開零件圖進行三維觀察;其次,在裝配體上點擊相應零件,選擇顯示

13、(隱藏)、上色等操作,突顯或屏蔽一些零件進行三維觀察;再次,使用SolidWorks提供的方法,生成爆炸視圖(如圖5),詳細觀察零部件及裝配關系。在講解轉子結構時,為便于學生理解轉子繞組連接規(guī)律,在SolidWorks環(huán)境下,按下鼠標左鍵移動鼠標,選擇不同觀察角度進行三維觀察,圖3為轉子在兩個不同觀察角度下的三維模型觀察效果。觀察過程中還可以將局部放大,并對轉子鐵心特征進行隱藏,把轉子繞組完全顯示出來(如圖6)。圖6轉子繞組空間圖圖7 旋轉馬達參數(shù)設置參考文獻1肖鴻杰,宋金煜,韋鋼.電機學課程教學改革探討與實踐J.電力系統(tǒng)及其自動化學報,2001,(5):75-77.2戴向國,于復生,李方義等.SolidWorks2003基礎教程圖5 直流電機爆炸視圖M.北京:清華大學出版社,2004.3湯蘊王翏,史乃.電機學M.北京:機