[0001] 技术领域 本
发明属于教学演示实验设备技术领域，具体涉及一种异步
电动机运行状态的演示仪。它利用旋转的
定子圆筒表示旋转
磁场，通过变换传动
齿轮组的方式调整
转子和定子圆筒的旋转方向与旋转速度，结合
转轴上滚轮带动不同
质量的负载砝码，演示仪能完整解释起重机主勾拖动电机在正反向电动状态、
反接制动状态和回馈制动状态时的工作原理。本发明演示效果明显，能直观地，科学地演示起重机主勾拖动异步电动机的四种运行状态，对电机学教学有着明显的辅助作用。
[0002] 背景技术 异步电动机的运行状态由电机转子的旋转方向、转子电磁转矩方向和定子旋转磁场的旋转方向决定。拖动起重机主勾的绕线式异步电动机对应位能性负载有四种运行状态，分别是提升重物的正向电动状态、下放重物的倒拉反接制动状态、下方轻物的反向电动状态和回馈制动状态。学生只有理解和掌握了在不同负载特性条件下起重机主勾拖动电机的运行状态，才能更好地理解和分析起重机电气控制
电路。由于现有的异步电动机的教学和实验仪器都是模拟电机基本工作原理的简单模型，使得学生对电机运行状态的理解和掌握情况十分不理想，至于如何分析对应不同负载特性在电机人为机械特性曲线上分析各工作点的
稳定性问题，学生就更难理解。若分析异步电动机具体工作在哪一种运行状态下，则需要同时考虑电机的接线方式和负载特性，最后要正确判断出电机的旋转磁场方向、转子旋转方向和电磁转矩方向。如果能够研制出一种便于在课堂上进行演示教学的异步电动机运行状态演示仪，能够清晰直观地演示在不同位能性负载情况下异步电动机应该施加什么方向的旋转磁场，转子的旋转方向与转速如何设定才能使起重机主勾拖动电机安全稳定地在某一运行状态下工作。必将可以帮助学生更好地理解和掌握起重机主勾拖动电机的运行状态分析，从而更好地理解和分析起重机电气控制电路。
[0003] 发明内容 本发明提供一种用于课堂教学的清晰直观地演示起重机主勾拖动电动机四种运行状态的教学演示仪器。
[0004] 本发明解决上述问题所采用的技术方案为：
[0005] 该演示仪由转子圆筒旋转装置(1)、定子圆筒旋转装置(2)、
外齿轮组传动装置(3)、
支撑框架(4)组成，其特征是：转子圆筒旋转装置(1)由透明亚克
力转子圆筒(5)、尼龙内齿轮Ⅰ(6)、亚克力彩条Ⅰ(7)、支撑内板Ⅰ(8)、轴套(9)、转子
主轴(10)、手
摇臂(11)、
手柄(12)、尼龙滚轮(13)、砝码(14)组成。转子圆筒(5)通过支撑内板Ⅰ(8)和轴套(9)与转子主轴(10)接连，通过摇动手柄(12)可以使转子圆筒(5)旋转，从而带动滚轮(13)转动，达到提升或下降砝码(14)的目的。定子圆筒旋转装置(2)通过外齿轮组传动装置(3)的传动可以随着转子圆筒(5)进行相应地旋转。定子圆筒旋转装置(2)由透明的亚克力定子圆筒(15)、尼龙内齿轮Ⅱ(16)、亚克力彩条Ⅱ(17)组成。外齿轮组传动装置(3)由支撑内板Ⅱ(18)、支撑内板Ⅲ(19)、支撑内板Ⅳ(20)、支撑柱Ⅰ(21)、支撑柱Ⅱ(22)、传动齿轮组Ⅰ(23)、传动齿轮组Ⅱ(24)、传动齿轮组Ⅲ(25)组成。转子圆筒旋转装置(1)、定子圆筒旋转装置(2)和外齿轮组传动装置(3)都安装在支撑框架(4)上。
[0006] 传动齿轮组Ⅰ(23)由主动轴Ⅰ(26)、从动轴Ⅰ(27)、从动轴Ⅱ(28)、尼龙齿轮Ⅰ(29)、尼龙齿轮Ⅱ(30)、尼龙齿轮Ⅲ(31)、尼龙齿轮Ⅳ(32)组成。主动轴Ⅰ(26)由手柄轴Ⅰ(33)、销钉Ⅰ(34)和
传动轴Ⅰ(35)组成。齿轮Ⅰ(29)和齿轮Ⅱ(30)安装在主动轴Ⅰ(26)上，齿轮Ⅲ(31)安装在从动轴Ⅰ(27)上，齿轮Ⅳ(32)安装在从动轴Ⅱ(28)。当转子圆筒旋转时，内齿轮Ⅰ(6)带动齿轮Ⅰ(29)转动，从而齿轮Ⅱ(30)带动齿轮Ⅲ(31)转动，然后带动齿轮Ⅳ(32)旋转，最终齿轮Ⅳ(32)通过内齿轮Ⅱ(16)带动定子圆筒旋转装置(2)转动。传动齿轮组Ⅱ(24)由主动轴Ⅱ(36)、从动轴Ⅲ(37)、从动轴Ⅳ(38)、尼龙齿轮Ⅴ(39)、尼龙齿轮Ⅵ(40)、尼龙齿轮Ⅶ(41)、尼龙齿轮Ⅷ(42)组成。主动轴Ⅱ(36)由手柄轴Ⅱ(43)、销钉Ⅱ(44)和传动轴Ⅱ(45)组成。齿轮Ⅴ(39)和齿轮Ⅵ(40)安装在主动轴Ⅱ(36)上，齿轮Ⅶ(41)安装在从动轴Ⅲ(37)上，齿轮Ⅷ(42)安装在从动轴Ⅳ(38)上。当转子圆筒旋转时，内齿轮Ⅰ(6)带动齿轮Ⅴ(39)转动，从而齿轮Ⅵ(40)带动齿轮Ⅶ(41)转动，然后带动齿轮Ⅷ(42)旋转，最终齿轮Ⅷ(42)通过内齿轮Ⅱ(16)带动定子圆筒旋转装置(2)转动。传动齿轮组Ⅲ(25)由主动轴Ⅲ(46)、从动轴Ⅴ(47)、尼龙齿轮Ⅸ(48)、尼龙齿轮Ⅹ(49)、尼龙齿轮Ⅺ(50)组成。齿轮Ⅸ(48)和齿轮Ⅹ(49)安装在主动轴Ⅲ(46)上，齿轮Ⅺ(50)安装在从动轴Ⅴ(47)上。主动轴Ⅲ(46)由手柄轴Ⅲ(51)、销钉Ⅲ(52)和传动轴Ⅲ(53)组成。当转子圆筒旋转时，内齿轮Ⅰ(6)带动齿轮Ⅸ(48)转动，从而齿轮Ⅹ(49)带动齿轮Ⅺ(50)转动，最终齿轮Ⅺ(50)通过内齿轮Ⅱ(16)带动定子圆筒旋转装置(2)转动。
[0007] 支撑框架(4)由前面板(54)、后面板(55)、三根支撑柱Ⅲ(56)、加固
立板(57)、
基板(58)组成，其材质均为透明亚克力有机玻璃。后面板上安装三组支撑轮(59)，用来支撑定子圆筒旋转装置(2)。支撑轮(59)由不锈
钢支撑滚轴(60)和尼龙支撑滚轮(61)组成。
[0008] 与
现有技术相比，本发明的创新之处在于：
[0009] 1.利用可以旋转的定子圆筒模拟异步电动机定子的旋转磁场，在课堂授课时能够清晰直观地展示异步电动机定子旋转磁场的旋转方向和旋转速度。
[0010] 2.转子圆筒旋转装置前段安装有内齿轮，转子圆筒旋转时通过此内齿轮经过三组外齿轮组和定子圆筒前端的内齿轮的传动使得定子圆筒以相应的方向和速度进行旋转。三组外齿轮组分别工作于正反向电动状态、回馈制动状态和倒拉反接制动状态的演示时间，同一时间三组外齿轮组只有一组外齿轮组参与传动工作，此时需要拔出另外两组外齿轮组的手柄轴。手柄轴被拔出后受重力作用下垂，确保被拔出的外齿轮组不参与传动工作。
[0011] 3.转子主轴前端安装有摇动手柄，通过摇动手柄来控制转子圆筒的旋转方向和旋转速度。转子主轴后端安装有尼龙滚轮，尼龙绳缠绕在尼龙滚轮上。尼龙绳下端可以挂装不同重量的砝码用来模拟起重机提升或下放不同重量的负载。
[0012] 4.转子圆筒外壁安装有均匀分布的六个橙色彩条，用来表示转子线圈。定子圆筒外壁安装有黄绿红三种
颜色六个彩条，用来模拟异步电动机定子的三相电源线圈，在进行演示操作时学生能够更清楚更容易辨识转子的旋转方向和速度。
附图说明
[0013] 图1为本发明的整体结构的正视图。
[0014] 图2为本发明的整体结构的侧视图。
[0015] 图3为本发明的整体结构的俯视图。
[0016] 图4为本发明的整体结构的A-A剖面图。
[0017] 图5为本发明的整体结构的B-B剖面图。
[0018] 图6为本发明的整体结构的C-C剖面图。
[0019] 图7为本发明的整体结构的D-D剖面图。
[0020] 图8为本发明手柄轴拔出时整体结构的局部剖面图。
[0021] 图中标记如下：
[0022] 1.转子圆筒旋转装置 2.定子圆筒旋转装置 3.外齿轮组传动装置[0023] 4.支撑框架 5.透明亚克力转子圆筒 6.尼龙内齿轮Ⅰ[0024] 7.亚克力彩条Ⅰ 8.支撑内板Ⅰ 9.轴套
[0025] 10.转子主轴 11.手摇臂 12.手柄
[0026] 13.尼龙滚轮 14.砝码 15.透明亚克力定子圆筒[0027] 16.尼龙内齿轮Ⅱ 17.亚克力彩条Ⅱ 18.支撑内板Ⅱ[0028] 19.支撑内板Ⅲ 20.支撑内板Ⅳ 21.支撑柱Ⅰ[0029] 22.支撑柱Ⅱ 23.传动齿轮组Ⅰ 24.传动齿轮组Ⅱ[0030] 25.传动齿轮组Ⅲ 26.主动轴Ⅰ 27.从动轴Ⅰ[0031] 28.从动轴Ⅱ 29.尼龙齿轮Ⅰ 30.尼龙齿轮Ⅱ[0032] 31.尼龙齿轮Ⅲ 32.尼龙齿轮Ⅳ 33.手柄轴Ⅰ[0033] 34.销钉Ⅰ 35.传动轴Ⅰ 36.主动轴Ⅱ[0034] 37.从动轴Ⅲ 38.从动轴Ⅳ 39.尼龙齿轮Ⅴ[0035] 40.尼龙齿轮Ⅵ 41.尼龙齿轮Ⅶ 42.尼龙齿轮Ⅷ[0036] 43.手柄轴Ⅱ 44.销钉Ⅱ 45.传动轴Ⅱ[0037] 46.主动轴Ⅲ 47.从动轴Ⅴ 48.尼龙齿轮Ⅸ[0038] 49.尼龙齿轮Ⅹ 50.尼龙齿轮Ⅺ 51.手柄轴Ⅲ[0039] 52.销钉Ⅲ 53.传动轴Ⅲ 54.前面板
[0040] 55.后面板 56.支撑柱Ⅲ 57.加固立板[0041] 58.基板 59.支撑轮 60.
不锈钢支撑滚轴[0042] 61.尼龙支撑滚轮
[0043] 具体实施方式 以下结合附图对本发明工作原理作进一步详细描述：
[0044] 1.在开始演示之前，确保拔出演示仪的手柄轴Ⅰ(33)、手柄轴Ⅱ(43)和手柄轴Ⅲ(51)。然后将演示仪放置于讲台上，要确保演示仪后部的尼龙滚轮悬挂的砝码可以上下活动自如，并确保学生可以清楚看到演示仪的转子圆筒(5)和定子圆筒(15)。
[0045] 2.模拟起重机提升重物进行异步电动机正向电动运行状态的演示时，将砝码(14)放置在地面上并挂上空勾，插入手柄轴Ⅰ(33)，确保尼龙内齿轮Ⅰ(6)和内齿轮Ⅱ(16)分别与尼龙齿轮Ⅰ(29)和齿轮Ⅱ(30)正确
啮合。顺
时针旋转手柄(12)提升负载砝码(14)，此时定子圆筒(15)的旋转方向同转子圆筒一样也是顺时针方向，但是定子圆筒(15)的转速高于转子圆筒的转速。此时给学生讲解为了提升重物必须使定子线圈接正相序电源，产生正向旋转的定子旋转磁场为转子提供正向转矩。利用旋转的定子圆筒模拟异步电动机的定子旋转磁场，这样可以清晰直观地向学生演示起重机提升重物时，起重机主勾拖动异步电动机的正向电动运行状态。如果电动机提供的转子电磁转矩与系统的摩擦阻力转矩之和等于负载转矩，则电动机此时的工作点是稳定的，可以匀速提升重物。
[0046] 3.模拟起重机下放空勾进行异步电动机反向电动运行状态的演示时，取下砝码(14)，由于空勾重力产生的负载力矩远远小于系统的摩擦阻力产生的摩擦阻力力矩，空勾无法自行下降。插入手柄轴Ⅰ(33)，确保尼龙内齿轮Ⅰ(6)和内齿轮Ⅱ(16)分别与尼龙齿轮Ⅰ(29)和齿轮Ⅱ(30)正确啮合。逆时针旋转手柄(12)下放空勾，此时定子圆筒(15)的旋转方向同转子圆筒一样也是逆时针方向，但是定子圆筒(15)的转速高于转子圆筒的转速。此时给学生讲解为了下放空勾必须使定子线圈接反向相序电源，产生反向旋转的定子旋转磁场为转子提供反向转矩，只有这样才能下放空勾。
[0047] 4.模拟起重机下放轻物进行异步电动机回馈制动运行状态的演示时，取质量较轻的砝码(14)挂在空勾上，确保砝码的重量可以自行下降，但是下降速度缓慢。插入手柄轴Ⅱ(43)，确保尼龙内齿轮Ⅰ(6)和内齿轮Ⅱ(16)分别与尼龙齿轮Ⅴ(39)和齿轮Ⅵ(40)正确啮合。逆时针旋转手柄(12)下放轻物，此时定子圆筒(15)的旋转方向同转子圆筒一样也是逆时针方向，但是定子圆筒(15)的转速低于转子圆筒的转速。此时给学生讲解为了快速下放轻物必须使定子线圈接反向相序电源，产生反向旋转的定子旋转磁场为转子提供反向转矩，只有这样才能迅速下放轻物。此时转子的电磁转矩方向与负载转矩的方向相反。如果转子的电磁转矩与系统的摩擦阻力转矩之和等于负载转矩，则电动机此时的工作点也是稳定的，可以快速下放轻物。
[0048] 5.模拟起重机下放重物进行异步电动机倒拉反接制动运行状态的演示时，取质量较重的砝码(14)挂在空勾上，这样砝码的下降速度越来越快，砝码完全不受控制地坠落到地面上。此时给学生讲解为了确保重物不会不受控制地坠落，必须使定子线圈接正向相序电源，产生正向旋转的定子旋转磁场为转子提供正向转矩，减缓重物的下降速度。然后插入手柄轴Ⅲ(51)，确保尼龙内齿轮Ⅰ(6)和内齿轮Ⅱ(16)分别与尼龙齿轮Ⅸ(48)和齿轮Ⅹ(49)正确啮合。逆时针旋转手柄(12)缓慢下放重物，此时定子圆筒(15)的旋转方向同转子圆筒相反是顺时针方向。表明电动机提供的转子电磁转矩与负载转矩的方向相反，如果转子电磁转矩与系统的摩擦阻力转矩之和等于负载转矩，则电动机此时的工作点是稳定的，可以缓慢匀速下放重物。
[0049] 当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
