交流电机基波磁场Flash动画编程实现

陆觉民，章跃进

(上海大学1.图书馆，2.电工程与自动化学院，上海 200072)

0 引言

“电机应用基础”课程中的交流电机气隙磁场是空间和时间的多变量函数。电机学教科书对气隙磁场的产生与特点给出了严密的数学推导，并辅以正弦曲线及向量图加以说明[1]。以动画形式演示气隙磁场可以帮助学生正确理解空间旋转磁场与正弦变化电流的相互联系[2]。

本文采用Flash进行交流电机气隙磁场的动画设计，利用面向对象Action Script编程语言，准确描述交流电机的电流和气隙磁场的解析表达式。通过程序设计以动画形式来演示正弦量、矢量、脉振磁场和旋转磁场等电机学中的基本概念，使学生获得直观的视觉印象，以帮助基本原理的掌握[3-5]。

1 正弦量与矢量关系的动画设计

一个按正弦规律变化的物理量可以用一个旋转矢量来表征。矢量旋转的角速度等于正弦量变化的角频率，矢量在纵坐标上的投影即为该时刻正弦量的瞬时值。这个旋转矢量表达式可写为

式中，Am和ω分别为A(t)的幅值和角频率。用一个以ω速率周而复始旋转的矢量可以表征任意时刻A(t)的瞬时值及相位，简捷方便。

采用Flash制作动画的主要过程如下:①新建两个影片剪辑元件，分别绘制矢量和圆点(将作正弦轨迹运动)，再新建两个图形元件:正圆(表示旋转矢量端点的运行轨迹)和直角坐标系;②建立旋转矢量、正弦轨迹和坐标系三个图层:矢量和圆点放置于旋转矢量和正弦轨迹图层，图形元件放置于坐标系图层;③将矢量和圆点元件拖入图层，分别取名rota和ball，并在相应图层中编写程序。

旋转矢量实例rota运用了MovieClip类的旋转属性rota._rotation，正弦轨迹采用了曲线绘制函数lineTo()。图1为Flash动画设计界面，图2为动画绘制的旋转矢量与正弦曲线轨迹。

图1 Flash动画设计界面

图2 旋转矢量与正弦曲线轨迹

2 脉振与旋转矢量同步动画设计

根据交流电机基波气隙磁场的基本概念，空间正弦分布随时间余弦脉振的磁场可以分解为两个大小相等、方向相反的旋转磁场。旋转磁场的幅值是脉振磁场的二分之一，旋转角速度等于脉振磁场的角频率。数学表达式为

采用动画演示有助于以上概念的理解。具体设计过程如下:①新建三个影片剪辑元件:竖直向上的红色箭头矢量用于表示正向脉振矢量和正向旋转矢量，竖直向上的绿色箭头用于表示表示反向旋转矢量，竖直向下的红色箭头用于表示反向脉振矢量;②四个图层分别放置正向脉振、反向脉振、正向旋转和反向旋转四个矢量;③通过编程实现矢量脉振与旋转，脉振矢量的高度属性随时间按余弦规律变化，逆时针旋转矢量角度增量为负、顺时针旋转矢量角度增量为正。其中反向脉振矢量初始高度、旋转矢量初始角设置为零，旋转矢量高度设置为脉振矢量最大值的一半;④依同样原理可绘制三相绕组脉振磁场合成圆形旋转磁场的动画;⑤采用程序设计方法可精确设置矢量的幅值大小及其同步变化。

3 三相电流与旋转磁场动画设计

交流电机三相对称绕组通入三相对称交流电流，将在电机气隙空间产生圆形旋转磁场。绕组电流的变化规律与磁场空间旋转严格对应。

三相绕组在电机空间互差120度电角度，合成气隙基波磁场旋转角速度等于正弦电流变化的角频率，当某相绕组电流达到最大时，旋转磁场基波幅值即在该相绕组轴线上。若以A相绕组轴线为起始位置角，合成的基波磁动势表达式为

利用动画演示能生动表现旋转磁场与正弦电流的关系。我们以二极三相集中绕组电机模型为例，动画设计中所需影片剪辑元件:①显示三相电流变化轨迹圆点的三个元件;②表示三相绕组导体内电流方向的点和叉六个元件;③两个半圆形磁力线元件，其中三相电流分别用红蓝绿三种颜色代表。动画设计中所需图形元件:电机定子及三相集中绕组、直角坐标系。

用五个图层分别放置三相电流轨迹、正向导体电流、反向导体电流、磁力线及图形元件。综合上述设计方法，可以实现图3所示的同步动画演示。

图3 旋转磁场与交变电流对应关系

4 结语

交流电机气隙磁场与电流的动画演示有助于电机学重要概念的理解和掌握。Flash面向对象程序设计方法非常适合气隙磁场和交流电流的动画设计，能够简洁有效地实现动画精确同步演示。

[1]李发海、王岩，电机与拖动基础(第3版)[M]，北京，清华大学出版社，2005年

[2]袁琦、黄建清，基于VB的电机旋转磁场模拟实现[J]，南京，电气电子教学学报，27(6):90-93，2005

[3]岑敏锐，用Flash动画和旋转矢量法模拟简谐振动[J]，北京，物理与工程，19(1):42-45，2009

[4]李捷、郭拯危、闵林，Flash Action Script 2.0编程基础与实例教程[M]，北京，电子工业出版社，2006年

[5]章精设，Flash Action Script 2.0编程范例导航[M]，北京，清华大学出版社，2006年