Asynchronmotor-Simulation – Schlupf, Drehmoment und Drehfeld

physikalische Zeit

Ziehen zum Drehen ·Scrollen zum Zoomen · beliebiges Teil anklicken
Eine Uhr treibt Rotor, Feld und Stromkurven an.

Industrielle Materialien · physische OberflächeLackiertes Gusseisen / emaillierter Kupferdraht / geblechter Stahl
Lehrfarben sind Einblendungen, kein gefärbtes Metall.

Phase UPhase VPhase WNSBohrungspole

B-Feld · projizierter Querschnitt➜ konventioneller Strom

Das Induktionslabor wird aufgebaut

Prozedurale Geometrie · gekoppelte elektrische und mechanische Zustände · kein Netz nötig

Rotordrehzahl—U/min

Synchronfeld—U/min

Schlupf—%

Elektromagnetisches Drehmoment—N·m

Momentane Phasenströme

120° versetzt

Drehfeld

elektrischer Winkel

Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie

SI-Modell

Drehstromversorgung

Symmetrischer sinusförmiger Wechselstrom

Sternschaltung · keine Rotorversorgung

Versorgungsfrequenz

Leiter-Leiter-Spannung

V/f unterhalb der Basisdrehzahl konstant halten

Mechanische Last

Widerstehendes Wellendrehmoment

Keine Last

Eine gleichmäßige Reibungslast wirkt beiden Drehrichtungen entgegen.

Rotor verriegelnnᵣ = 0

Laborexperimente

Der Anfangszustand ist ein eingeschwungener 50-Hz-Betriebspunkt. Aus dem Stillstand starten, um den Aufbau der Induktion und die Beschleunigung des Rotors zu beobachten.

Statorphasenstrom: —
Rotorstromfrequenz: —
Elektromechanische Leistung: —
Simulierte Zeit: —

Bei 1/25× wird eine reale 50-Hz-Versorgung mit 2 Hz dargestellt. Die Instrumentenwerte bleiben in realen SI-Einheiten.

Den Mechanismus zeigen

Magnetische Feldliniengeschlossene Pfade

Stromrichtungspfeilemomentan

Magnetpol-Beschriftungenkeine Magnete

Bauteilbeschriftungen

Rotoreisen ausblendenKäfig freilegen

Axiale Untersuchungstrennung

Bewegt Teile nur zur Untersuchung. Die simulierte Baugruppe bleibt verbunden.

Experiment zur elektrischen Durchgängigkeit

Trennt alle 28 Stäbe vom antriebsseitigen Ring. Mit jedem geöffneten Rotorzweig verschwinden induzierter Strom und elektromagnetisches Drehmoment im idealen Schaltmodell.

Auf ein Teilsystem fokussieren

Ein festes Teil im Modell anklicken, um seinen Aufbau und seine Funktion zu lesen. Röntgen verwenden, um Bauteile zu untersuchen, die durch Eisen oder das Gehäuse verdeckt sind.

Material- & Oberflächenstudie

Industrielle Oberflächen, kein einzelner metallischer Shader für jedes Bauteil.

Lackiertes GusseisenNichtmetallische Epoxidoberfläche, Gussstruktur und abgerundete Kanten.
Emaillierte KupferwicklungBernsteinfarbener Lack und glatte Kupferglanzlichter; keine phasenfarbigen Drahtbündel.
Elektroblech-LamellenFeine isolierte Paketkanten; gestanzte Stahl-Stirnflächen.
Druckgegossener AluminiumkäfigSilbergraue Stäbe und Kurzschlussringe mit gedämpfter Gussoberfläche.
Gedrehter & geschliffener StahlGerichteter Bearbeitungsglanz, polierte Lagerflächen und verzinkte Befestigungen.
Isolierung & ElastomereMattes Lüfterpolymer, Gummidichtungen, Nutisolierungen und gewebte Wicklungsbänder.

Oberflächenuntersuchung

Studiobeleuchtung

Beleuchtung

Belichtung

Oberflächen-MikrostrukturHöhe / Rauheit

Die Materialien folgen einer konventionellen industriellen Gusseisen-/Aluminiumkäfig-Konstruktion. Oberflächenmaße und -farben sind visuelle Annäherungen, keine gemessenen Proben eines bestimmten Motors. Beleuchtung und Mikrostruktur ändern das elektrische Modell nicht.

Modell, Gleichungen und Grenzen

Asynchron, konstruktionsbedingt.

Drei verteilte Wechselstromwicklungen erzeugen ein vierpoliges Drehfeld. Schlupf induziert Strom im geschlossenen Käfig. Das resultierende elektromagnetische Drehmoment beschleunigt den Rotor gegen Last und Reibung.

nₛ = 120 f / P
s = (nₛ − nᵣ) / nₛ
fᵣ = |s| f
J dωᵣ/dt = Tₑ − Tₗ − bωᵣ

Anzeige, elektrische Kurvenformen und mechanische Bewegung nutzen eine gemeinsame verlangsamte physikalische Uhr. Bei 1/25× wird eine reale 50-Hz-Versorgung mit 2 Hz dargestellt. Die Instrumentenwerte bleiben in realen SI-Einheiten.

Elektrische und mechanische Gleichungen

Der Zustandssolver nutzt ein amplitudeninvariantes, stehendes αβ-Bezugssystem. Rotorgrößen sind auf den Stator bezogen.

ψₛ = Lₛ iₛ + Lₘ iᵣ
ψᵣ = Lₘ iₛ + Lᵣ iᵣ
dψₛ/dt = vₛ − Rₛ iₛ
dψᵣ/dt = −Rᵣ iᵣ + j p ωᵣ ψᵣ
Tₑ = (3/2)p(ψₛα iₛβ − ψₛβ iₛα)

Runge-Kutta-Integration vierter Ordnung mit einem maximalen Schritt von 83,33 μs. P = 4 Pole; p = P/2 = 2 Polpaare. Widerstandswerte sind je Phase angegeben, bezogen auf den Stator. Rₛ = 1,4 Ω; Rᵣ = 1,0 Ω; Lₘ = 180 mH; Lₗₛ = Lₗᵣ = 6 mH; J = 0,032 kg·m²; b = 0,003 N·m·s/rad.

Wicklungs- und Käfigtopologie

24 Nuten, 4 Pole, 3 Phasen: q = 2 Nuten je Pol und Phase. Eine einlagige Wicklung enthält 12 Spulen, je vier in Reihe pro Phase, in Stern geschaltet. Die volle Spulensehnung beträgt sechs Nuten (180° elektrisch). Sechs durchgehende Windungen sind explizit je veranschaulichender Spule gezeichnet.

Positive U-Seiten: Nuten 1, 2, 13, 14. V: 5, 6, 17, 18. W: 9, 10, 21, 22. Jede negative Seite liegt sechs Nuten entfernt, modulo 24. Phasengürtel folgen U+, W−, V+, U−, W+, V−.

Der Käfig hat 28 Stäbe, um 15° mechanisch schräggestellt, und zwei durchgehende Endringe. Stabstrom-Pfeile nutzen die räumliche Grundschwingung des Rotor-αβ-Stroms. Ringströme erfüllen die Knotenkontinuität; ihre angezeigte Größe ist normiert, keine kalibrierte Ampere-Messung der Stäbe.

Was die Feldlinien bedeuten

Das transversale Feld wird aus dem berechneten Magnetisierungsfluss rekonstruiert. Geschlossene Linien sind Konturen von A_z = F(r) sin(2θ), mit stückweiser Permeabilität in Rotoreisen, Luftspalt, Statoreisen und Außenluft. Grenzflächenbedingungen werden analytisch gelöst; Pfeile folgen B = ∇×A.

Dies ist ein zirkulares Grundschwingungs-Feldmodell mit einer äquivalenten Strombelag-Schicht in der Statorbohrung – keine Finite-Elemente-Lösung einzelner Zähne. Der Schnitt wird zur Sichtbarkeit leicht vor dem Kern projiziert. Polbeschriftungen zeigen die momentane resultierende Polarität der Statorbohrung. Feldlinien schließen sich durch Eisen; es gibt keine Permanentmagnete im Rotor.

Schematische relative Eisenpermeabilität: 400. Die absolute Flussdichte ist nicht in Tesla kalibriert. Der sichtbare Luftspalt ist vergrößert. Nutharmonische, Randstreuung, Streufelddetails und Eisensättigung werden nicht berechnet.

Experimente und wichtige Grenzen

Versorgung offen: idealer offener Statorkreis; der Rotorfluss klingt ab, und die Welle läuft aus. Käfig offen: Jeder Stab ist von einem Endring getrennt, sodass kein geschlossener Rotorstrompfad verbleibt. Verriegelung: eine äußere mechanische Zwangsbedingung hält die Welle. Synchronismus: ein externer Servo erzwingt die Felddrehzahl; der Übergangs-Rotorstrom klingt ab, statt sofort zu verschwinden.

Ideales Öffnen setzt den getrennten Wicklungsstrom auf null. Lichtbogenenergie, Schaltübergänge, Temperaturanstieg, Sättigung, Stromverdrängungseffekte, akustisches Rauschen, elastischer Kontakt und mechanische Toleranzen sind ausgeschlossen. Die Geometrie ist eine Referenzbaugruppe für Lehrzwecke, kein maßlich zertifizierter Handelsmotor oder Schutzgeräte-Simulator.

Die Drehmoment-Drehzahl-Linie ist die stationäre Ersatzschaltbild-Kurve derselben R/L-Parameter. Während Übergängen kann der Live-Betriebspunkt von dieser Kurve abweichen. Reibung bei niedriger Drehzahl nutzt einen glatten tanh-Übergang; dies ist kein detailliertes Haftreibungsmodell.

Physische Materialien und Rendering

Gehäuse und Lagerschilde nutzen dielektrischen Epoxidlack über Gusseisen. Die Kupferwicklung hat ein Emaille-/Lackaussehen, getrennt von farbigen Phasenhülsen. Rotorstäbe und Endringe nutzen eine Referenzoberfläche aus Aluminiumdruckguss. Freiliegende Elektroblech-Paketkanten, geschliffener Stahl, Messing, Verzinkung, Isolierauskleidungen, Bandagen, Lüfterpolymer und Gummi haben getrennte Oberflächenreaktionen.

Metallic/Roughness-GGX-Shading mit gerichteten Metallglanzlichtern, einer Klarlack-Näherung, objektraumbasierter prozeduraler Höhe und Rauheit, gefilterten Blechnahtstellen, analytischen rechteckigen Studioreflexionen und gefilterten Schattenkarten. Dies ist kein Raytracing, keine gemessene spektrale Darstellung, keine Finite-Elemente-Materialidentifikation und kein gescannter Serienmotor.

Die Gussstruktur und das Typenschild werden lokal erzeugt. Es werden keine Bilder, Schriftarten, Bibliotheken oder anderen Ressourcen nachgeladen. Das Typenschild ist als Lehr-Referenz gekennzeichnet und keine zertifizierte Produktangabe.

Quellenangaben

Referenz einer Simulationssoftware: Asynchronmaschine mit Käfigläufer — Flussverkettungs-, Spannungs- und Drehmomentgleichungen; Modellierung im Bezugssystem.

Technische Bibliothek eines Motorenherstellers: der Drehstrom-Asynchronmotor — Induktion, Schlupf, Käfigaufbau und Drehmoment-Drehzahl-Verhalten.

Technische Bibliothek eines Motorenherstellers: Rotationsprinzip des Asynchronmotors — Induzierte Rotorströme und elektromagnetisches Drehmoment.

Katalog eines Motorenherstellers: Drehstrom-Industriemotor, Seiten zum Aufbau — Gussgehäuse, Aluminiumkäfig, imprägnierte Wicklung, Stahlwelle, Lüfter- und Typenschildmaterialien. Dieses Modell ist keine Kopie eines Produkts.

Katalog eines Motorenherstellers: Standardmotoren — Gussgehäuse, Kupferwicklung und Schutzlack.

Diese Quellen sind zum Weiterlesen aufgeführt. Das Exponat selbst benötigt kein Netzwerk.

Steuerung

Ziehen: Drehen. Scrollen oder Kneifen: Zoomen. Rechtsklick+Ziehen oder Umschalt+Ziehen: Verschieben. Auf ein Teil klicken: Untersuchen. Bei fokussiertem 3D-Modell: Leertaste startet oder pausiert, R setzt die Kamera zurück, X schaltet Röntgen um, F zeigt den Feldschnitt, und Escape schließt die Untersuchung und gibt die Tasten frei. Schritt rückt 1 ms physikalische Zeit vor.

Numerische Selbstprüfungen

Kein Selbstprüfbericht in dieser Sitzung.

Momentane Phasenströme

Drehfeld

Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie

In der aktuellen Ausgabe