异步电动机仿真 — 转差、转矩与旋转磁场

物理时间

拖动旋转 ·滚动缩放 · 点击任意部件
一个时钟驱动转子、磁场与电流波形。

工业材质 · 真实质感喷漆铸铁 / 漆包铜线 / 叠片钢
教学配色只是叠加层，并非金属本身的颜色。

U 相V 相W 相NS内膛磁极

B 磁场 · 投影横向切片➜ 惯用电流方向

正在搭建感应实验室

程序化几何 · 耦合的电气与机械状态 · 无需网络

转子转速—rpm

同步磁场—rpm

转差率—%

电磁转矩—N·m

瞬时相电流

相隔 120°

旋转磁场

电角度

转矩－转速特性曲线

SI 模型

三相电源

平衡正弦交流

星形接线 · 转子不外接电源

电源频率

线电压

基速以下保持 V/f 比值

机械负载

转轴阻力转矩

空载

平滑摩擦负载会阻碍任一转向的旋转。

锁定转子nᵣ = 0

台架实验

初始状态是一个已稳定的 50 Hz 工作点。从静止启动即可观察感应电流建立与转子加速的过程。

定子相电流: —
转子电流频率: —
机电功率: —
仿真时间: —

在 1/25× 时，真实 50 Hz 电源会以 2 Hz 显示。仪表读数仍保持真实 SI 单位。

模型、方程与局限

从结构上就决定了它是异步的。

三套分布式交流绕组产生一个四极旋转磁场。转差在闭合鼠笼中感应出电流。由此产生的电磁转矩使转子克服负载与摩擦而加速。

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

显示画面、电气波形与机械运动共用同一个已放慢的物理时钟。在 1/25× 时，真实 50 Hz 电源会以 2 Hz 显示。仪表读数仍保持真实 SI 单位。

电气与机械方程

状态求解器采用幅值不变的静止 αβ 坐标系。转子变量均已折算到定子侧。

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)

采用四阶龙格－库塔积分，最大步长 83.33 μs。P = 4 极；p = P/2 = 2 对极。电阻值均为每相值，已折算到定子侧。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。

绕组与鼠笼拓扑

24 槽、4 极、3 相：每极每相槽数 q = 2。单层绕组共 12 个线圈，每相 4 个串联，星形连接。整距线圈跨距为 6 个槽（电角度 180°）。每个示意线圈均明确画出六个连续匝。

U 相正向边：第 1、2、13、14 槽。V 相：第 5、6、17、18 槽。W 相：第 9、10、21、22 槽。每个负向边相隔六个槽，按 24 取模。相带按 U+、W−、V+、U−、W+、V− 顺序推进。

鼠笼共有 28 根导条，沿机械方向斜置 15°，配两个连续端环。导条电流箭头采用转子 αβ 电流的空间基波分量。端环电流满足节点连续性；其显示幅值已归一化，并非经校准的导条安培实测值。

磁力线代表什么

横向磁场由求解得到的励磁磁通重建而成。闭合曲线为 A_z = F(r) sin(2θ) 的等值线，在转子铁芯、气隙、定子铁芯与外部空气中采用分段磁导率。界面条件以解析方式求解；箭头方向遵循 B = ∇×A。

这是一个采用等效定子内膛电流薄层的圆形基波磁场模型，而非对每个齿单独求解的有限元结果。为便于观察，该切片被投影到铁芯稍前方的位置。磁极标签表示定子内膛瞬时合成极性。磁力线通过铁芯闭合；转子上并无永久磁铁。

示意性相对铁芯磁导率：400。绝对磁通密度并未按特斯拉校准。可见气隙已被放大。槽谐波、端部边缘效应、漏磁细节与铁芯饱和均未求解。

实验与重要局限

断开电源：理想的定子开路，转子磁通衰减，转轴自然惰转。断开鼠笼：每根导条都与一个端环断开，因此不存在闭合的转子电流回路。锁定：外部机械约束固定转轴。同步实验：外部伺服强制设定磁场转速；暂态转子电流是逐渐衰减，而非瞬间消失。

理想断路会将被断开绕组的电流投影为零。电弧能量、开关暂态、温升、饱和、集肤效应、噪声、弹性接触与机械公差均被省略。几何结构是一套教学参考装配，并非经尺寸认证的商用电机，也不是保护装置仿真器。

转矩－转速曲线是同一组 R/L 参数下的稳态等效电路曲线。在暂态过程中，实时工作点可能偏离该曲线。低速摩擦采用平滑的 tanh 过渡，并非精细的静摩擦模型。

真实材质与渲染

机壳与端盖在铸铁表面覆有介电环氧漆层。铜绕组呈现漆包／清漆外观，与按相染色的护套区分开来。转子导条与端环采用压铸铝参考质感。裸露的电工钢叠片边缘、磨削钢件、黄铜、镀锌层、绝缘衬、绑扎带、风扇聚合物与橡胶各自具有独立的表面质感。

采用金属／粗糙度 GGX 着色，带方向性金属高光、清漆层近似、对象空间程序化高度与粗糙度、经过滤波的叠片接缝、解析式矩形摄影棚反射与滤波阴影贴图。这并非光线追踪、实测光谱渲染、有限元材质辨识，也不是对某台量产电机的扫描结果。

纹理与铭牌均在本地生成。不会获取任何图片、字体、库或其他外部资源。铭牌标注为教学参考，并非经认证的产品铭牌数据。

参考资料

仿真软件参考资料：鼠笼式感应电机 — 磁链、电压与转矩方程；参考坐标系建模。

电机厂商技术资料：三相异步电动机解析 — 感应、转差、鼠笼结构与转矩－转速特性。

电机厂商技术资料：异步电动机的旋转原理 — 感应转子电流与电磁转矩。

电机厂商产品目录：工业三相电动机结构说明 — 铸铁机壳、铝鼠笼、浸漆绕组、钢制转轴、风扇与铭牌材质。本模型并非任何产品的复制品。

电机厂商产品目录：通用性能电机 — 铸铁结构、铜绕组与保护涂层。

以上参考资料仅供延伸阅读。展品本身无需联网。

操作方式

拖动：旋转。滚动或双指：缩放。右键拖动或 Shift+拖动：平移。点击部件：检查。当三维模型获得焦点时：空格运行或暂停，R 重置相机，X 切换 X 光透视，F 显示磁场剖面，Esc 关闭检查并释放按键。单步前进 1 ms 物理时间。

数值自检

本会话中尚无自检报告。

三相感应电动机

瞬时相电流

旋转磁场

转矩－转速特性曲线

本期展品