Drehzahl verändern.
Drehmoment einordnen.
Vergleiche Motorprinzipien und verfolge die Wirkung eines Getriebes. Rechne einen vorgegebenen Arbeitspunkt bis zur Last nach.
Vermute zuerst: Wird die Leistung durch ein Getriebe größer, wenn das Drehmoment am Abtrieb steigt?
Was die Motorarten unterscheidet
Asynchronmotor: Das Drehfeld läuft mit der synchronen Drehzahl. Im normalen motorischen Betrieb folgt der Rotor langsamer; die relative Abweichung heißt Schlupf. Im Modell ist dieser Wert vorgegeben, nicht aus der Last berechnet.
Synchronmotor: Der Rotor läuft im synchronen Betrieb mit dem Drehfeld. Das gilt innerhalb seines zulässigen Betriebsbereichs. Frequenz und Polpaarzahl bestimmen die synchrone Drehzahl.
Gleichstrommotor: Drehzahl und Drehmoment hängen von Bauart, Versorgung, Last und Regelung ab. Hier wird eine gemessene Drehzahl eingesetzt; eine universelle Drehzahl aus einer beliebigen Spannung wird nicht behauptet.
Schrittmotor: Die Sollbewegung ergibt sich aus Schrittimpulsen und Schrittwinkel. Mikroschritte teilen einen Vollschritt weiter auf. Bei Überlast können Schritte verloren gehen; die berechnete Sollposition ist ohne Rückmeldung kein Nachweis der tatsächlichen Position.
Servo: Bezeichnet hier ein geregeltes Antriebssystem mit Rückmeldung, keine einzelne Motorbauart. Beispielsweise kann ein Synchronmotor Teil eines Servoantriebs sein.
Frequenz, Polpaare und Schlupf
Die synchrone Drehzahl ist nₛ = 60 · f / p in 1/min. Bei 50 Hz und zwei Polpaaren sind es 1.500 1/min. Vier Prozent Schlupf ergeben für den Asynchronmotor n = 1.500 · (1 − 0,04) = 1.440 1/min.
Mehr Polpaare bedeuten bei gleicher Frequenz eine niedrigere synchrone Drehzahl. Polzahl und Polpaarzahl nicht verwechseln: vier Pole sind zwei Polpaare.
Beim Schrittmotor lautet die Soll-Drehzahl n = Impulse/s · Vollschrittwinkel / (6 · Mikroschritte pro Vollschritt). 800 Vollschrittimpulse/s und 1,8° ergeben 240 1/min. Bei acht Mikroschritten und gleicher Impulsfrequenz sind es 30 1/min.
Was ein Getriebe verändert
Ein Getriebe überträgt Bewegung und Kräfte oder Drehmomente. Es kann dabei zum Beispiel Drehzahl, Drehrichtung oder Bewegungsart verändern. Das Zahnradpaar im Simulator ist eine Bauart; nicht jedes Getriebe besteht aus zwei Zahnrädern.
Die Übersetzung wird hier als i = nein / naus definiert. Für i = 5 sinkt die Drehzahl auf ein Fünftel. Mit dem vorgegebenen Wirkungsgrad gilt im stationären Lernmodell: Maus = Mein · i · η.
Bei 2 Nm, i = 5 und η = 0,9 kommen rechnerisch 9 Nm am Abtrieb an. Die mechanische Wellenleistung ist P = 2π · n · M / 60 (n in 1/min, M in Nm, P in W). Ein verlustbehaftetes Getriebe gibt weniger Leistung ab, als es aufnimmt; es erzeugt keine zusätzliche Energie.
Die Grafik zeigt zwei Wellen und einen Getriebeblock. Sie legt weder einen bestimmten Zahnradtyp noch die reale Drehrichtung fest. Die Animation ist bewusst verlangsamt, das Drehzahlverhältnis bleibt erhalten.
Reicht das Drehmoment für die Last?
Die Rechnung vergleicht das am vorgegebenen Arbeitspunkt verfügbare Abtriebsmoment mit dem eingegebenen Lastmoment. Positive Reserve ist noch keine vollständige Antriebsauslegung. Anlauf, Beschleunigung, Trägheit, Spitzenlasten, Erwärmung und die tatsächliche Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie fehlen hier.
Beim Asynchronmotor ist ein vorgegebenes positives Lastmoment bei null Schlupf kein realistischer motorischer Arbeitspunkt. Das Modell weist darauf hin. Beim Schrittmotor wird eine Sollbewegung gezeigt; eine Drehmomentreserve aus Eingaben beweist keine Schrittgenauigkeit.
Die Modelle benötigen keine echte elektrische Verbindung. Anschluss, Schutz und Inbetriebnahme realer Motoren gehören in fachkundige Hände.
Verbinden, bremsen und halten
Was die Kupplung übernimmt
Eine Kupplung verbindet Wellen und überträgt Drehmoment, etwa vom Motor zur Pumpe. Es gibt dauerhaft verbundene Wellenkupplungen und schaltbare Kupplungen, die den Kraftfluss gezielt verbinden oder trennen.
Eine elastische Wellenkupplung kann je nach Bauart begrenzten Versatz ausgleichen. Sie ersetzt keine korrekte Ausrichtung. Eine Kupplung ist auch nicht automatisch eine Bremse: Getrennte Wellen können aufgrund ihrer Trägheit weiterdrehen.
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Was die Bremse übernimmt
Eine Bremse verzögert eine Bewegung oder hält ein Bauteil fest. Bei einer Reibbremse erzeugt der Kontakt zwischen Belag und Scheibe ein bremsendes Drehmoment. Beim Gleiten wird Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt.
Eine Haltebremse und eine für wiederholtes Abbremsen ausgelegte Betriebsbremse haben unterschiedliche Aufgaben. Welche Betriebsfälle zulässig sind, hängt von der konkreten Bauart ab. Reibflächen müssen im vorgesehenen Zustand bleiben; eine trocken arbeitende Reibbremse wird nicht wie ein Lager geschmiert.
Praxisvergleich: Die Kupplung überträgt das Motordrehmoment zur Last. Die Bremse kann die Bewegung abbremsen oder eine Position halten. Der Getriebewirkungsgrad im Rechenmodell bildet diese zusätzlichen Bauteile nicht einzeln ab.
Was eine Feder speichert
Eine Feder verformt sich elastisch: Sie nimmt bei Belastung mechanische Energie auf und kann sie bei Entlastung wieder abgeben. Druckfedern werden zusammengedrückt, Zugfedern auseinandergezogen; bei Drehfedern wirkt ein rückstellendes Drehmoment.
Für eine lineare Druckfeder ohne Vorspannung gilt innerhalb ihres vorgesehenen Arbeitsbereichs F = c · s. Dabei ist c die Federrate und s die Verformung gegenüber der unbelasteten Länge. Bei c = 10 N/mm und s = 5 mm beträgt die Federkraft 50 N. Vorgespannte oder nichtlineare Federn brauchen eine passende Kennlinie.
Praxisbeispiel: Eine Rückstellfeder bringt den Anker eines Schützes nach dem Abschalten wieder zurück. Die Feder speichert dabei Energie; sie erzeugt keine zusätzliche Energie. Wird sie überlastet, kann sie sich bleibend verformen.
Sechs Aufgaben: Verstehen, Anwenden und Übertragen. Die Runde und die Modellwerte bleiben nur auf dieser geöffneten Seite.