Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы разных видов двигателей постоянного тока

Принцип работы разных видов двигателей постоянного тока

Зарождение идеи о работе двигателя постоянного тока (ДПТ) появилось в начале XIX века. Известные физики Алессандро Вольта, М. Фарадей и П. Барлоу внесли в историю своё видение этого процесса. Изобретателем электромотора по праву принято считать Б. С. Якоби, ведь именно ему удалось изготовить устройство с вращающимся якорем, которое можно было применить на практике. Хотя первый двигатель был маломощным, но следующий уже приводил в движение лодку.

Устройство ДПТ

Основными частями электрической машины постоянного тока являются магниты и обмотка. К вспомогательным частям относятся корпус, сердечник, вал, коллектор, щёточный механизм. Все эти детали имеют своё назначение.

Сердечники подвижной и неподвижной частей изготавливаются не из целостной конструкции, а из листов электротехнической стали. Эта особенность строения даёт возможность практически устранить вихревые токи.

Прямой обязанностью коллектора является преобразование переменного тока, который вырабатывается в обмотке якоря, в постоянный. Коллектор — узел, характерный именно для машин постоянного тока. Но он одновременно и самый уязвимый, так как почти половина всех электромоторов выходит из строя в процессе работы именно по причине его поломки. Отсутствие коллектора в строении асинхронной или синхронной машины улучшает её надёжность. Это преимущество сохраняется как для трехфазных, так и для однофазных машин переменного тока.

Управление двигателем постоянного тока подразумевает изменение скорости его вращения, ведь основной его задачей является приведение в ход рабочих механизмов. Скорость вращения можно изменять тремя методами:

  • изменением напряжения, которое подводится;
  • изменением сопротивления в цепи якоря;
  • изменением магнитного потока в цепи возбуждения.

Классификация моторов ПТ

Различия между видами электромоторов заключаются в типе магнитов и способе возбуждения. Магниты могут быть как постоянными, так и электромагнитами. Преимущества постоянного магнита (в отличие от электромагнита):

  • компактность;
  • не требует источника энергии для работы.

Недостатками являются невозможность регулировки силы магнитного потока и размагничивание с течением времени.

Вид возбуждения ДПТ зависит от места присоединения обмотки полюсов. В связи с этим различают независимое возбуждение мотора (обмотка возбуждения питается от постороннего источника) и самовозбуждение (обмотка возбуждения присоединена к обмотке якоря). Двигатели с самовозбуждением носят более короткие названия:

  • шунтовые (параллельное соединение обмоток);
  • сериесные (последовательное соединение обмоток);
  • компаундные (смешанное соединение обмоток).

Электромоторы применяются в различных областях промышленности и сельского хозяйства, а также бытовых установках. Их разнообразие велико. Основные типы ДПТ:

  • традиционного назначения;
  • специального назначения.

Особенности работы вентильных двигателей

Вентильные двигатели относятся к электрическим машинам специального назначения. Своим названием они обязаны применению в них устройств для выпрямления тока — вентилей. Достоинства вентильных электродвигателей:

  • изменение скорости вращения в широких пределах;
  • более высокий коэффициент полезного действия из-за уменьшения магнитных потерь вследствие малого магнитного сопротивления;
  • даже при пиковой нагрузке рабочие характеристики довольно неплохи.

Наряду с преимуществами, они имеют и некоторые недостатки. Но значение их не велико. Основными являются:

  • шумность;
  • управление требует определённой квалификации обслуживающего персонала;
  • высокая цена.

Области применения их различны: на производстве по добыче нефти, в химической промышленности и установках для бурения скважин.

Основная разница между вентильным и обычным двигателем заключается в конструкции. У вентильного нет некоторых привычных частей конструкции: коллектора и щёточного механизма. Вместо этого установлен коммутатор (инвертор), с помощью которого осуществляется управление вентильным двигателем. На инвертор поступает сигнал от датчика положения ротора.

Датчиками положения ротора могут быть трансформаторные или индуктивные бесконтактные элементы. Наиболее распространёнными являются датчики электродвижущей силы Холла. Такое устройство состоит из небольшой пластины полупроводникового материала. На ней находятся контактные звенья, к которым припаяны выводы, соединённые с источником питания. Выводы выходного сигнала также припаиваются к соответствующим звеньям пластины. Требованиями к датчикам положения ротора являются:

  • компактность;
  • минимальное значение мощности на входе;
  • большая кратность сигнала как максимального, так и минимального;
  • надёжная работа при любых условиях окружающей среды.

Коммутатор выполнен на полупроводниках. Его задача аналогична задаче щёточно-коллекторного узла в обычных двигателях и заключается в изменении направления тока. На сердечнике станины находится обмотка якоря, а на роторе — постоянный магнит. Такая конструкция устраняет возможность скольжения контакта на якоре.

У вентильного двигателя ток в фазах синусоидального вида. Возбуждение у него может быть двух видов:

  • электромагнитное;
  • магнитоэлектрическое.

При электромагнитном возбуждении обмотка возбуждения располагается на полюсах. Она подключается к сети благодаря контактным кольцам, размещённым на валу ротора. Таким образом, создание магнитного поля происходит электромагнитным путём.

В случае магнитоэлектрического возбуждения ни в цепи возбуждения, ни в якорной цепи скользящего контакта не будет. Постоянные магниты будут выступать в качестве полюсов. Эти двигатели называются бесколлекторными электродвигателями.

Свойства бесколлекторных приборов

Бесколлекторный двигатель постоянного тока (БДПТ) существенно отличается от вентильного двигателя. Его ток в фазах выглядит трапецеидально. БДПТ устроен более просто: широтно-импульсная модуляция заменена на коммутацию 120 или 180 градусов. Главными задачами безщеточного двигателя является точное положение ротора в необходимом промежутке и высокая скорость вращения.

Конструкция может быть двух видов: с магнитами на подвижной части (якоре) или неподвижной (статоре). В устройствах автоматики для охлаждения используются приводы с конструкцией магнитов на якоре. Характерной их особенностью является быстрое достижение высоких оборотов.

В системах оборудования для медицины распространено размещение магнитов на статоре. Эти микромашины называются высокомоментными двигателями. Скорость вращения у них не столь велика, но из-за отсутствия обмотки возбуждения и наличия постоянных магнитов они неплохо справляются с работой при перегрузках и сохраняют точность позиции в пространстве.

Сигнал на обмотки таких электромашин будет поступать от драйвера, задачей которого является управление вращающим моментом. Для того чтобы якорь повернулся на определённый угол, необходимо подать на нужные обмотки напряжение. Плавность вращения сохранить не удастся, но высокой скорости вращения добиться можно.

Разница между коллекторными и бесколлекторными двигателями состоит как в строении, так и в процессе работы. В контроллере коллекторные двигатели не нуждаются, а вот работа бесщеточного мотора без его участия недопустима. Достоинства бесщеточных двигателей:

  • возможность работы в условиях с различными характеристиками окружающей среды;
  • длительный срок использования;
  • надёжность в работе.

Недостатком является стоимость. Она довольно высока из-за наличия в строении полупроводникового коммутатора, постоянного магнита и чувствительных элементов.

Собрать вентильный или ДПТ своими руками — дело неблагодарное. Материалы, сложность работы и потраченное время будут стоить гораздо дороже, нежели потраченные средства на покупку двигателя заводского изготовления. Но надёжность и безопасность тоже будут в несколько раз выше.

Подбор этих электромашин необходимо проводить, опираясь на характеристики драйверов с каналами широтно-импульсной модуляции:

  • предельное напряжение при длительном использовании;
  • максимальная скорость вращения;
  • допустимая сила тока;
  • частота тока (обыкновенные устройства 7—8 кГц, более усовершенствованные модели — 16—32 кГц).

Главными звеньями при управлении бесколлекторным двигателем являются датчики положения. Сигнал с них передаётся на контроллер, и вследствие этого происходят переключения. Но возможна работа этих устройств и без датчиков. В этом случае играет роль перепад напряжения на обмотке, которая в определённый момент является нерабочей.

По количеству фаз многие моторы являются трехфазными, и для управления ими необходим дополнительный узел в устройстве — выпрямитель постоянного тока в трехфазный импульсный. Управление трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока также вызывает некоторые сложности из-за параллельного контроля нескольких параметров. Поскольку электрические машины устройства обратимые, то бесколлекторный мотор можно подключить как генератор.

Строение шагового типа оборудования

Разновидностью двигателей переменного тока специального назначения являются шаговые. Их иногда называют импульсными. Они относятся к синхронным электромоторам специального назначения. Принцип их работы состоит в том, что скачкообразные шаги на выходе получают благодаря импульсам напряжения на входе. Виды шаговых двигателей по виду ротора:

  • возбуждённые;
  • реактивные.

Строение устройства с активным ротором предполагает наличие в нём электромагнитов или постоянных магнитов. В двигателях с реактивным ротором обмотки возбуждения нет. Ротор изготавливается из магнитомягкого материала.

Обмотка управления находится на неподвижной части — статоре. По количеству фаз она может быть разной, но наиболее распространёнными являются трехфазные обмотки.

Принцип действия

Если у шагового двигателя на статоре имеется две пары полюсов с двумя обмотками управления, то его вращение будет зависеть от подачи напряжения на обмотку управления. При подаче сигнала на обмотку управления, которая находится на первой паре, ротор повернётся и займёт положение по ее оси. Когда на обмотке второй пары полюсов появится сигнал, ротору придётся занять положение между этими полюсами.

При отключении сигнала на обмотке первой пары и оставшемся сигнале на обмотке управления второй пары полюсов ротор повернётся на их ось. Таким образом, при вращении он как будто будет совершать шаги, поэтому и носит такое название. Шаги двигателя (угол поворота ротора) с двумя парами полюсов будут равняться 45 градусам. Система коммутации будет четырехтактной.

Для двухтактной системы коммутации при таком же количестве пар полюсов необходимо, чтобы сигнал поступал всегда только на одну определённую обмотку управления конкретной пары полюсов. Тогда и угол поворота ротора изменится и будет составлять 90 градусов.

Чтобы принцип работы шагового двигателя был понятен даже для чайников, необходимо обратить внимание на схему.

Ротор будет занимать положение в пространстве против той пары полюсов, на обмотке которой будет подано питание. Если же питание подано две на обмотки соседних полюсов, ротор займёт положение между ними. Чем меньше значение шага двигателя, тем точнее и устойчивее его работа.

Читать еще:  Что такое агрегатная замена двигателя

Для работы шагового двигателя необходим коммутатор. Его задачей является превращение импульсов управления определённой последовательности в прямоугольные импульсы в системе с необходимым количеством фаз.

При большой нагрузке на двигатель точность поворота ротора будет нарушена. Он будет поворачиваться с некоторым отставанием, которое является углом статической ошибки. При холостом ходе шагового двигателя значение угла статической ошибки равно нулю.

Так как скорость протекания процессов работы обратно пропорциональна сопротивлению управляющих обмоток, то для того, чтобы ускорить вращение ротора, применяются резисторы. Их присоединяют последовательно в цепь управляющих обмоток статора. Оценивают экономичность работы по основному показателю — значению мощности на входе.

ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Уразбахтин Р.Р.

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Аннотация

В данной статье объясняется преимущество использования электродвигателей на беспилотных летательных аппаратах перед использованием двигателей внутреннего сгорания. Также в статье указываются особенности конструирования силовой установки, состоящей из электродвигателей, для беспилотных летательных аппаратов, функционирующих на высотах около восемнадцати тысяч метров, и рассматриваются преимущества и недостатки бесколлекторных электродвигателей, которые на сегодняшний день чаще всего применяются на беспилотных летательных аппаратах.

Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты, электродвигатели, силовая установка, бесколлекторные электродвигатели.

Urazbakhtin R.R.

Ufa State Aviation Technical University

ENGINES FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES

Abstract

This article explains the advantage of using electric motors for unmanned aerial vehicles before the use of internal combustion engines. The article also identifies the features of construction of the propulsion system consisting of electric motors for unmanned aerial vehicles, operating at altitudes of about eighteen thousand meters, and discusses the advantages and disadvantages of brushless motors, which today are most often used on unmanned aerial vehicles.

Keywords: unmanned aerial vehicles, electric motors, propulsion system, brushless motors.

На данный момент остается актуальной проблема создания беспилотного летательного аппарата (БПЛА) без двигателя внутреннего сгорания, который обладал бы аналогичными техническими характеристиками, при этом превосходя свой аналог по некоторым параметрам. Такой аппарат должен соответствовать высоким требованиям маневренности, скорости полета и надежности.

Существующие образцы такого рода БПЛА несовершенны. Их основными недостатками являются:

  1. низкая скорость полета;
  2. сложная система управления полетом;
  3. высота полета около 8-12 тысяч метров;
  4. небольшой вес полезной нагрузки, устанавливаемой на БПЛА.

В настоящее время приведенные выше проблемы можно решить, если для БПЛА правильно подобрать электродвигатели и систему управления электродвигателями.

Применение электродвигателей на БПЛА обусловлено рядом причин. Во-первых, у современных электродвигателей высокий коэффициент полезного действия (в случае применения бесколлекторного двигателя фактически может достигать 95%). Во-вторых, электродвигатели весят значительно меньше, чем аналогичные по характеристикам двигатели внутреннего сгорания. Более того, к электродвигателю не требуется подводить топливо для обеспечения его функционирования. Это расширяет возможности конструирования БПЛА, ведь не требуется предусматривать размещение в корпусе БПЛА топливопроводов. Стоит отметить, что электродвигатель и система его питания (аккумуляторная батарея) менее взрывоопасна, чем аналогичная система с двигателем внутреннего сгорания. В-третьих, электродвигатели практически не испускают теплового излучения, поэтому БПЛА с электродвигателями трудно обнаружить тепловым радаром. Это расширяет возможности его применения в разведывательных целях.

В большинстве случаев предполагается, что БПЛА будет функционировать на высоте около 18000 тысяч метров, для того чтобы исключить возможность взаимодействия БПЛА с судами гражданской авиации. В результате испытаний одного из современных БПЛА были выявлены некоторые особенности полета данного аппарата на рассматриваемых высотах.

Изначально компания ARCA предполагала оснащать свои БПЛА AirStrato двумя электрическими двигателями. В ходе испытаний были сделаны выводы о недостаточной мощности применяемой силовой установки. В дальнейшем прототип получил четыре электродвигателя, что также оказалось недостаточным для функционирования на высоте 18 тысяч метров. Последний опытный образец БПЛА, а после него и другие модификации родственных БПЛА, получили силовую установку с шестью электродвигателями. В настоящее время БПЛА этой фирмы Explorer и Pioneer, практически готовые к серийному производству, планируется оснащать шестью электродвигателями Robbe 8085/10, которые предусмотрено расположить у задней кромки крыла. На этих двигателях устанавливаются толкающие винты.

По данным, полученным в результате испытаний прототипов БПЛА AirStrato, причиной для доработок силовой установки стала специфика работы воздушных винтов на больших высотах. Мощность электрических двигателей, установленных на опытных образцах, не зависит от высоты полета БПЛА. При полете на высоте до 9 тысяч метров воздушные винты сохраняют свою эффективность. То есть, фактические характеристики БПЛА на высотах до 9 тысяч метров совпадают с расчетными характеристиками. При дальнейшем увеличении высоты эффективность винтов заметно падает. Таким образом, для обеспечения требуемых характеристик при полете на высоте, близкой к максимально возможной, БПЛА должен оснащаться большим количеством электродвигателей с толкающими винтами.

БПЛА, в которых в качестве силовой установки используются электродвигатели, питающиеся от аккумуляторов, являются перспективной разработкой с точки зрения экологии. Объясняется это тем, что при функционировании таких БПЛА не происходит вредных выбросов в атмосферу, обусловленных сгоранием топлива.

Преимущество использования электродвигателей на БПЛА заключается также в том, что существует возможность обеспечить питание электродвигателей за счет энергии, накапливаемой солнечными батареями. На данный момент в пример такого БПЛА можно привести БПЛА «Сова», разработанный компанией «Тайбер». Построенные по подобной схеме БПЛА в дальнейшем смогут совершать полеты, длительность которых будет ограничена лишь техническим состоянием БПЛА.

Стоит обратить внимание на то, что если у БПЛА электродвигатели располагаются на крыльях возможно применение технологии «гибкое крыло». Особенностью такой технологии является то, что на крыле отсутствую привычные механизмы, отвечающие за изменение направления полета БПЛА и контроль скорости полета БПЛА. Маневрирование и изменение скорости БПЛА (например, при посадке) осуществляется за счет изменения геометрии крыла. Преимущество данной технологии заключается в том, что при маневрировании или изменении скорости крыло сохраняет обтекаемую форму. Применение технологии «гибкое крыло» трудноосуществимо при использовании двигателей внутреннего сгорания, ведь при установке двигателей внутреннего сгорания на крыле необходимо обеспечить к ним подвод топлива. При использовании «гибкого крыла» подвести топливо к двигателю, расположенному на крыле, практически не осуществимая задача. Если в таком случае использовать электродвигатель, работающий за счет того, что на него по проводам подается электрический ток от аккумулятора, трудностей для использования «гибкого крыла» не будет.

Стоит остановиться на том, какие конкретно электродвигатели применяются на современных БПЛА.

В применении на БПЛА широкое распространение получили бесколлекторные электродвигатели. Бесколлекторные электродвигатели также называют вентильными.

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Стоит отметить, что в коллекторном двигателе обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор – элемент электродвигателя с постоянными магнитами, статор –элемент двигателя, на котором располагаются обмотки. Управление бесколлекторным электродвигателем на БПЛА осуществляется за счет электронного регулятора.

Использование бесколлекторного электродвигателя на БПЛА обусловлено рядом причин. В конструкции бесколлекторного электродвигателя отсутствует коллектор, за счет чего конструкция электродвигателя существенно упрощается. В связи с этим бесколлекторный электродвигатель также обладает меньшими весом и размером, чем аналогичный электродвигатель с коллектором. У бесколлекторного электродвигателя выше коэффициент полезного действия и показатель мощности на килограмм собственного веса, чем у электродвигателя с коллектором. Более того у бесколлекторного электродвигателя шире диапазон скорости вращения винтов, что обеспечивает более широкие возможности для пилотирования БПЛА и соответственно обуславливает расширение характеристик БПЛА. Немаловажно для БПЛА то, что фактически бесколлекторные электродвигатели греются меньше, чем электродвигатели с коллекторами. Бесколлекторные электродвигатели практически не создают радиопомех и соответственно практически не влияют на функционирование бортового оборудования.

Преимуществом бесколлекторного электродвигателя также является то, что он может быть намного меньших размеров, чем электродвигатель с коллектором, потому что возможно применение мощных и небольших неодимовых магнитов на роторе.

Единственным недостатком бесколлекторного электродвигателя считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (электронный регулятор), за счет которого происходит управление количеством оборотов двигателя.

За счет того, что у бесколлекторного электродвигателя высокий коэффициент полезного действия, достигается большая продолжительность полёта БПЛА. Высокие значения крутящего момента бесколлекторного электродвигателя позволяют отказаться от использования редуктора и обеспечивают возможность использования непосредственного соединения двигателя и пропеллера, что способствует уменьшению веса БПЛА и соответственно позволяет устанавливать на БПЛА больше дополнительного оборудования.

Как было сказано ранее, бесколлекторные электродвигатели не имеют коллектора, точнее щеточно-коллекторного узла, в котором щетки и пластины коллектора непрерывно размыкаются, что вызывает искрение, приводящее к потерям и создающее радиопомехи. Коэффициент полезного действия бесколлекторных электродвигателей выше, чем у электродвигателей с коллектором потому, что в электродвигателе с коллектором щётки постоянно трутся о коллектор, изнашиваются и подгорают, ухудшая токопропускную способность щеточно-коллекторного узла, что влечёт за собой уменьшение мощности двигателя. Стоит отметить, что часть мощности электродвигателя с коллектором тратится на преодоление трения между щётками и коллектором. Отсутствие щеточно-коллекторного узла у бесколлекторного двигателя позволяет на практике достичь значения коэффициента полезного действия 95%. Отсутствие щёток и коллектора упрощают обслуживание двигателя, в связи с тем что отсутствует необходимость периодически менять щётки и чистить коллектор используемого электродвигателя. Ресурс бесколлекторного двигателя в основном зависит от подшипников ротора. За счет этого достигается высокая надёжность двигателя.

На сегодняшний день существует большое количество бесколлекторных электродвигателей, поэтому существует возможность подобрать электродвигатель для данного БПЛА, соответствующий желаемым характеристикам БПЛА. То есть бесколлекторный электродвигатель для БПЛА подбирается исходя из предполагаемых массы БПЛА, скорости полета, длительности полета, энергопотребления бесколлекторного электродвигателя и размеров бесколлекторного электродвигателя (обуславливаются конструкцией БПЛА).

Читать еще:  Mazda demio dy5w какой двигатель

Итак, в настоящее время ведется разработка БПЛА, которые смогут выполнять определенные задачи, не представляя при этом опасности для жизни человека. На этих БПЛА разумна установка бесколлекторных электродвигателей, потому что они во многом превосходят существующие двигатели внутреннего сгорания с аналогичными характеристиками. Более того, бесколлекторные электродвигатели расширяют возможности для дальнейшего проектирования БПЛА и позволяют создавать БПЛА, способные функционировать на желаемых высотах желаемое количество времени.

Список литературы / References

  1. Уразбахтин Р. Р. Беспилотные летательные аппараты на солнечных батареях / Р. Р. Уразбахтин // Электротехнические комплексы и системы. – 2016. – С. 85–88.
  2. Микеров А. Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности: Учебное пособие / А. Г. Микеров. – Санкт-Петербург : СПбГЭТУ, 1997. – 64 с.
  3. Полковников В. А. Электропривод летательных аппаратов : учебное пособие для авиационных вузов / В. А. Полковников, Б. И. Петров, С. Е. Рывкин. – 3-е изд. – Москва: МАИ, 2009. – 304 с.
  4. Кацман М. М. Электрические машины / М. М. Кацман. – 2-е изд. — М.: Высшая школа, 1990. — 463 с.
  5. Рэндал У. Биард Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика / У. Биард Рэндал, У. МакЛэйн Тимоти. — Москва: Техносфера, 2015. — 312 с.
  6. ARCA Space Corporation [Электронный ресурс] – URL: http://www.arcaspace.com/ (дата обращения: 20.01.2017).
  7. Defence Blog [Электронный ресурс] – URL: http://defence-blog.com/ (дата обращения: 21.01.2017).
  8. Проект беспилотных летательных аппаратов ARCA AirStrato (Румыния/США) [Электронный ресурс] – URL: https://topwar.ru/74192-proekt-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov-arca-airstrato-rumyniya-ssha.html (дата обращения: 21.01.2017).

Список литературы на английском языке / References in English

avtoexperts.ru

Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало толчок к производству автомобилей, передвигающихся на жидком виде топлива. Двигатели эти на протяжении всей истории автомобилестроения эволюционировали: появлялись различные конструкции моторов. Одной из прогрессивных, но так и не получивших распространение конструкций двигателей стал роторно-поршневой агрегат. Об особенностях этого типа двигателя, его достоинствах и недостатках мы поговорим в сегодняшнем материале.

История

Разработчиком роторно-поршневого двигателя стал дуэт инженеров компании NSU – Феликс Ванкель и Вальтер Фройде. И хотя основная роль в создании роторного двигателя принадлежит именно Фройде (второй участник проекта в это время работал над конструкцией иного двигателя), в автомобильной среде силовой агрегат известен как мотор Ванкеля.

Эта силовая установка была собрана и испытана в 1957 году. Первым автомобилем, на который установили роторно-поршневой двигатель, стал спорткар NSU Spider, который развивал скорость 150 км/час при мощности мотора 57 лошадиных сил. Производилась эта модель на протяжении трех лет (1964-1967 годы).

По настоящему массовым автомобилем с роторным двигателем стало второе детище компании NSU – седан Ro-80.

В названии автомобиля указывалось, что модель оснащается роторным агрегатом. Впоследствии роторные двигатели устанавливались на автомобили Citroen (GS Birotor), Mercedes-Benz (С111), Chevrolet (Corvette), ВАЗ (21018) и так далее. Но самый массовый выпуск моделей с роторным двигателем был налажен японской компанией Mazda. Начиная с 1964 года, компания произвела несколько автомобилей с подобным типом силовой установки, а пионером в этом деле стала модель Cosmo Sport. Самая известная модель с роторно-поршневым двигателем, которая выпускалась этим производителем – RX (Rotor-eXperiment). Производство последней модели из этого семейства, Mazda RX8 в специальной версии Spirit R, было свернуто в середине 2012 года. Впрочем, не все экземпляры роторной «восьмерки» еще распроданы – официальный дилер Mazda в Индонезии еще продает эти автомобили.

Устройство

Особенностью роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания стало присутствие в его конструкции трехгранного ротора – поршня. Он вращается в цилиндре, который имеет специальную форму. Ротор насажен на вал, и соединен с зубчатым колесом, которое, в свою очередь, имеет сцепление со статором – шестерней. Ротор вращается вокруг статора по так называемой эпитрохоидальной кривой, его лопасти попеременно перекрывают камеры цилиндра, в которых происходит сгорание топлива.

В конструкции роторного двигателя отсутствует газораспределительный механизм – его функцию выполняет сам ротор, который при помощи своих лопастей распределяет поступающую горючую смесь и выпускает отработанные в цилиндре газы. Подобная конструкция двигателя позволяет обойтись без множества узлов, крайне необходимых для простого поршневого двигателя (например, коленчатый вал, шатуны), что, во-первых, позволяет уменьшить размер и массу силового агрегата, а во-вторых – уменьшить стоимость его производства.

Достоинства и недостатки

Роторно-поршневой двигатель не зря привлек внимание многих именитых автомобильных компаний. Его конструкция и принцип действия позволяли получить несколько довольно весомых преимуществ перед обычными двигателями.

Во-первых, роторно-поршневой мотор в силу своей конструкции обладал лучшей среди остальных типов силовых установок сбалансированностью, и был подвержен минимальным вибрациям.

Во-вторых, у этой силовой установки отмечались отменные динамические характеристики: без существенной нагрузки на двигатель, авто с роторно-поршневым мотором легко можно разогнать до 100 км/час и более на низкой передаче при высоких оборотах двигателя.

В-третьих, роторный двигатель компактнее и легче, чем стандартный поршневой силовой агрегат. Эта особенность позволяла конструкторам добиться практически идеальной развесовки по осям, что влияло на устойчивость автомобиля на дороге.

В-четвертых, в нем используется намного меньшее количество узлов и агрегатов, чем в обычном двигателе.

Наконец, в-пятых, роторный двигатель обладает высокой удельной мощностью.

Недостатки

К минусам роторно-поршневого двигателя, из-за которых он так и не смог получить массового применения и не используется сегодня в автомобилях всех брендов, относится, во-первых, большой расход топлива на низких оборотах. На некоторых моделях он достигает 20 литров на 100 км пробега, что, согласитесь, совсем не экономично и бьет по карману владельца авто с роторным двигателем.

Во-вторых, недостатком этого типа двигателей является сложность изготовления его деталей: чтобы ротор правильно прошел эпитрохоидальную кривую, необходима высокая геометрическая точность при создании как самого ротора, так и цилиндра. Для этого производители роторных двигателей используют высокоточное и дорогостоящее оборудование, а стоимость производства закладывают в цену автомобиля.

В-третьих, роторный двигатель склонен к перегреву из-за особенности конструкции камеры сгорания: она имеет линзовидную форму, а не сферическую, как у обычных поршневых моторов. Топливная смесь, сгорая в такой камере, превращается в тепловую энергию, которая расходуется в большей части неэффективно – ее избыток нагревает цилиндр, что в конечном итоге приводит к износу и выходу его из строя.

В-четвертых, высокий износ уплотнителей между форсунками ротора из-за перепадов давления в камерах сгорания двигателя. Именно поэтому ресурс таких двигателей составляет 100-150 тысяч км, после чего, как правило, требуется капитальный ремонт силового агрегата.

В-пятых, роторно-поршневой двигатель нуждается в своевременной и четко соблюдаемой процедуре смены моторного масла: мотор потребляет примерно 600 мл моторного масла на 1000 км, так что менять его приходится раз в 5000 км пробега. Если его вовремя не заменить, это чревато выходом из строя узлов и агрегатов мотора, что повлечет за собой дорогостоящий ремонт. То есть, к эксплуатации и обслуживанию роторно-поршневых двигателей следует подходить более ответственно, чем к обслуживанию обычных моторов, вовремя проводя их техническое обслуживание и капитальный ремонт.

Роторный двигатель: орел и решка

В 1957 году немецкие инженеры Феликс Ванкель и Вальтер Фройде продемонстрировали первый работоспособный роторный двигатель. Уже через семь лет его усовершенствованная версия заняла место под капотом немецкого спорткара «NSU-Спайдер» — первого серийного автомобиля с таким мотором. На новинку купились многие автомобильные компании — «Мерседес-Бенц», «Ситроен», «Дженерал моторс». Даже ВАЗ многие годы мелкими партиями выпускал машины с двигателями Ванкеля. Но единственной компанией, которая решилась на крупносерийное производство роторных двигателей и не отказывалась от них долгое время, несмотря ни на какие кризисы, стала «Мазда». Ее первая модель с роторным мотором — «Космо Спортс (110S)» — появилась еще в 1967 году.

ЧУЖОЙ СРЕДИ СВОИХ

В чем сходство и отличие роторного двигателя от привычного поршневого собрата? Попробуем разобраться на примере одной из его последних версий 13B-MSP, которую ставили на «Мазду RX‑8».

В поршневом моторе энергия сгорания топливовоздушной смеси сначала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршневой группы, а уже затем во вращение коленчатого вала. В роторном же двигателе это происходит без промежуточной ступени, а значит, с меньшими потерями.

rotor1

Есть две версии бензинового 1,3‑литрового атмосферника 13B-MSP с двумя роторами (секциями) — стандартной мощности (192 л.с.) и форсированная (231 л.с.). Конструктивно это бутерброд из пяти корпусов, которые образуют две герметичные камеры. В них под действием энергии сгорания газов вращаются роторы, закрепленные на эксцентриковом валу (подобие коленчатого). Движение это весьма хитрое. Каждый ротор не просто вращается, а обкатывается своей внутренней шестерней вокруг стационарной шестерни, закрепленной по центру одной из боковых стенок камеры. Эксцентриковый вал проходит сквозь весь бутерброд корпусов и стационарные шестерни. Ротор движется таким образом, что на каждый его оборот приходится три оборота эксцентрикового вала.

В роторном моторе осуществляются те же циклы, что и в четырехтактном поршневом агрегате: впуск, сжатие, рабочий такт и выпуск. При этом в нем нет сложного механизма газораспределения — привода ГРМ, распредвалов и клапанов. Все его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках (корпусах) — и сам ротор, который, вращаясь, открывает и закрывает «окна».

Принцип работы роторного двигателя показан на схеме. Для простоты приведен пример мотора с одной секцией — вторая функционирует так же. Каждая боковая сторона ротора образует со стенками корпусов свою рабочую полость. В положении 1 объем полости минимален, и это соответствует началу такта впуска. По мере вращения ротор открывает впускные окна и в камеру всасывается топливовоздушная смесь (позиции 2–4). В положении 5 рабочая полость имеет максимальный объем. Далее ротор закрывает впускные окна и начинается такт сжатия (позиции 6–9). В положении 10, когда объем полости вновь минимален, происходит воспламенение смеси с помощью свечей и начинается рабочий такт. Энергия сгорания газов вращает ротор. Расширение газов идет до положения 13, а максимальный объем рабочей полости соответствует позиции 15. Далее, до положения 18, ротор открывает выпускные окна и выталкивает отработавшие газы. Затем цикл начинается снова.

Читать еще:  Что такое пальчики в двигателе

rotor2

Остальные рабочие полости работают так же. А поскольку полостей три, то за один оборот ротора происходит аж три рабочих такта! А учитывая, что эксцентриковый (коленчатый) вал вращается в три раза быстрее ротора, на выходе получаем по одному рабочему такту (полезная работа) на один оборот вала для односекционного мотора. У четырехтактного поршневого двигателя с одним цилиндром это соотношение в два раза ниже.

По соотношению числа рабочих тактов на оборот выходного вала двухсекционный 13B-MSP похож на привычный четырехцилиндровый поршневой мотор. Но при этом с рабочего объема 1,3 л он выдает примерно столько же мощности и крутящего момента, сколько поршневой с 2,6 л! Секрет в том, что движущихся масс у роторного мотора в несколько раз меньше — вращаются только роторы и эксцентриковый вал, да и то в одну сторону. У поршневого же часть полезной работы уходит на привод сложного механизма ГРМ и вертикальное движение поршней, которое постоянно меняет свое направление. Еще одна особенность роторного мотора — более высокая стойкость к детонации. Именно поэтому он перспективнее для работы на водороде. В роторном двигателе разрушительная энергия аномального сгорания рабочей смеси действует только в направлении вращения ротора — это следствие его конструкции. А у поршневого мотора она направлена в противоход движению поршня, что и вызывает плачевные последствия.

Двигатель Ванкеля: НЕ ВСЁ ТАК ПРОСТО

Хотя у роторного мотора и меньше элементов, чем у поршневого, в нем применены более хитрые конструктивные решения и технологии. Но между ними можно провести параллели.

rotor3

Боковые корпусы — из специального чугуна. В каждом есть впускные и выпускные окна. А на крайних (переднем и заднем) закреплены стационарные шестерни. У моторов предыдущих поколений эти окна были в статоре. То есть в новой конструкции увеличили их размер и количество. За счет этого улучшились характеристики впуска и выпуска рабочей смеси, а на выходе — КПД двигателя, его мощность и топливная экономичность. Боковые корпусы в паре с роторами по функционалу можно сравнить с механизмом ГРМ поршневого мотора.

Ротор — по сути, тот же самый поршень и одновременно шатун. Изготовлен из специального чугуна, пустотелый, максимально облегчен. На каждой его стороне есть кюветообразная камера сгорания и, конечно же, уплотнители. Во внутреннюю часть вставлен роторный подшипник — своего рода шатунный вкладыш коленчатого вала.

Если привычный поршень обходится всего тремя кольцами (два компрессионных и одно маслосъемное), то у ротора подобных элементов в несколько раз больше. Так, апексы (уплотнения вершин ротора) играют роль первых компрессионных колец. Они изготовлены из чугуна с электронно-лучевой обработкой — для повышения износостойкости при контакте со стенкой статора.

Апексы состоят из двух элементов — основного уплотнителя и уголка. К стенке статора их прижимает пружина и центробежная сила. Роль вторых компрессионных колец играют боковые и угловые уплотнения. Они обеспечивают газоплотность контакта ротора и боковых корпусов. Как и апексы, к стенкам корпусов они прижимаются своими пружинами. Боковые уплотнители металлокерамические (на них приходится основная нагрузка), а угловые сделаны из специального чугуна. А еще есть изолирующие уплотнения. Они препятствуют перетеканию части отработавших газов во впускные окна через зазор между ротором и боковым корпусом. На обеих сторонах ротора есть и подобие маслосъемных колец — масляные уплотнения. Они задерживают масло, подаваемое в его внутреннюю полость для охлаждения.

Система смазки тоже изощренная. Она имеет минимум один радиатор для охлаждения масла при работе мотора на больших нагрузках и несколько видов масляных форсунок. Одни встроены в эксцентриковый вал и охлаждают роторы (по сути, похожи на форсунки охлаждения поршней). Другие встроены в статоры — по паре на каждый. Форсунки расположены под углом и направлены на стенки боковых корпусов — для лучшей смазки корпусов и боковых уплотнений ротора. Масло попадает в рабочую полость и смешивается с топливовоздушной смесью, обеспечивая смазку остальных элементов, и сгорает вместе с ней. Поэтому важно использовать только минеральные масла или одобренную производителем специальную полусинтетику. Неподходящие виды смазки при сгорании дают большое количество углеродных отложений, а это приводит к детонации, пропускам зажигания и снижению компрессии.

Топливная система довольно проста — за исключением количества и расположения форсунок. Две — перед впускными окнами (по одной на ротор), еще столько же — во впускном коллекторе. В коллекторе форсированного мотора на две форсунки больше.

Камеры сгорания очень длинные, и, чтобы сгорание рабочей смеси было эффективным, пришлось применить по две свечи на каждый ротор. Они отличаются друг от друга длиной и электродами. Во избежание неправильной установки на провода и свечи нанесены цветные метки.

НА ДЕЛЕ

Ресурс мотора 13B-MSP составляет примерно 100 000 км. Как ни странно, он страдает теми же проблемами, что и поршневой.

Первым слабым звеном кажутся уплотнения ротора, которые испытывают сильный нагрев и высокие нагрузки. Это действительно так, но прежде естественного износа их прикончат детонация и выработка подшипников эксцентрикового вала и роторов. Причем страдают только торцевые уплотнения (апексы), а боковые изнашиваются крайне редко.

Детонация деформирует апексы и их посадочные места на роторе. В результате вдобавок к снижению компрессии уголки уплотнений могут вывалиться и повредить поверхность статора, который не подлежит обработке. Расточка бесполезна: во‑первых, сложно найти нужное оборудование, а во‑вторых, запчастей под увеличенный размер просто нет. Не подлежат ремонту и роторы при повреждении пазов под апексы. Как водится, корень беды — в качестве топлива. Честный 98‑й бензин найти не так уж просто.

Быстрее всего изнашиваются коренные вкладыши эксцентрикового вала. Видимо, из-за того, что он вращается в три раза быстрее роторов. В результате роторы получают смещение относительно стенок статора. А вершины роторов должны быть равноудалены от них. Рано или поздно уголки апексов выпадают и задирают поверхность статора. Эту беду никак не предугадать — в отличие от поршневого мотора, роторный практически не стучит даже при износе вкладышей.

У форсированных наддувных моторов бывают случаи, когда из-за очень бедной смеси апекс перегревается. Пружина под ним выгибает его — в результате компрессия значительно падает.

Вторая слабинка — неравномерный нагрев корпуса. Верхняя часть (здесь протекают такты впуска и сжатия) холоднее, чем нижняя (такты сгорания и выпуска). Однако корпус деформируется только у форсированных наддувных моторов мощностью более 500 л.с.

Как и следовало ожидать, мотор очень чувствителен к типу масла. Практика показала, что синтетические масла, пусть и специальные, образуют при сгорании очень много нагара. Он накапливается на апексах и снижает компрессию. Нужно использовать минеральное масло — оно сгорает почти бесследно. Сервисмены рекомендуют менять его через каждые 5000 км.

Масляные форсунки в статоре выходят из строя в основном из-за попадания грязи во внутренние клапаны. Атмосферный воздух проникает в них через воздушный фильтр, и несвоевременная замена фильтра ведет к проблемам. Клапаны форсунок промывке не поддаются.

Проблемы с холодным пуском мотора, особенно в зимнее время, обусловлены потерей компрессии вследствие износа апексов и появления отложений на электродах свечей из-за некачественного бензина.

Свечей хватает в среднем на 15 000–20 000 км.

Вопреки расхожему мнению, производитель рекомендует глушить мотор как обычно, а не на средних оборотах. «Знатоки» уверены, что при выключении зажигания в рабочем режиме сгорают все остатки топлива и это облегчает последующий холодный пуск. По мнению сервисменов, толку от подобных ухищрений ноль. А вот действительно полезным для мотора будет хотя бы небольшой прогрев перед началом движения. С теплым маслом (не ниже 50º) его износ будет меньше.

При качественной дефектовке роторного двигателя и последующем ремонте он отходит еще 100 000 км. Чаще всего требуется замена статоров и всех уплотнений роторов — за это придется выложить не менее 175 000 рублей.

Несмотря на вышеперечисленные проблемы, в России хватает поклонников роторных машин — что уж говорить о других странах! Хотя сама «Мазда» сняла роторную «восьмерку» с производства и с ее наследницей пока не спешит.

Mazda RX-8: ТЕСТ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

В 1991 году «Мазда‑787В» с роторным мотором победила в гонке «24 часа Ле-Мана». Это была первая и единственная победа автомобиля с таким двигателем. Кстати, сейчас далеко не все поршневые моторы доживают до финиша в «длинных» гонках на выносливость.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector