Что такое ротор в двигателе: Роторный двигатель: принцип работы и устройство

Содержание

Роторный двигатель — Rotary engine

Le Rhône 9C мощностью 80 лошадиных сил (60 кВт) , типичный роторный двигатель Первой мировой войны. По медным трубам топливно-воздушная смесь проходит от картера к головкам цилиндров, действуя вместе как впускной коллектор . Мотоцикл Megola с роторным двигателем, установленным на переднем колесе

Роторный двигатель был ранний тип двигателя внутреннего сгорания , как правило , разработаны с нечетным числом цилиндров в ряд в радиальном конфигурации , в котором коленчатый вал оставался неподвижным в эксплуатации, при этом весь картере и подключенных к нему цилиндров вращающейся вокруг него как единое целое . Его основное применение было в авиации, хотя оно также использовалось и до своей основной роли в авиации, в нескольких ранних мотоциклах и автомобилях .

Этот тип двигателя широко использовался в качестве альтернативы обычным рядным двигателям ( прямым или V-образным ) во время Первой мировой войны и в годы, непосредственно предшествовавшие этому конфликту. Его описывают как «очень эффективное решение проблем выходной мощности, веса и надежности».

К началу 1920-х годов присущие этому типу двигателя ограничения сделали его устаревшим.

Описание

Различие между «роторными» и «радиальными» двигателями

Роторный двигатель — это, по сути, стандартный двигатель с циклом Отто , с цилиндрами, расположенными радиально вокруг центрального коленчатого вала, как и в обычном радиальном двигателе , но вместо фиксированного блока цилиндров с вращающимся коленчатым валом коленчатый вал остается неподвижным, а весь блок цилиндров вращается вокруг него. . В наиболее распространенной форме коленчатый вал был жестко прикреплен к планеру, а пропеллер просто привинчивался к передней части картера .

Анимация семицилиндрового роторного двигателя с порядком включения каждого второго поршня.

Эта разница также сильно влияет на конструкцию (смазка, зажигание, подача топлива, охлаждение и т. Д.) И функционирование (см. Ниже).

В музее Воздуха и Эспаса в Париже выставлена специальная «секционная» рабочая модель двигателя с семью радиально расположенными цилиндрами. Он чередует вращательный и радиальный режимы, чтобы продемонстрировать разницу между внутренними движениями двух типов двигателей.

Договоренность

Подобно «фиксированным» радиальным двигателям, роторные двигатели обычно строились с нечетным числом цилиндров (обычно 5, 7 или 9), чтобы можно было поддерживать постоянный порядок срабатывания каждого второго поршня для обеспечения плавной работы. Роторные двигатели с четным числом цилиндров были преимущественно «двухрядными».

Большинство роторных двигателей были расположены с цилиндрами, направленными наружу от одного коленчатого вала, в той же общей форме, что и радиальный, но были также роторные оппозитные двигатели и даже одноцилиндровые роторные.

Достоинства и недостатки

Три ключевых фактора способствовали успеху роторного двигателя в то время:

Плавный ход: роторы передают мощность очень плавно, потому что (относительно точки крепления двигателя) отсутствуют возвратно-поступательные части, а относительно большая вращающаяся масса картера / цилиндров (как блока) действует как маховик .
Улучшенное охлаждение: когда двигатель работал, вращающийся блок картер / цилиндр создавал свой собственный быстро движущийся охлаждающий воздушный поток , даже когда самолет неподвижен.
Преимущество в массе: роторные двигатели разделяют с другими двигателями радиальной конфигурации преимущество небольшого плоского картера. Превосходное воздушное охлаждение, обеспечиваемое движущимся двигателем, также означало, что цилиндры можно было делать с более тонкими стенками и более мелкими ребрами охлаждения. Их удельная мощность была улучшена по сравнению с двигателями, которым для плавной работы требовался дополнительный маховик.

Конструкторы двигателей всегда знали о многих ограничениях роторного двигателя, поэтому, когда двигатели в статическом стиле стали более надежными и обеспечили лучшие удельный вес и расход топлива, дни роторного двигателя были сочтены.

Роторные двигатели имели принципиально неэффективную систему смазки с полным объемом потерь масла . Чтобы достичь всего двигателя, смазочная среда должна попасть в картер через полый коленчатый вал; но центробежная сила вращающегося картера была прямо противоположна любой рециркуляции. Единственное практическое решение заключалось в том, чтобы смазка всасывалась топливно-воздушной смесью, как в большинстве двухтактных двигателей .
Увеличение мощности также сопровождалось увеличением массы и размеров, увеличивая гироскопическую прецессию от вращающейся массы двигателя. Это создавало проблемы с устойчивостью и управляемостью в самолетах, на которых были установлены эти двигатели, особенно для неопытных пилотов.
Выходная мощность все больше шла на преодоление сопротивления воздуха вращающегося двигателя.
Управление двигателем было сложным (см. Ниже) и приводило к потере топлива.

Bentley BR2 конца Первой мировой войны , как самый большой и самый мощный роторный двигатель, достиг точки, за которой этот тип двигателя не мог развиваться дальше, и он был последним в своем роде, принятым на вооружение Королевских ВВС.

Управление роторным двигателем

Моноупаковочные роторы

Часто утверждают, что роторные двигатели не имели дроссельной заслонки и, следовательно, мощность могла быть уменьшена только путем периодического отключения зажигания с помощью переключателя-переключателя . Это почти буквально относилось к типу «Monosoupape» (одноклапанный), который забирал большую часть воздуха в цилиндр через выпускной клапан, который оставался открытым в течение части хода поршня вниз. Таким образом, насыщенность смеси в цилиндре нельзя было контролировать через впускное отверстие картера. «Дроссельная заслонка» (топливный клапан) моносупапа обеспечивала лишь очень ограниченную степень регулирования скорости, так как его открытие делало смесь слишком богатой, а закрытие — слишком бедной (в любом случае быстро заглохнув двигатель или повредив цилиндры. ). Ранние модели отличались новаторской формой изменения фаз газораспределения в попытке дать больший контроль, но это привело к сгоранию клапанов, и поэтому от него отказались.

Единственным способом плавной работы двигателя Monosoupape на пониженных оборотах был переключатель, который изменял нормальную последовательность зажигания, так что каждый цилиндр запускался только один раз за два или три оборота двигателя, но двигатель оставался более или менее сбалансированным. Как и в случае чрезмерного использования переключателя «мигающий»: работа двигателя на такой настройке в течение слишком длительного времени приводила к появлению большого количества несгоревшего топлива и масла в выхлопе и их скоплению в нижнем кожухе, где это представляло печально известную опасность возгорания.

«Нормальные» роторы

Большинство роторных двигателей имели нормальные впускные клапаны, так что топливо (и смазочное масло) подавалось в цилиндры уже смешанным с воздухом — как в обычном четырехтактном двигателе. Хотя обычному карбюратору, способному поддерживать постоянное соотношение топливо / воздух в диапазоне открытия дроссельной заслонки, препятствовал вращающийся картер; можно было регулировать подачу воздуха через отдельную заслонку или «блочную трубку». Пилоту нужно было установить дроссельную заслонку на желаемую настройку (обычно полностью открытую), а затем отрегулировать топливно-воздушную смесь в соответствии с потребностями с помощью отдельного рычага «точной регулировки», который управлял клапаном подачи воздуха (в манере ручного управления воздушной заслонкой). . Из-за большой инерции вращения роторного двигателя можно было отрегулировать соответствующую топливно-воздушную смесь методом проб и ошибок, не останавливая ее, хотя это варьировалось для разных типов двигателей, и в любом случае требовалось много практики, чтобы получить необходимая сноровка. После запуска двигателя с известной настройкой, которая позволяла ему работать на холостом ходу, воздушный клапан открывался до достижения максимальной скорости двигателя.

Дросселирование работающего двигателя для снижения оборотов стало возможным путем закрытия топливного клапана в требуемое положение при повторной регулировке топливно-воздушной смеси в соответствии с требованиями. Этот процесс также был сложным, так что снижение мощности, особенно при приземлении, часто вместо этого выполнялось путем прерывания зажигания с помощью переключателя.

Резка цилиндров с использованием переключателей зажигания имела недостаток, заключающийся в том, что топливо продолжало проходить через двигатель, смазывая свечи зажигания и затрудняя плавный перезапуск. Кроме того, в кожухе может скапливаться неочищенная топливно-масляная смесь. Поскольку это могло вызвать серьезный пожар при отпускании переключателя, стало обычной практикой вырезать часть или всю нижнюю часть в основном круглого кожуха на большинстве роторных двигателей или снабдить дренажными пазами.

К 1918 году руководство Клерже советовало поддерживать весь необходимый контроль с помощью регуляторов подачи топлива и воздуха, а также запускать и останавливать двигатель, включая и выключая топливо. Рекомендуемая процедура посадки включала отключение топлива с помощью рычага подачи топлива, при этом выключатель оставался включенным. Ветряной винт заставлял двигатель продолжать вращаться, не передавая никакой мощности, когда самолет снижался. Было важно оставить зажигание включенным, чтобы свечи зажигания продолжали зажигать искру и не давали им смазываться, чтобы двигатель (если все пойдет хорошо) можно было перезапустить, просто повторно открыв топливный клапан. Пилотам посоветовали не использовать выключатель зажигания, так как это может привести к повреждению двигателя.

Пилоты уцелевших или воспроизводимых самолетов, оснащенных роторными двигателями, по-прежнему считают, что импульсный выключатель полезен при посадке, поскольку он обеспечивает более надежный и быстрый способ включения питания, если это необходимо, вместо риска внезапной остановки двигателя или отказа ветряной мельницы. двигатель перезапустить в самый неподходящий момент.

История

Просо

Мотоцикл Félix Millet 1897 года.

Феликс Милле продемонстрировал 5-цилиндровый роторный двигатель, встроенный в колесо велосипеда, на выставке Exposition Universelle в Париже в 1889 году. Милле запатентовал двигатель в 1888 году, поэтому его следует считать пионером роторного двигателя внутреннего сгорания. Машина, приводимая в движение его двигателем, участвовала в гонке Париж-Бордо-Париж 1895 года, и система была запущена в производство Darracq и компанией London в 1900 году.

Hargrave

Лоуренс Харгрейв впервые разработал роторный двигатель в 1889 году с использованием сжатого воздуха, намереваясь использовать его в полете с двигателем. Вес материалов и отсутствие качественной обработки не позволили ему стать эффективным силовым агрегатом.

Balzer

Стивен М. Бальцер из Нью-Йорка, бывший часовщик, сконструировал роторные двигатели в 1890-х годах. Его интересовала поворотная компоновка по двум основным причинам:

Для выработки 100 л.с. (75 кВт) на низких оборотах, на которых работали двигатели того дня, импульс, возникающий при каждом такте сгорания, был довольно большим. Чтобы гасить эти импульсы, двигателям требовался большой маховик , который увеличивал вес. В роторной конструкции двигатель действовал как собственный маховик, поэтому роторные двигатели могли быть легче обычных двигателей аналогичного размера.
Цилиндры имели хороший поток охлаждающего воздуха над ними, даже когда самолет находился в состоянии покоя, что было важно, поскольку низкая скорость самолета того времени обеспечивала ограниченный поток охлаждающего воздуха, а сплавы того времени были менее совершенными. Ранние конструкции Бальцера даже обходились без ребер охлаждения, хотя последующие роторы имели эту общую черту двигателей с воздушным охлаждением .

Бальцер произвел 3-цилиндровый автомобиль с роторным двигателем в 1894 году, а затем стал участвовать в попытках Лэнгли на аэродроме , в результате чего он обанкротился, когда он пытался сделать гораздо более крупные версии своих двигателей. Роторный двигатель Бальцера позже был преобразован в статический радиальный режим помощником Лэнгли, Чарльзом М. Мэнли , создав известный двигатель Мэнли-Бальцера .

Де Дион-Бутон

Знаменитая компания De Dion-Bouton произвела экспериментальный 4-цилиндровый роторный двигатель в 1899 году. Хотя он предназначался для использования в авиации, он не устанавливался ни на одном из самолетов.

Адамс-Фарвелл

Пятицилиндровый роторный двигатель Adams-Farwell адаптирован для экспериментов на вертолете

Автомобили фирмы Адамс-Фарвелл с первыми прокатными прототипами фирмы, использующими 3-цилиндровые роторные двигатели, разработанные Фэй Оливером Фарвелл в 1898 году, привели к производству автомобилей Адамс-Фарвелл сначала с 3-цилиндровыми, а вскоре после этого и с 5-цилиндровыми роторными двигателями. позже, в 1906 году, как еще один ранний американский автопроизводитель, использующий роторные двигатели, специально изготовленные для автомобильного использования. Эмиль Берлинер спонсировал разработку концепции 5-цилиндрового роторного двигателя Адамса-Фарвелла в качестве легкого силового агрегата для своих неудачных экспериментов с вертолетом. Позднее двигатели Адамса-Фарвелла приводили в действие самолеты с неподвижным крылом в США после 1910 года. Также утверждалось, что конструкция Gnôme была заимствована из Adams-Farwell, поскольку автомобиль Adams-Farwell, как сообщается, был продемонстрирован французской армии в 1904 г. В отличие от более поздних двигателей Gnôme и, как и более поздних авиационных роторных двигателей Clerget 9B и Bentley BR1, роторные двигатели Адамса-Фарвелла имели обычные выпускные и впускные клапаны, установленные в головках цилиндров.

Гном

Виды в разрезе движка Gnome

Двигатель Gnome — это работа трех братьев Сегенов, Луи, Лорана и Огюстена. Это были талантливые инженеры и внуки известного французского инженера Марка Сегена . В 1906 году старший брат Луи, он сформировал Сосьете де Moteurs Gnome построить стационарные двигатели для промышленного применения, имеющих лицензионное производство Гном одноцилиндровый стационарного двигателя от Motorenfabrik Oberursel -кто, в свою очередь, построенные лицензированные двигатели Gnome для немецких самолетов во время Первой мировой войны.

К Луи присоединился его брат Лоран, который разработал роторный двигатель специально для использования в самолетах с использованием цилиндров двигателя Gnom . Говорят, что первый экспериментальный двигатель братьев был 5-цилиндровым двигателем, который развивал 34 л.с. (25 кВт) и был скорее радиальным, чем роторным двигателем, но фотографии пятицилиндрового экспериментального образца не сохранились. Затем братья Сегуин обратились к роторным двигателям в интересах лучшего охлаждения, и первый в мире серийный роторный двигатель, 7-цилиндровый, с воздушным охлаждением, мощностью 50 л.с. (37 кВт) « Омега » был показан на Парижской автомобильной выставке 1908 года. Первый созданный Gnome Omega все еще существует и сейчас находится в коллекции Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики . Компания Seguins использовала самый прочный из доступных материалов — недавно разработанный сплав никелевой стали — и снизила вес за счет обработки деталей из твердого металла с использованием лучших американских и немецких станков для создания компонентов двигателя; Стенка цилиндра Gnome мощностью 50 л.с. имела толщину всего 1,5 мм (0,059 дюйма), в то время как шатуны были фрезерованы с глубокими центральными каналами для уменьшения веса. Несмотря на небольшую мощность в единицах мощности на литр, его удельная мощность составляла выдающиеся 1 л.с. (0,75 кВт) на кг.

В следующем, 1909 году, изобретатель Роджер Раво установил такой на свой Aéroscaphe , комбинированный самолет на подводных крыльях , который он участвовал в соревнованиях моторных лодок и авиации в Монако. Использование Генри Фарманом Gnome на знаменитом авиалайнере в Реймсе в том году принесло ему известность, когда он выиграл Гран-при за самое большое беспосадочное пролетное расстояние — 180 километров (110 миль) — а также установил мировой рекорд для длительный полет. Самый первый успешный полет на гидросамолете, из Анри Фабр «s Le Canard , было приведено в действие с помощью Gnome Omega 28 марта 1910 года близ Марселя .

Производство роторных двигателей Gnome быстро росло, и до Первой мировой войны было произведено около 4000 машин, и Gnome также произвела двухрядную версию (100-сильный Double Omega), более крупный 80-сильный Gnome Lambda и 160-сильный двухрядный Double Lambda. По стандартам других двигателей того периода, Gnome считался не особенно темпераментным и считался первым двигателем, способным проработать десять часов между капитальными ремонтами.

В 1913 году братья Сегуин представили новую серию Monosoupape («одинарный клапан»), в которой впускные клапаны в поршнях были заменены по одному клапану в каждой головке блока цилиндров, который выполнял функции впускного и выпускного клапана. Скорость двигателя контролировалась изменением времени открытия и степени открытия выпускных клапанов с помощью рычагов, воздействующих на ролики толкателя клапанов, от этой системы позже отказались из-за сгорания клапанов. Вес Monosoupape был немного меньше, чем у более ранних двухклапанных двигателей, и он использовал меньше смазочного масла. Monosoupape мощностью 100 л.с. был построен с 9 цилиндрами и развивал номинальную мощность при 1200 об / мин. В более позднем девятицилиндровом роторном двигателе Gnome 9N мощностью 160 л.с. использовалась конструкция клапана Monosoupape с добавлением коэффициента безопасности двойной системы зажигания , и он был последним известным роторным двигателем, в котором использовался такой формат клапана головки блока цилиндров.

Немецкий двигатель Oberursel U.III на выставке в музее

Роторные двигатели, производимые компаниями Clerget и Le Rhône, использовали обычные клапаны с толкателем в головке блока цилиндров, но использовали тот же принцип протяжки топливной смеси через коленчатый вал, при этом Le Rhônes имел выступающие медные впускные трубки, идущие от картера к картеру. верхней части каждого цилиндра, чтобы впустить впускной заряд.

Семицилиндровый двигатель Gnome мощностью 80 л.с. (60 кВт) был стандартом в начале Первой мировой войны, как Gnome Lambda, и быстро нашел свое применение в большом количестве конструкций самолетов. Он был настолько хорош, что получил лицензию от ряда компаний, включая немецкую фирму Motorenfabrik Oberursel, которая разработала оригинальный двигатель Gnom. Позднее Oberursel был куплен компанией Fokker , чья 80-сильная копия Gnome Lambda была известна как Oberursel U.0. Для французских Gnôme Lambdas, использовавшихся в самых ранних образцах бипланов Bristol Scout , не было ничего необычного , встретиться с немецкими версиями, использовавшимися в боях Fokker EI Eindeckers со второй половины 1915 года.

Единственные попытки производить двухрядные роторные двигатели в любом объеме были предприняты Gnome с их четырнадцатицилиндровым двигателем Double Lambda мощностью 160 л.с. и с клоном конструкции Double Lambda, созданным немецкой фирмой Oberursel в начале Первой мировой войны, U.III такой же мощности. В то время как в сентябре 1913 года на примере двойной лямбды один из гоночных самолетов Deperdussin Monocoque достиг мирового рекорда скорости почти 204 км / ч (126 миль / ч), известно, что на него был установлен только Oberursel U.III. в несколько немецких серийных военных самолетов, истребитель-моноплан Fokker E.IV и истребитель-биплан Fokker D.III , оба из которых не смогли стать успешными боевыми типами, отчасти из-за низкого качества немецкой силовой установки, которая была склонна к износу всего через несколько часов боевого полета.

Первая Мировая Война

Siemens-Гальске Sh.III сохранились в Technisches музее Wien (Вена Музей Technology). Этот двигатель использовался в некоторых типах немецких истребителей к концу Первой мировой войны.

Выгодное соотношение мощности к весу из роторы было их главное преимущество. В то время как более крупные и тяжелые самолеты полагались почти исключительно на обычные рядные двигатели, многие конструкторы истребителей предпочитали роторные вплоть до конца войны.

Роторные двигатели имели ряд недостатков, в частности, очень высокий расход топлива, частично из-за того, что двигатель обычно работал на полностью открытой дроссельной заслонке, а также из-за того, что фазы газораспределения часто были не идеальными. Расход масла тоже был очень высоким. Из-за примитивной карбюрации и отсутствия настоящего картера смазочное масло добавлялось в топливно-воздушную смесь. Это сделало пары двигателя тяжелыми из-за дыма от частично сгоревшего масла. Касторовое масло было предпочтительным смазочным материалом, так как его смазывающие свойства не зависели от наличия топлива, а его склонность к образованию смол не имела отношения к системе смазки с полным отсутствием смазки. Прискорбным побочным эффектом было то, что пилоты Первой мировой войны вдыхали и проглатывали значительное количество масла во время полета, что приводило к стойкой диарее . Летная одежда пилотов роторных двигателей обычно пропитывалась маслом.

Вращающаяся масса двигателя также превратила его в большой гироскоп . В горизонтальном полете эффект не был особенно заметен , но при повороте гироскопическая прецессия стала заметной. Из-за направления вращения двигателя повороты влево требовали усилия и происходили относительно медленно, в сочетании с тенденцией к подъему носа, в то время как повороты вправо были почти мгновенными с тенденцией к опусканию носа. В некоторых самолетах это может быть полезно в таких ситуациях, как воздушный бой. Сопвич верблюд пострадал до такой степени , что он требует левого руля для левых и правых поворотов, и может быть чрезвычайно опасным , если пилот применяется на полную мощность в верхней части петли на низких скоростях. Пилоты-стажеры Camel были предупреждены, что делать первые резкие повороты вправо следует только на высоте более 1000 футов (300 м). Самый известный немецкий враг верблюда, то Fokker Dr.I триплан , также используется ротационный двигатель, как правило , клон Oberursel Ur.II из французских сложенного Le Rhone 9J 110 л.с. силовой установки .

Еще до Первой мировой войны были предприняты попытки решить проблему инерции роторных двигателей. Еще в 1906 году Чарльз Бенджамин Редруп продемонстрировал Королевскому летному корпусу в Хендоне двигатель «без реакции», в котором коленчатый вал вращался в одном направлении, а блок цилиндров — в противоположном, каждый из которых приводил в движение винт. Более поздним развитием этого был безреакционный двигатель Hart 1914 года, разработанный Редрупом, в котором был только один пропеллер, соединенный с коленчатым валом, но он вращался в направлении, противоположном блоку цилиндров, тем самым в значительной степени нейтрализуя негативные эффекты. Это оказалось слишком сложным для надежной работы, и Редруп изменил конструкцию на статический радиальный двигатель, который позже был опробован на экспериментальных самолетах Vickers FB12b и FB16 , к сожалению, безуспешно.

По мере развития войны авиаконструкторы требовали все большего количества энергии. Рядные двигатели смогли удовлетворить этот спрос за счет улучшения их верхних пределов оборотов, что означало большую мощность. Улучшения в фазах газораспределения, системах зажигания и облегчении материалов сделали эти более высокие обороты возможными, и к концу войны средний двигатель увеличился с 1200 до 2000 об / мин. Роторный не смог сделать то же самое из-за сопротивления вращающихся цилиндров по воздуху. Например, если модель начала войны на 1200 об / мин увеличивала обороты до 1400, сопротивление цилиндров увеличивалось на 36%, поскольку сопротивление воздуха возрастало пропорционально квадрату скорости. На более низких оборотах сопротивление можно было просто игнорировать, но по мере того, как число оборотов росло, роторный двигатель вкладывал все больше и больше мощности в раскрутку двигателя, а оставалось меньше, чтобы обеспечить полезную тягу через винт.

Анимация внутренней работы Siemens-Halske Sh.III

Двухроторные конструкции Сименс-Хальске

Одна умная попытка спасти конструкцию, аналогичную британской концепции «безреакционного» двигателя Редрупа, была предпринята Siemens AG . Картер (с пропеллером, все еще прикрепленным непосредственно к его передней части) и цилиндры вращались против часовой стрелки со скоростью 900 об / мин, если смотреть снаружи с точки зрения «носа впереди», в то время как коленчатый вал (который, в отличие от других конструкций, никогда не «выходил» из картера, ) и другие внутренние части вращались по часовой стрелке с той же скоростью, поэтому установка эффективно работала со скоростью 1800 об / мин. Это было достигнуто за счет использования конической передачи в задней части картера, что привело к созданию 11-цилиндрового двигателя Siemens-Halske Sh.III с меньшим сопротивлением и меньшим крутящим моментом. Используемый на нескольких типах поздней войны, в частности на истребителе Siemens-Schuckert D.IV , низкая скорость вращения нового двигателя в сочетании с большими гребными винтами с крупным шагом, которые иногда имели четыре лопасти (как у SSW D.IV), давали типы с приводом от у него выдающаяся скороподъемность: некоторые примеры силовой установки Sh.IIIa позднего производства, как говорят, даже выдавали целых 240 л.с.

Один новый самолет с роторным двигателем, D.VIII от Fokker , был спроектирован, по крайней мере частично, для того, чтобы частично использовать резервные двигатели Ur.II мощностью 110 л.с. (82 кВт) на заводе в Оберурзеле , которые сами являются клонами роторного Le Rhône 9J .

Из-за блокады судоходства союзников немцы все больше не могли получить касторовое масло, необходимое для смазки их роторных двигателей. Заменители никогда не были полностью удовлетворительными, вызывая повышение рабочих температур и сокращение срока службы двигателя.

Послевоенный

К моменту окончания войны роторный двигатель устарел и довольно быстро исчез из употребления. Британские Королевские ВВС, вероятно, использовали роторные двигатели дольше, чем большинство других операторов. Стандартный послевоенный истребитель Королевских ВВС, Sopwith Snipe , использовал роторный двигатель Bentley BR2 как самый мощный (около 230 л.с. (170 кВт)) роторный двигатель, когда-либо построенный союзниками во время Первой мировой войны . Стандартный учебно-тренировочный самолет RAF первых послевоенных лет, Avro 504 K 1914 года выпуска , имел универсальное крепление, позволяющее использовать несколько различных типов маломощных роторных двигателей, которых было много в избытке. Точно так же шведский учебно- тренировочный самолет FVM Ö1 Tummelisa , оснащенный роторным двигателем Le-Rhone-Thulin мощностью 90 л.с. (67 кВт), прослужил до середины тридцатых годов.

Конструкторам пришлось уравновесить дешевизну излишков военных двигателей с их низкой топливной экономичностью и эксплуатационными расходами на систему смазки с полным отсутствием потерь, и к середине 1920-х годов роторные двигатели были более или менее полностью вытеснены даже на британской службе, в основном за счет новое поколение «стационарных» радиалов с воздушным охлаждением, таких как Armstrong Siddeley Jaguar и Bristol Jupiter .

Эксперименты с концепцией роторного двигателя продолжились.

Первая версия двигателя Мишеля 1921 года , необычного двигателя с оппозитными кулачками , использовала принцип роторного двигателя, в котором его «блок цилиндров» вращался. Вскоре он был заменен версией с такими же цилиндрами и кулачком, но со стационарными цилиндрами и кулачковой дорожкой, вращающейся вместо коленчатого вала. Более поздняя версия полностью отказалась от кулачка и использовала три соединенных коленчатых вала.

К 1930 году советские пионеры вертолетной техники Борис Н. Юрьев и Алексей Михайлович Черемухин, работавшие в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ, ЦАГИ), построили одну из первых практичных однолифтных роторных машин с их одноместными ЦАГИ 1-ЭА. винтовой вертолет, оснащенный двумя роторными двигателями М-2 советской конструкции, которые сами по себе являются улучшенными копиями роторного двигателя Gnome Monosoupape времен Первой мировой войны. ЦАГИ 1-EA установил неофициальный рекорд высоты в 605 метров (1985 футов). Черемухин пилотировал его 14 августа 1932 года на сдвоенных роторных двигателях М-2.

Использование в автомобилях и мотоциклах

Хотя роторные двигатели в основном использовались в самолетах, некоторые автомобили и мотоциклы были построены с роторными двигателями. Возможно, первым был мотоцикл Millet 1892 года. Известным мотоциклом, выигравшим множество гонок, был Megola , у которого был роторный двигатель внутри переднего колеса. Другой мотоцикл с роторным двигателем был Чарльз Redrup «ы 1912 Redrup Радиальная , который был трехцилиндровый 303 куб.см роторный двигатель установлен на ряд мотоциклов по Redrup.

В 1904 году в Уэльсе был построен двигатель Барри , также разработанный Редрупом: вращающийся двухцилиндровый оппозитный двигатель весом 6,5 кг был установлен внутри рамы мотоцикла.

Немецкий мотоцикл Megola начала 1920-х годов использовал пятицилиндровый роторный двигатель в конструкции передних колес.

В 1940-х годах Сирил Пуллин разработал Powerwheel , колесо с вращающимся одноцилиндровым двигателем , сцеплением и барабанным тормозом внутри ступицы, но оно так и не пошло в производство.

Другие роторные двигатели

Помимо конфигурации цилиндров, вращающихся вокруг фиксированного коленчатого вала, несколько различных конструкций двигателей также называются роторными двигателями . Самый известный бес поршневой роторный двигатель , роторный двигатель Ванкеля , использовался NSU в автомобиле Ro80 , Mazda в различных автомобилях, таких как серия RX, и в некоторых экспериментальных авиационных приложениях.

В конце 1970-х был испытан концептуальный двигатель под названием Bricklin-Turner Rotary Vee . Rotary Vee по конфигурации похож на локтевой паровой двигатель . Поршневые пары соединяются как сплошные V-образные элементы, причем каждый конец плавает в паре вращающихся групп цилиндров. Пары вращающихся цилиндров расположены так, что их оси расположены под большим углом V. Поршни в каждом блоке цилиндров движутся параллельно друг другу, а не в радиальном направлении. Двигатель этой конструкции не производился. Rotary Vee был предназначен для питания Bricklin SV-1 .

Смотрите также

Ноты

внешние ссылки

Что такое роторно-поршневой двигатель. Принцип работы, особенности, преимущества и недостатки

Сегодня мы узнаем, что называется роторно-поршневым двигателем автомобиля, каков его принцип работы и в чем заключается отличие мотора от классической силовой установки

ЧТО ТАКОЕ РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВАНКЕЛЯ. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ОСОБЕННОСТИ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Добрый день, сегодня мы узнаем, что называется роторно-поршневым двигателем автомобиля, известным в народе, как силовая установка Ванкеля, каков его принцип работы и в чем заключается отличие мотора от классических типов. Кроме того, расскажем про то, какими преимуществами с недостатками обладает роторно-поршневой двигатель, насколько ремонтопригоден мотор, а также выгодна ли в эксплуатации и обслуживания данная силовая установка. В заключении поговорим о том, на какие современные автомобили устанавливают мотор с роторно-поршневым типом действия, а также, из каких основных и вспомогательных компонентов состоит двигатель.

Итак, что называется автомобильным роторно-поршневым двигателем Ванкеля? Роторно-поршневой силовой установкой или сокращенно РПД Ванкеля называется двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия сгорающих газов преобразуется в механическую при помощи специального ротора, совершающего вращательное или вращательно-возвратное движение относительно главного корпуса. Конструкция двигателя была разработана в 1957 году инженерами Вальтером Фройде и Феликсом Ванкелем. Силовая установка официально была запущена в массовое производство в 1959 году.

ЧТО ТАКОЕ ХОНИНГОВАНИЕ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ

Роторно-поршневой двигатель обладает рядом конструктивных и функциональных особенностей. В такой силовой установке вместо стандартного поршня применяется трехгранный ротор, который с виду напоминает треугольник с закругленными концами. Данный своеобразный поршень имеет официальное название треугольник Рело, который вращается внутри цилиндра специального размера и формы выполненной по типу кривой плоскости, которая жестко связана с окружностью, катящейся по внешней стороне другой окружности. Справочно заметим, что двигатель Ванкеля, когда то считался мотором будущего, благодаря введению множества новаций при его разработке и производстве.

1. Особенности, конструкция, преимущества и недостатки роторно-поршневого двигателя

Благодаря уникальной особенности главного поршня, который похож на трехгранный ротор у двигателя отсутствуют преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти моменты способствуют тому, что силовая установка способна выдерживать намного более высокие обороты в сравнении с классическим типом двигателя. Самой главной особенностью мотора Ванкеля является то, что обладая небольшим объемом камеры сгорания, двигатель выдает высокие показатели мощности. Что касается габаритов конструкции, то она опять же в сравнении с традиционным мотором, она в несколько раз меньше и содержит малое количество компонентов. Благодаря небольшому размеру двигателя оптимизируется расположение трансмиссии и следовательно улучшается развесовка узлов, что позволяет получить чуткую управляемость, а также помогает сделать автомобиль более просторным, как для водителя, так для пассажиров.

Как и любой другой двигатель, роторно-поршневой обладает своими плюсами и минусами, которые ему характерны.

К преимуществам такой силовой установки относят:

– Небольшие габариты и малый вес;

– Небольшое количество компонентов и деталей, даже в сравнении с 2-ух тактным поршневым мотором;

– Мощность в 2 раза больше при тех же размерах, чем у классического двигателя;

– Плавное функционирование, благодаря отсутствию возвратно-поступательных движений;

– Использование топлива с низким октановым числом.

К недостаткам такой силовой установки относят:

– Процедура по сгоранию топлива в камере цилиндра происходит не эффективно, что ведет к повышенному расходу топлива и высокой токсичности при выработке выхлопных газов;

– Высокий расход моторного масла, в связи со специфической конструкцией компонентов рассчитанной на прогар смазки;

– Нет возможности производить силовые установки на площадях, которые предназначены для выпуска классических двигателей;

– Для налаживания массового выпуска моторов такого типа требуется переоснащение огромного числа оборудования и оснастки, что просто невыгодно, а следовательно нецелесообразно.

Кроме того, не стоит забывать, что роторно-поршневые моторы очень склонны к перегреву, в связи с тем, что камера сгорания обладает линзовидной формой, то есть при небольшом объеме у нее довольно большая площадь. В процессе горения топливно-воздушной смеси, главные потери энергии происходят через излучение, интенсивность, которого пропорционально 1/4 степени от общего показателя температуры. Если данный нюанс рассматривать с точки зрения снижения удельной поверхности за счет потерь теплоты, то идеальной формой камеры сгорания должна быть сфера, то есть шар. Таким образом, образованная в процессе сгорания мощная энергия не только бесполезно выходит из камеры, то и ведет к тому, что происходит перегрев рабочей области цилиндра.
Однако, если взглянуть на конструкцию и строение роторно-поршневого двигателя, то он просто удивляет своей простотой. В принципе из основных компонентов, в мотор входят корпус, как правило, изготавливается он из Роторно-поршневой двигатель(Ванкеля). История создания и где применялся.
Роторный двигатель постоянно привлекает к себе внимание. Конструкция – проще не придумаешь, характеристики автомобиля с ротором под капотом такие, словно там два двигателя! Так почему же мы не ездим повсеместно на роторных машинах? Ответ на этот вопрос заключается в истории создания и применения роторного двигателя, запутанной, полной подъёмов и падений…
Создатель – Феликс Ванкель
Роторный двигатель
Имеет хождение старая байка, что Ванкель придумал чудо-двигатель в 1919 году. В неё всегда верилось с трудом: как мог 17-летний парень, пусть и талантливый, такое сотворить? Для этого надо пройти обучение где-нибудь в университете, научиться конструировать и рисовать… Гораздо вероятнее сведения о первых эскизах двигателя от 1924 года, которые сделал Ванкель, окончив высшую школу и поступив на работу в издательство технической литературы. Перелопачивая горы макулатуры, можно либо навсегда потерять к технике интерес, либо начать конструировать самому. Видимо, у Феликса душа лежала именно к конструированию.
Он открыл в городе Гейдельберге собственную мастерскую, а в 1927 году появились на свет чертежи «машины с вращающимися поршнями» (на немецком языке сокращенно DKM). Первый патент DRP 507584 Феликс Ванкель получил в 1929 году, а в 1934 году подал заявку на двигатель DKM. Правда, патент он получил через два года. Тогда же, в 1936 году, Ванкель обосновывается в Линдау, где размещает свою лабораторию.
Феликс Ванкель
Потом перспективного конструктора заметила власть, и работы над DKM пришлось оставить. Ванкель работал на BMW, Daimler и DVL, основные авиамоторостроительные предприятия фашистской Германии. Так что не удивительно, что до наступления 1946 года Ванкелю пришлось сидеть в тюрьме, как пособнику режима. Лабораторию в Линдау вывезли французы, и Феликс попросту остался ни с чем.
Лишь в 1951 году Ванкель устраивается на работу в мотоциклетную фирму – уже широко известный тогда NSU. Восстанавливая лабораторию, он заинтересовал Вальтера Фройде, конструктора гоночных мотоциклов своими конструкциями. Вместе Ванкель и Фройде продавили проект в руководстве, и разработка двигателя резко ускорилась. 1 февраля 1957 года заработал первый роторный двигатель DKM-54. Он работал на метаноле, но к июню проработавший 100 часов на стенде двигатель перевели на бензин.
Принципы работы роторного двигателя
Цикл двигателя Ванкеля
Но тут Фройде предложил новую концепцию роторного двигателя! В двигателе Ванкеля (DKM) ротор вращался вокруг неподвижного вала вместе с камерой сгорания, чем обеспечивалось отсутствие вибраций. Вальтер решил камеру сгорания зафиксировать, а ротор пусть будет приводить в движение вал, то есть использовать принцип двойственности вращения для роторного двигателя. Такой тип роторного двигателя получил обозначение KKM.
Принцип двойственности вращения сам Ванкель запатентовал в 1954, но он всё-таки использовал принцип DKM. Надо сказать, что Ванкелю идея такой инверсии не нравилась, но он ничего не мог поделать – у двигателя его любимого типа DKM обслуживание было трудоёмким, чтобы сменить свечи, требовалась разборка мотора. Так что двигатель типа KKM имел гораздо больше перспектив. Его первый образец закрутился 7 июля 1958 года (правда, на нем ещё в роторе стояли свечи, как на DKM). Впоследствии свечи перенесли на корпус двигателя, и он обрёл свой облик, принципиально не менявшийся до наших дней. Теперь по этой схеме устроены все роторные двигатели. Иногда их называют «ванкелями», в честь разработчика.
В таком двигателе роль поршня играет сам ротор. Цилиндром служит статор, имеющий форму эпитрохоиды, и когда уплотнения ротора двигаются по поверхности статора, образуются камеры, в которых происходит процесс сгорания топлива. За один оборот ротора такой процесс происходит трижды, а благодаря сочетанию форм ротора и статора число тактов такое же, как у обычного ДВС: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Анимацию работы роторного двигателя можно посмотреть здесь.
У роторного двигателя нет системы газораспределения – за газораспределительный механизм работает ротор. Он сам открывает и закрывает окна в нужный момент. Еще ему не нужны балансирные валы, двухсекционный двигатель по уровню вибраций можно сравнить с многоцилиндровыми ДВС. Так что идея роторного двигателя в конце пятидесятых казалась ступенькой для автомобилестроения в светлое будущее.
В серию!
NSU Spider
Послевоенная Германия начинала потихоньку богатеть, и автомобили расходились всё лучше и лучше. Фирма NSU работала на этом фронте, и ключевым моментом её модельной гаммы должны были быть двигатели Ванкеля. Уже с 1958 года шли работы по созданию автомобиля с роторным двигателем, и в 1960 году он был показан публике на конференции немецких конструкторов в Мюнхене. Машина под названием NSU Spider оснащалась двигателем Ванкеля, развивавшим 54 л.с. Многие усмехнутся, но для маленького спайдера это было в самый раз – он разгонялся до 150 км/ч. Spider производился с 1964 по 1967 год.
NSU Ro-80
Главным автомобилем, принёсшим известность Ванкелю, стал NSU Ro-80, представленный в 1967 году. Уже в его названии зашифрованы претензии на лидерство: «Ro» – это значит «роторный», а 80… Что-то вроде «автомобиль 80х годов». Машина установила новые правила экстерьера седанов: чистые линии, большая степень остекления, багажник выше капота… Влияние дизайна Ro-80 чувствуется в Audi 100. Благодаря малым размерам роторного двигателя переднюю часть машины удалось понизить и сузить, поэтому коэффициент аэродинамического сопротивления по сравнению с одноклассниками снизился на 25%. Оснащался седан двухсекционным двигателем Ванкеля рабочим объёмом 2 x 497,5 см³.
Двигатель развивал мощность 115 л.с., разгоняя новинку до 180 км/ч, а 100 км/ч с места достигались через 12,8 секунды. Успех был колоссальный. Ro80 тут же получил титул «Автомобиль 1967 года», роторный двигатель стал популярной темой на автовыставках. Множество автопроизводителей закупило лицензии на производство двигателей Ванкеля, но…
До серийного производства дело обычно не доходило. Тема оказалась не настолько проста, как казалась. И виной всему…
Врождённые недостатки
У перспективнейшей схемы есть серьёзные недостатки, справиться с которыми обойдётся дорого и трудно.
Камера сгорания у роторного двигателя вытянутой формы, словно серпик молодой луны. Естественно, тепловые потери на большей, чем в обычном цилиндре, площади приводят к высокой теплонагруженности двигателя и меньшему КПД. В такой камере сгорания и эффективного перемешивания рабочей смеси не происходит, а тогда – плохая экономичность и экологичность.
С точки зрения технолога, роторный двигатель далеко не подарок. В отличие от обычных поршневых двигателей, у которых процесс сгорания топлива происходит попеременно в разных цилиндрах, а в промежутках камера сгорания охлаждается на такте впуска рабочей смесью, роторный двигатель имеет только одну камеру сгорания, работающую постоянно. Поэтому ротор должен быть стойким к температурным изменениям, когда нагревшуюся поверхность начинает охлаждать рабочая смесь через такт.
Еще одна проблема – уплотнения. В поршневом ДВС кольца работают под одним и тем же рабочим углом. В роторном двигателе, когда ротор скользит углами по поверхности статора, уплотнениям приходится работать под разными углами. Естественно, трение приходится уменьшать, впрыскивая масло прямо в коллектор. Экологичность ещё больше страдает…
Ну и для заметки: роторный двигатель просто не может работать на солярке. Он не вынесет таких нагрузок, какие свойственны дизелю.
Машины с двигателем Ванкеля
NSU Ro-80
С самого начала работ над роторным двигателем фирма NSU не делала из этого тайны. Любая автофирма могла купить лицензию на производство нового мотора, и покупатели сразу нашлись. Daimler Benz, GM, Mazda, Citroen, Toyota… Многие из них хотели получить дешёвый и мощный двигатель, но, сталкиваясь с проблемами надёжности и эксплуатации, прекращали разработку. Да и сама NSU погорела именно на эксплуатации. Неопытные покупатели просто-напросто палили двигатели, перекручивая их сверх всяких норм. Надёжность двигателя в таких условиях была слишком низкой. А тут еще топливные кризисы! Расход топлива для Ro-80 составлял от 15 до 17,5 литров на 100 км…
Финансовые проблемы загнали NSU в яму, откуда ей не суждено было выбраться: в 1969 году её со всеми потрохами поглотил Volkswagen. Этим закончилось серийное производство роторных автомобилей в Германии.
Но опытные машины были. Mercedes Benz работал над суперкаром с роторным двигателем. Опытный образец появился в 1969 году и оснащался трёхсекционным роторным двигателем с объёмом каждой секции в 600 см³ и мощностью в 280 лошадиных сил. Лёгкий автомобиль с пластмассовым кузовом разгонялся до 257,5 км/ч, а до «сотни» за пять секунд.
Mercedes C111
Через год на Женевском Моторшоу публике представили С111 второго поколения. Автомобиль имел сверхобтекаемый по тем временам кузов, его С_х был в пределах 0,325. Двигатель получил ещё одну секцию и теперь развивал 350 л.с. Водитель такого автомобиля мог ездить на скорости 300 км/ч, а благодаря переработанному и укреплённому каркасу кузова он получал удовольствие от поведения машины в поворотах. Разгонялся второй образец до 100 км/ч ещё быстрее – за 4,8 секунды оранжевый клиновидный автомобиль достигал магической отметки и продолжал набирать скорость.
Поклонники «Gulfwing» уже выстраивались в очередь за новым «Крылом», но Mercedes не собирался тогда производить римейки своей легенды. Эти машины были нужны для обкатки нового мотора, но даже MB так и не смог справиться с основной проблемой роторного двигателя – его прожорливость была колоссальной. Так нефтяные кризисы погубили германское направление разработки «ванкелей».
Chevrolet Corvette
За океаном также присматривались к двигателю Ванкеля. Chevrolet получил лицензию на производство роторных двигателей и в 1970 году принялся за разработку Корветов с двух- и четырёхсекционными двигателями. Фиберглассовая модель с двигателем в базе получила одобрение президента GM Эда Коула в июне 1971 года. Спустя год, в июне 1972 года, Corvette со стальным кузовом и с двухсекционным роторным двигателем был представлен правлению GM, и получил обозначение XP-987GT.
К январю 1973 года был собран и Корвет с двигателем с четырьмя секциями, в апреле он продувался в аэродинамической трубе в Калифорнии. Corvette с двухсекционным ротором мощностью 266 л.с. выставлен на обозрение публики 13 сентября 1973 года во Франкфурте, а его собрат с четырёхсекционным сердцем и мощностью 390 л.с. показался на Парижском салоне 4 октября того же года. Но 24 сентября 1974 года Эд Коул отложил разработку Corvette с двигателем Ванкеля из-за трудностей с выпуском.
Немецкую идею восприняли и в соседней Франции. Сотрудничать с NSU французы начали в 1964 году, образовав с немецким партнером компанию Comotor. В 1973 году Citroen завершил разработку роторного двигателя и в 1974 в производство пошел Citroen GS Birotor.
Citroen GS Birotor
Автомобиль оснащался двухсекционным роторным двигателем объёмом 2 х 498 см³, развивающим 107 лошадиных сил при 5500 об/мин. Рабочую смесь ванкелю поставляли два карбюратора Solex. Машины также оснащены полуавтоматом и гидравлической подвеской. Когда запущен двигатель, Birotor поднимается над землей (традиция Citroen) и выглядит при этом почти как полноприводник. Салон отделывался тканью и винилом, как дополнительное оснащение устанавливались радио, тонированные стёкла и люк в крыше.
С марта по август 1974 года завод покинули 750 Ситроенов с роторным двигателем. До конца 1974 года сделали еще 93 машины, а в 1975 только 31 GS Birotor съехал с конвейера. Всего, как не трудно подсчитать, было сделано 874 Citroen GS Birotor. В 1977 году завод отозвал роторные машины, чтобы их ликвидировать. Однако порядка 200 машин могли уцелеть, но большинство нигде не зарегистрированы. Вероятность обнаружить живой Birotor больше всего во Франции, а вообще они продавались в Швеции, Великобритании, Германии, Дании и Нидерландах.
Но самого верного и последовательного поклонника идея Ванкеля приобрела в далёкой Японии, где фирме Mazda позарез требовалась свежая идея, чтобы выделяться среди остальных. Тогда правительству самураев пришла в голову идея объединить весь автопром. Но от неё отказались, и правильно сделали!
Mazda Cosmo Sport
Первым автомобилем Mazda с роторным двигателем стало купе Mazda Cosmo Sport, первый образец которой был показан на Токийском автосалоне в 1964 году. В 1965 была произведена первая партия из 60 Космосов, но серийное производство началось только в 1967 году.
Космос серии 1 оснащался двухсекционным двигателем Ванкеля 10A 0810 объёмом 2 x 491 см³ с двумя карбюраторами Hitachi. Такая силовая установка развивала мощность в 110 л.с. и разгоняла немаленький автомобиль до 185 километров в час. Управлять машиной помогала 4-скоростная ручная коробка передач и передняя независимая подвеска. Производилась первая серия с мая 1967 года по июль 1968, сделано 343 машины.
С июля 1968 года производилась вторая серия Cosmo Sport. Машина получила двигатель 10A 0813 мощностью 128 лошадиных сил, пятискоростную коробку передач, более мощные тормоза и 15-дюймовые тормоза (на предыдущей серии стояли 14-дюймовые). Теперь Космос мог достичь скорости 120 миль в час (или 193 км/ч), а четырёхсотметровую дистанцию проехать при старте с места за 15,8 секунды. Внешне обновлённую модель можно было отличить по увеличившейся «пасти» и по чуть увеличенной базе. До июля 1972 года сделали 1176 машин, что относительно неплохо при ручной сборке и норме выпуска одна машина в день.
Тогда же, с 1968 по 1973 год производилась роторная модификация модели Familia. Двухдверное купе использовало шасси обычной Фамилии, но под капотом у нее жил двигатель Ванкеля мощностью 100 л.с. от Космоса. Меньшая по сравнению с Cosmo мощность двигателя 10А 0820 объясняется малыми размерами карбюратора. Для недорогой машины использовались недорогие материалы – в частности, алюминий заменялся чугуном. Но вес двигателя увеличился ненамного, на 20 кг, и достиг всего 122 кг. Familia R100 участвовала в гонках 24 часа Спа и Ле-Мана, где она проигрывала только 911-ым и BMW.
Mazda Luce R130
Третьей моделью стало заднеприводное купе Luce люкс-класса. Переднемоторная машина с дизайном от Джуджаро оснащалось двигателем модели 13А объёмом 2 x 655 см³, развивавшим 126 лошадиных сил. Четверть мили при разгоне с места Luce R130 мог проехать за 16,9 секунд. Эта машина не поставлялась на американский рынок. Производилась модель с 1969 по 1972 год.
В 70-х годах прошлого века двигатель Ванкеля ставился японцами практически на любую свою новую модель, от Capella до пикапа и микроавтобуса. Именно в это десятилетие родился бренд «RX», значащий для Мазды то же самое, что и «GTI» для Фольксвагена. Роторный двигатель обходил конкурентов по всем статьям, но неожиданные финансовые потери заставили руководство фирмы. В 1970 появилась смена Familia R100. Новая модель Mazda RX2 основывалась на шасси модели Capella с обычным поршневым двигателем. RX2 предлагалась покупателям с кузовами «седан» и «купе», представлявшими собой лишь модификации таких же версий модели Капелла, и отличаясь от них внешне лишь шильдиками. Основные изменения скрывались под капотом.
RX2 оснащалась двигателем модификации 12А, имеющим две секции общим объёмом 1146 кубических сантиметров. «Ванкель» развивал мощность 130 л.с., что для весящей 1050 кг машины означало хорошую динамику даже по сегодняшним меркам. Такая «горячесть» модели обеспечивало ей любовь поклонников. В 1974 году Mazda RX2 получила чуть улучшенный двигатель, то позволило ей продержаться в производстве до 1978 года.
С октября 1972 года Mazda производила большой автомобиль Luce Rotary, пришедший на замену Luce R130. Три кузова – купе, седан и универсал, ручная 4-ступенчатая коробка передач и 3-ступенчатый автомат производили впечатление. Автомобиль продавался с двигателем 12А, выдававшим 130 л.с., но на экспорт в Америку с 1974 года он поставлялся оснащённым мотором серии 13В и под новым названием RX-4. Этот роторный двигатель поглощал меньше топлива и соответствовал американским нормам по чистоте выхлопа.
13В выдавал мощность 110 л.с., что обеспечивало купе или седану снаряжённой массой около 1190 кг неплохую динамику. Универсал участвовал в тестах журнала Road&Truck в 1974 году и показал вполне сносные результаты, несмотря на массу, возросшую до 1330 кг. Разгоняясь до 60 миль в час за 11,7 секунд, он 400 метров преодолел за 18 секунд, показав в конце мерного отрезка 124,5 км/ч. Журнал отметил и возросшую экономичность модели, внеся её в десятку «Лучших Покупок в диапазоне цен 3500-6000$». Сама машина стоила 4250 долларов, но за опции в виде кондиционера (395$) или «автомата» (270$) приходилось доплачивать. Производилась модель ровно пять лет, претерпев в 1976 году обновление кузова.
Mazda Rotary Pickup
С 1974 года на американском и канадском авторынках стал продаваться первый и пока единственный роторный пикап. Mazda продавала его исключительно на заокеанском рынке, на внутреннем он не был представлен. От пикапов серии B и родственных им Ford Courier роторная модель отличалась внешним видом – увеличившимися бамперами, другими линиями, хромированной передней решёткой радиатора и круглыми задними фонарями.
Под капотом Rotary Pickup располагался знакомый уже мотор 13B, который придавал пикапу изрядную толику спортивности. Было изготовлено 15 000 машин, большинство из которых продано в 1974 году, перед энергетическим кризисом. Из-за кризиса продажи резко упали, автомобилей 1976 модельного года было сделано всего около 700. Mazda изменила дизайн для машин 1977 модельного года, обновила электронику, заменила коробку передач на 5-скоростную, даже удлинила кабину на 10 см для пущего комфорта, но всё было напрасно. В 1977 году модель была снята с производства.
Mazda Parkway Rotary 26
C июля 1974 производилась еще одна редчайшая модель Parkway Rotary 26 – единственный в мире автобус с роторным двигателем. Оснащён он был мотором модели 13B рабочим объёмом 2 x 654 см³, развивавшим уже 135 л.с. и обладавшим низким уровнем содержания вредных веществ в выхлопных газах. Управлялся этот силовой агрегат с помощью четырёхступенчатой ручной коробки передач. Немаленький автобус (габариты 6195 x 1980 x 2295 мм, снаряжённая масса 2835 кг) легко разгонялся до крейсерской скорости 120 км/ч.
Прозвище «двадцать шесть» Парквэй получил за вместимость – в стандартной комплектации DX он имел на борту 26 пассажирских мест, что было отражено и в его названии. Имелась и роскошная версия Super DX, вмещавшая только тринадцать человек. Модель отличалась низким уровнем вибраций и тишиной в салоне, что было обеспечено гладкостью работы роторного двигателя. По заказу Parkway можно было оснастить системой вентиляции. Производство завершено в 1976 году.
В 1975 году австралийское отделение Holden концерна Ford поставило своим японским коллегам машину представительского класса Premier для выпуска под брэндом Mazda. Производство машин было успешно освоено, но Holden не дал японцам двигателей, подходящих для машины весом 1575 кг, и они приспособили под капот большого седана Mazda RoadPacer роторный двигатель модели 13B. Поскольку он был мощнее, чем те моторы, что имелись у Холдена, то максимальная скорость достигла 166 км/ч, но вот крутящего момента ему явно не хватало. Разгон был очень слабым, а расход топлива и так не отличающегося плохим аппетитом мотора зашкалил за 26 литров бензина на 100 км. Первоначально планировавшийся как представительский, автомобиль попал в продажу во время топливного кризиса и успеха на рынке закономерно не получил. Сняли неудачливого RoadPacer’а с производства через три года.
Mazda RX-7
Последнее, третье поколение RX-7 было полнокровным японским спортивным автомобилем. Под капот ставился роторный двигатель модели 13B-REW, оснащавшийся двумя турбинами, стоящими друг за другом. Система работы двух турбин была разработана вместе с фирмой Хитачи и обкатана на модели Cosmo, продававшейся на внутреннем рынке. Первая турбина была маленькой и работать начинала на малых оборотах двигателя (примерно с 1800 об/мин), чтобы на них не возникала «турбояма». Вторая турбина была побольше и включалась в работу с 4000 об/мин. Их совместная работа была отлажена настолько, что крутящего момента «хватало» всегда.
Платформа FD была оценена как разработка мирового класса. Длительная работа над улучшением ходовых качеств, отточенное шасси, низкий центр тяжести и равномерное распределение веса по осям привели к появлению очень серьёзного «драйверского» автомобиля.
Русская страница этой истории
ВАЗ 21018
Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам: некий умелец собрал и установил на свой мотоцикл в качестве эксперимента двигатель Ванкеля. Промышленное производство началось в 1974 году на ВАЗе с создания Специального конструкторского бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. И на выставке НТТМ-82 ВАЗ наконец-то представил свой первый серийный автомобиль с роторным двигателем под капотом – Ваз-21018. Машина практически по конструкции не отличалась от своих обычных «поршневых» собратьев, но под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с. Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 машинах опытной серии при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.
Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы начали спасать тонущий проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.). Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.
ВАЗ 21079
А затем СКБ был увлечён новой темой – роторные двигатели стали пробовать применить в малой авиации. Безрезультатное отвлечение от темы привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится. В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «ванкель» имеет рабочий объём 1308 см³ и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин. «Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.
К сожалению, одно из самых перспективных направлений в нашем автомобилестроении было свёрнуто.
Дальнейшие перспективы роторных двигателей
Сейчас серийно выпускается только Mazda RX-8. У неё потрясающие управляемость и динамика: максимальная скорость 235 км/ч и разгон до сотни за 6,4 секунды. Двигатель нового поколения Renesis выдаёт 250 л.с. при 9000 об/мин без турбонаддува с двух секций общим объёмом 1598 см³, и расходует на удивление мало бензина.
Но для новой RX-8 свойственны некоторые отличия от легендарных машин прошлого. Экологические требования привели к отказу от применения турбонаддува, который придавал прежним моторам невероятную мощь. Кроме того, японские тюнингеры разгоняли их до 1000 л.с., повышая давление наддува, а с новым мотором этого не выйдет. Он форсирован по-другому, методом повышения максимальных оборотов. Видимо, это плата за существование двигателя Ванкеля в новом, странном и непонятном, но экологичном мире.
История не закончена…
В настоящее время разработку роторных двигателей официально ведёт только Mazda, накопившая в этой области гигантский опыт. Именно ей принадлежит идея заставить роторный двигатель работать на водородном топливе, таким образом, исключая выбросы вообще. Правда, роторный двигатель Renesis на водороде работает с неохотой, выдавая всего 109 лошадей. Но для упорных японцев это не проблема. Пока RX-8 Hydrogene возит на борту два бака – один для бензина, другой для водорода. На трассе Мазда ездит на бензине, а в городе на водороде – переключение между видами топлива происходит с водительского места простым нажатием кнопки.
Так что история роторного двигателя на этом не заканчивается. Возможно, в будущем к двигателю, работающему на чистом водороде, японцы приспособят турбонаддув…
Вместо поскриптума
Недавно на крупном автосайте обнаружено сообщение о разработке АвтоВАЗом нового роторного двигателя. Может быть, именно это придаст брэнду «ВАЗ» узнаваемость, а его моделям динамичность?
какие они бывают / Блог компании НПФ ВЕКТОР / Хабр
В прошлых статьях был рассмотрен принцип работы синхронного и асинхронного электродвигателей, а также рассказано, как ими управлять. Но видов электродвигателей существует гораздо больше! И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности.
В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?
Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».

С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.
Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.
Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно (рекорд — 12,5МВт).
В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.
Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС. Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы про ДПТ. При этом ассоциация коллектор = ДПТ так прочно заседает в голове, что не всем приходит на ум, что двигатель постоянного тока, в названии которого присутствует «постоянный ток», теоретически можно включать в сеть переменного тока. Давайте разберемся.
Как изменить направление вращения двигателя постоянного тока? Это знают все, надо сменить полярность питания якоря. А ещё? А еще можно сменить полярность питания обмотки возбуждения, если возбуждение сделано обмоткой, а не магнитами. А если полярность сменить и у якоря, и у обмотки возбуждения? Правильно, направление вращения не изменится. Так что же мы ждем? Соединяем обмотки якоря и возбуждения последовательно или параллельно, чтобы полярность изменялась одинаково и там и там, после чего вставляем в однофазную сеть переменного тока! Готово, двигатель будет крутиться. Есть один только маленький штрих, который надо сделать: так как по обмотке возбуждения протекает переменный ток, её магнитопровод, в отличие от истинного ДПТ, надо изготовить шихтованным, чтобы снизить потери от вихревых токов. И вот мы и получили так называемый «универсальный коллекторный двигатель», который по конструкции является подвидом ДПТ, но… прекрасно работает как от переменного, так и от постоянного тока.
Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Еще более распространенным, чем коллекторные двигатели, является асинхронный двигатель. Только распространен он в основном в промышленности – где присутствует трехфазная сеть. Про принцип его работы написана отдельная статья. Если кратко, то его статор – это распределенная двухфазная или трехфазная (реже многофазная) обмотка. Она подключается к источнику переменного напряжения и создает вращающееся магнитное поле. Ротор можно представлять себе в виде медного или алюминиевого цилиндра, внутри которого находится железо магнитопровода. К ротору в явном виде напряжение не подводится, но оно индуцируется там за счет переменного поля статора (поэтому двигатель на английском языке называют индукционным). Возникающие вихревые токи в короткозамкнутом роторе взаимодействуют с полем статора, в результате чего образуется вращающий момент.
Почему асинхронный двигатель так популярен? У него нет скользящего контакта, как у коллекторного двигателя, а поэтому он более надежен и требует меньше обслуживания. Кроме того, такой двигатель может пускаться от сети переменного тока «прямым пуском» – его можно включить коммутатором «на сеть», в результате чего двигатель запустится (с большим пусковым током 5-7 крат, но допустимым). ДПТ относительно большой мощности так включать нельзя, от пускового тока погорит коллектор. Также асинхронные привода, в отличие от ДПТ, можно делать гораздо большей мощности – десятки мегаватт, тоже благодаря отсутствию коллектора. При этом асинхронный двигатель относительно прост и дешев.
Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.
Минус асинхронного двигателя по сравнению с ДПТ в том, что его сложно регулировать. Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Если асинхронному двигателю просто понизить напряжение, не понизив частоту, то он несколько снизит скорость, да. Но у него увеличится так называемое скольжение (отставание частоты вращения от частоты поля статора), увеличатся потери в роторе, из-за чего он может перегреться и сгореть. Можно представлять это себе как регулирование скорости движения легкового автомобиля исключительно сцеплением, подав полный газ и включив четвертую передачу. Чтобы правильно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя нужно пропорционально регулировать и частоту, и напряжение. А лучше и вовсе организовать векторное управление, как более подробно было описано в прошлой статье. Но для этого нужен преобразователь частоты – целый прибор с инвертором, микроконтроллером, датчиками и т.п. До эры силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники (в прошлом веке) регулирование частотой было экзотикой – его не на чем было делать. Но сегодня регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователя частоты – это уже стандарт-де-факто.

Про принцип работы синхронного двигателя также была отдельная статья. Синхронных приводов бывает несколько подвидов – с магнитами (PMSM) и без (с обмоткой возбуждения и контактными кольцами), с синусоидальной ЭДС или с трапецеидальной (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC). Сюда же можно отнести некоторые шаговые двигатели. До эры силовой полупроводниковой электроники уделом синхронных машин было применение в качестве генераторов (почти все генераторы всех электростанций – синхронные машины), а также в качестве мощных приводов для какой-либо серьезной нагрузки в промышленности.

Все эти машины выполнялись с контактными кольцами (можно увидеть на фото), о возбуждении от постоянных магнитов при таких мощностях речи, конечно же, не идет. При этом у синхронного двигателя, в отличие от асинхронного, большие проблемы с пуском. Если включить мощную синхронную машину напрямую на трехфазную сеть, то всё будет плохо. Так как машина синхронная, она должна вращаться строго с частотой сети. Но за время 1/50 секунды ротор, конечно же, разогнаться с нуля до частоты сети не успеет, а поэтому он будет просто дергаться туда-сюда, так как момент получится знакопеременный. Это называется «синхронный двигатель не вошел в синхронизм». Поэтому в реальных синхронных машинах применяют асинхронный пуск – делают внутри синхронной машины небольшую асинхронную пусковую обмотку и закорачивают обмотку возбуждения, имитируя «беличью клетку» асинхронника, чтобы разогнать машину до частоты, примерно равной частоте вращения поля, а уже после этого включается возбуждение постоянным током и машина втягивается в синхронизм.
И если у асинхронного двигателя регулировать частоту ротора без изменения частоты поля хоть как-то можно, то у синхронного двигателя нельзя никак. Он или крутится с частой поля, или выпадает из синхронизма и с отвратительными переходными процессами останавливается. Кроме того, у синхронного двигателя без магнитов есть контактные кольца – скользящий контакт, чтобы передавать энергию на обмотку возбуждения в роторе. С точки зрения сложности, это, конечно, не коллектор ДПТ, но всё равно лучше бы было без скользящего контакта. Именно поэтому в промышленности для нерегулируемой нагрузки применяют в основном менее капризные асинхронные привода.
Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

У него много названий. Обычно его коротко называют вентильно-индукторный двигатель (ВИД) или вентильно-индукторная машина (ВИМ) или привод (ВИП). В английской терминологии это switched reluctance drive (SRD) или motor (SRM), что переводится как машина с переключаемым магнитным сопротивлением. Но чуть ниже будет рассматриваться другой подвид этого двигателя, отличающийся по принципу действия. Чтобы не путать их друг с другом, «обычный» ВИД, который рассмотрен в этом разделе, мы на кафедре электропривода в МЭИ, а также на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» называем «вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением» или коротко ВИД СВ, что подчеркивает принцип возбуждения и отличает его от машины, рассмотренной далее. Но другие исследователи его также называют ВИД с самоподмагничиванием, иногда реактивный ВИД (что отражает суть образования вращающего момента).

Конструктивно это самый простой двигатель и по принципу действия похож на некоторые шаговые двигатели. Ротор – зубчатая железка. Статор – тоже зубчатый, но с другим числом зубцов. Проще всего принцип работы поясняет вот эта анимация:

Подавая постоянный ток в фазы в соответствии с текущим положением ротора можно заставить двигатель вращаться. Фаз может быть разное количество. Форма тока реального привода для трех фаз показа на рисунке (токоограничение 600А):

Однако за простоту двигателя приходится платить. Так как двигатель питается однополярными импульсами тока, напрямую «на сеть» его включать нельзя. Обязательно требуется преобразователь и датчик положения ротора. Причем преобразователь не классический (типа шестиключевой инвертор): для каждой фазы у преобразователя для SRD должны быть полумосты, как на фото в начале этого раздела. Проблема в том, что для удешевления комплектующих и улучшения компоновки преобразователей силовые ключи и диоды часто не изготавливаются отдельно: обычно применяются готовые модули, содержащие одновременно два ключа и два диода – так называемые стойки. И именно их чаще всего и приходится ставить в преобразователь для ВИД СВ, половину силовых ключей просто оставляя незадействованной: получается избыточный преобразователь. Хотя в последние годы некоторые производители IGBT модулей выпустили изделия, предназначенные именно для SRD.
Следующая проблема – это пульсации вращающего момента. В силу зубчатой структуры и импульсного тока момент редко получается стабильным – чаще всего он пульсирует. Это несколько ограничивает применимость двигателей для транспорта – кому хочется иметь пульсирующий момент на колесах? Кроме того, от таких импульсов тянущего усилия не очень хорошо себя чувствуют подшипники двигателя. Проблема несколько решается специальным профилированием формы тока фазы, а также увеличением количества фаз.
Однако даже при этих недостатках двигатели остаются перспективными в качестве регулируемого привода. Благодаря их простоте сам двигатель получается дешевле классического асинхронного двигателя. Кроме того, двигатель легко сделать многофазным и многосекционным, разделив управление одним двигателем на несколько независимых преобразователей, которые работают параллельно. Это позволяет повысить надежность привода – отключение, скажем, одного из четырех преобразователей не приведет к остановке привода в целом – трое соседей будут какое-то время работать с небольшой перегрузкой. Для асинхронного двигателя такой фокус выполнить так просто не получается, так как невозможно сделать несвязанные друг с другом фазы статора, которые бы управлялись отдельным преобразователем полностью независимо от других. Кроме того, ВИД очень хорошо регулируются «вверх» от основной частоты. Железку ротора можно раскручивать без проблем до очень высоких частот.
Мы на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» выполнили несколько проектов на базе этого двигателя. Например, делали небольшой привод для насосов горячего водоснабжения, а также недавно закончили разработку и отладку системы управления для мощных (1,6 МВт) многофазных резервируемых приводов для обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». Вот машинка на 1,25 МВт:

Вся система управления, контроллеры и алгоритмы были сделаны у нас в ООО «НПФ ВЕКТОР», силовые преобразователи спроектировала и изготовила фирма ООО «НПП «ЦИКЛ+». Заказчиком работы и проектировщиком самих двигателей являлась фирма ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Это совсем другой тип двигателя, отличающийся по принципу действия от обычного ВИД. Исторически известны и широко используются вентильно-индукторные генераторы такого типа, применяемые на самолетах, кораблях, железнодорожном транспорте, а вот именно двигателями такого типа почему-то занимаются мало.

На рисунке схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а также изображено взаимодействие магнитных потоков статора и ротора, при этом ротор на рисунке установлен в согласованное положение (момент равен нулю).
Ротор собран из двух пакетов (из двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (на рисунке показана как четыре витка медного провода). Несмотря на то, что обмотка висит «посередине» между половинками ротора, крепится она к статору и не вращается. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная трехфазная – как у обычного асинхронного или синхронного двигателя. Хотя существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой: зубцами на статоре, как у SRD или BLDC двигателя. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета ротора.
Упрощенно принцип работы можно описать следующим образом: ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре (от токов статора) и роторе (от тока возбуждения) совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина – в другом. Со стороны статора машина подразумевает разнополярное синусоидальное питание (ЭДС синусоидальна), электромагнитный момент активный (полярность зависит от знака тока) и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданного обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических шаговых и SRD двигателей, в которых момент реактивный (когда металлическая болванка притягивается к электромагниту и знак усилия не зависит от знака тока электромагнита).
С точки зрения управления ВИД НВ оказывается эквивалентен синхронной машине с контактными кольцами. То есть, если вы не знаете конструкцию этой машины и используете её как «черный ящик», то она ведет себя практически неотличимо от синхронной машины с обмоткой возбуждения. Можно сделать векторное управление или автокоммутацию, можно ослаблять поток возбуждения для повышения частоты вращения, можно усиливать его для создания большего момента – всё так, как будто это классическая синхронная машина с регулируемым возбуждением. Только ВИД НВ не имеет скользящего контакта. И не имеет магнитов. И ротор в виде дешевой железной болванки. И момент не пульсирует, в отличие от SRD. Вот, например, синусоидальные токи ВИД НВ при работе векторного управления:

Кроме того, ВИД НВ можно создавать многофазным и многосекционным, аналогично тому, как это делается в ВИД СВ. При этом фазы оказываются несвязанными друг с другом магнитными потоками и могут работать независимо. Т.е. получается как будто бы несколько трехфазных машин в одной, к каждой из которых присоединяется свой независимый инвертор с векторным управлением, а результирующая мощность просто суммируется. Координации между преобразователями при этом не требуется никакой – только общее задание частоты вращения.
Минусы этого двигателя тоже есть: напрямую от сети он крутиться не может, так как, в отличие от классических синхронных машин, ВИД НВ не имеет асинхронной пусковой обмотки на роторе. Кроме того, он сложнее по конструкции, чем обычный ВИД СВ (SRD).
На основе данного двигателя мы также сделали несколько успешных проектов. Например, один из них – это серия приводов насосов и вентиляторов для районных теплостанций г. Москвы мощностью 315-1200кВт (ссылка на проект). Это низковольтные (380В) ВИД НВ с резервированием, где одна машина «разбита» на 2, 4 или 6 независимых трехфазных секций. На каждую секцию ставится свой однотипный преобразователь с векторным бездатчиковым управлением. Таким образом можно легко наращивать мощность на базе однотипной конструкции преобразователя и двигателя. При этом часть преобразователей подключено к одному вводу питания районной теплостанции, а часть к другому. Поэтому если происходит «моргушка питания» по одному из вводов питания, то привод не встает: половина секций кратковременно работают в перегрузке, пока питание не восстановится. Как только оно восстанавливается, на ходу в работу автоматически вводятся отдыхавшие секции. Вообще, наверное, этот проект заслуживал бы отдельной статьи, поэтому пока про него закончу, вставив фото двигателя и преобразователей:

К сожалению, двумя словами здесь не обойтись. И общими выводами про то, что у каждого двигателя свои достоинства и недостатки – тоже. Потому что не рассмотрены самые главные качества – массогабаритные показатели каждого и типов машин, цена, а также их механические характеристики и перегрузочная способность. Оставим нерегулируемый асинхронный привод крутить свои насосы напрямую от сети, тут ему конкурентов нет. Оставим коллекторные машины крутить дрели и пылесосы, тут с ними в простоте регулирования тоже потягаться сложно.
Давайте рассмотрим регулируемый электропривод, режим работы которого – длительный. Коллекторные машины здесь сразу исключаются из конкуренции по причине ненадежности коллекторного узла. Но остались еще четыре – синхронный, асинхронный, и два типа вентильно-индукторных. Если мы говорим о приводе насоса, вентилятора и чего-то похожего, что используется в промышленности и где масса и габариты особо не важны, то здесь из конкуренции выпадают синхронные машины. Для обмотки возбуждения требуются контактные кольца, что является капризным элементом, а постоянные магниты очень дороги. Конкурирующими вариантами остаются асинхронный привод и вентильно-индукторные двигатели обоих типов.
Как показывает опыт, все три типа машин успешно применяются. Но – асинхронный привод невозможно (или очень сложно) секционировать, т.е. разбить мощную машину на несколько маломощных. Поэтому для обеспечения большой мощности асинхронного преобразователя требуется делать его высоковольтным: ведь мощность – это, если грубо, произведение напряжения на ток. Если для секционируемого привода мы можем взять низковольтный преобразователь и наставить их несколько, каждый на небольшой ток, то для асинхронного привода преобразователь должен быть один. Но не делать же преобразователь на 500В и ток 3 килоампера? Это провода нужны с руку толщиной. Поэтому для увеличения мощности повышают напряжение и снижают ток. А высоковольтный преобразователь – это совсем другой класс задачи. Нельзя просто так взять силовые ключи на 10кВ и сделать из них классический инвертор на 6 ключей, как раньше: и нет таких ключей, а если есть, они очень дороги. Инвертор делают многоуровневым, на низковольтных ключах, соединенных последовательно в сложных комбинациях. Такой инвертор иногда тянет за собой специализированный трансформатор, оптические каналы управления ключами, сложную распределенную систему управления, работающую как одно целое… В общем, сложно всё у мощного асинхронного привода. При этом вентильно-индукторный привод за счет секционирования может «отсрочить» переход на высоковольтный инвертор, позволяя сделать привода до единиц мегаватт от низковольтного питания, выполненные по классической схеме. В этом плане ВИПы становятся интереснее асинхронного привода, да еще и обеспечивают резервирование. С другой стороны, асинхронные привода работают уже сотни лет, двигатели доказали свою надежность. ВИПы же только пробивают себе дорогу. Так что здесь надо взвесить много факторов, чтобы выбрать для конкретной задачи наиболее оптимальный привод.
Но всё становится еще интереснее, когда речь заходит о транспорте или о малогабаритных устройствах. Там уже нельзя беспечно относиться к массе и габаритам электропривода. И вот там уже нужно смотреть на синхронные машины с постоянными магнитами. Если посмотреть только на параметр мощности деленной на массу (или размер), то синхронные машины с постоянными магнитами вне конкуренции. Отдельные экземпляры могут быть в разы меньше и легче, чем любой другой «безмагнитный» привод переменного тока. Но здесь есть одно опасное заблуждение, которое я сейчас постараюсь развеять.
Если синхронная машина в три раза меньше и легче – это не значит, что для электротяги она подходит лучше. Всё дело в отсутствии регулировки потока постоянных магнитов. Поток магнитов определяет ЭДС машины. На определенной частоте вращения ЭДС машины достигает напряжения питания инвертора и дальнейшее повышение частоты вращения становится затруднительно. Тоже самое касается и повышения момента. Если нужно реализовать больший момент, в синхронной машине нужно повышать ток статора – момент возрастет пропорционально. Но более эффективно было бы повысить и поток возбуждения – тогда и магнитное насыщение железа было бы более гармоничным, а потери были бы ниже. Но опять же поток магнитов повышать мы не можем. Более того, в некоторых конструкциях синхронных машин и ток статора нельзя повышать сверх определенной величины – магниты могут размагнититься. Что же получается? Синхронная машина хороша, но только лишь в одной единственной точке – в номинальной. С номинальной частотой вращения и номинальным моментом. Выше и ниже – всё плохо. Если это нарисовать, то получится вот такая характеристика частоты от момента (красным):

На рисунке по горизонтальной оси отложен момент двигателя, по вертикальной – частота вращения. Звездочкой отмечена точка номинального режима, например, пусть это будет 60кВт. Заштрихованный прямоугольник – это диапазон, где возможно регулирование синхронной машины без проблем – т.е. «вниз» по моменту и «вниз» по частоте от номинала. Красной линией отмечено, что можно выжать из синхронной машины сверх номинала – небольшое повышение частоты вращения за счет так называемого ослабления поля (на самом деле это создание лишнего реактивного тока по оси d двигателя в векторном управлении), а также показана некоторая возможная форсировка по моменту, чтобы было безопасно для магнитов. Всё. А теперь давайте поставим эту машину в легковое транспортное средство без коробки передач, где батарея рассчитана на отдачу 60кВт. Желаемая тяговая характеристика изображена синим. Т.е. начиная с самой низкой скорости, скажем, с 10км/ч привод должен развивать свои 60кВт и продолжать их развивать вплоть до максимальной скорости, скажем 150км/ч. Синхронная машина и близко не лежала: её момента не хватит даже чтобы заехать на бордюр у подъезда (или на поребрик у парадной, для полит. корректности), а разогнаться машина сможет лишь до 50-60км/ч.
Что же это значит? Синхронная машина не подходит для электротяги без коробки передач? Подходит, конечно же, просто надо по-другому её выбрать. Вот так:

Надо выбрать такую синхронную машину, чтобы требуемый тяговый диапазон регулирования был весь внутри её механической характеристики. Т.е. чтобы машина одновременно могла развить и большой момент, и работать на большой частоте вращения. Как вы видите из рисунка… установленная мощность такой машины будет уже не 60кВт, а 540кВт (можно посчитать по делениям). Т.е. в электромобиль с батареей на 60кВт придется установить синхронную машину и инвертор на 540кВт, просто чтобы «пройти» по требуемому моменту и частоте вращения.
Конечно же, так как описано, никто не делает. Никто не ставит машину на 540кВт вместо 60кВт. Синхронную машину модернизируют, пытаясь «размазать» её механическую характеристику из оптимума в одной точке вверх по скорости и вниз по моменту. Например, прячут магниты в железо ротора (делают инкорпорированными), это позволяет не бояться размагнитить магниты и ослаблять поле смелее, а также перегружать по току побольше. Но от таких модификаций синхронная машина набирает вес, габариты и становится уже не такой легкой и красивой, какой она была раньше. Появляются новые проблемы, такие как «что делать, если в режиме ослабления поля инвертор отключился». ЭДС машины может «накачать» звено постоянного тока инвертора и выжечь всё. Или что делать, если инвертор на ходу пробился — синхронная машина замкнется и может токами короткого замыкания убить и себя, и водителя, и всю оставшуюся живой электронику — нужны схемы защиты и т.п.
Поэтому синхронная машина хороша там, где большого диапазона регулирования не требуется. Например, в сегвее, где скорость с точки зрения безопасности может быть ограничена на 30км/ч (или сколько там у него?). А еще синхронная машина идеальна для вентиляторов: у вентилятора сравнительно мало изменяется частота вращения, от силы раза в два – больше особо нет смысла, так как воздушный поток ослабевает пропорционально квадрату скорости (примерно). Поэтому для небольших пропеллеров и вентиляторов синхронная машина – это то, что нужно. И как раз она туда, собственно, успешно ставится.
Тяговую кривую, изображенную на рисунке синим цветом, испокон веков реализуют двигатели постоянного тока с регулируемым возбуждением: когда ток обмотки возбуждения изменяют в зависимости от тока статора и частоты вращения. При увеличении частоты вращения уменьшается и ток возбуждения, позволяя машине разгоняться выше и выше. Поэтому ДПТ с независимым (или смешанным) управлением возбуждением классически стоял и до сих пор стоит в большинстве тяговых применений (метро, трамваи и т.п.). Какая же электрическая машина переменного тока может с ним поспорить?
К такой характеристике (постоянства мощности) могут лучше приблизиться двигатели, у которых регулируется возбуждение. Это асинхронный двигатель и оба типа ВИПов. Но у асинхронного двигателя есть две проблемы: во-первых, его естественная механическая характеристика – это не кривая постоянства мощности. Потому что возбуждение асинхронного двигателя осуществляется через статор. А поэтому в зоне ослабления поля при постоянстве напряжения (когда на инверторе оно закончилось) подъем частоты в два раза приводит к падению тока возбуждения в два раза и моментоообразующего тока тоже в два раза. А так как момент на двигателе – это произведение тока на поток, то момент падает в 4 раза, а мощность, соответственно, в два. Вторая проблема – это потери в роторе при перегрузке с большим моментом. В асинхронном двигателе половина потерь выделяется в роторе, половина в статоре. Для уменьшения массогабаритных показателей на транспорте часто применяется жидкостное охлаждение. Но водяная рубашка эффективно охладит лишь статор, за счет явления теплопроводности. От вращающегося ротора тепло отвести значительно сложнее – путь отвода тепла через «теплопроводность» отрезан, ротор не касается статора (подшипники не в счет). Остается воздушное охлаждение путем перемешивая воздуха внутри пространства двигателя или излучение тепла ротором. Поэтому ротор асинхронного двигателя получается своеобразным «термосом» — единожды перегрузив его (сделав динамичный разгон на машине), требуется долгое время ждать остывания ротора. А ведь его температуру еще и не измерить… приходится только предсказывать по модели.
Здесь нужно отметить, как мастерски обе проблемы асинхронного двигателя обошли в Тесла в своей Model S. Проблему с отводом тепла из ротора они решили… заведя во вращающийся ротор жидкость (у них есть соответствующий патент, где вал ротора полый и он омывается внутри жидкостью, но достоверно я не знаю, применяют ли они это). А вторую проблему с резким уменьшением момента при ослаблении поля… они не решали. Они поставили двигатель с тяговой характеристикой, почти как у меня нарисована для «избыточного» синхронного двигателя на рисунке выше, только у них не 540кВт, а 300кВт. Зона ослабления поля в тесле очень маленькая, где-то два крата. Т.е. они поставили «избыточный» для легкового автомобиля двигатель, сделав вместо бюджетного седана по сути спорт-кар с огромной мощностью. Недостаток асинхронного двигателя обратили в достоинство. Но если бы они попытались сделать менее «производительный» седан, мощностью 100кВт или меньше, то асинхронный двигатель, скорее всего, был бы точно таким же (на 300кВт), просто его искусственно задушили электроникой бы под возможности батареи.
А теперь ВИПы. Что могут они? Какая тяговая характеристика у них? Про ВИД СВ я точно сказать не могу – это по своему принципу работы нелинейный двигатель, и от проекта к проекту его механическая характеристика может сильно меняться. Но в целом он скорее всего лучше асинхронного двигателя в плане приближения к желаемой тяговой характеристике с постоянством мощности. А вот про ВИД НВ я могу сказать подробнее, так как мы на фирме им очень плотно занимаемся. Видите вон ту желаемую тяговую характеристику на рисунке выше, которая нарисована синим цветом, к которой мы хотим стремиться? Это на самом деле не просто желаемая характеристика. Это реальная тяговая характеристика, которую мы по точкам по датчику момента сняли для одного из ВИД НВ. Так как ВИД НВ имеет независимое внешнее возбуждение, то его качества наиболее приближены к ДПТ НВ, который тоже может сформировать такую тяговую характеристику за счет регулирования возбуждения.
Так что же? ВИД НВ – идеальная машина для тяги без единой проблемы? На самом деле нет. Проблем у него тоже куча. Например, его обмотка возбуждения, которая «висит» между пакетами статора. Хоть она и не вращается, от неё тоже сложно отводить тепло – получается ситуация почти как ротором асинхронника, лишь немного получше. Можно, в случае надобности, «кинуть» трубку охлаждения со статора. Вторая проблема – это завышенные массогабаритные показатели. Глядя на рисунок ротора ВИД НВ, можно видеть, что пространство внутри двигателя используется не очень эффективно – «работают» только начало и конец ротора, а середина занята обмоткой возбуждения. В асинхронном двигателе, например, вся длина ротора, всё железо «работает». Сложность сборки – засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь (ротор делается разборным, соответственно, есть проблемы с балансировкой). Ну и просто массогабаритные характеристики пока получаются не очень-то выдающимися по сравнению с теми же асинхронными двигателями Тесла, если накладывать тяговые характеристики друг на друга.
А также есть еще общая проблема обоих типов ВИД. Их ротор – пароходное колесо. И на высоких частотах вращения (а высокая частота нужна, так высокочастотные машины при той же мощности меньше тихоходных) потери от перемешивания воздуха внутри становятся очень значительными. Если до 5000-7000 об/мин ВИД еще можно сделать, то на 20000 об/мин это получится большой миксер. А вот асинхронный двигатель на такие частоты и гораздо выше сделать вполне можно за счет гладкого статора.
Так что же лучше всего в итоге для электротяги? Какой двигатель самый лучший?
Понятия не имею. Все плохие. Надо изобретать дальше. Но мораль статьи такова – если вы хотите сравнить между собой разные типы регулируемого электропривода, то нужно сравнивать на конкретной задаче с конкретной требуемой механической характеристикой по всем-всем параметрам, а не просто по мощности. Также в этой статье не рассмотрены еще куча нюансов сравнения. Например, такой параметр как длительность работы в каждой из точек механической характеристики. На максимальном моменте обычно ни одна машина не может работать долго – это режим перегрузки, а на максимальной скорости очень плохо себя чувствуют синхронные машины с магнитами – там у них огромные потери в стали. А еще интересный параметр для электротяги – потери при движении выбегом, когда водитель отпустил газ. Если ВИПы и асинхронные двигатели будут крутиться как болванки, то у синхронной машины с постоянными магнитами останутся почти номинальные потери в стали из-за магнитов. И так далее, и так далее…
Поэтому нельзя вот так просто взять и выбрать лучший электропривод.
UPD:
Обобщая замечания в комментариях, необходимо дополнить некоторые важные, как оказалось, вещи, которые я изначально опустил как маловажные.
1. Асинхронные двигатели до эры преобразователей частоты регулировали за счет применения так называемого фазного ротора — когда ротор делался в виде обмотки, а не беличьей клетки, а через контактные кольца (как у синхронной машины) фазы ротора выводились наружу. Включая в цепь ротора резисторы можно было мягко пускать АД и безопасно регулировать частоту вращения, изменяя сопротивление. Проблема в том, что очень много энергии при этом терялось в резисторах — иногда до половины от подводимой к приводу мощности.
2. В статье не упомянуты синхронные реактивные машины и их совмещение с синхронными машинами с постоянными магнитами. Если сделать ротор синхронной машины с магнитами явнополюсным — например таким, как нарисован ротор SRD двигателя на gif анимации, то развиваемый момент может быть не только активным, но и реактивным — как у SRD. Подбирая оптимальное сочетание активного и реактивного момента можно частично исключить проблемы классической синхронной машины с магнитами, значительно расширив диапазон работы с постоянством мощности. Получается некий гибрид реактивной машины и синхронной с магнитами.
3. Шаговые двигатели не рассмотрены, потому что по принципу действия они в первом приближении схожи либо с синхронными машинами с постоянными магнитами, либо с SRD двигателями — зависит от конкретного типа шаговика. Только шаговые двигатели, в отличие от «силовых» приводов, имеют гораздо большее количество пар полюсов (зубцов) для увеличения коэффициента электрической редукции: чтобы одному периоду тока соответствовало меньшее угловое перемещение вала. Управление шаговиками обычно тривиальное — последовательный перебор фаз друг за другом (шаги). Более продвинутые системы дробят шаг, подавая в двигатель «микрошаги» — по сути приближая управление к синусоидальному. Еще более продвинутые используют датчик положения ротора и применяют полноценное векторное управление. Но в таком случае и машину нужно делать более качественную, а называться в сумме это будет уже настоящим сервоприводом.
Ротор — это… Что такое Ротор?
Роторный экскаватор как экспонат в бывшем угольном карьере — «стальном городе» Феррополис (Германия), превращенном в музей под открытым небом
Ро́тор — от лат. roto )— вращаться
В математике:
Ротор — то же, что вихрь векторного поля, то есть вектор, характеризующий вращательное движение в данной точке векторного поля.
В медицине:
В технике:
Ротор — вращающаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела (например, ротор двигателя Ванкеля) или отдающие её рабочему телу (например, ротор роторного насоса). Ротор двигателей связан с ведущим валом, ротор рабочих машин — с приводным валом. Ротор выполняется в виде барабанов, дисков, колёс.
Ротор — вращающаяся часть паровой турбины, компрессора, гидронасоса, гидромотора и т. д.
Буровой ротор — механизм, являющийся многофункциональным оборудованием буровой установки, который предназначен для вращения бурильных труб и поддержания колонны бурильных или обсадных труб при свинчивании и развинчивании в процессе спуско-подъемных операций, при поисковом бурении и капитальном ремонте скважин. Привод — цепной или карданный. Роторное бурение.
Ротор — устройство управления поворотом антенны в направлении приёма или передачи сигнала.
Ротор — любое вращающееся тело в теории балансировки.
Ротор — система вентилятора.
Ротор (слева) и статор (справа) электродвигателя в разборе
В электротехнике:
Ротор — вращающаяся часть электрической машины (генератора или двигателя переменного тока внутри неподвижной части — статора). Ротор асинхронной электромашины обычно представляет собой собранное из листовой электротехнической стали цилиндрическое тело с пазами для размещения обмотки. Ротор в электромашинах постоянного тока называется якорем.
Ротор — автоматически управляемая машина (транспортное устройство, прибор), в которой заготовки двигаются вместе с обрабатывающими их орудиями по дугам окружности. Роторная печь. Ротороный экскаватор. Роторная линия (комплекс роторов).
В авиации:
В ветроэнергетике:
Ротор Дарье — составная часть вертикально-осевого ветрогенератора, крыльчатка которого представляет собой двояковыпуклые лопасти, закреплённые при помощи штанг на вертикально вращающейся оси.
Ротор Савониуса — составная часть вертикально-осевого ветрогенератора в виде двух смещенных относительно друг друга полуцилиндрических лопастей и небольшого (10—15 % от диаметра лопасти) перекрытия, которые образуют параллельно оси вращения роторы.
В судостроении:
Ротор Флеттнера — «парусная мачта» или заменяющий паруса ротор (на судне их устанавливается несколько), с помощью которого судно приводится в движение посредством ветра, благодаря эффекту Магнуса. Роторное судно Флеттнера.
Собственные имена:
Ротор и статор электродвигателя: определение, виды, назначение
Рано или поздно человек, интересующийся электротехникой, слышит упоминания о роторе и статоре, и задается вопросом: «Что это такое, и в чем отличие этих устройств?» Простыми словами, ротор и статор – это две основные части, расположенные в электродвигателе (устройстве по преобразованию электрической энергии в механическую). Без них существование современных двигателей, а значит и большинства электрических приборов на их основе, было бы невозможным. Статор является неподвижной частью устройства, а ротор – подвижной, они вращаются в разные стороны относительно друг друга. В этой статье мы подробно разберем конструкцию этих деталей и их принцип действия, чтобы после прочтения статьи у читателей сайта Сам Электрик больше не осталось вопросов по данному поводу.
Что такое ротор
Ротор, еще его иногда называют якорь, это подвижная, то есть вращающаяся часть в генераторе или электродвигателях, которые повсеместно применяются в бытовой и промышленной технике.
Если рассматривать ротор двигателя постоянного тока или универсального коллекторного двигателя, то он состоит из нескольких основных узлов, а именно:
Сердечник. Он выполнен из множества штампованных тонких металлических пластин, изолированных друг от друга специальным диэлектриком или же просто оксидной пленкой, которая проводит ток гораздо хуже, чем чистый металл. Сердечник набирается из них и представляет собой «слоеный пирог». В результате электроны не успевают разогнаться из-за маленькой толщины металла, и нагрев ротора гораздо меньше, а эффективность всего устройства выше за счет уменьшения потерь. Данное конструктивное решение принято для уменьшения вихревых токов Фуко, которые неизбежно возникают при работе двигателя из-за перемагничивания сердечника. Этот же метод борьбы с ними используется и в трансформаторах переменного тока.
Обмотки. Вокруг сердечника особым образом намотана медная проволока, покрытая лаковой изоляцией для предотвращения появления короткозамкнутых витков, которые недопустимы. Вся обмотка дополнительно пропитана эпоксидной смолой или лаком для фиксации обмоток, чтобы они не повреждались при вибрациях от вращения.
Обмотки ротора могут подключаться к коллектору – специальному блоку с контактами, надежно закрепленному на валу. Эти контакты называются ламелями, они выполнены из меди или ее сплава для лучшей передачи электрического тока. По нему скользят щетки, обычно выполненные из графита, и в нужный момент на обмотки подается электрический ток. Это называется скользящий контакт.
Сам вал является металлическим стержнем, на его концах расположены посадочные места под подшипники качения, он может иметь резьбу или выемки, пазы под шпонку для крепления шестерен, шкивов или других деталей, приводимых в движение электродвигателем.
На валу также размещается крыльчатка вентилятора, чтобы двигатель охлаждал сам себя и не приходилось бы устанавливать дополнительное устройство для отвода тепла.
Стоит отметить, что не у всякого ротора есть обмотки, которые, в сущности, представляют собой электромагнит. Вместо них могут применяться постоянные магниты, как в бесщеточных двигателях постоянного тока. А у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обмоток в привычном виде вовсе нет, вместо них используются короткозамкнутые металлические стержни, но об этом ниже.
Что такое статор
Статор – это неподвижная часть в электродвигателе. Обычно он совмещен с корпусом устройства и представляет собой цилиндрическую деталь. Он так же состоит из множества пластин для уменьшения нагрева из-за токов Фуко, в обязательном порядке покрытых лаком. На торцах располагаются посадочные места под подшипники скольжения или качения.
Конструкция называется пакет статора, она впрессовывается в чугунный корпус устройства. Внутри этого цилиндра вытачиваются пазы под обмотки, которые, так же как и для ротора, пропитываются специальными составами, чтобы тепло равномернее распределялось по устройству, и обмотки не терлись друг об друга от вибрации.
Обмотки статора могут подключаться разными способами в зависимости от назначения и типа электрической машины. Для трехфазных электродвигателей применимы типы подключения звезда и треугольник. Они представлены на схеме:
Для выполнения подключений на корпусе устройства предусмотрена специальная распределительная коробка («борно»). В эту коробку выведены начала и концы трех обмоток и предусмотрены специальные клеммники различных конструкций, в зависимости от мощности и назначения машины.
Существуют серьезные отличия в работе двигателей при разном соединении обмоток. Например, при подключении звездой двигатель будет стартовать плавнее, однако нельзя будет развить максимальную мощность. При присоединении треугольником, электродвигатель будет выдавать весь крутящий момент, заявленный производителем, но пусковые токи в таком случае достигают высоких значений. Электросеть может быть просто не рассчитана на такие нагрузки. Использование устройства в этом режиме чревато нагревом проводов, и в слабом месте (это места соединения и разъемы) провод может отгореть и привести к пожару. Главным преимуществом асинхронных двигателей является удобство в смене направления их вращения, нужно просто поменять местами подключения двух любых обмоток.
Статор и ротор в асинхронных двигателях
Трехфазные асинхронные двигатели имеют свои особенности, ротор и статор в них отличаются от использованных в других типах электродвигателей. Например, ротор может иметь две конструкции: короткозамкнутый и фазный. Рассмотрим особенности строения каждого из них по подробнее. Однако для начала давайте вкратце разберемся, как работает асинхронный двигатель.
В статоре создается вращающееся магнитное поле. Оно наводит на роторе индуцируемый ток и тем самым приводит его в движение. Таким образом ротор всегда пытается «догнать» вращающееся магнитное поле.
Необходимо также упомянуть о такой важной особенности асинхронного двигателя, как скольжение ротора. Это явление заключается в разности частот вращения ротора и магнитного поля, создаваемого статором. Объясняется это как раз тем, что ток индуцируется в роторе только при его движении относительно магнитного поля. И если бы частоты вращения были одинаковы, то этого движения бы просто не происходило. В результате ротор пытается «догнать» по оборотам магнитное поле, и если это происходит, то ток в обмотках перестает индуцироваться и ротор замедляется. В этот момент сила, действующая на него, растет, он начинает опять ускоряться. Так и получается эффект стабилизации частоты вращения, за что эти электродвигатели и пользуются большой востребованностью.
Короткозамкнутый ротор
Он также представляет собой конструкцию, состоящую из металлических пластин, выполняющих функцию сердечника. Однако вместо медной обмотки там установлены стержни или пруты, не касающиеся друг друга и накоротко замкнутые между собой металлическими пластинами на торцах. При этом стержни не перпендикулярны пластинам, а направлены под углом. Это делается для уменьшения пульсаций магнитного поля и момента. Таким образом получаются витки, замкнутые накоротко, от сюда и название.

Фазный ротор
Главное отличие фазного ротора от короткозамкнутого заключается в наличии трехфазной обмотки, уложенной в проточки сердечника и соединяющейся в особом коллекторе с тремя кольцами вместо ламелей. Эти обмотки обычно соединяются «звездой». Такие электродвигатели более трудоемки в производстве за счет усложнения конструкции, однако их пусковые токи ниже, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, а также они лучше поддаются регулировке.
Надеемся, что после прочтения данной статьи у вас больше не осталось вопросов о том, что такое ротор и статор электродвигателя и какой у них принцип работы. Напоследок рекомендуем просмотреть видео, в котором наглядно рассмотрен данный вопрос:
Материалы по теме:
Как работает реактивный двигатель
Вы, возможно, задавались вопросом, как работает реактивный двигатель, но отказались от мысли, что вы сможете понять ракетостроение. Но на самом деле это простая для понимания концепция, которая впечатлит человека рядом с вами во время вашего следующего полета. Итак, мы собираемся объяснить задействованные процессы, чтобы каждый мог хорошо понять основные принципы, лежащие в основе реактивных двигателей.
Реактивные двигатели, чаще используемые в самолетах, представляют собой тип газотурбинных двигателей.Теперь вы, возможно, знаете паровые турбины, в которых топливо сжигается для получения высокотемпературного парового потока, который приводит в движение турбину, а затем вращает вал, прежде чем его выбросить из системы. Вращение этого вала — это выходная мощность, и именно это вращение приводит в движение вращающийся объект. Газовая турбина похожа на те же основные принципы, однако сжатый газ отвечает за привод турбины. В реактивных двигателях высокотемпературный сжатый газ приводит во вращение компрессор спереди, но, что более важно, то, что выбрасывается из системы, вылетает сзади на высоких скоростях, создавая так называемую тягу.
Проще говоря, у реактивных двигателей есть сердечник, который разделен на три основные части:
Компрессор — в передней части двигателя расположены лопасти вентилятора, некоторые вращающиеся (роторы) и некоторые статические (статоры), которые втягивают воздух в двигатель. двигатель. Здесь много рядов лопастей, и когда воздух проходит через каждый ряд, он становится более сжатым и температура увеличивается.
Камера сгорания — этот сжатый воздух затем распыляется с топливом (чаще всего Jet A или Jet A-1, которые относятся к керосиновому типу), а затем электрическая искра воспламеняет топливно-воздушную смесь в камере.Это вызывает горение топливно-воздушной смеси, что значительно увеличивает давление и температуру.
Турбины — горячий сжатый газ всасывается из двигателя задней турбиной, которая забирает энергию из газа и вызывает падение давления и температуры. По мере того, как давление уменьшается, газ течет быстрее (подумайте о том, чтобы отпустить надутый баллон). Энергия газа, который приводит в движение заднюю турбину, приводит во вращение компрессор, который втягивает воздух спереди.
Высокоскоростные газы, выходящие через сопло в задней части, являются причиной тяги. Чтобы понять это, мы обратимся к третьему закону движения Ньютона: для каждого действия существует равное и противоположное противодействие. Когда газ вырывается из спины, вперед действует равная и противоположная сила. Подумайте о том, когда вы толкаете стену бассейна, чтобы скользить в противоположном направлении; даже если сила вашего толчка направлена к стене, равная и противоположная сила реакции заставляет вас двигаться в противоположном направлении.
Примерно на скорости 400 миль в час один фунт тяги равен одной лошадиной силе, но на более высоких скоростях это соотношение увеличивается, и фунт тяги превышает одну лошадиную силу. На скорости менее 400 миль в час это соотношение уменьшается. Эта сила позволяет большим самолетам, таким как 747, летать со скоростью до 600 миль в час.
Существуют также разные типы реактивных двигателей, например, турбовинтовой. Вы узнаете, является ли это турбовинтовой двигатель, по большим выдавленным гребным винтам спереди, которые отвечают за тягу, поскольку большая часть энергии от газа передается компрессору задними турбинами, поэтому поданный газ не несет ответственности за тяга.
Турбовальный двигатель используется в роторах вертолетов, силовых установках и даже в танке M1. Процесс аналогичен турбовинтовому, однако вместо привода пропеллеров вращающийся вал может приводить в действие различные устройства, такие как насосы, генераторы, колеса и вообще все, что вращается.
В современных больших самолетах используется турбореактивный двухконтурный двигатель, который аналогичен стандартному турбореактивному двигателю, за исключением того, что большой передний вентилятор втягивает в двигатель больше воздуха. Однако не весь воздух проходит через компрессор и турбины, при этом большая часть воздуха фактически проходит в обход сердечника и проходит по каналам снаружи сердечника (в среднем в 5 раз больше воздуха пропускается, чем фактически проходит через сердечник).Они более эффективны, особенно на дозвуковых скоростях (то есть ниже скорости звука, 768 миль в час), а также намного тише, при этом все еще имея возможность ускорять транспортное средство тяжелее локомотива с 0 до 200 миль в час менее чем за 60 секунд.
Будущее винтокрылых самолетов | Будущее авиакосмической промышленности
использовались для наблюдения и разведки. Этот опыт послужил катализатором для коммерческого и военного использования уникальных возможностей вертикального взлета и посадки вертолета.Сегодня материально-техническое снабжение, воздушное нападение, противотанковое вооружение, медицинская эвакуация, аварийно-спасательная операция на море и противолодочные работы в вооруженных силах столь же распространены, как сообщения о дорожном движении, покрытие бедствий, экстренная медицинская помощь, морская нефтяная поддержка и коммерческие транспортные приложения. сектор. Сегодня 10 стран производят малые, средние и большие вертолеты как для коммерческого, так и для военного применения, и ряд других стран-производителей быстро развиваются.
Первый вертолет R-4B мог зависать на высоте около 2000 футов в течение стандартного дня с эффектом приземления (IGE), нести экипаж из двух человек и летать со скоростью 70 миль в час в течение двух часов с полезной нагрузкой 50 фунтов ( парашюты).Излишне говорить, что характеристики современных вертолетов резко улучшились, что объясняет их широкое распространение и применение в настоящее время. Чтобы проиллюстрировать масштабы и источник этого улучшения характеристик, эта статья следует формату, используемому Джорджем Шайрером в недавней статье, озаглавленной «О конструкции первых самолетов с большим стреловидным крылом». Он проследил эволюцию трех основных элементов уравнения диапазона Бреге (рис. 3), эффективности лобового сопротивления ( L / D ), топливной эффективности ( η _p/ c ) и эффективности веса ( W ₁/ W ₀) и рассмотрены достижения в области технологий, которые обеспечили внедрение реактивного транспорта Boeing 707.В расширении этого формата на рисунке 3 показаны сегменты миссии, которые необходимо учитывать, помимо дальности, для использования возможностей вертикального взлета и посадки. Вертикальный взлет и посадка должны быть доступны в широком диапазоне высот и температур окружающей среды. Установленная мощность (мощность нагрузки, л, _p0), необходимая для достижения этого широкого диапазона, является функцией аэродинамической эффективности ротора (добротность, M _f), нагрузки на диск ротора ( w , конструкция параметр) и характеристики градиента двигателя.Многие миссии вертикального взлета и посадки (например, военные, спасательные, лесозаготовительные) требуют значительного времени, проводимого в режиме зависания. Как и в случае с силовой загрузкой, количество топлива, необходимое для этого режима полета, зависит от аэродинамической эффективности несущего винта и нагрузки на диск, а также, как и в сегменте дальности, от топливной и весовой эффективности. В данной презентации весовая эффективность выражается в единицах ф _E и
. Ротор
— Викисловарь
Английский язык [править]
Этимология [править]
От неправильного укорочения ротатора .
Произношение [править]
Существительное [править]
ротор ( несколько роторов )
Вращающаяся часть механического устройства, например электродвигателя, генератора, генератора переменного тока или насоса.
2013 июль-август, Ли С. Лэнгстон, «Адаптируемая газовая турбина», в American Scientist :
Турбины существуют уже давно — ветряные мельницы и водяные колеса — ранние примеры.Название происходит от латинского turbo , что означает вихрь , и, таким образом, определяющим свойством турбины является то, что жидкость или газ вращают лопасти ротора , который прикреплен к валу, который может выполнять полезную работу.
Крыло вертолета или аналогичного летательного аппарата.
Количество, имеющее величину, направление и положение.
Связанные термины [править]
Переводы [править]
вращающаяся часть механического устройства
крыло вертолета или аналогичное
Этимология [править]
От английского rotor , окончательно от латинского rota .
Произношение [править]
Существительное [править]
ротор м
ротор (вращающаяся часть механического устройства)
Связанные термины [править]
Дополнительная литература [править]
Произношение [править]
Существительное [править]
ротор м ( множественное число роторы или роторы , уменьшенное роторное n )
ротор
Глагол
[править]
ротор
от первого лица единственного числа присутствует пассивное указание на rotō
Ссылки [править]
Существительное [править]
ротор м дюйм
ротор (вращающаяся часть механического устройства)
склонение [править]
Синонимы [править]
португальский [править]
Существительное [править]
ротор м ( во множественном числе роторы )
ротор (вращающаяся часть механического устройства)
винт (центральная часть крыльев вертолета)
сербохорватский [править]
Произношение [править]
IPA ^(ключ): / rôːtor /
Расстановка переносов: ротор
Существительное [править]
rȏtor m ( кириллица ро̑тор )
ротор
склонение [править]
испанский [править]
Существительное [править]
ротор м ( во множественном числе роторы )
ротор
Турецкий [править]
Существительное [править]
ротор ( определенный винительный падеж rotoru , множественное число rotorlar )
(авиация) ротор
склонение [править]
.

Роторный двигатель — Rotary engine

Описание

Различие между «роторными» и «радиальными» двигателями

Договоренность

Достоинства и недостатки

Управление роторным двигателем

Моноупаковочные роторы

«Нормальные» роторы

История

Просо

Hargrave

Balzer

Де Дион-Бутон

Адамс-Фарвелл

Гном

Первая Мировая Война

Двухроторные конструкции Сименс-Хальске

Послевоенный

Использование в автомобилях и мотоциклах

Другие роторные двигатели

Смотрите также

Ноты

внешние ссылки

Что такое роторно-поршневой двигатель. Принцип работы, особенности, преимущества и недостатки

Роторно-поршневой двигатель(Ванкеля). История создания и где применялся.

Создатель – Феликс Ванкель

Принципы работы роторного двигателя

В серию!

Врождённые недостатки

Машины с двигателем Ванкеля

Русская страница этой истории

Дальнейшие перспективы роторных двигателей

История не закончена…

Вместо поскриптума

какие они бывают / Блог компании НПФ ВЕКТОР / Хабр

Ротор — это… Что такое Ротор?

Ротор и статор электродвигателя: определение, виды, назначение

Что такое ротор

Что такое статор

Статор и ротор в асинхронных двигателях

Короткозамкнутый ротор

Фазный ротор

Как работает реактивный двигатель

Будущее винтокрылых самолетов | Будущее авиакосмической промышленности

— Викисловарь

Английский язык [править]

Этимология [править]

Произношение [править]

Существительное [править]

Связанные термины [править]

Переводы [править]

Этимология [править]

Произношение [править]

Существительное [править]

Связанные термины [править]

Дополнительная литература [править]

Произношение [править]

Существительное [править]

[править]

Ссылки [править]

Существительное [править]

склонение [править]

Синонимы [править]

португальский [править]

Существительное [править]

сербохорватский [править]

Произношение [править]

Существительное [править]

склонение [править]

испанский [править]

Существительное [править]

Турецкий [править]

Существительное [править]

склонение [править]

Добавить комментарий Отменить ответ