Мотор машина: Принцип работы и устройство двигателя

Устройство автомобиля. Как работает роторный двигатель

Роторный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, устройство которого в корне отличается от обычного поршневого двигателя.
В поршневом двигателе в одном и том же объеме пространства (цилиндре) выполняются четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Роторный двигатель осуществляет те же такты, но все они происходят в различных частях камеры. Это можно сравнить с наличием отдельного цилиндра для каждого такта, причем поршень постепенно перемещается от одного цилиндра к другому.

Роторный двигатель изобретен и разработан доктором Феликсом Ванкелем и иногда называется двигатель Ванкеля или роторный двигатель Ванкеля.

В этой статье мы расскажем о том, как работает роторный двигатель. Для начала рассмотрим принцип его работы.

Принцип работы роторного двигателя

Ротор и корпус роторного двигателя Mazda RX-7. Эти детали заменяют поршни, цилиндры, клапаны и распредвал поршневого двигателя. Как и поршневой, роторный двигатель использует давление, которое создается при сгорании топливовоздушной смеси. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и приводит поршни в движение. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

В роторном двигателе, давление сгорания образуется в камере, сформированной частью корпуса, закрытой стороной треугольного ротора, который используется вместо поршней.

Ротор вращается по траектории, напоминающую линию, нарисованную спирографом. Благодаря такой траектории, все три вершины ротора контактируют с корпусом, образуя три разделенных объема газа. Ротор вращается, и каждый из этих объемов попеременно расширяется и сжимается. Это обеспечивает поступление топливовоздушной смеси в двигатель, сжатие, полезную работу при расширении газов и выпуск выхлопа.

Далее мы расскажем о строении роторного двигателя, но, прежде всего, рассмотрим некоторые автомобили с таким типом двигателя.

Mazda RX-8

Mazda стала пионером в массовом производстве автомобилей с роторным двигателем. RX-7, который поступил в продажу в 1978 году, был, пожалуй, наиболее успешным автомобилем с роторным двигателем. Но ему предшествовал целый ряд автомобилей, грузовиков и даже автобусов с роторным двигателем, начиная с Cosmo Sport 1967 года. Однако RX-7 не производится с 1995 года, но идея роторного двигателя не умерла.

Mazda RX-8 оснащена роторным двигателем под названием RENESIS. Этот двигатель был назван лучшим двигателем 2003 г. Он является атмосферным двухроторным и производит 250 л.с.

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель имеет систему зажигания и систему впрыска топлива, схожие с используемыми в поршневых двигателях. Строение роторного двигателя в корне отличается от поршневого.

Ротор

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых выполняет роль поршня. Каждая сторона ротора имеет углубление, что повышает скорость вращения ротора, предоставляя больше пространства для топливовоздушной смеси.

На вершине каждой грани расположена металлическая пластина, которая разделяет пространство на камеры. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер.

В центре ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев. Оно сопрягается с шестерней, закрепленной на корпусе. Такое сопряжение задает траекторию и направление вращения ротора в корпусе.

Корпус (статор)

Корпус имеет овальную форму (форму эпитрохоиды, если быть точным). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три изолированных объемах газа.

В каждой части корпуса происходит один из процессов внутреннего сгорания. Пространство корпуса разделено для четырех тактов:

• Впуск
• Сжатие
• Рабочий такт
• Выпуск

Порты впуска и выпуска расположены в корпусе. В портах отсутствуют клапаны. Выпускной порт непосредственно соединен с выхлопной системой, а впускной порт — с дросселем.

Выходной вал

Выходной вал (обратите внимание на эксцентриковые кулачки) Выходной вал имеет закругленные выступы-кулачки, расположенные эксцентрично, т.е. смещены относительно центральной оси. Каждый ротор сопряжен с одним из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. При вращении ротор толкает кулачки. Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.

Сбор роторного двигателя

Роторный двигатель собирается слоями. Двухроторный двигатель состоит из пяти слоев, удерживаемых длинными болтами, установленными по кругу. Охлаждающая жидкость проходит через все части конструкции.

Два крайних слоя имеют уплотнения и подшипники для выходного вала. Они также изолируют две части корпуса, в которых расположены роторы. Внутренние поверхности этих частей являются гладкими, что обеспечивает надлежащее уплотнение роторов. Впускной порт подачи расположен в каждой из крайних частей.

Часть корпуса, в которой расположен ротор (обратите внимание на расположение выпускного порта) Следующий слой включает корпус ротора овальной формы и выпускной порт. В этой части корпуса установлен ротор.

Центральная часть включает два впускных порта — по одному для каждого ротора. Она также разделяет роторы, поэтому ее внутренняя поверхность является гладкой.

В центре каждого ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев, которое вращается вокруг меньшей шестерни, установленной на корпусе двигателя. Она определяет траекторию вращения ротора.

Мощность роторного двигателя

В центральной части расположен впускной порт для каждого ротора Как и поршневые двигатели, в роторном двигателе внутреннего сгорания используется четырехтактный цикл. Но в роторном двигателе такой цикл осуществляется иначе.

За один полный оборот ротора эксцентриковый вал выполняет три оборота.

Основным элементом роторного двигателя является ротор. Он выступает в роли поршней в обычном поршневом двигателе. Ротор установлен на большом круглом кулачке выходного вала. Кулачок смещен относительно центральной оси вала и выступает в роли коленчатой рукояти, позволяя ротору вращать вал. Вращаясь внутри корпуса, ротор толкает кулачок по окружности, поворачивая его три раза за один полный оборот ротора.

Размер камер, образованных ротором, изменяется при его вращении. Такое изменение размера обеспечивает насосное действие. Далее мы рассмотрим каждый из четырех тактов роторного двигателя.

Впуск

Такт впуска начинается при прохождении вершины ротора через впускной порт. В момент прохождения вершины через впускной порт, объем камеры приближен к минимальному. Далее объем камеры увеличивается, и происходит всасывание топливовоздушной смеси.

При дальнейшем повороте ротора, камера изолируется, и начинается такт сжатия.

Сжатие

При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, и происходит сжатие топливовоздушной смеси. При прохождении ротора через свечи зажигания, объем камеры приближен к минимальному. В этот момент происходит воспламенение.

Рабочий такт

Во многих роторных двигателях установлено две свечи зажигания. Камера сгорания имеет достаточно большой объем, поэтому при наличии одной свечи, воспламенение происходило бы медленнее. При воспламенении топливовоздушной смеси образуется давление, приводящее ротор в движение.

Давление сгорания вращает ротор в сторону увеличения объема камеры. Газы сгорания продолжают расширяться, вращая ротор и создавая мощность до момента прохождения вершины ротора через выпускной порт.

Выпуск

При прохождении ротора через выпускной порт, газы сгорания под высоким давлением выходят в выхлопную систему. При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, выталкивая оставшиеся выхлопные газы в выпускной порт. К тому моменту, как объем камеры приближается к минимальному, вершина ротора проходит через впускной порт, и цикл повторяется.

Необходимо отметить, что каждая из трех сторон ротора всегда вовлечена в один из тактов цикла, т.е. за один полный оборот ротора осуществляется три рабочих такта. За один полный оборот ротора, выходной вал совершает три оборота, т.к. на один оборот вала приходится один такт.

Различия и проблемы

По сравнению с поршневым двигателем, роторный двигатель имеет определенные отличия.

Меньше движущихся деталей

В отличие от поршневого двигателя, в роторном двигателе используется меньше движущихся деталей. Двухроторный двигатель включает три движущиеся детали: два ротора и выходной вал. Даже в простейшем четырехцилиндровом двигателе используется не менее 40 движущихся деталей, включая поршни, шатуны, распредвал, клапаны, клапанные пружины, коромысла, ремень ГРМ и коленвал.

Благодаря уменьшению количества движущихся деталей, повышается надежность роторного двигателя. По этой причине некоторые производители вместо поршневых двигателей используют роторные на своих воздушных судах.

Плавная работа

Все части роторного двигателя вращаются непрерывно в одном направлении, а не постоянно меняют направление движения, как поршни в обычном двигателе. В роторных двигателях используются сбалансированные вращающиеся противовесы, предназначенные для гашения вибраций.

Подача мощности также обеспечивается более плавно. В связи с тем, что каждый такт цикла протекает за поворот ротора на 90 градусов, и выходной вал совершает три оборота на каждый оборот ротора, каждый такт цикла протекает за поворот выходного вала на 270 градусов. Это значит, что двигатель с одним ротором обеспечивает подачу мощности при 3/4 оборота выходного вала. В одноцилиндровом поршневом двигателе, процесс сгорания происходит на 180 градусах каждого второго оборота, т.е. 1/4 каждого оборота коленвала (выходной вал поршневого двигателя).

Медленная работа

В связи с тем, что ротор вращается со скоростью, равной 1/3 скорости вращения выходного вала, основные движущиеся детали роторного двигателя движутся медленнее, чем детали в поршневом двигателе. Благодаря этому, также обеспечивается надежность.

Проблемы

Роторные двигатели имеют ряд проблем:

• Сложное производство в соответствии с нормами состава выбросов.
• Затраты на производство роторных двигателей выше по сравнению с поршневыми, так как количество производимых роторных двигателей меньше.
• Расход топлива у автомобилей с роторным двигателей выше по сравнению с поршневыми двигателями, в связи с тем, что термодинамический КПД снижен из-за большого объема камеры сгорания и низкого коэффициента сжатия.

Двигатель автомобиля: назначение и виды силовых агрегатов современных транспортных средств

Двигатель, пожалуй, можно назвать самой важной частью автомобиля. Ведь без двигателя автомобиль не сдвинется с места, но и без колес тоже далеко не уедешь, поэтому не будем делить автомобильные системы по важности, а просто попробуем узнать чуточку больше, об автомобильном двигателе.

Двигатель – это силовая установка, источник энергии автомобиля. Он используется для того чтобы машина могла выполнять свою основную функцию – перевозку грузов и пассажиров, но кроме этого, энергия, вырабатываемая двигателем, используется для обеспечения функционирования всех вспомогательных систем, например для работы кондиционера.

Впрочем, все вспомогательные системы, как правило, работают от электричества, вырабатываемого генератором или забираемой от аккумуляторов. А вот генератор как раз приводится в действие с помощью двигателя, передавая ему механическую энергию вращения вала.

Для обеспечения движения автомобиля так же используется механическая энергия вала двигателя, которая передается от двигателя на колеса через трансмиссию.

То есть, по сути, двигатель нужен для того, чтобы преобразовать какой-либо вид энергии в механическую энергию вращения вала, которая через систему механических связей передается на колеса, заставляя автомобиль двигаться.

Двигатель внутреннего сгорания

Когда мы говорим о двигателе автомобиля, то чаще всего представляем себе двигатель внутреннего сгорания, в качестве топлива для которого используется бензин, дизельное топливо, газ, а в последнее время пробуют и водород.

В двигателе внутреннего сгорания, как несложно догадаться, происходит преобразование энергии, выделяемой при сгорании легковоспламеняющихся веществ в механическую энергию. Конструкции двигателей внутреннего сгорания могут отличаться, бывают поршневые двигатели, роторные и газотурбинные.

Но принцип их работы остается неизменным. Энергия, выделяемая при сгорании топлива, в конечном итоге преобразуется в механическую энергию вращения вала двигателя и через систему механических связей передается на колеса, заставляя их вращаться.

Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания их неэкологичность. При сжигании топлива выделяется много вредных веществ. Исключение в этом составляет водород, продуктом горения которого является обыкновенная вода, но проблема с его использованием на сегодняшний день заключается в дороговизне, хотя вероятно, что в будущем это будет основной вид топлива.

Но двигатели внутреннего сгорания – не единственные автомобильные двигатели.

Электро-двигатель

Существуют машины, которые используют в качестве исходной энергии – электричество. Наиболее популярный и близкий к автомобилю вид транспорта, работающий на электричестве – это всем известный троллейбус.

Но полноценным автомобилем его не назовешь, поскольку двигаться троллейбус может только лишь вдоль натянутых проводов, от которых он запитывается электричеством.

Но вы наверняка слышали о машинах, которые называются электромобилями. Электромобили – это автомобили, в которых в качестве силового агрегата используется электродвигатель.

Электродвигатель, как вы понимаете, работает от электрической энергии, которую он получает, как правило, от аккумуляторных батарей.

Электромобили, по сравнению с автомобилями, использующими двигатели внутреннего сгорания, имеют массу преимуществ.

Они экологичны, практически бесшумны (что не всегда плюс), быстро набирают скорость, им не нужна коробка скоростей можно даже обойтись без трансмиссии, если поставить двигатели на каждое из колес. То есть такие автомобили могли бы быть намного дешевле, чем автомобили с ДВС, если бы стали массовыми.

Но есть два существенных момента, которые очень сильно ограничивают применение электродвигателей на современных автомобилях. До сих пор не придумали аккумуляторов, которые бы могли запасти в себе достаточное количество электрической энергии.

То есть запас хода электромобиля сегодня ограничен несколькими десятками километров. Если не включать фары, магнитолу, кондиционер, то можно и до сотни километров проехать, но все равно это очень мало. Примерно в 5-6 раз меньше, чем на одной заправке бензином. Впрочем, над этим разработчики постоянно работают и возможно, что когда вы читаете эти строки, уже существует электромобиль с запасом хода более 500 км.

Но даже малый запас хода был бы не так страшен, если бы не время, требуемое на перезарядку аккумуляторов. Если заправка бензином, дизтопливом или газом занимает 5-10 минут, то аккумуляторы придется заряжать часов 12, а то и сутки.

Поэтому, пока электромобили могут использоваться лишь для непродолжительных поездок по городу, после чего всю ночь на зарядке.

Гибридные силовые агрегаты

Но преимущество электродвигателей над ДВС настолько велико, что желание их использовать хотя бы частично привело к появлению гибридных силовых установок, которые сегодня достаточно активно используются на автомобилях.

Гибридные силовые установки – это объединенные на одном автомобиле двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель (как правило, их 4, по одному на каждое колесо). Такие автомобили называют гибридными.

Существуют три схемы гибридных установок.

В первой энергия ДВС используется исключительно для выработки электрической энергии при помощи генератора. А уже от генератора энергия передается на зарядку аккумуляторов и на электродвигатели, обеспечивающие вращение колес.

Но более популярна другая схема. Во второй схеме привод на колеса осуществляется как от ДВС, так и от электродвигателей. ДВС и электродвигатели могут использоваться как самостоятельно, так и вместе.

Третий вариант – это сочетание первого и второго.

Вот такие они двигатели автомобиля, разнообразные и неоднозначные. Более подробно свойства, принцип работы, детали мы разберем в будущих публикациях.

Как работает двигатель?

Двигатель автомобиля может выглядеть как большая запутанная мешанина металлических частей, трубок и проводов для непосвященных. В то же время двигатель — это «сердце» почти любого автомобиля — 95% всех машин работают на двигателе внутреннего сгорания.

В этой статье мы обсудим работу двигателя внутреннего сгорания: его общий принцип, изучим конкретные элементы и фазы работы двигателя, узнаем, как именно потенциальная топлива преобразуется во вращательную силу, и постараемся ответить на следующие вопросы: как работает двигатель внутреннего сгорания, какие бывают двигатели и их типы и что означают те или иные параметры и характеристики двигателя? И, как всегда, всё это просто и доступно, как дважды два.

Главная цель бензинового двигателя автомобиля заключается в преобразовании бензина в движение, чтобы Ваш автомобиль мог двигаться.  В настоящее время самый простой способ создать движение от бензина — это попросту сжечь его внутри двигателя. Таким образом, автомобильный «движок» является двигателем внутреннего сгорания — т.е. сгорание бензина происходит внутри него.

Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели являются одной из форм, а газотурбинные — совсем другой. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Ну, как Вы заметите, раз существует двигатель внутреннего сгорания, то должен существовать и двигатель внешнего сгорания. Паровой двигатель в старомодных поездах и пароходах как раз таки и является лучшим примером двигателя внешнего сгорания. Топливо (уголь, дерево, масло, любое другое) в паровой машине горит вне двигателя для создания пара, и пар создаёт движение внутри двигателя. Разумеется, двигатель внутреннего сгорания является намного более эффективным (как минимум потребляет гораздо меньше топлива на километр пути автомобиля), чем внешнего сгорания, кроме того, двигатель внутреннего сгорания намного меньше по размерам, чем эквивалентный по мощности двигатель внешнего сгорания. Это объясняет, почему мы не видим ни одного автомобиля, похожего на паровоз.

А теперь давайте посмотрим более подробно, как же работает двигатель внутреннего сгорания.

Как работает двигатель?

Давайте рассмотрим принцип, лежащий в любом возвратно-поступательном движении двигателя внутреннего сгорания: если Вы поместите небольшое количество высокоэнергичного топлива (например, бензина) в небольшое закрытое пространство и зажжёте его (это топливо), то выделится невероятное количество энергии в виде расширяющегося газа. Вы можете использовать эту энергию, к примеру, для приведения в движение картофелины. В этом случае энергия преобразуется в движение этой картофелины. Например, если Вы в трубу, у которой один конец плотно закрыт, а другой — открыт, нальёте немного бензина, а затем засунете картофелину и подожжёте бензин, то его взрыв спровоцирует приведение в движение этой картофелины за счёт выдавливания её взрывающимся бензином, таким образом, картофелина подлетит высоко в небо, если Вы направите трубу вверх. Это мы кратко описали принцип действия старинной пушки. Но Вы также можете использовать такую энергию бензина в более интересных целях. Например, если Вы можете создать цикл взрывов бензина в сотни раз в минуту, и если Вы сможете использовать эту энергию в полезных целях, то знайте, что у Вас уже есть ядро ​​для двигателя автомобиля!

Почти все автомобили в настоящее время используют то, что называется четырёхтактным циклом сгорания для преобразования бензина в движение. Четырёхтактный цикл также известен как цикл Отто — в честь Николая Отто, который изобрел его в 1867 году. Итак, вот они, эти 4 такта работы двигателя:

1. Такт впуска топлива
2. Такт сжатия топлива
3. Такт сгорания топлива
4. Такт выпуска отработавших газов

Вроде бы уже всё понятно из этого, не так ли? Вы можете посмотреть ниже на рисунке, что элемент, который называется поршень, заменяет картошку в описанной нами ранее «картофельной пушке». Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна. Только не пугайтесь новых терминов — их, на самом деле не так много в принципе работы двигателя!

На рисунке буквами обозначены следующие элементы двигателя:

A — Распределительный вал
B — Крышка клапанов
C — Выпускной клапан
D — Выхлопное отверстие
E — Головка цилиндра
F — Полость для охлаждающей жидкости
G — Блок двигателя
H — Маслосборник
I — Поддон двигателя
J — Свеча зажигания
K — Впускной клапан
L — Впускное отверстие
M — Поршень
N — Шатун
O — Подшипник шатуна
P — Коленчатый вал

Вот что происходит, когда двигатель проходит свой ​​полный четырёхтактный цикл:

1. Начальное положение поршня — в самом верху, в этот момент открывается впускной клапан, и поршень движется вниз, таким образом, засасывая в цилиндр приготовленную смесь бензина и воздуха. Это такт впуска. Всего лишь крошечная капля бензина должна смешаться с воздухом, чтобы всё это работало.
2. Когда поршень достигает своей нижней точки, то впускной клапан закрывается, а поршень начинает перемещаться обратно вверх (бензин оказывается в «западне»), сжимая эту смесь из топлива и воздуха.  Сжатие впоследствии сделает взрыв мощнее.
3. Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания испускает искру, порождённую напряжением более десятка тысяч Вольт, чтобы зажечь бензин. Происходит детонация, и бензин в цилиндре взрывается, с невероятной силой толкая поршень вниз.
4. После того, как поршень снова достигает дна своего хода, настаёт очередь открываться выпускному клапану. Затем поршень движется вверх (это происходит уже по инерции) и отработавшая смесь бензина и воздуха выходит через выхлопное отверстие из цилиндра, чтобы отправиться в своё путешествие до выхлопной трубы и далее в верхние слои атмосферы.

Теперь, когда клапан снова в самом верху, двигатель готов к следующему циклу, так что он всасывает следующую порцию смеси воздуха и бензина, чтобы ещё сильнее раскрутить коленчатый вал, который, собственно и передаёт своё кручение далее через трансмиссию к колёсам. Теперь посмотрите ниже, как работает двигатель во всех своих четырёх тактах.

Более наглядно работу двигателя внутреннего сгорания Вы можете увидеть на двух анимациях ниже:

Как работает двигатель — анимация

Обратите внимание, что движение, которое создаётся работой двигателя внутреннего сгорания, является вращением, в то время как движение, создаваемое «картофельной пушкой», является линейным (прямым). В двигателе линейное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Вращательное движение нам нужно, потому что мы планируем повернуть наши колёса автомобиля.

Теперь давайте посмотрим на все части, которые работают вместе в дружной команде, чтобы это произошло, начиная с цилиндров!

Ядром двигателя является цилиндр с поршнем, который двигается вверх и вниз внутри цилиндра. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Казалось бы, что ещё нужно для автомобиля?! А вот и нет, автомобилю для комфортной езды на нём нужны по меньшей мере ещё 3 таких цилиндра с поршнями и всеми необходимыми этой парочке атрибутами (клапанами, шатунами и так далее), а вот один цилиндр подойдёт разве что для большинства газонокосилок. Посмотрите — ниже на анимации Вы увидите работу 4-хцилиндрового двигателя:

Типы двигателей

Автомобили чаще всего имеют четыре, шесть, восемь и даже десять, двенадцать и шестнадцать цилиндров (последние три варианта устанавливают, в основном на спортивные автомобили и болиды). В многоцилиндровом двигателе все цилиндры, как правило, расположены одним из трёх способов:

• Рядный
• V-образный
• Оппозитный

Вот они — все три типа расположения цилиндров в двигателе:

Рядное расположение 4-х цилиндров

Оппозитное расположение 4-х цилиндров

V-образное расположение 6 цилиндров

Различные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения вибрации, стоимости производства и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более подходящими для использования некоторых конкретных транспортных средств. Так, 4-хцилиндровые двигатели редко имеет смысл делать V-образными, таким образом, они обычно рядные; а 8-цилиндровые двигатели делают чаще с V-образным расположением цилиндров.

Теперь давайте наглядно посмотрим, как работает система впрыска топлива, масло и другие узлы в двигателе:

Давайте рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя более подробно:

• Свеча зажигания обеспечивает искру, которая зажигает воздушно-топливную смесь, так, чтобы происходило сгорание. Искра должна произойти в нужное время, чтобы двигатель работал должным образом.
• Клапаны — впускные и выпускные — также должны открываться в строго нужное время, чтобы впустить воздух и топливо и выпустить отработавшие газы. Обратите внимание, что оба клапана закрыты во время сжатия и сгорания так, что воздушно-топливная смесь плотно «замурована» в цилиндре.
• Поршень представляет собой цилиндрический кусок металла, который движется вверх и вниз внутри цилиндра.
• Поршневые кольца. Мы их пока ещё не видели на рисунках, но это довольно часто употребляемая вещь, так как от их износа зависит многое в работе двигателя.  Поршневые кольца огибают поршень и упираются во внутреннюю поверхность цилиндра, двигаются вверх/вниз вместе с поршнем и обеспечивают уплотнение между наружным краем поршня и внутренней кромкой цилиндра. Кольца служат двум целям: предотвращают утечку топлива в масляный отстойник во время сжатия и горения и удерживают масло в картере от утечки в область горения, где оно может сгореть из-за невероятно высокой температуры. Большинство автомобилей с такими симптомами как повышенный расход топлива и масла, чёрный дым из глушителя, и с пробегом более 100 тысяч километров, попросту имеют изношенные кольца, которые больше не «запечатывают» поршень должным образом.
• Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может поворачиваться на обоих концах так, что его угол может меняться в то время как поршень движется и когда коленчатый вал поворачивается.
• Коленчатый вал крутится за счёт движения поршня.
• Картер окружает коленчатый вал.  Он содержит некоторое количество машинного масла, которое собирает на дне отстойника.

А теперь внимание! На основе всего прочитанного посмотрим на полный цикл работы двигателя со всеми его элементами:

Полный цикл работы двигателя

Далее мы узнаем, что может помешать работе двигателя.

Почему двигатель не работает?

Допустим, Вы выходите утром к машине и начинаете её заводить, но она не заводится. Что может быть не так? Теперь, когда Вы знаете, как работает двигатель, можно понять основные вещи, которые могут помешать двигателю завестись. Три фундаментальные вещи могут случиться:

• Плохая топливная смесь
• Отсутствие сжатия
• Отсутствие искры

Да, есть ещё тысячи незначительных вещей, которые могут создать проблемы, но указанная «большая тройка» является чаще всего следствием или причиной одной из них. На основе простого представления о работе двигателя мы можем составить краткий список того, как эти проблемы влияют на двигатель.

Плохая топливная смесь может быть следствием одной из причин:

• У Вас попросту закончился в баке бензин, и двигатель пытается завестись от воздуха.
• Воздухозаборник может быть забит, поэтому в двигатель поступает топливо, но ему не хватает воздуха, чтобы сдетонировать.
• Топливная система может поставлять слишком много или слишком мало топлива в смесь, а это означает, что горение не происходит должным образом.
• В топливе могут быть примеси (а для российского качества бензина это особенно актуально), которые мешают топливу полноценно гореть.

Отсутствие сжатия — если заряд воздуха и топлива не могут быть сжаты должным образом, процесс сгорания не будет работать как следует. Отсутствие сжатия может происходить по следующим причинам:

• Поршневые кольца изношены (позволяя воздуху и топливу течь мимо поршня при сжатии)
• Впускные или выпускные клапаны не герметизируются должным образом, снова открывая течь во время сжатия
• Появилось отверстие в цилиндре.

Отсутствие искры может быть по ряду причин:

• Если свечи зажигания или провод, идущий к ним, изношены, искра будет слабой.
• Если провод повредился или попросту отсутствует или если система, которая посылает искру по проводу, не работает должным образом.
• Если искра происходит либо слишком рано или слишком поздно в цикле, топливо не будет зажжено в нужное время, и это может вызвать всевозможные проблемы.

И вот ещё ряд причин, по которым двигатель может не работать, и здесь мы затронем некоторые детали за пределами двигателя:

• Если аккумулятор мёртв, Вы не сможете прокрутить двигатель, чтобы запустить его.
• Если подшипники, которые позволяют коленчатому валу свободно вращаться, изношены, коленчатый вал не сможет провернуться, поэтому двигатель не сможет работать.
• Если клапаны не открываются и не закрываются в нужное время или не работают вообще, воздух не сможет войти, а выхлопы — выйти, поэтому двигатель опять-таки не сможет работать.
• Если кто-то из хулиганских побуждений засунул картошку в выхлопную трубу, выпускные газы не смогут выйти из цилиндра, и двигатель снова не будет работать.
• Если в двигателе недостаточно масла, то поршень не сможет двигаться вверх и вниз свободно в цилиндре, что затруднит или сделает невозможным нормальную работу двигателя.

В правильно работающем двигателе все эти факторы находятся в пределах допуска. Как Вы можете видеть, двигатель имеет ряд систем, которые помогают ему сделать свою работу преобразования топлива в движение безупречной. Мы же рассмотрим различные подсистемы, используемые в двигателях, в следующих разделах.

Большинство подсистем двигателя может быть реализована с использованием различных технологий, и лучшие технологии могут значительно повысить производительность двигателя. Вот почему развитие автомобилестроения продолжается высочайшими темпами, ведь конкуренция среди автоконцернов достаточно велика, чтобы вкладывать большие деньги в каждую дополнительно выжатую лошадиную силу из двигателя при том же объёме.  Давайте посмотрим на различные подсистемы, используемые в современных двигателях, начиная с работы клапанов в двигателе.

Как работают клапаны?

Система клапанов состоит из, собственно, клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Система открытия и закрытия их называется распределительным валом. Распределительный вал имеет специальные детали на своей оси, которые движут клапаны вверх и вниз, как показано на рисунке ниже.

Большинство современных двигателей имеют то, что называют накладными кулачками. Это означает, что вал расположен над клапанами, как Вы видите на рисунке. Старые двигатели используют распределительный вал, расположенный в картере возле коленчатого вала. Распределительный вал, крутясь, двигает кулачок выступом вниз таким образом, чтобы он продавливал клапан вниз, создавая зазор для прохода топлива или выпуска отработавших газов. Ремень ГРМ или цепной привод приводится в движение коленчатым валом и передаёт кручение от него к распределительному валу так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями. Распределительный вал всегда крутится в один-два раза медленнее коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два для приёма топлива внутрь и два для вытяжки отработавшей смеси).

Как работает система зажигания?

Система зажигания производит заряд высокого напряжения и передаёт его к свечам зажигания с помощью проводов зажигания. Заряд сначала проходит к катушке зажигания (эдакому дистрибьютору, который распределяет подачу искры по цилиндрам в определённое время), которую Вы можете легко найти под капотом большинства автомобилей. Катушка зажигания имеет один провод, идущий в центре и четыре, шесть, восемь проводов или больше в зависимости от количества цилиндров, которые выходят из него. Эти провода зажигания отправляют заряд к каждой свече зажигания. Двигатель получает такую искру по времени таким образом, что только один цилиндр получает искру от распределителя в один момент времени. Такой подход обеспечивает максимальную гладкость работы двигателя.

Как работает охлаждение?

Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует через проходы (каналы) вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, чтобы тот её максимально охладил. Однако, существуют такие модели автомобилей (в первую очередь Volkswagen Beetle (Жук)), а также большинство мотоциклов и газонокосилок, которые имеют двигатель с воздушным охлаждением. Вы вероятно, видел такие двигатели с воздушным охлаждением, сбоку которых расположены эдакие плавники — ребристая поверхность, украшающие снаружи каждый цилиндр, чтобы помочь рассеять тепло.

Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но горячее, и как правило, уменьшается срок службы двигателя и общая производительность. Так что теперь Вы знаете, как и почему Ваш двигатель остаётся не перегретым.

Как работает пусковая система?

Повышение производительности Вашего двигателя является большим делом, но важнее то, что именно происходит, когда Вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его! Пусковая система состоит из стартера с электродвигателем. Когда Вы поворачиваете ключ зажигания, стартер крутит двигатель на несколько оборотов, чтобы процесс горения начал свою работу, и остановить его смог только поворот ключа в обратную сторону, когда перестаёт подаваться искра в цилиндры, и двигатель, таким образом, глохнет.

Стартер же имеет мощный электродвигатель, который вращает холодный двигатель внутреннего сгорания. Стартер — это всегда довольно мощный и, следовательно, «кушающий» ресурсы аккумулятора двигатель, ведь должен преодолеть:

• Всё внутреннее трение, вызванное поршневыми кольцами и усугубляющееся холодным непрогретым маслом.
• Давление сжатия любого цилиндра (цилиндров), которое происходит в процессе такта сжатия.
• Сопротивление, оказываемое открытием и закрытием клапанов распределительным валом.
• Все иные процессы, непосредственно связанные с двигателем, в том числе сопротивление водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.

Мы видим, что стартеру необходимо очень много энергии. Автомобиль чаще всего использует 12-вольтовую электрическую систему, и сотни ампер электричества должны поступать в стартер.

Как работает впрыск и смазочная система?

Когда дело доходит ежедневного обслуживания автомобиля, Ваша первая забота, вероятно, состоит в проверке количества бензина в Вашем автомобиле. А как бензин попадает из топливного бака в цилиндры? Топливная система двигателя высасывает бензин из бака с помощью топливного насоса, который находится в баке, и смешивает его с воздухом так, чтобы надлежащая смесь воздуха и топлива могла протекать в цилиндры. Топливо поставляется в одном из трёх распространённых способов: карбюратор, впрыск топлива и система непосредственного впрыска топлива.

Карбюраторы на сегодняшний день сильно устарели, и их не помещают в новые модели автомобилей. В инжекторном двигателе нужное количество топлива впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо прямо в впускной клапан (впрыск топлива) или непосредственно в цилиндр (непосредственный впрыск топлива).

Масло также играет важную роль. Идеально и правильно смазанная система гарантирует, что каждая подвижная часть в двигателе получает масло так, что она может легко перемещаться. Две главные части, нуждающиеся в масле — это поршень (а, точнее, его кольца) и любые подшипники, которые позволяют таким элементам, как коленчатый и другие валы, свободно вращаться. В большинстве автомобилей масло всасывается из масляного поддона масляным насосом, проходит через масляный фильтр для удаления частиц грязи, а затем брызгается под высоким давлением на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает в отстойник, где снова собирается, и цикл повторяется.

Система выпуска отработавших газов

Теперь, когда мы знаем о ряде вещей, которые мы положили (налили) в свой ​​автомобиль, давайте посмотрим на другие вещи, которые выходят из него. Система выпуска включает в себя выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя Вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов из своей ​​выхлопной трубы. Глушитель гасит звук. Выхлопная система также включает в себя каталитический нейтрализатор, который использует катализатор и кислород, чтобы сжечь всё неиспользованное топливо и некоторые другие химические веществ в выхлопных газах. Таким образом, Ваш автомобиль соответствует определённым евростандартам по уровню загрязнения воздуха.

Что ещё есть, кроме всего вышеперечисленного в автомобиле? Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора. Генератор подключен к двигателю ремнём и вырабатывает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Аккумулятор выдаёт 12-вольтовый заряд электрической энергии, доступной ко всему в машине, нуждающемуся в электроэнергии (системе зажигания, магнитоле, фарам, стеклоочистителям, электрическим стеклоподъемникам, приводу сидений, бортовому компьютеру и ещё множеству устройств) посредством проводки автомобиля.

Теперь можно сказать, что Вы знаете всё об основах главных подсистем двигателей!

О компании_Моторные машины и машины MCB -WEDE, Китай

Мы производим и экспортируем
следующие машины напрямую с заводов.

(1) Высокоскоростной пресс и инструменты, валковый пресс и инструменты

(2) Линия двигателя переменного тока

²
Ротор

Роторный литейный станок, ротор токарный
машина

²
Статор

Машина для заправки бумаги, обмотки статора
намоточная машина, машина для вставки катушек статора, машина для формовки катушек статора,
машина для шнуровки обмоток статора, машина для испытания статора, лак для статора
пропиточная машина

(3) Линия двигателя постоянного тока

²
Арматура

Коммутаторный пресс, машина для вставки бумаги,
машина для нанесения покрытия на арматуру, машина для намотки арматуры, машина для вставки клина,
сварочный аппарат коммутатора якоря, токарный станок коммутатора якоря,
станок для балансировки арматуры, машина для испытания арматуры, лак для арматуры
капельная машина

²
Статор

Бумагорезательная машина, 2 полюса
машина для намотки статора

Бесщеточный двигатель постоянного тока намотки статора

(4) Стартовая линия

Машина для заправки бумаги формы W, B,
машина для формовки круглой / плоской проволоки, машина для вставки проволоки, крутильная машина, проволока
головорезной станок, коллекторный штабелеукладчик, коммутатор токарный
машина

Станок для формовки катушек магнитного поля,
Машина для обертывания лент с катушками магнитного поля, формирование катушек магнитного поля
машина, машина для изготовления отверстий в катушках магнитного поля, сварка катушек магнитного поля
машина

Магнитная машина для наклеивания

(5) Линия потолочного вентилятора

Пресс с лопастями вентилятора, пресс с задними лопастями, лопасти
клепальный пресс, токарный станок для подвешивания стержней, формовочный станок для корпусов, пресс для подшипников

Роторный литейный станок, ротор токарный
машина

Машина для набивки бумаги потолочный вентилятор,
Машина для намотки статора потолочного вентилятора, машина для вставки клина потолочного вентилятора,
машина для испытания статора потолочного вентилятора

(6) Линия змеевиков индукционной плиты

Магнитопровод, редкие катушки
намоточная машина, плотная намоточная машина

Электроприводы — Основы электрических машин

Работа двигателя

Майкл Фарадей показал, что прохождение тока через проводник, свободно подвешенный в фиксированном магнитном поле, создает силу, которая заставляет проводник двигаться через это поле.
И наоборот, если ограничен проводник, а не магнит, то магнит, создающий поле, будет перемещаться относительно проводника.

В более общем смысле сила, создаваемая током, известная теперь как сила Лоренца, действует между проводником тока и магнитным полем или магнитом, создающим поле.

Величина силы, действующей на проводник, определяется выражением:

F = BLI

Где F — сила, действующая на проводник, L — длина проводника, а I — ток, протекающий через проводник

Действие генератора

Фарадей также показал, что верно и обратное: перемещение проводника через магнитное поле или перемещение магнитного поля относительно проводника вызывает прохождение тока в проводнике.

Величина создаваемой таким образом ЭДС определяется как:

E = BLv

Где E — ЭДС генератора (или противо-ЭДС в двигателе), а v — скорость проводника через поле

Альтернативное моторное действие (интерактивные поля)

Другая форма движущей силы, которая не зависит от силы Лоренца и протекания электрического тока, в принципе может быть получена из чисто притягивающей (или отталкивающей) магнитной силы, действующей на магнит или на магнитно-восприимчивые материалы, такие как как железо, когда их помещают в поле другого магнита.Примером может служить движение стрелки компаса в присутствии магнита. Однако на практике по меньшей мере один магнит, создающий поле, должен быть электромагнитом, чтобы получить необходимый контроль магнитного поля для достижения устойчивого движения, а также практических уровней крутящего момента.

Бесщеточные двигатели постоянного тока и реактивные двигатели зависят от этого явления, известного как «реактивный момент», поскольку в роторе не протекают электрические токи. Вращательное движение достигается путем последовательной подачи импульсов полюсами статора для создания вращающегося магнитного поля, которое увлекает за собой движущийся магнит.

В асинхронных двигателях переменного тока вращающееся поле получается другим способом, и основное действие двигателя зависит от силы Лоренца, однако синхронные двигатели переменного тока имеют элементы магнитного ротора, которые притягиваются синхронно с вращающимся полем, как в бесщеточном двигателе постоянного тока. .

• Момент сопротивления

Крутящий момент создается за счет реакции между магнитными полями.Рассмотрим небольшой стержневой магнит в поле другого большего магнита, такого как зазор между полюсами магнита для подковы или одной из пар полюсов электродвигателя. (См. Схему реактивного двигателя). Когда стержневой магнит выровнен с полюсами большого магнита, его поле будет соответствовать внешнему полю. Это положение равновесия, и стержень не будет испытывать никаких усилий, чтобы переместить его. Однако, если стержень не совмещен с полюсами, либо повернут, либо смещен, он будет испытывать силу, возвращающую его в соответствие с внешним полем.В случае бокового смещения сила уменьшается с увеличением расстояния, но в случае вращения сила будет увеличиваться, достигая максимума, когда стержень находится под прямым углом к ​​внешнему полю. Другими словами, крутящий момент на магните является максимальным, когда поля ортогональны, и нулевым, когда поля выровнены.

• Явные полюса

Двигатели, зависящие от реактивного момента, обычно имеют «выступающие полюса» — полюса, которые выступают наружу.Это необходимо для концентрации потока в дискретных угловых секторах, чтобы максимизировать и сфокусировать выравнивающую силу между полями.

• Крутящий момент от вращающихся полей

В двигателях, которые зависят от вращающихся полей, таких как асинхронные двигатели, бесщеточные двигатели постоянного тока и реактивные двигатели, мгновенный крутящий момент на роторе зависит от его углового положения по отношению к угловому положению магнитной волны. Хотя магнитная волна пытается подтянуть полюса ротора в соответствии с магнитным потоком, всегда будут инерция и потери, сдерживающие ротор.

• Клинья

Из-за трения, сопротивления воздуха и других потерь ротор асинхронного двигателя вращается с меньшей скоростью, чем вращающееся поле, что приводит к угловому смещению между вращающейся магнитной волной и вращающимся полем, связанным с полюсами ротора. Разница между скоростью магнитной волны и скоростью ротора называется «скольжением», а крутящий момент двигателя пропорционален скольжению.

• Угол крутящего момента

Даже в синхронных двигателях, в которых ротор вращается с той же скоростью, что и магнитная волна, из-за потерь, указанных выше, полюса ротора никогда не достигнут полного совпадения с пиками магнитной волны, и все равно будет смещение между вращающаяся магнитная волна и вращающееся поле. Иначе бы не было крутящего момента. Это смещение называется «углом крутящего момента». Крутящий момент двигателя равен нулю, когда угол крутящего момента равен нулю, и максимален, когда угол крутящего момента равен 90 градусам.Если угол крутящего момента превышает 90 градусов, ротор выйдет из синхронизма и остановится.

Электрические машины
Большинство продаваемых сегодня электрических машин (двигателей и генераторов) по-прежнему основаны на силе Лоренца, и их принцип действия можно продемонстрировать на примере ниже, в котором однооборотная катушка, по которой проходит электрический ток, вращается в магнитном поле. поле между двумя полюсами магнита.

Для многооборотных катушек эффективный ток составляет NI (ампер-витков), где N — количество витков в катушке.

Если на катушку подается ток, машина действует как двигатель. Если катушка вращается механически, в катушке индуцируется ток, и машина, таким образом, действует как генератор.

Во вращающихся машинах вращающийся элемент называется ротором или якорем, а неподвижный элемент — статором.

Действие и реакция

На практике эффекты двигателя и генератора имеют место одновременно.

Прохождение тока через проводник в магнитном поле заставляет проводник перемещаться через поле, но как только проводник начинает двигаться, он становится генератором, создающим ток через проводник в направлении, противоположном приложенному току. Таким образом, движение проводника создает «обратную ЭДС», которая противодействует приложенной ЭДС.

И наоборот, перемещение проводника через поле вызывает прохождение тока через проводник, который, в свою очередь, создает силу на проводнике, противодействующую приложенной силе.

Фактический ток, протекающий в проводнике, определяется по формуле:

I = (V — E)

R

Где В, — приложенное напряжение, E — обратная ЭДС, а R — сопротивление проводника (якоря двигателя). .

Уравнение ЭДС

Из вышесказанного, обратная ЭДС в электродвигателе равна приложенному напряжению за вычетом падения напряжения на якоре.

E = V — RI

Это известно как «Уравнение ЭДС двигателя».

Падение напряжения на аматуре RI иногда называют Net Voltage

.

Уравнение мощности

Умножение напряжения на ток якоря для получения мощности дает следующее соотношение:

P = EI = VI — I ² R

Это показывает, что механическая мощность, передаваемая двигателем, равна обратной ЭДС, умноженной на ток якоря, ИЛИ электрическая мощность, подаваемая на двигатель, за вычетом потерь I ² R в обмотках.(Без учета потерь на трение).

Это известно как «Уравнение мощности двигателя».

Рабочее равновесие под нагрузкой

Эффекты «Действие и реакция», описанные выше, обеспечивают важный автоматический саморегулирующийся механизм обратной связи в двигателях постоянного и переменного тока для адаптации к изменениям приложенной нагрузки. По мере увеличения нагрузки на двигатель он имеет тенденцию замедляться, уменьшая обратную ЭДС.Это, в свою очередь, позволяет протекать большему току, создавая больший крутящий момент, чтобы приспособиться к повышенной нагрузке, пока не будет достигнута точка баланса или равновесия. Таким образом, двигатель установит скорость, соответствующую требуемому крутящему моменту. См. Также раздел «Управление мощностью» ниже.

Магнитные поля
Магнитное поле двигателя создается статором, и в приведенном выше примере статор представляет собой постоянный магнит, однако в большинстве электрических машин магнитное поле создается электромагнитно с помощью катушек, намотанных вокруг полюсов статора.Обмотки статора также называют обмотками возбуждения, а двигатель называется «возбужденным от возбуждения».
Ротор обычно наматывается на железный сердечник, чтобы повысить эффективность магнитной цепи машины.

• Магнитные цепи
  В случае электрических машин магнитная цепь — это путь магнитного потока через корпус статора, через воздушный зазор, через ротор и обратно через воздушный зазор в статор. Длина l этого пути известна как средняя длина магнитного пути MMPL
  Магнитные цепи предназначены для создания максимально возможного магнитного потока и его концентрации в воздушном зазоре между ротором и статором, через который движутся катушки. Поток Φ измеряется в Webers
  . Плотность магнитного потока B измеряется в теслах и определяется как магнитный поток Φ на единицу площади A .Таким образом, B = Φ / A , где A — это площадь, через которую проходит поток.


Из приведенных выше уравнений видно, что крутящий момент, создаваемый электродвигателем, или ЭДС, создаваемая генератором, прямо пропорциональны плотности магнитного потока B в области, окружающей движущиеся электрические проводники, а для эффективных машин B должно быть как можно выше.

• Магнитодвижущая сила (MMF)
  Магнитный поток, возникающий в магнитной цепи, пропорционален создаваемой магнитодвижущей силе (МДС). Для электромагнита MMF — это эффективный ток в намагничивающей катушке, измеренный в амперах витков NI , и, как указано выше, это фактический ток в I , умноженный на количество витков N в катушке.
  Таким образом, MMF = NI = Φ X R , где R — это магнитное сопротивление магнитной цепи.Сопротивление — это внутреннее сопротивление материала магнитной цепи возникновению магнитного потока через него. (Для железа сопротивление очень низкое. Для воздуха очень высокое)
  Это уравнение для потока в магнитных цепях аналогично закону Ома для тока в электрических цепях, в котором:
  ЭДС = I X R , где R — это сопротивление электрической цепи.
  Поскольку сопротивление воздушного зазора между статором и ротором очень велико, воздушный зазор должен быть как можно меньше, чтобы свести к минимуму количество витков Ампера, необходимых для создания желаемой плотности магнитного потока.
• Магнитная сила (H) , также называемая напряжением магнитного поля

Напряженность магнитного поля H составляет MMF на единицу длины в магнитной цепи. Таким образом:

H = NI

л

Магнитодвижущая сила является причиной магнитного поля, магнитная сила — следствием.

• Плотность потока (B) и Магнитная проницаемость (µ )

Для однородных полей плотность потока, связанная с магнитной силой, пропорциональна напряженности поля и определяется по формуле:

B = µ ₀ µ _r H

, где

µ ₀ — это магнитная постоянная или проницаемость свободного пространства.

µ _r — относительная проницаемость магнитного материала.

К сожалению, зависимость становится нелинейной по мере увеличения плотности магнитного потока и насыщения магнитного материала. Затем поток, создаваемый увеличением магнитного поля, уменьшается и выравнивается, а относительная проницаемость µ _r стремится к 0.

• Насыщенность

Из вышеизложенного видно, что увеличение MMF (ампер-витков) в магнитной цепи увеличивает поток через цепь, но есть предел плотности потока, который может быть создан в магнитных материалах, таких как железо, когда материал называется быть насыщенным.Выше этой точки требуется все больше и больше MMF для создания все меньшего и меньшего потока. Другими словами, сопротивление резко возрастает при насыщении материала.

Для максимальной эффективности электрические машины обычно рассчитаны на работу чуть ниже точки насыщения.

• Магнитные полюса
  Электрические машины могут иметь несколько пар полюсов. Многополюсные машины обычно обеспечивают более эффективные магнитные цепи и более плавные характеристики крутящего момента.

Коммутация

Соединение с подвижной катушкой в ​​базовой машине, показанной выше, осуществляется через угольные щетки, опирающиеся на пару контактных колец, по одному на каждом конце катушки.

Если машина используется в качестве генератора, направление генерируемого тока будет меняться каждые полцикла, поскольку плечо катушки последовательно проходит через противоположные полюса.Если требуется однонаправленный ток, контактные кольца разъединяются и соединяются между собой так, что в каждом полупериоде ток снимается с чередующихся плеч катушки. Этот простой механизм переключения называется коммутатором.

Точно так же, когда машина используется в качестве двигателя постоянного тока, коммутатор переключает напряжение питания постоянного тока на чередование плеч катушки каждый полупериод для достижения однонаправленного вращения.

Таким образом, во всех машинах постоянного тока с фазным ротором, как в двигателях, так и в генераторах, ток в обмотках ротора является переменным, и именно коммутатор обеспечивает соответствующий вход или выход постоянного тока.Однако есть некоторые заметные исключения. Первые в мире двигатели и генераторы, изобретенные Фарадеем, были униполярными или униполярными машинами, в проводниках которых протекал однонаправленный ток. Двигатель Фарадея был лабораторным диковинным предметом, не имевшим практического применения, но его так называемая динамо-машина «Диск Фарадея» могла генерировать полезный ток.

На протяжении более 100 лет механическая коммутация была единственным практическим способом переключения направления тока, однако с 1970-х годов наличие мощных полупроводников сделало возможной электронную коммутацию.

В машинах переменного тока можно избежать сложностей коммутации, поскольку ток может индуцироваться в обмотках ротора за счет действия трансформатора с обмотками статора, устраняя необходимость в прямых соединениях между линией питания и вращающимися обмотками. См. Асинхронные двигатели.

Поскольку коммутатор по сути является механическим переключателем, быстро замыкающим и размыкающим сильноточную цепь, переключатель склонен к искрообразованию и генерации радиочастотных помех, которые могут нарушить работу других электронных схем, находящихся поблизости.

В очень больших двигателях склонность к искрообразованию может быть уменьшена путем добавления «межполюсных» или «коммутирующих полюсов», узких вспомогательных обмоток на полпути между основными полюсами статора. Они соединены последовательно с обмотками ротора и создают MMF, равную и противоположную MMF ротора, так что эффективный магнитный поток между главными полюсами равен нулю. Коммутация предназначена для того, чтобы происходить в тот момент, когда ток проходит через ноль между отрицательным и положительным полупериодами, и это происходит, когда ротор находится на полпути между основными полюсами. За счет нейтрализации потока в этой области снижается вероятность искрения.

Эволюция

Самые ранние электрические машины зависели от постоянных магнитов для создания магнитного поля, однако лучшие магнитные материалы, доступные в то время, были способны создавать только очень слабые поля, что ограничивало потенциальные применения машин до лабораторных демонстраций. В конце концов стало понятно, что гораздо более сильные магнитные поля могут быть созданы с помощью электромагнитов, питаемых от приложенного или генерируемого сетевого напряжения.Это позволило построить гораздо более мощные машины, дающие возможность разработки практических приложений. Достижения в области магнитных материалов привели к созданию гораздо более мощных постоянных магнитов, позволяющих использовать их в практических машинах, упрощая конструкцию машины за счет исключения одного набора обмоток. В то же время многие функции, такие как энкодеры, тахогенераторы, термовыключатели, тормоза и вентиляторы, встроены в машины. См. Также Контроллеры

.

Крутящий момент

Вообще говоря, крутящий момент, создаваемый двигателем, пропорционален потребляемому им току, а также потоку в воздушном зазоре.

T = K ₁ I B

Скорость

• Двигатели постоянного тока

В двигателях постоянного тока скорость вращения пропорциональна приложенному напряжению, и нормальный метод управления скоростью заключается в изменении входного напряжения.

N = K ₂ V

Б

Скорость также обратно пропорциональна потоку в воздушном зазоре.Это означает, что скорость увеличивается по мере уменьшения магнитного потока, создаваемого катушками возбуждения. Теоретически скорость может стремиться к бесконечности, если ток в катушке возбуждения будет удален, хотя двигатель, скорее всего, будет разрушен до того, как это произойдет. На практике ограниченное увеличение скорости может быть достигнуто за счет контролируемого уменьшения тока возбуждения. Но обратите внимание на уравнение крутящего момента выше, что уменьшение тока возбуждения также снижает крутящий момент. Этот метод управления скоростью называется « Ослабление поля »

• Двигатели переменного тока

В двигателях переменного тока скорость пропорциональна частоте приложенного напряжения и обратно пропорциональна количеству магнитных полюсов.

N = K ₃ f

п.

Крутящий момент — характеристика скорости

Двигатели

постоянного тока развивают максимальный крутящий момент при нулевой скорости или когда они остановлены (когда они потребляют максимальный ток), и крутящий момент линейно падает с увеличением скорости, достигая нуля, когда обратное напряжение, создаваемое вращающимися катушками в магнитном поле ( обратная ЭДС) равна приложенному напряжению.

Для двигателей переменного тока пусковой момент при нулевой скорости может составлять примерно от 70% до 90% от максимального значения, возрастая до пика при увеличении скорости, а затем резко снижаясь до нуля, когда двигатель приближается к синхронной скорости. См. Примечание о синхронных двигателях.

(Характеристики крутящего момента электродвигателей отличаются от двигателей внутреннего сгорания, крутящий момент которых очень низок на низких скоростях, обычно останавливается ниже 800 об / мин, но увеличивается с увеличением скорости до пика при падении примерно 80% максимальной скорости. отключается лишь незначительно при достижении максимальной скорости.)

Начало

Некоторые конструкции двигателей не являются самозапускающимися в своей базовой конфигурации, но обычно включают конструктивные изменения, позволяющие самозапускаться, так что пользователь может не осознавать проблему.

Управление мощностью

Выходная мощность двигателя прямо пропорциональна его скорости.
В выходная мощность P в Ваттах определяется по формуле:

P = ωT

Где ω — скорость в радианах в секунду, а T — крутящий момент в Ньютон-метрах

ИЛИ

P = 2π NT = NT

60 9.55

Где N — скорость в оборотах в минуту (об / мин)

ПРИМЕЧАНИЕ : Это соотношение показывает, что для заданной мощности скорость уменьшается по мере увеличения нагрузки или крутящего момента и наоборот. Это в некотором смысле эквивалентно тому, что происходит в механической коробке передач, и соответствует рабочему равновесию, упомянутому выше.

Максимальная мощность

Максимальная мощность, которую может выдержать двигатель, определяется его максимально допустимой температурой.Пропускная способность может быть увеличена за счет использования материалов, способных выдерживать более высокие температуры, в частности, для изоляции обмоток, или путем обеспечения принудительного охлаждения, которое снижает температуру двигателя при заданном потреблении тока.

Угловая мощность

Угловая мощность — это альтернативный способ определения мощности двигателя, который некоторые люди считают полезным для сравнения машин.

Это просто произведение максимального крутящего момента двигателя и максимальной скорости, которую он может достичь.Поскольку максимальный крутящий момент редко, если вообще возникает, возникает одновременно с максимальной скоростью, фактическая передаваемая мощность машины всегда будет меньше угловой мощности.

В двигателях постоянного тока предел коммутации задается способностью сегментов коммутатора и щеток выдерживать высокие напряжения (ограничение скорости) и большие токи (ограничение крутящего момента).

Обратите внимание, что при высоких напряжениях и токах может потребоваться принудительное охлаждение.

Охлаждение

Допустимая мощность электрической машины ограничена максимально допустимой температурой ее обмоток.

Для двигателей большей мощности требуются более высокие магнитные поля, и ток, необходимый для обеспечения более высокой плотности магнитного потока, линейно увеличивается с размером двигателя. Однако площадь поперечного сечения медного кабеля, необходимого для протекания тока, увеличивается пропорционально квадрату тока.

Допустимая мощность может быть увеличена за счет использования изоляции, которая может выдерживать более высокие температуры, или путем обеспечения принудительного охлаждения для отвода тепла от обмоток. Принудительное охлаждение обычно не требуется для машин с дробной мощностью, но более мощные встроенные двигатели в лошадиных силах обычно включают встроенный охлаждающий вентилятор, который нагнетает воздух через машину.Принудительное воздушное охлаждение может быть эффективным в машинах мощностью до 50 мегаватт, но более крупные машины с номинальной мощностью в несколько мегаватт, используемые в электроэнергетике, должны прибегать к жидкостному охлаждению с циркуляцией хладагента по полым проводникам. Рабочей жидкостью может быть вода, но в самых больших машинах используется водород из-за его малого веса и высокой теплоемкости.

Зубчатая передача

Для заданного крутящего момента мощность двигателя пропорциональна скорости.Таким образом, низкооборотные двигатели будут обеспечивать очень низкую мощность. Приложения, требующие высокого крутящего момента на низких скоростях, потребуют очень больших токов и непрактично больших двигателей. Для таких применений лучше подходят более высокоскоростные двигатели с зубчатыми передачами для снижения скорости и увеличения крутящего момента.

Размер

Размер двигателя определяется крутящим моментом, который он должен передать. Для аналогичных двигателей с аналогичными системами охлаждения крутящий момент двигателя пропорционален объему ротора и, следовательно, общему объему двигателя.

КПД

Как отмечалось выше, для заданного крутящего момента мощность двигателя пропорциональна скорости, в то время как электрические потери и потери на ветер имеют тенденцию быть примерно постоянными, возрастая относительно медленно. Таким образом, КПД двигателя увеличивается с увеличением скорости.

КПД также зависит от размера двигателя, поскольку резистивные потери имеют тенденцию быть пропорционально намного выше в устройствах меньшего размера, чем в машинах большего размера, которые могут быть разработаны с более эффективными магнитными цепями.

Зубцы

Зубчатость — это резкая, неравномерная угловая скорость ротора машины, особенно заметная на низких скоростях в двигателях с небольшим количеством полюсов. Это происходит потому, что ротор имеет тенденцию ускоряться по мере приближения к полюсам статора и замедляться, когда он выходит из полюсов. Это также заметно при использовании импульсного постоянного тока, если частота сигнала питания слишком мала. Проблема может быть уменьшена за счет использования перекошенных обмоток ротора, а также увеличения числа полюсов в двигателе.

Потери
Потери снижают эффективность машины и обычно приводят к нежелательному нагреву.

• Потери в меди
  Это тепловые потери I ² R из-за протекающего в обмотках тока. Потери в меди варьируются в зависимости от тока и, следовательно, нагрузки на машину. Потери в стали и другие потери обычно относительно постоянны.
• Сопротивление обмотки статора
• Сопротивление обмотки ротора
• Потери в железе
  Это потери, возникающие в магнитной цепи.
• Насыщенность

Это расточительное использование энергии, связанное с использованием материалов с плотностями потока выше точки насыщения.

• Потеря гистерезиса
  Это энергия, необходимая для намагничивания и размагничивания железа в магнитной цепи в каждом машинном цикле. Поскольку потери за цикл фиксированы, они будут увеличиваться в соответствии с частотой. См. Дополнительную информацию о гистерезисе. Для уменьшения этих потерь были разработаны специальные стали с низким гистерезисом.
• Потери на вихревые токи
  Эти потери возникают из-за нежелательных циркулирующих токов, которые индуцируются в железе магнитной цепи машины. по машинным обмоткам. Их можно минимизировать за счет использования в магнитных цепях ламинированного железа вместо твердого железа. Изолирующий оксидный слой на слоях препятствует протеканию вихревого тока между слоями.
• Утечка потока

В практических магнитных цепях не всегда возможно сконцентрировать весь магнитный поток там, где это необходимо для оптимальной магнитной связи и максимального обмена энергией между ротором и статором. Следовательно, часть приложенной энергии теряется.

• Ветер / трение

Это механические потери, возникающие из-за сопротивления движению ротора.

• Коэффициент мощности

Асинхронный двигатель выглядит в линии питания как большой индуктор, и, следовательно, линейный ток отстает от приложенного напряжения. Тогда эффективная мощность двигателя составит VAcos Φ , где V, — приложенное напряжение, A, — протекающий ток, а Φ — фазовый угол, на который ток отстает от напряжения.

CosΦ известен как коэффициент мощности.Когда Φ = 0, ток находится в фазе с напряжением, cosΦ = 1 и потери мощности отсутствуют. Когда Φ = 1, ток отстает от напряжения на 90 °, cosΦ = 0, и на нагрузку не будет подаваться эффективная мощность. Коэффициент (1 — cosΦ ) представляет собой дополнительную мощность, которую машина должна потреблять от источника для обеспечения своей номинальной мощности.

Как отмечалось выше, из-за реакции системы на приложенную силу все вращающиеся машины одновременно действуют как двигатели и генераторы. В обоих случаях действуют одни и те же электромагнитные силы, и одни и те же уравнения представляют поведение машин в обоих случаях.

Как и в случае с двигателями, вышеупомянутые принципы могут применяться по-разному. См. Несколько практических примеров в разделе «Генераторы».

См. Описания и приложения некоторых из самых распространенных типов электрических машин и приводов, доступных сегодня

Сервомоторы для станков с ЧПУ

Операторы станков напрямую взаимодействуют с системой управления, инструментами и рабочим пространством, но редко обращаются ли они с двигателями подачи станка или даже видят их.Тем не менее, это одна из, если не самая важная часть оборудования для производства качественных деталей. Безупречный код, установленные коррекции, высокопроизводительный инструмент — все это не имеет значения, если двигатель не может последовательно и точно подавать деталь и / или шпиндель. Работа двигателя влияет на все, от качества поверхности и стойкости инструмента до брака и эффективности процесса.

Общие типы двигателей, используемых в станках с ЧПУ

Два двигателя, наиболее часто используемые в станках с ЧПУ, — это шаговые двигатели и серводвигатели.Оба работают, чтобы преобразовать нелинейный вход от элемента управления в линейное движение вала шпинделя и стола путем поворота винтового вала для перемещения нагрузки.

Как работает шаговый двигатель

В шаговых двигателях используются ступеньки одинакового размера, расположенные вокруг цилиндра. В станках часто бывает 200 шагов или магнитных полюсов при полном вращении, то есть 100 шагов на 180 градусов. В зависимости от размера двигателя устанавливается известное напряжение, которое применяется для поворота на один шаг.Некоторые из них также могут выполнять микрошаги, где каждый шаг разбивается на более мелкие, что обеспечивает перемещение с более высоким разрешением.

Шаговые двигатели работают по разомкнутому контуру, что означает, что их положение определяется исключительно напряжением, которое они получают; нет датчиков, обеспечивающих измерение местоположения или относительного движения к системе управления. Их относительно простая сборка делает их надежным выбором, если они подходят для правильного применения.

Как работает серводвигатель

Серводвигатели, также известные как осевые или моментные двигатели, используют меньше электромагнитных полюсов — обычно меньше дюжины — и полагаются на связь по замкнутому контуру для обеспечения точности и контроля скорости, что означает два: сигнал пути между ним и управлением.Другими словами, при включении система управления получает точный сигнал позиционирования. Нет необходимости восстанавливать ноль. Датчики вращения или угловые энкодеры являются основными устройствами обратной связи, используемыми для облегчения этой работы.

В узлах серводвигателя есть возможность выбрать пару двигателя и устройства обратной связи в зависимости от продукта или бюджета. Для высокоточного металлообрабатывающего оборудования также доступны двигатели с уже встроенными идеальными энкодерами.

Сравнение шаговых и серводвигателей

Из-за фундаментальных различий в том, как они функционируют, серводвигатели и шаговые двигатели имеют разные сильные и слабые стороны. Вообще говоря, серводвигатели подходят для современных промышленных машин с высокими требованиями к точности, скорости и крутящему моменту, в то время как шаговые двигатели используются в менее требовательных станках для мастерских и любителями.

Стоимость

Добавление устройства обратной связи и другого необходимого оборудования делает серводвигатели более дорогими, чем шаговые. Однако возможность комбинировать и согласовывать двигатель и узел энкодера обеспечивает гибкость.

Torque

Крутящий момент шагового двигателя уменьшается при быстром ускорении и на высоких скоростях.Частично благодаря мощным магнитам из редкоземельных элементов, которые они используют, серводвигатели поддерживают почти весь свой крутящий момент на максимальной скорости, что также способствует повышению эффективности. Некоторые серводвигатели также способны почти вдвое увеличивать свой номинальный крутящий момент на короткие периоды, что может быть чрезвычайно полезно для остановки, запуска и реверсирования столов или шпинделей.

Примечание: Существуют различные спецификации крутящего момента для серводвигателей. Общепринятая спецификация для станков — номинальный крутящий момент.

Долговечность

Серводвигатель имеет детали, которые не используются в шаговом двигателе, например, устройство обратной связи, щетки, передающие мощность, и, в некоторых случаях, редукторы, что приводит к несколько более высокому риску выхода из строя, чем шаговый двигатель.

Повторяемость и точность

Добавление специального измерительного устройства дает серводвигателю преимущество. Исключительное разрешение, порядка сотен тысяч шагов за оборот, обеспечивает точное перемещение, что особенно важно, когда к центрам станка добавляется больше осей.Шаговые двигатели также могут иногда «пропускать» шаги — небольшая ошибка, которая не распознается системой управления, но может быть видна на детали.

Скорость

Серводвигатели способны поддерживать максимальную производительность на очень высоких скоростях, несколько тысяч оборотов в минуту по сравнению с примерно 2000 у шаговых двигателей. Это делает серводвигатели популярными в оборудовании для высокоскоростной обработки (HSM), которое набирает популярность в мире производства. Эта дополнительная скорость часто необходима для точной резки, чистовой обработки и работы с более прочными материалами.

Почему серводвигатели используются в станках с ЧПУ

Качество деталей начинается с двигателя станка. Серводвигатели — это выбор для управления движением осей в станках, предназначенных для высокоскоростной и высокоточной работы. Такие факторы, как превосходный крутящий момент, движение и обратная связь с высоким разрешением, а также стабильность помогают избежать таких результатов, как плохая чистота поверхности, ускоренный износ инструмента и некорректная контурная обработка.

1. Возможность использования энкодеров

Датчики вращения и угловые датчики для сервоприводов обеспечивают детальную и точную обратную связь с системой управления с разрешением в тысячи раз более высоким, чем это возможно с шаговыми двигателями.