Ротор двигатель: Принципы работы, плюсы и минусы роторного двигателя — особенности роторно-поршневого ДВС — журнал За рулем

Роторный двигатель. Устройство, принцип работы. Плюсы и минусы ротора.

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

История

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

Феликс Ванкель и роторный двигатель

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

NSU Spider

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

NSU Ro-80

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

Mazda RX-8

Устройство

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

Роторный двигатель

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

Достоинства и недостатки

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

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

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

роторный двигатель Мазда RX-8

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

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

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

Недостатки

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

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

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

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

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

Устройство роторного двигателя

После создания двигателя внутреннего сгорания началась эра автомобилей. Самое большое распространение при этом получил мотор поршневого типа. Но при этом с момента создания ДВС перед конструкторами стала задача извлечения максимального КПД при минимальных затратах топлива. Решалась эта задача несколькими путями – от технического улучшения уже имеющихся двигателей, до создания абсолютно новых, с другой конструкцией. Одним из таковых стал роторный двигатель.

Роторный двигатель

Появился он значительно позже поршневого, в 30-х годах. Полноценно работоспособная же модель такого двигателя появилась и вовсе в 50-х годах. После появления роторный двигатель вызвал заинтересованность у многих автопроизводителей, и все они кинулись разрабатывать свои модели роторных силовых установок, однако вскоре от них отказались в пользу обычных поршневых. Из приверженцев роторного мотора осталась только японская фирма Mazda, которая сделала такого типа мотор своей визитной карточкой.

Особенностью такого мотора является его конструкция, которая вообще не предусматривает наличие поршней. В целом это сильно сказалось на конструктивной простоте.

В поршневых моторах энергия сгораемого топлива воспринимается поршнем, который за счет своего возвратно-поступательного движения передает ее на кривошипы коленвала, обеспечивая ему вращение.

У роторных же двигателей энергия сразу преобразовывается во вращение вала, минуя возвратно-поступательное движение. Это сказывается на уменьшении потерь мощности на трение, меньшую металлоемкость и простоту конструкции. За счет этого КПД двигателя значительно возрастает.

Конструкция

Чтобы понять принцип работы, следует разобраться, какова конструкция роторного двигателя. Итак, вместо поршней энергия сгорания топлива у такого силового агрегата воспринимается ротором. Ротор имеет вид равностороннего треугольника. Каждая сторона этого треугольника и играет роль поршня.

Ротор

Чтобы обеспечить процесс горения, ротор помещается в закрытое пространство, состоящее из трех элементов – двух боковых корпусов, и одного центрального, называющегося статором. Пространство, в котором производится процесс горения, сделано в статоре, боковые корпуса обеспечивают только герметичность этого пространства.

Внутри статора сделан цилиндр, в котором и размещается ротор. Чтобы внутри этого цилиндра происходили все необходимые процессы, выполнен он в виде овала, с немного прижатыми боками.

Сам статор с одной стороны имеет окна для впуска топливовоздушной смеси или воздуха, и выпуска отработанных газов. Противоположно им сделано отверстие под свечи зажигания.

Устройство двигателя

Особенностью движения ротора в цилиндре статора является то, что его вершины постоянно контактируют с поверхностью цилиндра, его движение сделано по эксцентриковому типу. Он не только вращается вокруг своей оси, но еще и смещается относительно нее.

Для этого в роторе сделано большое отверстие, с одной стороны этого отверстия имеется зубчатый сектор. С другой стороны в ротор вставлен вал с эксцентриком.

Чтобы обеспечить вращение в боковой корпус установлена неподвижная шестерня, входящая в зацепление с зубчатым сектором ротора, она является опорной точкой для него. При своем эксцентриковом движении он опирается на неподвижную шестерню, а зацепление обеспечивает ему вращательное движение. Вращаясь, он обеспечивает и вращение вала с эксцентриком, на который он одет.

Принцип работы

Теперь о самом принципе работы. Выполнение определенной работы поршня внутри цилиндров называется тактами. Классический поршневой двигатель имеет четыре такта:

• впуск — в цилиндр подается горючая смесь;
• сжатие — увеличение давления в цилиндре за счет уменьшения объема;
• рабочий ход — энергия, выделенная при сгорании смеси, преобразовывается во вращение вала;
• выпуск — из цилиндра выводятся отработанные газы;

Данные такты имеют все двигатели внутреннего сгорания, и сопровождаются они определенным движением поршня.

Однако они выполняются по-разному. Существуют двухтактные поршневые двигатели, в которых такты совмещены, но такие моторы чаще применяются на мотоциклах и другой бензиновой технике, хотя раньше создавались и дизельные двухтактные моторы. В них одно движение поршня включает два такта. При движении поршня вверх – впуск и сжатие, а при движении вниз – рабочий ход и выпуск. Все это обеспечивается наличием впускных и выпускных окон.

Классические автомобильные поршневые двигатели обычно являются 4-тактными, где каждый такт отделен. Но для этого в двигатель включен механизм газораспределения, который значительно усложняет конструкцию.

Что касается роторного двигателя, то отсутствие поршня как такового позволило несколько совместить конструктивные особенности 2-тактных и 4-тактных моторов.

Принцип работы

Поскольку цилиндр роторного двигателя имеет впускные и выпускные окна, то надобность в газораспределительном механизме отпала, при этом сам процесс работы сохранил все четыре такта по отдельности.

Теперь рассмотрим, как все это происходит внутри статора. Углы ротора постоянно контактируют с цилиндром статора, обеспечивая герметичное пространство между сторонами ротора.

Овальная форма цилиндра статора обеспечивает изменение пространства между стенкой цилиндра и двумя близлежащими вершинами ротора.

Далее рассмотрим действие внутри цилиндра только с одной стороны ротора. Итак, при вращении ротора, одна из его вершин, проходя сужение овала цилиндра, открывает впускное окно и в полость между стороной треугольника ротора и стенкой цилиндра начинает поступать горючая смесь или воздух. При этом движение продолжается, эта вершина достигает и проходит высокую часть овала и дальше идет на сужение. Возможность постоянного контакта вершины ротора обеспечивается его эксцентриковым движением.

Впуск воздуха производится до тех пор, пока вторая вершина ротора не перекроет впускное окно. В это время первая вершина уже прошла высоту овала цилиндра и пошла на его сужение, при этом пространство между цилиндром и стороной ротора начинает значительно сокращаться в объеме – происходит такт сжатия.

В момент, когда сторона ротора проходит максимальное сужение, в пространство между стороной ротора и стенкой цилиндра подается искра, которая воспламеняет горючую смесь, сжатую между зауженной стенкой цилиндра и стороной ротора.

Особенностью роторного двигателя является то, что воспламенение производится не перед прохождением стороны так называемой «мертвой точки», как это делается в поршневом двигателе, а после ее прохождения. Делается это для того, чтобы энергия, выделенная при сгорании, воздействовала на ту часть стороны ротора, которая уже прошла ВМТ (верхняя мёртвая точка). Этим обеспечивается вращение ротора в нужную сторону.

После прохождения свечи, первая вершина ротора начинает открывать выпускное окно, и постепенно, пока вторая вершина не перекроет выпускное окно – производится отвод газов.

Такты двигателя

Следует отметить, что был описан весь процесс, сделанный только одной стороной ротора, все стороны проделывают процесс один за другим. То есть, за одно вращение ротора производится одновременно три цикла – пока в полость между одной стороной ротора и цилиндра запускается воздух или горючая смесь, в это время вторая сторона ротора проходит ВМТ, а третья – выпускает отработанные газы.

Теперь о вращении вала, на эксцентрик которого надет ротор. За счет этого эксцентрика полный оборот вала производится меньше чем за один оборот ротора. То есть, за один полный цикл вал сделает три оборота, при этом отдавая полезное действие дальше. В поршневом двигателе один цикл происходит за два оборота коленчатого вала и только один полуоборот при этом является полезным. Этим обеспечивается высокий выход КПД.

Если сравнить роторный двигатель с поршневым, то выход мощности с одной секции, которая состоит из одного ротора и статора, равна мощности 3-цилиндрового двигателя.

А если учитывать, что Mazda устанавливала на свои авто двухсекционные роторные моторы, то по мощности они не уступают 6-цилиндровым поршневым моторам.

Достоинства и недостатки

Теперь о достоинствах роторных моторов, а их вполне много. Выходит, что одна секция по мощности равна 3-цилиндровому мотору, при этом она в габаритных размерах значительно меньше. Это сказывается на компактности самых моторов. Об этом можно судить по модели Mazda RX-8. Этот автомобиль, обладая хорошим показателем мощности, имеет средне моторную компоновку, чем удалось добиться точной развесовки авто по осям, влияющую на устойчивость и управляемость авто.

Помимо компактных размеров в этом двигателе отсутствует газораспределительный механизм (ГРМ), ведь все фазы газораспределения выполняются самим ротором. Это значительно уменьшило металлоемкость конструкции, и как следствие – массу двигателя.

Из-за ненадобности поршней и ГРМ снижено количество подвижных частей в двигателе, что сказывается на надежности конструкции.

Сам двигатель из-за отсутствия разнонаправленных движений, которые есть в поршневом моторе, при работе меньше вибрирует.

Но и недостатков у такого двигателя тоже хватает. Начнем с того, что система смазки у него идентична с системой 2-тактного двигателя. То есть, смазка поверхности цилиндра производится вместе с топливом. Но только организация подачи масла несколько иная. Если в 2-тактном двигателе масло для смазки добавляется прямо в топливо, то в роторном оно подается через форсунки, а потом оно уже смешивается с топливом.

Использование такого типа смазки привело к тому, что для двигателя подходит только минеральное масло или специализированное полусинтетическое. При этом в процессе работы масло сгорает, что негативно сказывается на составе выхлопных газов. По экологичности роторный двигатель сильно уступает 4-тактному поршневому двигателю.

При всей простоте конструкции роторный мотор обладает сравнительно небольшим ресурсом. У той же Mazda пробег до капитального ремонта составляет всего 100 тыс. км. В первую очередь «страдают» апексы – аналоги компрессионных колец в поршневом двигателе. Апексы размещаются на вершинах ротора и обеспечивают плотное прилегание вершины к стенке цилиндра.

Недостатком является также невозможность проведения восстановительных работ. Если у ротора изношены посадочные места апексов – ротор полностью заменяется, поскольку восстановить эти места невозможно.

То же касается и цилиндра статора. При его повреждении расточка практически невозможна из-за сложности выполнения такой работы.

Из-за большой скорости вращения эксцентрикового вала, его вкладыши изнашиваются значительно быстрее.

В общем, при значительно простой конструкции, из-за сложности процессов его работы роторный двигатель оказывается по надежности значительно хуже поршневого.

Но в целом, роторный двигатель не является тупиковой ветвью развития двигателей внутреннего сгорания. Та же Mazda постоянно совершенствует данный тип мотора. К примеру, мотор, устанавливаемый на RX-8 по токсичности уже мало отличается от поршневого, что является большим достижением.

Теперь они стараются еще и увеличить ресурс. Однако это скорее всего будет достигнуто за счет использования особых материалов изготовления элементов двигателя, а также из-за высокой степени обработки поверхностей, что еще больше осложнит и увеличит стоимость ремонта.

Как выходец из СССР Николай Школьник изобрел самый мощный в мире двигатель

«Газета.Ru» пообщалась с создателями самого мощного в мире двигателя внутреннего сгорания. Как увеличить в разы КПД мотора, в чем отличие нового агрегата от известных роторных двигателей и в чем преимущество советского образования перед американским — в материале отдела науки.

Выходец из СССР, живущий в США, вместе с сыном изобрел, запатентовал и испытал самый мощный и эффективный в мире двигатель внутреннего сгорания. Новый мотор будет в разы превосходить существующие по КПД и уступать по массе.

В 1975 году вскоре после окончания Киевского политехнического института молодой физик Николай Школьник уехал в США, где получил научную степень и стал физиком-теоретиком — его интересовали приложения, связанные с общей и специальной теорией относительности. Поработав в области ядерной физики, молодой ученый открыл в США две компании: одну — занимающуюся программным обеспечением, вторую – разрабатывающую шагающие роботы. Позже он на десять лет занялся консультированием проблемных компаний, занимающихся техническими инновациями.

Однако как инженера Школьника постоянно волновал один вопрос — почему современные автомобильные моторы такие неэкономичные?

И действительно, несмотря на то что поршневой двигатель внутреннего сгорания человечество совершенствует уже полтора века,

КПД бензиновых моторов сегодня не превышает 25%, дизельных — порядка 40%.

Между тем сын Школьника Александр поступил в MIT и получил степень доктора в области компьютерных наук, стал специалистом в области оптимизации систем. Думая над увеличением КПД двигателя, Николай Школьник разработал собственный термодинамический цикл работы двигателя HEHC (High-efficiency hybrid cycle), который стал ключевым этапом в реализации его мечты.

«Последний раз такое происходило в 1892 году, когда Рудольф Дизель предложил новый цикл и создал свой двигатель», — пояснил в интервью «Газете.Ru» Школьник-младший.

Изобретатели остановились на роторном двигателе, принцип которого был предложен в середине XX века немецким изобретателем Феликсом Ванкелем. Идея роторного двигателя проста. В отличие от обычных поршневых моторов, в которых много вращающихся и движущихся частей, снижающих КПД, роторный двигатель Ванкеля имеет овальную камеру и вращающийся внутри нее треугольный ротор, который своим движением образует в камере различные участки, где происходит впуск, сжатие, сгорание и выпуск топлива.

close

100%

Плюсы двигателя — мощность, компактность, отсутствие вибраций. Однако, несмотря на более высокий КПД и высокие динамические характеристики, роторные двигатели за полвека не нашли широкого применения в технике. Одним из немногих примеров серийной установки стало их использование на автомобилях Mazda RX.

Слабыми местами таких моторов являлись ненадежность, связанная с низкой износостойкостью уплотнителей, благодаря которым ротор плотно примыкает к стенкам камеры, и низкая экологичность.

Уже работая в фирме LiquidPiston, основателями которой они стали, Школьники создали свою, абсолютно новую реинкарнацию идеи роторных моторов. Принципиальным в ней было то, что в двигателе Школьников не камера,

а ротор напоминает по форме орех, который вращается в треугольной камере.

Это позволило решить ряд непреодолимых проблем двигателя Ванкеля. Например, пресловутые уплотнители теперь можно делать из железа и крепить их неподвижно к стенкам камеры. При этом масло подводится прямо к ним, в то время как раньше оно добавлялось в сам воздух и, сгорая, создавало грязный выхлоп, а смазывало плохо.

Кроме того, при работе двигателя Школьников происходит так называемое изохорное горение топлива, то есть горение при постоянном объеме, что увеличивает КПД мотора.

Изобретатели создали один за другим пять моделей принципиально нового мотора, последняя из которых в июне была впервые протестирована — ее поставили на спортивный карт. Испытания оправдали все ожидания.

Миниатюрный двигатель размером со смартфон, массой менее 2 кг имеет мощность всего 3 л.с. Двигатель высокооборотистый, работает на частоте 10 тыс. об./мин., но может достигать и 14 тыс. КПД мотора составляет 20%. Это много, учитывая, что обычный поршневой мотор такого же объема в 23 «кубика» имел бы КПД лишь 12%, а поршневой мотор такой же массы дал бы всего 1 л.с.

Но главное, КПД таких моторов резко растет при увеличении их объемов.

Так, следующий двигатель Школьников будет дизельным мотором мощностью 40 л.с., при этом его КПД составит уже 45%, а это выше, чем эффективность лучших дизелей современных грузовиков.

Весить он будет всего 13 кг, притом что его поршневые аналоги такой же мощности сегодня весят под 200 кг.

Этот мотор уже планируется ставить на генератор, который будет вращать колеса дизель-электрического автомобиля. «Если же мы построим еще больший двигатель, мы можем достичь КПД в 60%», — поясняет Школьник.

В перспективе компактные, оборотистые и мощные моторы Школьников планируется использовать там, где эти свойства особенно важны — при конструировании легких дронов, ручных бензопил, газонокосилок и электрогенераторов.

Пока мотор гоняли 15 часов, однако по нормативам, чтобы пойти в производство, он должен отработать непрерывно 50 часов. При этом для автомобильной промышленности требуется надежность мотора на 100 тыс. миль пробега, что пока остается мечтой, признают конструкторы.

«Это самый экономичный, мощный двигатель не только среди роторных, но и всех двигателей внутреннего сгорания.

Это показывают наши измерения, а то, что мы получим на более крупных моторах, мы уже смоделировали на компьютерах», — радуется Школьник-младший.

То, что озвученные цифры — не фантазии изобретателей, подтверждает серьезность намерений инвесторов. Сегодня в стартап уже вложено $18 млн венчурных инвестиций, $1 млн которых дало американское агентство передовых разработок DARPA.

Интерес военных тут понятен. Дело в том, что военными США в авиации применяется в основном топливо JP-8. И военные хотят, чтобы вообще вся армейская техника работала на этом виде топлива, на котором, кстати, могут работать и дизельные моторы.

Но современные дизельные двигатели громоздки, поэтому DARPA так активно присматривается к разработке Школьников.

Александр считает, что создать столь революционный двигатель помогло отчасти образование, которое получил его отец еще в СССР. «Он думает по-другому, не так, как обычный инженер в США. Его фантазия ограничена только физикой. Если физика говорит — что-то возможно, то он верит, что это так, и лишь думает, как это можно сделать», — добавил Александр.

Сам Николай Школьник по-своему рассказывает об истории своего успеха и преимуществах советского образования.

«В США я переживал, что, имея специальность «машиностроение», я не буду иметь достаточного бэкграунда по физике и, особенно, математике.

Эти опасения оказались напрасными благодаря превосходной подготовке, которую я получил в советской школе.

Эта солидная образовательная подготовка до сих пор помогает мне здесь в нашей работе с новым роторным двигателем. С моей точки зрения, есть два больших отличия между американскими инженерами и получившими образование в России. Во-первых, американские инженеры невероятно эффективны в том, что они делают. Обычно требуется два-три русских инженера, чтобы заменить одного американского. Однако русские имеют более широкий взгляд на вещи (связанный с образованием, по крайней мере в мое время) и способность достигать целей с минимумом ресурсов, что называется, на коленке», — поделился размышлениями Николай Школьник.

Роторный двигатель.Принцип работы роторного двигателя.

 Роторный двигатель Феликса Ванкеля — уникальная разновидность двигателей, создан и более менее доведенный до ума в середине двадцатого века. В чем же уникальность роторно-поршневого двигателя Ванкеля? Ответ прост, при малых габаритах и рабочем объёме, в комплекте с простотой конструкции и значительно меньшем количестве деталей по сравнению с обычным поршневым двигателем, роторный двигатель выдаст мощность в 2-2.5 раза большую, нежели поршневой двигатель с тем же рабочим объёмом цилиндров. Однако, тут же возникает вопрос, раз роторный мотор такой простой и одновременно мощный, то почему он не получил широкого распространения.

В общем то вариантов довольно много, самый на мой взгляд вероятный ответ на данный вопрос кроется в событиях тогдашнего времени. В 70-х годах многие авто-концерны того времени попытались сделать ставку на роторный двигатель, ввиду его превосходящей мощности и простоты конструкции над традиционным ДВС того времени.

  Все возможно и было бы хорошо, и роторные двигатели возможно сейчас ставили бы как минимум на половину современных авто, если бы не одно НО, как всегда, куда ж без него. В общем в 1973 году началась война на Аравийском полуострове. К слову, в то время арабские страны были основными поставщиками нефти в Европу и Америку, и война вынудила их значительно сократить поставки ресурсов в страны нового и старого света, что повлекло за собой невероятное подорожание нефтепродуктов, и в том числе и бензина, на котором работал роторный двигатель. Но, почему не перестали выпускать стандартные ДВС? Да потому, что в роторном двигателе всегда имеется огромный табун лошадей, который нужно кормить, короче РПД слишком много жрал, содержать его в то время было очень не выгодно, поэтому компании, вложившие деньги в разработки и производство роторных двигателей потерпели крах и понесли колоссальные убытки, машины с большим расходом топлива оказались совсем не востребованы на рынке. Производители отказались от прожорливого роторного двигателя в пользу более экономичного поршневого варианта.
  Однако все же нашлись приверженцы роторного двигателя — авто-концерн Mazda встал на путь самурая и продолжил проводить исследования и совершенствование двигателя Ванкеля, подобно тому, как однажды Subaru не отказались от использования оппозитных двигателей, которые на сегодняшний день являются главной фишкой этой марки. Инженеры мазды тоже даром времени не теряли и также имели свои разработки в области РПД. Это позволило им создать роторный двигатель 13b-REW с системой твин-турбо, мощностью 350 л.с, который устанавливался в автомобили Mazda RX7, в процессе эксплуатации двигатель зарекомендовал себя достаточно хорошо, но один непобедимый недостаток, свойственный РПД у него всё же остался,это большой расход топлива. Далее маздисты воткнули роторник в следующую модель Mazda RX8, но в ней заметно сократили табун под капотом с 350 л.с до 200, уменьшив рабочий объём до 1.3 литра. Ну где вы видели ДВС объёмом 1.3 с мощностью 200 л.с.? Это позволило сократить расход топлива и вывести модель на более конкурентно-способный уровень. Про попытку воткнуть РПД в жигуляторы думаю писать не стоит, инженеры купили авто с РПД у немцев и тупо скопировали двигатель. В результате ничего хорошего из этого не получилось.
 

Принцип работы и устройство роторного двигателя. Принцип работы роторного двигателя разительно отличается от поршневого. Прежде всего это связано с его конструктивными особенностями. Трудно выделить главную особенность этого двигателя, начну пожалуй с самого ротора. Ротор — является в данном типе двигателя и поршнем и шатуном, то есть весь кривошипно-шатунный механизм сводится только к ротору и валу-эксцентрику, которые и превращают энергию топлива во вращательные движения вала. Происходит это все в блоке, который является и камерой сгорания и газораспределительным механизмом. В нем происходят все такты работы ДВС, начиная с впуска и заканчивая выхлопом. Внутри блок имеет форму некой капсулы, но это не совсем так, эта форма имеет геометрическое научное название — эпитрохоида (блять). Установленный на валу ротор, крепко сцеплен с зубчатым колесом, которое соединено с неподвижной шестернёй, название которой — статор. Размер ротора значительно больше, нежели статор, несмотря на это, вокруг шестерни свободно вращается ротор с зубчатой шестерней. Каждый из концов треугольного ротора движется по внутренней поверхности блока, отсекая определенное количество пространства в блоке благодаря трём клапанам. Функцию поршневых колец в роторном двигателе выполняют радиальные и торцевые уплотнительные пластины, которые прижимаются к стенкам блока-цилиндра центробежными силами, ленточными пружинами и давлением газа. Двигатель ванкеля лишен сложного механизма газораспределения, это значительно упрощает конструкцию роторного двигателя по сравнению с традиционным, также отсутствие многих деталей КШМ традиционного двигателя позволяет вырабатывать большую мощность за счет отсутствия потерь на трение. За один полный оборот ротора, в двигателе проходит три полных рабочих цикла. Чуть не забыл, почему он много жрет, потому что камера сгорания в момент такта сжатия получается весьма длинной и топливо не успевает догорать полностью, для борьбы с этим явлением на роторные моторы ставят по две свечи зажигания, которые срабатывают по очереди одна за другой, воспламеняя топливную смесь с двух сторон. Такие меры весьма улучшили показатели роторников в плане экономичности и выдаваемой мощности.

  В общем все это очень хорошо звучит, но что же представляет из себя роторный двигатель в реальной жизни. На самом же деле по всему свету довольно много авто с роторными моторами времен 60-80х годов, многие на ходу и хранятся где то в музеях или частных коллекциях, еще больше гниют или уже сгнили на свалках. Стоит взглянуть на владельца авто с роторным двигателем, который мотор перегрел и носится по городу в поисках спецов и запчастей, всплывают все недостатки этого вида двигателей. Самое страшное для РПД на той же мазде рх8 это перегрев. Стоит один раз перегреть такой мотор и отремонтировать его будет потом очень сложно,так как запчасти стоят довольно недешево и ехать будут из Японии.В большинстве случаем при ремонте РПД бракуется и сам ротор и блок, на котором образовались задиры от поплавившегося металла. Многие в этом случае заказывают новый мотор, так как стоить он буден примерно так же как и ремонт старого двигателя. Поэтому некоторые мечтают сменить роторник на традиционный поршневой ДВС, однако, есть и фанаты, которые его ни на что не променяют.

Mazda и роторный двигатель Ванкеля

Макс Босерман

10 апреля 2020, 10:11

Роторные двигатели Mazda всегда имели репутацию относительно небольшого и мощного двигателя c низко-эффективным расходом топлива. Двигатели стали популярными из-за малого веса, компактных размеров, потенциалом настройки и, по существу, вытекающим высоким соотношением мощности к весу — что является характерным для всех двигателей Ванкеля.

Роторно-поршневые двигатели Ванкеля получат вторую жизнь уже в новой роли. Mazda станет использовать их в качестве так называемого удлинителя хода (range extender) на электромобилях.

Продажи машин с роторно-поршневым двигателем Ванкеля Mazda прекратила еще в 2012 году (они устанавливались на спорткар RX-8), потратив почти полвека на улучшение капризных агрегатов. Но полностью отказываться от РПД японцы не собирались.

В конце 1950-х два немецких инженера, работавшие в известной тогда своими мотоциклами фирме NSU Феликс Ванкель и Вальтер Фройде, предложили принципиально новую конструкцию двигателей.

 

В их двигателе цилиндры отсутствовали как класс: установленный на валу трехгранный ротор был жестко соединен с зубчатым колесом, входившим в зацепление с неподвижной шестерней — статором. По сравнению с обычным поршневым мотором внутреннего сгорания, двигатель Ванкеля имел меньшие в 1,5-2 раза габариты, большую удельную мощность, меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен), а также — за счет отсутствия коленвала и шатунов — более высокие динамические показатели. Впрочем, были и недостатки, с которыми так и не удалось справиться за все время выпуска автомобилей с роторными двигателями: довольно высокий расход топлива на низких оборотах, повышенное потребление масла и сложность в производстве (из-за необходимости точности геометрических форм деталей).

По сравнению с обычным поршневым мотором внутреннего сгорания, двигатель Ванкеля имел меньшие в 1,5-2 раза габариты, большую удельную мощность, меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен), а также — за счет отсутствия коленвала и шатунов — более высокие динамические показатели. 

 

 

Электрокроссовер Mazda

Еще в начале 2018 года стало известно о том, что новое поколение РПД станет устанавливаться на беспилотные электрические шаттлы, которые Mazda разрабатывает вместе с Toyota. А теперь японцы изучают возможность использования компактного односекционного РПД для увеличения дальности хода электрического «паркетника» MX-30, который был представлен прошлой осенью, но пока так и не поступил в продажу.

Продажи машин с роторно-поршневым двигателем Ванкеля Mazda прекратила еще в 2012 году (они устанавливались на спорткар RX-8), потратив почти полвека на улучшение капризных агрегатов. Но полностью отказываться от РПД японцы не собирались.

Роторно-поршневые двигатели Ванкеля получат вторую жизнь уже в новой роли. Mazda станет использовать их в качестве так называемого удлинителя хода (range extender) на электромобилях.

В будущем такие моторы найдут свое применение на беспилотных электромобилях, которые Mazda разрабатывает совместно с Toyota. В планах последней — вывод на рынок автономных шаттлов, которые будут использоваться в качестве маршруток, развозных фургонов и даже мобильных магазинов и кафе. Их и планируется оснащать так называемым удлинителем хода — компактным РПД, который будет приводить в движение генератор для подзарядки батарей электромобилей.

 

Испытания будущих беспилотников Toyota (к слову, владеющая 5,25-процентной долей в Mazda) планирует начать уже в этом году. Их появление на дорогах ожидается в 2020 году.

Модификация MX-30 с «удлинителем хода» — генератор для подзарядки тяговой батареи будет приводить роторно-поршневой двигатель нового поколения.

 

Напомним, что MX-30 располагает тяговой батареей откровенно небольшой емкости — всего 35,5 кВт·ч, которых хватит примерно на 200 км паспортного пробега. По расчетам, использование РПД, который будет приводить генератор для подзарядки батареи, позволит увеличить дальность хода кроссовера вдвое.

У японских дилеров MX-30 появится уже этим летом, а до Европы доберется в следующем году. Когда появится версия с роторным «удлинителем хода», пока точно не известно.

 

Любопытно, что сам Ванкель не умел водить автомобиль и не имел водительских прав — поскольку с раннего детства страдал сильной близорукостью. Это, впрочем, не помешало ему доработать первоначально мотоциклетный движок под нужды автопрома, и в 1964 году NSU выпустила первый в мире серийный роторный автомобиль — кабриолет NSU Spider на базе заднеприводной модели Sport Prinz. Машина выпускалась ограниченной серией (за три года было собрано 2375 экземпляров) и была довольно дорога, в пересчете на нынешние деньги — около 22 тысяч долларов за двухместную малолитражку длиной 3,6 метра.

Копия патента. 

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Вот что о нем нужно знать

Что такое роторный двигатель Mazda, как он работает и зачем его возрождают

Вращающиеся треугольники Рёло от Мазда возвращаются в массы, но явно под другим соусом…

 

Еще в марте Мартин тен Бринк, вице-президент «Mazda Motor Europe» по продажам и обслуживанию клиентов активировал энтузиастов по всему миру одним лишь своим заявлением, что роторный двигатель Ванкеля вернется в производство.

 

В частности, тен Бринк заявил, что роторный ДВС может стать элементом для расширения диапазона движения электрического автомобиля 2019 модельного года, но на тот момент это был просто слух. «Mazda не анонсировала никаких конкретных продуктов с роторным двигателем в то время. Однако Mazda по-прежнему привержена работе над технологиями роторных двигателей», –рассуждали на тему комментария вице-президента Мазда в Mazda Motor of America.

 

Смотрите также: Один из немногих мотоциклов с роторным двигателем: История

 

Итак, что же такого особенного в этом легендарном двигателе, который так взволновал всех своим возвращением? И почему на этот раз все может быть по-другому?

 

Как он работает

Элементы системы двигателя

Нажать для увеличения

 

Роторный двигатель внутреннего сгорания по форме напоминает бочку. На нем и в нем вы не найдете многих компонентов, к которым привыкли в стандартном поршневом моторе. Во-первых, в нем нет поршней, ходящих вверх и вниз. Вместо них полезную работу совершает необычной формы треугольный поршень с округлыми краями (треугольник Рёло). Их количество может варьироваться от одного до трех в одном двигателе, но чаще всего используется схема с двумя поршнями, вращающимися вокруг вала посредством эксцентриковой полой центральной части.  

 

Топливо и воздух нагнетаются в пространство между сторонами роторов и внутренними стенками короба, где смесь воспламеняется. Быстрое, взрывное расширение газов поворачивает ротор, который таким образом производит мощность. Роторы выполняют ту же задачу, что и поршни в поршневом двигателе, но с гораздо меньшим количеством движущихся частей, что делает роторный двигатель более легким и компактным, чем поршневой двигатель эквивалентного объема.

 

Учитывая, что карбюратор/впуск находится в левой нижней части изображения, источник зажигания – справа, а выхлоп – справа вверху, можно составить визуальную схему, показывающую процесс работы ДВС, начиная с впуска топливо-воздушной смеси:

Затем ротор проворачивает эксцентриковый вал и повышает давление в камере сгорания:

Источник зажигания (или две свечи, как в случае с многими двигателями Ванкеля) начинает процесс возгорания:

Это сгорание топлива и воздуха закручивает ротор во время рабочего такта:

И наконец, двигатель выплевывает газы и остатки несгоревшего топлива наружу:

 

Мало кто знает, но роторный мотор был изначально придуман почти 100 лет назад, а не в 50-е годы XX века. Первоначально принцип работы мотора был проработан Феликсом Ванкелем, немецким инженером, который придумал свой принцип действия двигателя внутреннего сгорания.

 

Преимущество №1: Роторный двигатель легче и компактней обычного поршневого мотора

 

Война, поднявшая одних инженеров, например Фердинанда Порше, другим не дала никакой возможности развиться. Не нужны были в опасные времена мирные двигатели Ванкеля, поэтому изобретателю пришлось ждать аж до 1951 года, когда он получил приглашение от автопроизводителя NSU для разработки прототипа. Немецкая компания решила с помощью хитрости выяснить, так ли хорош оригинальный двигатель, параллельно дав возможность продемонстрировать силы другому инженеру – Ханнсу Дитеру Пашке.

 

Сложная конструкция Ванкеля фактически проиграла простому прототипу, разработанному инженером Ханнсом Дитером Пашке, который всего-навсего убрал из оригинальной конструкции все лишнее, сделав ее производство экономически выгодным.

 

Так в Германии был изобретен и опробован новый двигатель Mazda, который на протяжении долгих десятилетий был одним из немногих роторно-поршневых серийных моторов и единственным в 21-м веке.

 

Современный двигатель Ванкеля не совсем двигатель Ванкеля.

 

Да, основа роторного двигателя от Ванкеля стала самой успешной конструкцией данного двигателя в мире и единственной, которая смогла сложными путями дойти до серийного производства.

 

Еще в начале 60-х годов у NSU и Mazda проводился дружеский совместный конкурс на производство и продажу первого автомобиля с двигателем типа Ванкеля, когда они работали над сырым продуктом, пытаясь создать из него качественный товар.

 

NSU стал первым на рынке в 1964 году. Но немецкой компании не повезло: она разрушила свою репутацию в течение следующего десятилетия ненадлежащим качеством продукции. Частые отказы двигателя снова и снова посылали владельцев к дилеру и в магазин за запчастями. Вскоре нередко можно было обнаружить модели NSU Spider или Ro 80, в которых было поменяно три и более роторных двигателей Ванкеля.

 

Проблема заключалась в уплотнениях вершины ротора – тонких полосках металла между наконечниками вращающихся роторов и корпусами роторов. NSU сделал их из трех слоев, что вызывало неравномерный износ. Это была бомба замедленного действия не только для автомобилей фирмы, но и самого автопроизводителя. Мазда решила проблему уплотнения (крайне важного элемента мотора, без которого он просто не был способен работать из-за отсутствия давления), сделав их однослойными. Силовой агрегат начали устанавливать в 1967 году на спортивные люксовые модели Cosmo…

 

В начале 70-х годов Mazda представила целую линейку автомобилей с двигателем Ванкеля – мечта, которая была разбита нефтяным кризисом 1973 года. Пришлось поубавить аппетит и оставить мотор там, где в нем больше всего нуждались – в легком спортивном купе Mazda RX-7. С 1978 по 2002 год было выпущено более 800 тыс. этих легендарных спорткаров с необычным двигателем, у которого больше не было аналогов.

 

Из Германии в Японию, из Японии в СССР – вот путь двигателя, разработанного в 20-х годах XX века Ванкелем

 

Любим и ненавидим

Фанаты техники любят роторные двигатели потому, что они другие. Многие автолюбители, хорошо разбиравшиеся в технике, питали определенную слабость к такому странному двигателю, работающему на обычном топливе, но при этом не выглядевшему как стандартный набор поршней, клапанов и других неотъемлемых элементов обычного поршневого мотора.

 

В зависимости от специфики мотора ротор линейно поставляет мощность до 7.000-8.000 об/мин – бесперебойно, практически на одном уровне крутящего момента. Эта ровная полка момента как раз и отличает его от подавляющего большинства поршневых ДВС, в которых наблюдается много мощности на высоких оборотах и ее нехватка при низких.

 

Автопроизводителям также понравился роторный двигатель благодаря плавности его работы. Роторы, вращаясь вокруг центральной оси, не создают никакой вибрации по сравнению с поршневыми двигателями, у которых верхняя и нижняя точки хождения поршня отчетливо прослеживаются даже внутри салона автомобиля.

 

Но необычный двигатель – это словно необъезженная лошадь, своенравное животное, поэтому в противовес обожателям идеи Ванкеля концепция также внушает свою долю ненависти в среде автомобильных фанатов и механиков. И, казалось бы, почему?

 

Ведь у двигателя простой дизайн: отсутствует ремень ГРМ, отсутствует распределительный вал, нет привычной системы клапанов. Но за простоту приходится платить большой точностью производства деталей. Они должны быть сделаны безукоризненно, что поднимает их стоимость в разы, по сравнению с запчастями для обычных поршневых двигателей. Второе – этих запчастей мало в природе. И в-третьих, в мире почти нет специалистов, которые занимались бы починкой роторных моторов. В Москве, говорят, есть пара, но очередь к ним – на год вперед.

 

Из минусов еще можно назвать своеобразную работу роторного силового агрегата. Конструкция подразумевает сгорание масла в цилиндрах мотора, куда нагнетаются небольшие количества моторного масла прямо в камеры сгорания. Делается это для того, чтобы смазывать прилегающие площади роторов, вращающихся на бешеной скорости. Сизоватый дым, иногда выходящий из выхлопной трубы, – это признак беды, он отпугивает незнающих людей от моделей вроде RX-7 или 8.

 

Роторные моторы также предпочитают минеральные масла синтетическим, а их дизайн означает, что вы должны время от времени подливать масло в этот ненасытный агрегат, чтобы оно не закончилось.

 

Ну и наконец, те уплотнения вершины ротора, которые не удалось сделать NSU, все же недостаточно долговечны. Раз в 130-160 тыс. км мотору требуется капитальная переборка. А это удовольствие, как вы уже понимаете, дорогое. Да и что такое 130.000 км? Пять-шесть лет эксплуатации? Маловато будет!

 

Современные водители также наиболее чувствительны к другим недостаткам роторных движков: высоким выбросам вредных веществ в атмосферу (этим, скорей, обеспокоены в Greenpeace) и экономии топлива из-за тенденции двигателя не полностью сжигать топливно-воздушную смесь перед отправкой ее восвояси (здесь, конечно, удар наносится по карману автовладельца). Да, роторные двигатели имеют отменный «аппетит».

 

Для RX-8 Mazda частично решила эти проблемы, разместив выпускные отверстия по бокам камер сгорания. Но сейчас борьба за экологию обострилась и предложенных улучшений оказалось недостаточно. Это явилось еще одной причиной, по которой RX-8 стал последним автомобилем с двигателем Ванкеля под капотом. Он продавался 10 лет, с 2002 по 2012 год, но его убила экология.

 

Время для повторного возвращения

Вернемся к слухам Mazda о том, что компания может использовать какой-то роторный двигатель в качестве «расширителя» диапазона для своего будущего электрического автомобиля. Эта штука имела бы смысл.

 

Еще в 2012 году Mazda арендовала в Японии 100 электромобилей Demio EV, они были хороши, но напрягал небольшой диапазон без подзарядки – менее 200 км.

 

Изучив дело, в 2013 году Mazda создала прототип, который получил небольшой роторный моторчик, тот самый «расширитель» диапазона, который почти удвоил этот диапазон. Модель назвали «Mazda2 RE Range Extender».

 

Колеса прототипа приводились в движение с помощью электрического двигателя, а 0,33-литровый 38-сильный роторный моторчик работал для того, чтобы перезаряжать батареи электрического двигателя, если они разряжались и поблизости не было места для перезарядки.

 

Поскольку роторный двигатель не мог отправлять мощность на колеса, Mazda2 RE не был гибридом, как Volt или Prius. Силовой агрегат Ванкеля, скорее, был бортовым генератором, который добавлял энергии аккумуляторам.

 

Смотрите также: Mazda официально подтвердила возвращение роторных двигателей в 2019 году

 

Такая же компактность и легкий вес, которые сделали ротор Ванкеля отличным двигателем для спортивного автомобиля, такого как RX-7, также делают его идеальным в новом качестве – расширяющего диапазон генератора на автомобиле, особенно том, который уже имеет электродвигатели и батареи, конкурирующие за пространство, и не может позволить себе много «лишнего» веса.

 

Роторные двигатели Мазда сделали себе репутацию в основном как моторы для спортивного автомобиля. В былые времена слухи об уникальных возможностях такого рода силовых агрегатов преодолели даже железный занавес СССР, где уже наши инженеры вносили и успешно интегрировали диковинные моторы в отечественные автомобили.

 

Наверное, будет не совсем правильно делать из такого легендарного двигателя всего лишь генератор для электромобиля. Но такова сегодняшняя реальность: время роторных моторов прошло, и его не получится вернуть обратно.

Mazda может вернуть в серию роторный мотор уже в ближайшие годы

A CENTURY OF DEFYING CONVENTION: MAZDA 1920-2020
Mazda RX-7: Redefining rotary-powered driving fun
Leverkusen, 06/04/2020

The joy of driving, lightweight design and the rotary engine: three elements that define Mazda’s DNA – and continue to fascinate the team at the Hiroshima-based carmaker. One Mazda stands out from all the rest for giving all these elements a new level of meaning, cementing the compact rotary engined sports car in the minds of driving enthusiasts in Europe and around the world.

That model? The Mazda RX-7. Launched in 1978, Mazda’s first mass-market sports car would go on to become the best-selling rotary powered vehicle in history. And it also propelled the brand’s success on the race track to unprecedented levels.

The distinctive howl of the RX-7’s twin-rotor powerplant rocked race tracks in Europe and beyond from the beginning, winning the British Saloon Car Championship’s 1,600-2,300cm3 class in 1980 and 1981 and demonstrating its reliability by capturing the chequered flag at the 24 Hours of Spa, also in 1981. It was a golden age elsewhere, too. In the US, the RX-7 won over 100 IMSA races, more than any other model of any brand, dominating the GTU class (under 2,500cm3 ) including the 24 Hours of Daytona for an unparalleled 12 consecutive years (from 1982-93). The RX-7 also proved itself in the Australian Endurance Championship, winning from1982 through 1984, as well as that country’s Bathurst 12 Hour (champion 1992-95).

 

Proven on the raceway

This extensive experience gained racing the RX-7 would flow into the 710PS four-rotor Mazda 787B, which shocked the piston-powered racing establishment in 1991 by driving to victory at the illustrious 24 Hours of Le Mans. It remains the only winning car without a piston engine, and unquestionably one of the greatest moments in the history of rotary power.

The achievement is all the more astounding considering that the future of the rotary engine was in jeopardy when Mazda began developing the RX-7. The carmaker had offered rotaries in most of its models until the oil crisis of 1973-74, when skyrocketing fuel prices pushed the peppy but thirsty powerplants out of favour with consumers. Mazda decided to drop the engines for most of its sedans, hatchbacks and wagons, and might have abandoned them entirely – as had every other carmaker. But then-head of R&D Kenichi Yamamoto resisted, arguing how crucial a differentiator the rotary was for the company.

Yamamoto, who led the team of engineers that developed Mazda’s first rotary engines in the 1960s, set out to overhaul the existing 12A engine and significantly improve fuel economy. Among other things, his team added more durable apex seals – a problem spot – and improved lubrication. They then helped design the ideal vehicle for it. Small and light yet smooth running, powerful and rev-happy, the rotary was perfect for a sports car. And the RX-7, a sleek, low-slung coupe with a wedge-shaped nose and wraparound window on the rear hatch, was built specifically for this engine.

 

Creating a rotary icon

The first RX-7 generation (“FB” platform), which went on sale in Japan in 1978 before arriving in Europe the following year, was an immediate sensation. With a kerb weight of just over 1 tonne, the 12A’s 100-135PS (depending on market) went a long way in terms of performance. The front mid-engine layout – the compact engine sat behind the front axle – driving the rear wheels with near-perfect weight distribution also delivered amazing handling. The aerodynamic RX-7 punched well above its price class and was tremendously fun to drive, delivering a special connection between the driver and car. The 1,146cm3 twin-rotor 12A was later joined by 160PS turbo version for Japan, while North America got a slightly larger 13B powerplant with fuel injection.

The second-generation RX-7 (“FC”) introduced in 1985 featured a Porsche-inspired design and a number of performance improvements such as Mazda’s DTSS (Dynamic Tracking Suspension System) and turbocharging. Forced induction, it turns out, is very well suited to rotary engines thanks to their exhaust flow characteristics, and quite effective for boosting mid-range torque. The 1.3-litre 13B was standard for all markets now, and although the RX-7 would be offered in Europe initially with a naturally aspirated 150PS engine, 180PS and later 200PS twin-scroll turbo versions would follow. The higher-powered model could achieve a 6sec 0-100km/h time and a top speed of 240km/h.

The third and final generation (“FD”) that arrived in 1992 was a genuine performance car. A new sequential twin turbocharger boosted output from the latest 13B engine to 239PS on the European version. Said by fans to be the best handling of all RX-7s, the 5.3sec 0-100km/h sprint and 250km/h top speed (limited) put the 1,300kg two-seater in a league with high-end sports cars – fitting for the brand that had just won at Le Mans. Unfortunately, the RX-7 was discontinued in most of Europe by 1996 due to emissions regulations, although Mazda continued to produce cars for right-hand drive markets, eventually boosting power output on later Japan-only models to as high as 280PS.

 

Smashing record after record

The year 2002 marked the end of one of the most exceptional sports cars in history. A total of 811,634 were produced between 1978 and 2002, by far the most of any rotary model. Along the way, modified versions of each generation set land speed records in their class at the Bonneville Salt Flats in the US in 1978 (FB, 296km/h), 1986 (FC, 383.7km/h) and 1995 (FD, 389km/h).

The RX-7 spirit lives on. In the Mazda RX-8, which followed in 2003, and by laying the foundation for many engineering innovations to come. Among these were hydrogen-powered rotary Mazdas like the RX-8 Hydrogen RE, which ran on either h3 or petrol, and the Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid, an MPV featuring an electric drive motor and a dual-fuel rotary. Later, the company developed a prototype Mazda2 EV with a small single-rotor engine used as a range extender. A similar system could find its way onto the Mazda MX-30, a brand new battery electric crossover SUV arriving at dealerships this year.

Particularly among enthusiasts, the RX-7 remains the icon of rotary powered sports cars and indeed rotary production cars. Mazda made great leaps with the RX-7 in terms of lightweight engineering, sporty design and driving fun, expertise it has applied to and evolved for every current Mazda model. The vehicle that perhaps best embodies Mazda’s reputation for and dedication to the unconventional, the RX-7 continues to influence designers and engineers working on the Mazdas of tomorrow.

Роторный двигатель

— обзор

9.3.5 Двигатель с явным постоянным магнитом (двигатель PM / Rel)

В разделе 9.3.4 мы видели, что для двигателя с возбужденным ротором и выступающей частью ротора только действующий реактивный ротор должен остановиться с прямой осью ротора, выровненной со статором mmf, то есть в том же положении, как если бы вращающий момент возбуждения действовал отдельно. Это связано с тем, что ось с низким сопротивлением совпадает с прямой осью возбуждения. «Жесткость» характеристики крутящий момент-угол увеличивается за счет наличия реактивного крутящего момента, и в зависимости от относительных величин двух компонентов пиковый крутящий момент также может быть увеличен, как показано на рис.9.11, так что комбинация является привлекательным предложением.

Идея замены схемы возбуждения ротора более простыми постоянными магнитами при продолжении использования реактивного момента в принципе ясна, но на практике не так проста, как можно было бы ожидать. Чтобы магнитный поток проходил вдоль прямой оси ротора (то есть вдоль явного полюса), должен быть вставлен зазор для размещения магнита, и чем сильнее магнит, тем длиннее зазор. Это значительно увеличивает сопротивление прямой оси, что противоположно тому, что мы хотим, чтобы максимизировать крутящий момент сопротивления.

Тем не менее, мы уже говорили о том, что многие отрасли промышленности стремятся уменьшить свою зависимость от редкоземельных магнитов из-за опасений по поводу глобальной безопасности поставок. Эта неопределенность, вместе со стимулом к ​​производству недорогих двигателей для растущего массового рынка (особенно в гибридных электромобилях), привела к возобновлению интереса к двигателям, которые сочетают в себе PM и реактивный крутящий момент. По сравнению с двигателем, работающим исключительно с постоянными магнитами, цель состоит в достижении сопоставимых характеристик с меньшим количеством магнитного материала: отношение крутящего момента с постоянными магнитами к крутящему моменту реактивного сопротивления значительно варьируется (обычно от 4: 1 до 1: 1) в зависимости от детальной конструкции двигателя и применение, но в очень упрощенных терминах и, говоря очевидным, чем меньше материала магнита, тем выше доля реактивного момента.

Типичный шестиполюсный ротор показан на рис. 9.12: это, по сути, ротор реактивного электродвигателя с магнитным потоком и скрытыми постоянными магнитами, находящимися в магнитопроводах. Например, если посмотреть на самый верхний полюс N на рис. 9.12, два его магнита эффективно соединены последовательно, а их прямая (магнитная) ось расположена вертикально. Помимо воздушного зазора, основная магнитная цепь, внешняя по отношению к каждой паре магнитов, имеет низкое сопротивление через «железо» сердечника, поэтому в этом отношении мало компромиссов по сравнению с конструкцией, состоящей только из PM.Однако по конструктивным причинам на внешних концах магнитопроводов должен быть перемычка из материала магнитного сердечника, и это неизбежно создает привлекательное короткое замыкание для некоторой части магнитного потока, который, таким образом, отклоняется от его полезного пути через статор. Эта область остается насыщенной и непродуктивной с точки зрения крутящего момента.

Рис. 9.12. Шестиполюсный двигатель PM / Rel.

Что касается аспекта сопротивления, прямая ось (низкая индуктивность) показана пунктирными линиями, а упомянутый выше мост снова представляет собой нежелательный путь короткого замыкания для магнитного потока, создаваемого статором, но по сути это точно так же, как это было бы в реактивном двигателе с магнитным потоком.Если бы реактивный момент действовал сам по себе, ненагруженный ротор остановился бы вместе с m.m.f статора. выровнен с пунктирной линией цепи, но если PM действует в одиночку, ненагруженный ротор остановится с полюсом N, выровненным с m.m.f статора. Таким образом, в отличие от двигателя с явным возбуждением ротора, где положения равновесия совпадают, теперь у нас есть два различных положения с нулевым крутящим моментом, разделенных на 90 ° (эл.).

Очевидно, существует потенциальная путаница в отношении того, какая ось является прямой. На первый взгляд, у нас есть два конкурирующих соперника с противоречивыми утверждениями: лагерь сопротивления утверждал бы, что это была пунктирная линия на рис.9.12, хотя поклонники PM утверждали, что это была ось, проходящая через центр полюсов магнита. На практике обычно предпочтительнее второе, т.е. прямая ось определяется так же, как и для чисто PM машины.

Мы можем получить общее представление о форме общей характеристики крутящий момент-угол, наложив отдельные кривые сопротивления и PM, как показано на рис. 9.13, но мы должны принять, что это только приближение, поскольку оно игнорирует эффекты насыщения в магнитных цепях.

Рис. 9.13. Комбинированное сопротивление и крутящие моменты на постоянных магнитах.

Корпус возбужденного ротора показан на рис. 9.13 для сравнения с двигателем PM / Rel, и, как мы уже видели в разделе 9.3.4, результирующая кривая крутящего момента-угла для возбужденного ротора более жесткая по сравнению с устойчивым нулевым значением. положение крутящего момента, а области движения и торможения расположены симметрично, с равными максимальными углами крутящего момента для движения и торможения γ _m и γ _b соответственно.

Наша цель — подчеркнуть фундаментальные различия между характеристиками крутящего момента двигателя с возбужденным ротором и двигателя с постоянным / постоянным током, поэтому мы произвольно выбрали компоненты сопротивления и крутящего момента, чтобы они имели одинаковую амплитуду.(На практике двигатель с возбужденным ротором будет иметь гораздо меньший реактивный крутящий момент, тогда как соотношение компонентов крутящего момента для двигателя с постоянным / постоянным током может быть выше или ниже.)

Сдвиг на 90 ° между кривыми сопротивления и PM приводит к различным результатам. стабильные рабочие зоны для корпуса ПМ, а также новые положения покоя с нулевым моментом. Пиковый двигательный и тормозной моменты остаются такими же, как и для случая возбужденного ротора, но они больше не симметричны относительно одного положения равновесия покоя. Максимальный угол крутящего момента двигателя обозначен γ _m , а максимальный тормозной момент обозначен γ _b .Следовательно, когда приводу требуется изменение крутящего момента с максимального крутящего момента двигателя на максимальный тормозной крутящий момент, система управления (см. Раздел 9.6) изменит положение вектора тока статора относительно ротора на угол κ, показанный на нижней диаграмме.

По-прежнему ведется большая работа и интерес к этой новой технологии, и пройдет некоторое время, прежде чем наконец появятся оптимизированные решения для различных областей применения.

Как работает ротор асинхронного электродвигателя?

Индукция протекания тока через стержни ротора асинхронного электродвигателя возникает, когда ток подается на статор.Этот приложенный ток через обмотки статора запускает вращение магнитного поля статора с линейной частотой.

Стержни неподвижного ротора затем подвергаются максимальному относительному движению магнитного поля статора к стержням. В этот момент вдоль стержней генерируется максимальный ток. Когда северный полюс статора вращается мимо стержня ротора, ток индуцируется вдоль стержня ротора. В то же время южный полюс статора вращается, проходя через стержень на 180 °, и индуцирует ток вдоль стержня в противоположном направлении.Этот круговой поток тока вдоль стержней ротора через закорачивающие кольца и вокруг пластин заставляет ротор становиться электромагнитом.

Именно в этой начальной начальной точке (заблокированный ротор) электромагнитная сила ротора наиболее высока. Электромагнитный ротор начнет разгоняться до синхронной скорости или скорости, с которой вращается магнитное поле статора. По мере увеличения скорости ротора относительное движение между стержнями ротора и вращающимся магнитным полем уменьшается.Это приводит к уменьшению тока и крутящего момента. Когда относительное движение (вращающая сила) между стержнями ротора и магнитным полем статора приближается к нулю, ток вдоль ротора прекращается. Магнетизм ротора прекратится, и ротор замедлится до тех пор, пока крутящий момент, создаваемый двигателем, не станет равным крутящему моменту ведомого оборудования. (Нагрузка)

Если нагрузка двигателя увеличивается, скорость двигателя уменьшается. Уменьшите нагрузку, и двигатель увеличит скорость. Асинхронный двигатель никогда не достигнет синхронной скорости из-за потерь на трение и сопротивление воздуха.Разница между синхронной скоростью и скоростью асинхронного ротора называется частотой скольжения.

Тодд А. Хэтфилд, вице-президент по проектированию и ремонту

HECO — Все системы идут

269-381-7200

[email protected]

Об авторе:

Тодд Хэтфилд является совладельцем HECO и вице-президентом по проектированию и ремонту.Он имеет более чем 35-летний опыт работы в области ремонта и проектирования генераторов и электродвигателей. Тодд имеет степень бакалавра в области электротехники и специализируется в следующих областях: модернизация и проектирование электрических и механических двигателей, анализ первопричин отказов и качественное восстановление электродвигателей.

Что такое двигатель с фазным ротором и как он работает?

Электродвигатели — машины, преобразующие электричество в механическую энергию — повсеместно используются в мире машиностроения. Они являются краеугольным камнем инженерных достижений, таких как лифты, насосы и даже электромобили, благодаря способности использовать эффект электромагнитной индукции.Эти так называемые асинхронные двигатели используют переменный ток и электромагнетизм для создания вращательного движения и имеют множество конфигураций. Особый тип асинхронного двигателя переменного тока, известный как двигатели с фазным ротором, будет в центре внимания этой статьи. Хотя эти двигатели используются только в особых случаях, они имеют явное преимущество перед другими популярными вариантами (с короткозамкнутым ротором, синхронными двигателями и т. Д.) Благодаря своим уникальным характеристикам. Будут изучены анатомия и принцип действия этих двигателей, а также специфические характеристики, которые делают их столь важными для приложений, где другие, более популярные асинхронные двигатели не могут быть реализованы.

Что такое двигатели с фазным ротором?

Двигатели с фазным ротором представляют собой специализированный тип двигателей переменного тока и работают во многом так же, как и другие асинхронные двигатели. Они состоят из двух основных компонентов: внешнего статора и внутреннего ротора, разделенных небольшим воздушным зазором. Статор, как правило, одинаков для всех асинхронных двигателей и состоит из металлических пластин, удерживающих на месте обмотки из медной или алюминиевой проволоки. В статоре есть три отдельные катушки, которые питаются трехфазным переменным током, что просто означает, что каждая из них питается от отдельного переменного тока.Это не всегда так, поскольку некоторые двигатели являются однофазными двигателями, но двигатели с фазным ротором обычно всегда трехфазные. Тем не менее, эти три фазы создают магнитное поле, которое смещается вместе с переменными токами. Это создает вращающееся магнитное поле (RMF), которое действует на ротор. В двигателях с фазным ротором ротор «намотан» проводом, похожим на статор, а их концевые выводы соединены с 3 контактными кольцами на выходном валу. Эти контактные кольца прикреплены к щеткам и блокам резисторов переменной мощности, где операторы могут изменять скорость двигателя, изменяя сопротивление через катушки ротора.Эти контактные кольца позволяют регулировать скорость и крутящий момент и являются определяющей особенностью двигателей с фазным ротором (именно поэтому эти двигатели часто называют двигателями с фазным ротором).

Как работают двигатели с обмоткой ротора?

Мы рекомендуем прочитать нашу статью об асинхронных двигателях, чтобы понять основные законы, общие для всех асинхронных машин, но эта статья кратко объяснит науку, лежащую в основе работы двигателя с фазным ротором.

Эти двигатели классифицируются как асинхронные двигатели, в которых существует несоответствие (известное как «скольжение») между скоростью RMF статора (синхронная скорость) и выходной скоростью (номинальная скорость).При создании необходимого тока, напряжения и магнитной силы в обмотках ротора двигатель всегда будет испытывать скольжение между вращающимся полем и ротором. Не стесняйтесь посетить нашу статью о типах двигателей переменного тока, чтобы узнать больше.

Двигатели с фазным ротором различаются по способу взаимодействия ротора со статором. Обмотки ротора подключены к вторичной цепи, содержащей контактные кольца, щетки и внешние резисторы, и питаются от отдельного трехфазного переменного тока. При запуске внешнее сопротивление, передаваемое этой вторичной цепи, приводит к тому, что ток ротора снижает силу RMF статора (он работает более «синфазно» с RMF статора).Это означает, что скорость вращения можно контролировать, изменяя сопротивление, когда двигатель достигает 100% скорости, что позволяет операторам выбирать пусковой момент и рабочие характеристики. Это приводит к плавному запуску, высокому начальному крутящему моменту, низкому начальному току и способности регулировать скорость вращения, чего нельзя достичь с помощью более простых конструкций, таких как двигатели с короткозамкнутым ротором (более подробную информацию об этой конструкции можно найти в нашей статье на двигателях с короткозамкнутым ротором).

Технические характеристики двигателя с обмоткой ротора

Спецификации двигателя с фазным ротором включают понимание спецификаций всех асинхронных двигателей, которые можно просмотреть в нашей статье об асинхронных двигателях.В этой статье будут освещены важные концепции двигателей с фазным ротором, которые необходимо понять перед покупкой одного из них, но помните, что это не все.

Пусковой ток

Статор RMF вращается на полной скорости при запуске трехфазного асинхронного двигателя, в то время как ротор изначально находится в состоянии покоя. Ротор испытывает индуцированный ток, когда через него проходит RMF статора, и единственным ограничивающим фактором для этого тока является сопротивление обмоток ротора (ток = напряжение / сопротивление).Это приводит к увеличению тока в роторе, что увеличивает потребность в токе статора и, следовательно, вызывает «бросок» пускового тока в двигатель. Этот ток может быть в два-семь раз выше номинального тока, указанного на паспортной табличке, и может вызвать серьезные проблемы при высоком напряжении. Когда двигатель достигает своей номинальной скорости, ротор генерирует в статоре «обратную ЭДС», которая снижает ток статора до номинального уровня. Пусковой ток — это то, что минимизируется в двигателях с фазным ротором за счет увеличения сопротивления обмоток ротора (I = V / R, где R увеличивается), и почему они имеют такие плавные пусковые характеристики.

Крутящий момент двигателя и кривая крутящего момента-скорости

Самая важная спецификация для двигателей с фазным ротором — это то, как они работают после включения, и это визуализируется с помощью графиков крутящего момента-скорости. Асинхронные двигатели могут значительно превышать как их номинальный крутящий момент, так и ток, когда скорость не 100%; Кривые крутящего момента и скорости отображают это переходное поведение, а на рисунке 1 показана общая кривая крутящего момента и скорости для асинхронных двигателей с обозначенными важными точками.

Рисунок 1: Кривая крутящий момент-скорость для асинхронных двигателей.

Пусковой крутящий момент — это крутящий момент, возникающий при начальном броске тока, который всегда превышает номинальный крутящий момент. Вытягивающий момент — это максимальный крутящий момент, достигнутый до установившегося режима, а номинальный крутящий момент — это то, что обеспечивается, когда двигатель работает на 100% скорости. Эта связанная скорость не совсем равна синхронной скорости RMF, и это скольжение показано на рисунке 1.

Двигатели

, в которых используются популярные конструкции с короткозамкнутым ротором, имеют ограниченный контроль над кривыми крутящего момента-скорости (подробнее см. В нашей статье о двигателях с короткозамкнутым ротором).Стержни ротора с короткозамкнутым ротором закорочены; это приводит к невозможности изменить сопротивление ротора, а это означает, что единственный способ повлиять на скорость вращения — это изменить напряжение (I = V / R, где R является постоянным). Это может вызвать проблемы в больших двигателях, где необходимый входной ток может стать опасно высоким. Двигатели с фазным ротором решают эту проблему, изменяя сопротивление ротора с помощью вторичной цепи, присоединенной к блоку сопротивления переменной мощности и контактным кольцам. За счет увеличения сопротивления в роторе через контактные кольца, тяговый момент может быть достигнут на гораздо более низких скоростях, что обеспечивает более высокий начальный крутящий момент и более низкий пусковой ток.При достижении синхронной скорости сопротивление ротора также может быть закорочено, в результате чего двигатель с фазным ротором ведет себя так, как если бы это был двигатель с короткозамкнутым ротором. На рис. 2 показано влияние увеличения сопротивления ротора на выходной крутящий момент.

Рис. 2. Как изменение сопротивления ротора влияет на пусковой и отрывной крутящий момент.

Из этого графика видно, что двигатель с фазным ротором обеспечивает управление током, крутящим моментом и скоростью намного лучше, чем другие конструкции. Изменяя сопротивление, этим двигателям потребуется меньший начальный пусковой ток для компенсации, они будут иметь более сильный пусковой крутящий момент и могут максимизировать свой пусковой момент, также сделав его крутящим моментом отрыва (пример кривой R2 на рисунке 2).Такой подход приводит к созданию двигателя с регулируемой скоростью, высоким пусковым моментом и низким пусковым током, с возможностью изменять эти характеристики по желанию оператора.

Заявки и критерии выбора

Двигатели с фазным ротором могут справиться с тем, что другие асинхронные двигатели не могут, а именно с регулированием скорости, тока и крутящего момента. Способность увеличивать сопротивление ротора при запуске двигателя позволяет плавно разгонять тяжелые нагрузки до номинальной скорости. Когда необходимо минимизировать пусковой ток или имеется ограничение пускового тока ниже, чем могут выдерживать двигатели с короткозамкнутым ротором / синхронные двигатели, рассмотрите возможность использования двигателя с фазным ротором.

У двигателей с фазным ротором есть недостатки, и они являются следствием их сложной конструкции. Вторичный контур создает больше возможностей для ошибки, а щетки с контактным кольцом могут представлять угрозу безопасности, если не проверять их регулярно (изношенные щетки могут вызвать искрение и увеличить риск возгорания). Эти двигатели также дороги в обслуживании, что увеличивает их и без того дорогостоящую цену. Их сложность также снижает общий КПД двигателя, и двигатель с короткозамкнутым ротором следует выбирать, если эффективность является основной проблемой или конструктивным ограничением.

Несмотря на то, что двигатель с фазным ротором и его регулируемые характеристики крутящего момента и скорости являются дорогостоящими и менее эффективными, они отлично подходят для управления большими шаровыми мельницами, большими прессами, насосами с регулируемой скоростью, кранами, подъемниками и другими высокоинерционными нагрузками. Они также отлично подходят для любого приложения, которому нужен плавный запуск и возможность изменять скорость. Они охватывают основы, недоступные для других асинхронных двигателей, и неоценимы для разработчиков, которым необходим абсолютный контроль над скоростью и крутящим моментом.

Сводка

В этой статье представлено понимание того, что такое двигатели с фазным ротором, как они работают и каковы их основные характеристики, определяющие, когда они должны быть указаны по сравнению со стандартными асинхронными двигателями.Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.

Источники:

1. https://geosci.uchicago.edu
2. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mintage/indmot.html
3. http://www.egr.unlv.edu/~eebag/Induction%20Motors.pdf
4. https://oaktrust.library.tamu.edu/bitstream/handle/1969.1/163595/T17123-130.pdf? последовательность = 1 & isAllowed = y
5. http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/electricmotors.html
6. https://scholar.cu.edu.eg

Прочие изделия из двигателей

Больше от Machinery, Tools & Supplies

Основы двигателя с внешним ротором: конструкция и применение

Обычные бесщеточные двигатели постоянного тока сконструированы с ротором с постоянным магнитом, расположенным внутри статора с обмоткой. Но один из типов двигателей постоянного тока разработан с ротором снаружи и статором, размещенным внутри ротора .Постоянные магниты установлены на внутреннем диаметре корпуса ротора (иногда называемом «колокол» или «чашка»), и ротор вращается вокруг внутреннего статора с обмотками. Эту конструкцию часто называют двигателем с внешним ротором , но ее также можно назвать двигателем с внешним ротором, двигателем с внешним ротором или двигателем с чашей.

Как следует из названия, двигатель с внешним ротором спроектирован с ротором снаружи и статором, размещенным внутри ротора.
Изображение предоставлено: Nidec Corporation

Конструкция с внешним ротором обеспечивает несколько преимуществ в производительности.Во-первых, для размещения статора ротор двигателя с внешним ротором по необходимости больше, чем ротор обычного двигателя постоянного тока. А более крупный ротор означает более высокую инерцию, что помогает гасить пульсации крутящего момента (обычная проблема для обычных двигателей постоянного тока) и обеспечивать плавную и стабильную работу даже на низких скоростях.

Еще одним преимуществом двигателей с внешним ротором является то, что они обычно могут создавать более высокий крутящий момент, чем конструкции с внутренним ротором сопоставимых размеров. Напомним, что крутящий момент — это произведение магнитной силы на радиус воздушного зазора (длина магнитного потока).Для данного диаметра двигателя двигатели с внешним ротором имеют большую площадь воздушного зазора, чем конструкции с внутренним ротором, а больший воздушный зазор позволяет создавать более высокую силу. Они также имеют больший радиус воздушного зазора, что увеличивает «плечо рычага» для создания крутящего момента. Больший диаметр (и, следовательно, окружность) ротора в конструкциях с внешним ротором также означает, что ротор может вмещать больше полюсов, что дополнительно увеличивает магнитный поток.

По сравнению с двигателем с внутренним ротором, двигатель с внешним ротором имеет большую площадь для развития магнитного потока и больший радиус воздушного зазора, который действует как «плечо рычага» для создания крутящего момента.
Изображение предоставлено: Т. Райхерт, Лаборатория силовых электронных систем

Двигатели с внешним ротором в осевом направлении короче, чем двигатели с внутренним ротором, с аналогичными рабочими характеристиками. Благодаря компактным размерам и высокому крутящему моменту они идеально подходят для непосредственного управления воздушными винтами дистанционно управляемых моделей самолетов и дронов. В высокоточных приложениях, таких как оптические приводы, их плавная и стабильная скорость является преимуществом по сравнению с двигателями других типов. А в приложениях с изменяющейся нагрузкой, таких как промышленные электроинструменты, насосы, вентиляторы и воздуходувки, высокая инерция двигателей с внешним ротором может помочь «протолкнуть» колебания нагрузки и обеспечить стабильный выходной крутящий момент.

Вентиляторы и нагнетатели — одно из наиболее распространенных применений двигателей с внешним ротором благодаря особому конструктивному преимуществу: внешний ротор может служить в качестве ступицы вентилятора или крыльчатки нагнетателя. Это обеспечивает компактный корпус и позволяет крыльчатке действовать как большой вращающийся радиатор и способствовать охлаждению двигателя.

Но интеграция ротора в крыльчатку также увеличивает механическую постоянную времени двигателя — время, необходимое двигателю для достижения 63,2 процента его конечной скорости при заданном напряжении — важный параметр для защиты двигателя от перегрева.

τ _м = механическая постоянная времени двигателя
R = сопротивление обмотки
J = инерция ротора
K _e = постоянная обратной ЭДС
K _t = постоянная крутящего момента

Как показано в уравнении, механическая постоянная времени двигателя частично зависит от инерции ротора. Когда ротор встроен в крыльчатку, инерция ротора и крыльчатки учитывается вместе.Эта более высокая инерция приводит к более высокой механической постоянной времени и, следовательно, к более длительному времени, в течение которого двигатель достигает требуемой скорости.

Мотор с обмоткой ротора: что это такое?

Двигатель с фазным ротором — это разновидность трехфазного асинхронного двигателя, предназначенная для обеспечения высокого пускового момента для нагрузок с высокой инерцией при очень низком токе.

Двигатели с фазным ротором также называют двигателями с фазным ротором.

---

Статор двигателя с фазным ротором такой же, как у обычного асинхронного двигателя, но ротор имеет трехфазную обмотку, причем каждый из выводов обмотки подключен к отдельным контактным кольцам.Напротив, традиционный асинхронный двигатель (он же «двигатель с короткозамкнутым ротором») имеет обмотки, которые постоянно закорочены концевым кольцом.

Контактные кольца двигателя с фазным ротором содержат щетки, которые образуют внешнюю вторичную цепь, в которую может быть добавлено полное сопротивление (сопротивление). Во время пуска это сопротивление включается последовательно с обмотками ротора. Это добавленное сопротивление заставляет ток ротора идти по фазе с током статора, что увеличивает развиваемый крутящий момент.Но добавленное сопротивление также уменьшает ток во вторичной цепи, поэтому очень высокий пусковой крутящий момент может быть получен с низким пусковым током .

Ротор двигателя с фазным ротором имеет трехфазные обмотки, которые соединены с контактными кольцами.
Изображение предоставлено: TMEIC

---

Традиционным асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором при запуске может потребоваться от 400 до более 1000 процентов тока полной нагрузки.

---

Если полное сопротивление вводится во вторичную цепь при работающем двигателе, ток ротора уменьшается, а скорость двигателя уменьшается.Но по мере уменьшения скорости двигателя в обмотках ротора индуцируется большее напряжение, и вырабатывается больше тока для создания необходимого крутящего момента при этой пониженной скорости.

Постепенно уменьшая сопротивление , позволяет двигателю набрать нормальную рабочую скорость, обеспечивая плавное ускорение нагрузки. Поддерживая некоторое сопротивление во вторичной цепи, можно до определенного предела контролировать скорость. Но этот метод регулирования скорости теряет свою эффективность по мере увеличения скорости — примерно до 50 процентов номинальной скорости при полной нагрузке.Когда сопротивление во вторичной цепи полностью закорочено, двигатель электрически ведет себя как традиционный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Контактные кольца образуют вторичный внешний контур. Добавление сопротивления в эту цепь изменяет кривую крутящего момента двигателя.

Недостатками двигателей с фазным ротором являются сложность и необходимость обслуживания контактных колец и щеток по сравнению с традиционными двигателями с короткозамкнутым ротором. Однако двигатели с фазным ротором полезны в приложениях с высокими инерционными нагрузками, таких как большие вентиляторы, насосы и мельницы, поскольку конструкция с фазным ротором позволяет постепенно ускорять нагрузку за счет управления скоростью и крутящим моментом.И они могут развивать очень высокий пусковой крутящий момент в состоянии покоя с низким пусковым током. Хотя в настоящее время преобладают традиционные асинхронные двигатели с приводами с регулируемой скоростью, двигатели с фазным ротором также могут использоваться для приложений с регулируемой скоростью, если не требуется очень точное управление скоростью.

Изображение предоставлено: TECO-Westinghouse Motors, Inc.

Типы ротора трехфазного асинхронного двигателя

Есть два типа роторов асинхронных двигателей:

1. Ротор с короткозамкнутым ротором или просто ротор с короткозамкнутым ротором.
2. Роторы с фазовой или фазовой обмоткой. Двигатели, в которых используется этот тип ротора, известны как роторы с контактным кольцом.

Ротор с короткозамкнутым ротором:

Двигатель с короткозамкнутым ротором работает по принципу Электромагнетизм . Он состоит из ротора, статора и других частей, таких как подшипники, многослойный цилиндрический сердечник, вал и т. Д.

Подшипники в двигателе с сепаратором ротора предназначены для уменьшения трения между вращающейся и неподвижной частями машины. Ротор двигателя состоит из многослойного цилиндрического сердечника с параллельными пазами для несения проводников ротора.Проводники ротора не являются проводами, а состоят из тяжелых стержней из меди, алюминия или сплава. Вал используется в двигателе для передачи механической энергии от или к машине. Статор — это внешняя неподвижная часть двигателя.

Рисунок: Ротор клетки

Преимущества перекоса проводников сепаратора ротора:

1. Помогает снизить шум во время работы и обеспечить равномерный крутящий момент.
2. Во время блокировки зубья ротора и статора притягиваются друг к другу из-за магнитного поля, и эта тенденция к блокировке уменьшается в двигателе с кожухом.

Ротор с обмоткой или ротор с контактным кольцом:

Ротор с обмоткой состоит из якоря с прорезями. Изолированные проводники вставляются в пазы и соединяются в трехфазную двухслойную распределенную обмотку, аналогичную обмотке статора. Обмотки ротора соединены звездой.

Обмотки ротора распределены равномерно и обычно соединяются звездой, причем выводы выводятся из машины через контактные кольца, размещенные на валу. Нарезание токосъемных колец выполняется с помощью угольных медных щеток.Конструкция с фазным ротором обычно используется для крупногабаритных машин, где требования к пусковому крутящему моменту являются жесткими. Внешнее сопротивление может быть добавлено в цепь ротора через контактное кольцо для уменьшения пускового тока и одновременно пускового момента.

Рисунок: Асинхронный двигатель с контактным кольцом

Разница между обоймой и обмоткой роторов:

Преимущества сепаратора ротора:

• Роторы с сепаратором имеют прочную конструкцию и дешевле, чем роторы с обмоткой.
• Эти роторы не имеют щеток, что снижает риск искрообразования.
• Требуется меньше обслуживания.
• Они обладают высоким КПД и повышенным коэффициентом мощности.

Преимущества роторов с намоткой:

• Роторы с обмоткой имеют высокий пусковой момент и низкий пусковой ток по сравнению с роторами с сепаратором.
• В случае роторов с обмоткой мы можем подключить дополнительные роторы в цепь ротора для управления скоростью.

Структурные представления о взаимодействиях жгутикового статора и ротора

[Примечание редакции: ответы автора на первый раунд рецензирования приводятся ниже.]

Рецензенты были согласны с тем, что статья была очень впечатляющей с технической точки зрения. Однако главный уникальный вывод статьи, касающийся ионного потока, был признан умозрительным. Вполне возможно, что существенно отредактированный документ, включающий фактические данные о потоке ионов, преодолеет текущие опасения, но eLife не предлагает таких серьезных решений по пересмотру.Если авторы смогут предоставить такой документ в будущем, мы будем готовы рассмотреть его дополнительно.

Рецензент № 2:

Эта интересная статья описывает использование Borrelia burgdorferi в качестве модели для изучения конформационных изменений во время генерации крутящего момента с помощью бактериального жгутикового двигателя. Авторам особенно интересны моторные белки комплекса статора, они изображают моторы дикого типа и сравнивают их с двумя мутантами MotB, D24E (сниженная подвижность) и D24N (устраненная подвижность), а также с motB¬-делецией.Сравнение этих структур выявляет конформационные изменения в C-кольце, в первую очередь, изменение угла C-кольца, что, по мнению авторов, даст ключ к пониманию будущего механизма генерации крутящего момента жгутикового мотора.

Статья хорошо написана и технически выполнена (действительно, в некотором роде техническая демонстрация силы), хотя имеет неясное биологическое значение. У меня есть ряд комментариев:

Основные комментарии:

Хотя результаты заслуживают внимания как технические достижения, неясно, является ли «конформационное изменение» важным наблюдением с последствиями для понимания генерации крутящего момента, или это просто то, что С-образное кольцо больше не удерживается на месте комплексами статора. .Возможно связанное с этим наблюдение изменения конформации С-кольца при включении статора уже наблюдалось (в лабораториях Campylobacter jejuni, Beeby и Hendrixson, Beeby et al., 2016) и интерпретировалось как гибкость С-кольца, когда комплексы статора не взаимодействуют. . Могут ли авторы опровергнуть эту нулевую гипотезу? Если у авторов действительно есть основания полагать, что это механически значимое изменение конформации в отличие от повышенной гибкости в отсутствие комплексов статора, это было бы значительным результатом.В противном случае предлагаемые «конформационные изменения» не могут многое сказать нам о генерации крутящего момента.

Мы согласны с рецензентом в том, что С-образное кольцо обладает гибкостью, предложенной в Campylobacter jejuni (Beeby et al., 2016) и Borrelia burgdorferi (Qin et al., 2018). Чтобы выявить любые конформационные изменения со статистической значимостью, мы проанализировали тысячи двигателей в каждой деформации, а затем определили двигательные структуры in situ с высоким разрешением путем усреднения субтомограмм.Структуры С-образного кольца хорошо различимы в глобальных средних значениях, что позволяет предположить, что гибкость С-образного кольца не оказывает серьезного влияния на наш структурный анализ и сравнение на месте. Стоит подчеркнуть, что специфические конформационные изменения С-кольца, вызванные статором, ранее не наблюдались. Чтобы понять механизм, лежащий в основе конформационных изменений, мы специально сконструировали точечный мутант (motB-D24N), в котором субъединица статора MotB неспособна проводить протоны для генерации крутящего момента.Конформация С-кольца в motB-D24N аналогична конформации в Δ motB , предполагая, что крутящий момент, создаваемый статором, является критическим для конформационного изменения С-кольца, наблюдаемого в двигателе WT. Более того, мы обнаружили, что C-кольцо имеет меньшие конформационные изменения у другого точечного мутанта (motBD24E), в котором субъединица статора MotB, как известно, имеет пониженную протонпроводящую активность. Таким образом, мы твердо уверены, что наблюдаемые здесь конформационные изменения С-образного кольца механически связаны с крутящим моментом, создаваемым статором.

Использование слова «существенный» в названии неточно: ничто в результатах не указывает на то, что эти конформационные изменения существенны для вращения жгутиков.

Мы изменили заголовок, чтобы отразить ключевую мысль рукописи: « Структурное понимание взаимодействий статор-ротор жгутиков»

Раздел «Материалы и методы», а также описание процедур, использованных в разделе «Результаты», совершенно неадекватны и требуют значительной доработки.

— Как авторы определили 46-кратную симметрию? Какое программное обеспечение использовали авторы? Было ли усреднено С-образное кольцо отдельно по отношению к кольцу статора, и два впоследствии были объединены? Если нет, то как были разрешены обе симметрии? — для этого потребуется, чтобы две симметрии находились в одном регистре для всех двигателей.

Мы предоставили подробное описание всех процедур от подготовки образца до анализа изображений, хотя большая часть информации и подробностей в разделе «Материалы и методы» была опубликована ранее (Liu et al., 2009; Чжао и др., 2013; Чжу и др., 2017). se В частности, чтобы определить симметрию С-образного кольца, мы использовали пакет субтомограмм i3, чтобы выполнить выравнивание и классификацию следующим образом:

1) Выполните асимметричную реконструкцию всего двигателя и получите среднюю структуру двигателя, как показано на рисунке 2D в рукописи. Поскольку структура воротника доминирует над выравниванием, мы можем видеть 16-кратную симметрию кольца статора и втулки (рис. 2E в рукописи), но мы могли разрешить симметрию С-образного кольца.

2) Затем выполните фокусированное выравнивание и классификацию на С-образном кольце. Во время обработки мы ограничили диапазон углового поиска от -2 ° до + 2 °.

3) После нескольких циклов уточнения и трехмерной классификации C-образного кольца мы обнаружили 46-кратную симметрию C-образного кольца в двигателе WT. Важно отметить, что после точного выравнивания и классификации на С-образном кольце хомут и кольцо статора сохраняют 16-кратную симметрию.

— Конструкции отдельных статорных комплексов обсуждаются в разделе «Взаимодействие статор-ротор вызывает […]», но не изображены на каких-либо рисунках.

Структура индивидуального статорного комплекса показана на рисунке 3I в рукописи. «Индивидуальный» комплекс статора не означает, что мы вырезаем точно один комплекс статора, это просто мы сосредоточились на области вокруг одного комплекса статора, чтобы получить больше деталей конструкции.

— Как авторы рассчитали загруженность статора? Определение занятости статора (подраздел «Конформационные изменения С-образного кольца напрямую связаны с более высоким крутящим моментом и более быстрой подвижностью»): «статистический анализ» требует описания.На данный момент читателю необходимо углубиться в дополнительные рисунки, чтобы (частично) понять процедуру. Это требует значительно более подробного описания.

Для оценки занятости статора мы воспользовались уникальным «воротником», характерным для спирохет, и поразительной разницей между усредненными структурами двигателей от WT и мутанта ΔmotB . В частности, уникальная структура воротничка с 16-кратной симметрией присутствует в двигателях от WT и мутанта ΔmotB .Он обеспечивает 16 точек взаимодействия с комплексами статора. В двигателе Δ motB статора нет. Напротив, в усредненной структуре двигателя WT видны 16 статорных комплексов. Поскольку втулка обеспечивает четко определенные места для заедания статора, мы смогли проанализировать каждую из 16 точек, соответствующих статору, для каждого двигателя после первоначальной настройки всех двигателей. Благодаря целенаправленному согласованию и классификации мы получили средние значения по классам. Среди средних по классу некоторые имеют плотность статора, а другие не имеют плотности статора.Таким образом, мы смогли оценить загруженность статора в каждом двигателе по нескольким разным деформациям. Важно отметить, что наша оценка по мутанту Δ motB и дикому животному хорошо согласуется с нашим визуальным наблюдением по средним моторным структурам мутанта Δ motB и дикого животного.

— Существует противоречие между утверждением автора о том, что воротник, вероятно, является «лесом для сборки и стабилизации блоков статора, создающих крутящий момент», и их наблюдением, что занятость статора является функцией ионного потока.Авторы должны пояснить, что, по их мнению, стабилизирует статорные блоки.

Мы считаем, что и воротник, и поток ионов важны для сборки и функционирования комплексов статора. Во-первых, хорошо задокументировано, что поток ионов важен для сборки статора у E. coli и многих других бактерий. Мы также показали в этой рукописи, что занятость статора значительно уменьшилась у точечного мутанта motB-D24N, в котором субъединица статора MotB неспособна проводить протоны для генерации крутящего момента.Во-вторых, воротник играет важную роль в рекрутировании комплексов статора в Borrelia , что подтверждается нашим недавним исследованием. В самом деле, у нескольких мутантов, лишенных генов, необходимых для образования воротничка, и воротник, и статор отсутствуют. В-третьих, мы показали в этом исследовании, что комплексы статора все еще присутствуют у двух точечных мутантов (motB-D24N и motB-D24E). В совокупности наши данные позволяют предположить, что воротник помогает рекрутировать и стабилизировать комплексы статора, а поток ионов необходим для создания крутящего момента и увеличения занятости статора.

— Авторы предполагают, что их результаты показывают, что поток протонов необходим для связывания статора с двигателем, но они не проводят экспериментов, где манипулируют PMF; скорее, все их результаты показывают, что точечные мутации аминокислот изменяют занятость статора, что значительно менее убедительно, чем заявленные ими выводы. Чтобы иметь возможность утверждать, что занятость статора зависит от потока протонов, я бы сказал, что необходимы дополнительные эксперименты с использованием CCCP для рассеивания PMF.

MotB содержит высококонсервативный остаток аспарагиновой кислоты (Asp32 в E.coli , Asp24 в Borrelia ). Обширные исследования E. coli и Salmonella показали, что он расположен внутри протонного канала и играет важную роль в переносе протона через жгутиковый мотор. Важно отметить, что консервативная мутация D32N в E. coli отменяет двигательную функцию, а другая консервативная мутация D32E сохраняет пониженную двигательную функцию. Здесь мы показали, что консервативные мутации (D24E и D24N) у Borrelia имеют такие же фенотипы подвижности, как и у E.coli . Кроме того, мы предоставили прямые доказательства того, что мутации не только изменили занятость статора, но также уменьшили или даже отменили вращающий момент, управляемый PMF, и конформационное изменение С-образного кольца.

Для дальнейшей поддержки нашей модели мы провели дополнительные эксперименты CCCP, как было предложено рецензентом. Было показано, что CCCP быстро вызывает иммобилизацию вращения жгутиков у многих бактерий, включая B. burgdorferi (Motaleb et al., 2000). CCCP-обработанные клетки дикого типа B.burgdorferi были иммобилизованы в течение 15 мин (Motaleb et al., 2000). Парализованные клетки сохранили плоско-волновую морфологию. Усредненная моторная структура клеток, обработанных CCCP, аналогична структуре подвижных клеток WT. Комплексы статора остаются прикрепленными к воротнику и С-образному кольцу. Однако конформация С-образного кольца в двигателе, обработанном CCCP, отличается от таковой в двигателе подвижного WT. Напротив, конформация С-образного кольца в двигателе, обработанном CCCP, напоминает таковые в двигателе motB или двигателе motBD24N.Эти результаты для двигателя, обработанного CCCP, также подтверждают, что PMF-приводной крутящий момент вызывает конформационные изменения С-образного кольца, необходимые для вращения жгутиков.

— Подраздел «КриоЭМ пробоподготовка»: подробнее о том, какие сетки использовались, примерные параметры ручного блоттинга, типы фильтровальной бумаги и т. Д.

Наш криоЭМ пробоподготовка образца B. burgdorferi подробно описана во многих статьях (Liu et al., 2009; Zhao et al., 2013; Zhu et al., 2017).Мы постоянно используем аналогичный протокол. Тем не менее, мы согласны с рецензентом, что более подробная информация должна быть включена в раздел «Крио-ЭМ пробоподготовка».

— Подраздел «Криоэлектронная томография»: постобработка: данные были отфильтрованы через фильтр нижних частот? CTF поправили?

Мы использовали фильтр нижних частот (mtfilter в пакете томографа IMOD) для удаления высокочастотного шума. Мы также определили расфокусировку и выполнили коррекцию CTF с помощью функции «ctfphaseflip» в IMOD.Добавляем подробную информацию в раздел «Усреднение субтомограмм и анализ соответствий».

— Как «растягивали» кольца статора и С-образные кольца: какое программное обеспечение использовалось? Как был рассчитан график относительной интенсивности (рисунок 3 — приложение к рисунку 1)?

UCSF Chimera использовался для разматывания кольца статора и С-образного кольца. Графики интенсивности, показанные на рисунке 3 — дополнение к рисунку 1, измерены с помощью imageJ вдоль пунктирных линий, показанных на рисунке 3 — приложение 1 к рисунку, панели A и B.Мы включили больше технических деталей в раздел

«Усреднение субтомограмм и анализ соответствий».

— Рис. 1: пластины роя очень нечеткие, их необходимо переделать.

Мы снова сделали роевые тарелки, как было предложено рецензентом. Предлагаем новую цифру.

— Почему эти данные не исправлены CTF? Существуют большие артефакты CTF, которые затрудняют поверить в некоторые утверждения. По крайней мере, авторы должны были усечь данные до первого нуля CTF.

Мы использовали IMOD для определения расфокусировки и коррекции CTF в 2D, что не так точно, как коррекция 3D CTF. Поэтому мы усекли наши окончательные средние значения с разрешением, оцененным с помощью коэффициента корреляции Фурье-оболочки.

https://doi.