Аксиальные двигатели внутреннего сгорания / Хабр
Аксиальный ДВС Duke Engine
Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.
Классический ДВС
Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.
С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.
В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС. Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».
Не остались в стороне и советские инженеры. В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г — двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.
Двигатель Старостина из музея авиации в Монино
Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.
Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.
Чертёж из тетради Делореана
По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице.
Экзотический вариант аксиального двигателя — «двигатель Требента»
Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.
Вариант под названием «Цилиндрический энергетический модуль» с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности
Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.
Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.
Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.
Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.
Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).
Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.
Демострация малых вибраций двигателя Duke
Авиационные поршневые двигатели XXI века
1 Декабря 2017
До середины прошлого века поршни и цилиндры оставались главным источником лошадиных сил для крылатых машин, но затем пламенные сердца авиации завоевала турбина. Однако старая любовь не ржавеет. На рубеже веков возникла потребность возрождения поршневого авиадвигателестроения в России. И вновь, как и в 1930-х годах, движущей силой этого процесса стал ЦИАМ. О том, что собой представляет авиационный поршневой двигатель (АПД) XXI века, рассказывает начальник отдела «Авиационные поршневые двигатели» ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»), кандидат технических наук Лев Аронович Финкельберг.
Это направление в ЦИАМ никогда не угасало, хотя, конечно, после перехода Института на реактивную тематику в конце 1940-х годов объем работ по поршневым двигателям резко сократился, и они проводились в основном по двигателям, серийный выпуск которых продолжался. К началу 1980-х годов в производстве остались только АШ-62 для Ан-2 и М-14П для учебно-тренировочных и спортивно-пилотажных самолетов Як-18, Як-52, Су-26.
Однако в 1980-е годы началось развитие беспилотной авиации, в связи с чем в ЦИАМ был создан сектор поршневых двигателей. Они оказались востребованными в беспилотных летательных аппаратах (БЛА) среднего класса со взлетным весом до тонны. Для аэрофотосъемки и мониторинга высокие скорости не нужны, а требуется малый удельный расход топлива, и поршневые двигатели как раз обладают этим качеством. При мощностях до 500 л.с. и при полетном цикле продолжительностью более 5 часов на сегодняшний день они успешно конкурируют с газотурбинными двигателями. Поршневые двигатели немного проигрывают ГТД по массе, но за счет меньшего расхода топлива суммарная масса двигателя и горючего на борту при достаточно длительном полете получается меньше. Еще одним большим преимуществом является то, что час эксплуатации АПД обходится дешевле, чем эксплуатационный час ГТД.
А как выглядят поршневые двигатели в сравнении с электрическими?Хотя сами электродвигатели достаточно компактны, оборудование для их работы — аккумуляторы и другое — пока еще слишком тяжелое. Если полетный цикл короткий, то использование электрического двигателя оправдано, но при длительном цикле АПД выигрывают. Заряда аккумуляторов надолго не хватает, или надо возить на борту тяжелую и сложную энергоустановку для их подзарядки. Перспективным направлением, которым мы сейчас будем заниматься, являются гибридные силовые установки: поршневой двигатель вращает генератор, а тот — питает электродвигатель. Так легче создать распределенную силовую установку: когда несколько электродвигателей с винтами размещаются на крыльях или в других местах на планере. Электрическая трансмиссия в таком случае проще и легче, чем механическая, что дает возможность создавать ЛА любых схем, на которые только хватит фантазии конструкторов.
Еще одна интересная возможность состоит в том, чтобы снабдить поршневой двигатель электромотором, который будет давать дополнительную мощность на взлете и работать как генератор в полете. Благодаря этому не придется делать переразмеренный поршневой двигатель, который на 100% используется только на взлете.
В мире накоплен гигантский опыт по автомобильным поршневым двигателям. Зачем нужны еще какие-то разработки? Чем отличается АПД от обычного автомобильного ДВС?АПД от автомобильных двигателей отличается, прежде всего, режимом работы. Автомобильные ДВС, хотя и рассчитаны до 6000 оборотов, работают в основном в диапазоне до 2500-3000 оборотов, причем в динамике: трогание, разгон, торможение. АПД с точки зрения автомобильного мотора постоянно работает как бы в красной зоне, ведь его крейсерский режим — это 75% от взлетного. И при этих нагрузках необходимо добиться достаточного ресурса и надежности. В авиации другие нормы прочности, необходимо обеспечить ее запас, причем такой, какого нет у автомобилистов.
Кроме того, с точки зрения безопасности системы АПД должны быть дублированными, причем, если одна система отказывает, то вторая должна обеспечить падение характеристик не более чем на 2-3% от максимального режима. Соответственно, конструктивно в АПД многое выполняется иначе. К примеру, устанавливаются две независимые системы зажигания, у которых даже электропитание должно осуществляться от разных источников.
Далее, автомобильные двигатели, как правило, выполняются с масляным поддоном, а в авиации нужно обеспечить работоспособность маслосистемы при крене и тангаже самолета. А уж обеспечение, к примеру, перевернутого полета — это вообще отдельная тема.
В авиации не так просто применить новые материалы. Для этого должна быть проведена большая работа по подтверждению всех характеристик материала, только после этого его вносят в реестр допущенных для использования в авиации. В автомобильной же промышленности это сделать проще.
Авиационный двигатель отличается от автомобильного еще и условиями эксплуатации: к примеру, вся агрегатика в автомобильной промышленности в основном рассчитана на температуру максимум до минус 40°С, а мы должны обеспечить минус 56°С. Это тоже предъявляет повышенные требования, особенно к электронике, резинотехническим изделиям и уплотнениям.
К АПД предъявляются очень жесткие требования, и когда мы приходим к автомобилистам и говорим, что в принципе ваш агрегат нам подходит, но нужно его доработать, то многие оказываются не готовы применять наземную технику в авиации. Для производителей автомобильных агрегатов, которые привыкли к заказам в миллионы единиц, наш рынок все равно достаточно узкий, поскольку мы говорим в лучшем случае о сотнях изделий в год. При этом доработок и испытаний надо проводить много, и ответственность тоже на порядок выше. Поэтому многие отказываются.
Условно говоря, авиационные и автомобильные двигатели схожи по принципу действия, но очень сильно отличаются по исполнению и агрегатам. Поэтому НИР и ОКР по ним нужно проводить отдельно.
Расскажите о работах ЦИАМ по АПД в 1990-е и 2000-е годы.По беспилотникам в эти годы был создан комплекс с небольшим поршневым двигателем П-032 мощностью 32 л.с., который производился в Самаре на фирме «Кузнецов».
Кроме того, мы занимались модернизацией существующих двигателей типа М-14, изучали возможность применения впрысковой системы вместо карбюратора, занимались сертификацией. В то время мы как раз сертифицировали двигатель М-9Ф Воронежского механического завода, современную версию М-14П, которая устанавливалась на спортивных самолетах Су-26М.
Тогда же начиналась работа с «Сухим» по сельхозсамолету Су-38П с поршневым двигателем, но, к сожалению, она не получила логического завершения. Когда было безвременье, то все схватились за идею возрождения малой авиации. Какие-то проекты были даже реализованы: «Молния-1», Ил-103, И-1Л, самолет-амфибия Л-6, тот же Су-38П. В 2000-е годы разрабатывались и вертолеты с поршневыми двигателями: Ми-34 под М-14В26В и «Актай» с роторно-поршневым двигателем ВАЗ-426. Оба вертолета летали.
Было время, когда заговорили о ренессансе малой авиации в России…К сожалению, должного развития это направление не получило. Дело в том, что в 2000-е годы было порушено очень много наземной инфраструктуры, особенно это коснулось небольших аэродромов, которые как раз и нужны малой авиации. Создать летательный аппарат можно в достаточно короткие сроки, а вот быстро восстановить инфраструктуру сложнее. Но в последние годы появилась идея, что перевозки должны базироваться в крупном хабе и осуществляться так, чтобы можно было вернуться без дозаправки. То есть нужна просто взлетная полоса. Здесь тоже становится выгодным применение поршневой авиации, поскольку время полета превышает 4-5 часов.
Каково положение с производством АПД в России сегодня? Какие работы ведутся, и как в них участвует ЦИАМ?На сегодняшний день, кроме М-14 в Воронеже, поршневые двигатели в России серийно не производятся. Однако потребность в них есть. В настоящее время ведутся ОКР по созданию двигателей в классе мощности 50 л.с., 120 л.с. и 300 л.с. По срокам мы немного отстаем, но, я думаю, в конце концов добьемся успеха, потому что АПД в этих классах востребованы и, я надеюсь, их появление даст толчок развитию гражданской малой и беспилотной авиации.
Задержки в разработке происходят по разным причинам, одна из них — отсутствие постоянных соисполнителей по агрегатам. В связи с этим ЦИАМ при проведении НИР фактически занимается налаживанием кооперации по разработке и производству АПД, хотя это не совсем наша обязанность. Но мы вынуждены этим заниматься, поскольку и в 1990-е годы, и сегодня возникает одна и та же проблема: после переориентирования авиации на ГТД потребность в поршневых двигателях сократилась до десятка двигателей в год, а это ударило не только по производителям самих двигателей, но и по поставщикам агрегатов. Никому не интересно производить 10-20 штук в год. Поэтому постепенно поставщики агрегатов в стране пропали. И нам пришлось, с чем мы и до сих пор бьемся, заниматься восстановлением инфраструктуры и кооперации производства АПД.
В 2012 году совместно с Гаврилов-Ямским машиностроительным заводом «Агат» мы сделали двигатель-демонстратор именно для отработки технологии и создания кооперации. Это 4-цилиндровый, 4-тактный двигатель мощностью 90 л.с., объемом 1400 см3 и с маркировкой ПД-1400. На основании этой разработки позже «Агат» открыл ОКР на двигатель этого класса мощности, и в этом проекте используется большая часть налаженной кооперации по агрегатам. Получилось, что ЦИАМ подвиг «Агат» и поставщиков агрегатов на разработку поршневых двигателей, поскольку в 2000-е проблема состояла и в том, что не было предприятий, готовых к работе в этой области.
Мы специально искали относительно небольшое предприятие, для которого эта продукция стала бы основной. К этому времени мы уже имели негативный опыт 1990-х годов, когда за разработку двигателя брались крупные фирмы, такие как Воронежский механический завод или Автоваз. Но потом, когда наладился основной бизнес, это направление им стало не интересно, и свои разработки они просто закрыли. Не потому, что у них что-то не получилось или не было заказчика. А потому, что это нерентабельно. Поэтому мы вынуждены были параллельно с разработкой двигателя искать основных исполнителей. Владимир Алексеевич Скибин, в то время руководивший Институтом, предложил директору завода «Агат» взяться за разработку. Дело пошло и успешно развивается. Так что можно сказать, что ЦИАМ является инициатором возрождения поршневого двигателестроения в России.
Расскажите о вкладе ЦИАМ в разработку АПД в других классах мощности.50-сильный двигатель сейчас разрабатывается АО «КБ «Луч» в Рыбинске. Это двухтактный, двухцилиндровый оппозитный двигатель. К сожалению, у нас сохраняется не очень хорошая традиция: разрабатывать летательный аппарат начали раньше, чем двигатель, соответственно, пока пришлось применять импортный мотор. Сейчас стоит вопрос о его замещении, но конструктивно мы уже на него сориентированы, и другую схему предложить не можем. Мы вынуждены ее повторять, но предлагаем новые системы, ищем свои материалы, датчики, согласуем систему управления с летательным аппаратом. Кроме этого, большой объем работ по АПД ЦИАМ проводит в части испытаний в ожидаемых условиях эксплуатации, то есть в термобарокамере с имитацией высоты, температур и даже скоростей полета. Как правило, мы требуем, чтобы к нам на испытания приходила целиком силовая установка, то есть двигатель с воздушным винтом и капотом. В конце 1990-х годов мы специально для подобных испытаний разработали, изготовили и аттестовали винтовые стенды.
В ЦИАМ создавался и демонстратор дизеля мощностью 300 л.с. Это был НИР для отработки технологий. Необходимо было показать на демонстраторе, что эти технологии работают и доступны для промышленного производства в России. Был предложен вариант дизеля для беспилотного вертолета, по которому тот же «Агат» сейчас ведет ОКР как продолжение работы, начатой ЦИАМ по двигателю-демонстратору. ЦИАМ может вести только НИР, для ведения ОКР и освоения серийного производства необходимо получение дополнительных лицензий. Мы отрабатываем отдельные узлы, технологии, системы и доводим их до 5-го уровня технологической готовности, после чего, в случае получения положительного результата, принимается решение о продолжении работ на одном из предприятий промышленности.
Мы проводим расчеты, подбираем материалы, чтобы обеспечить необходимые надежность и прочность. При нашем участии была создана кооперация по изготовлению демонстратора, мы заказывали компоненты, по нашему техническому заданию их изготавливали, а сборку делали в ЦИАМ. Этими работами мы показали, что создать АПД в России можно.
Чем вызвано применение дизелей в авиации?У дизеля расход топлива еще меньше, чем у бензинового мотора, и гораздо меньше, чем у ГТД. Не менее существенно, что дизель может работать на авиационном керосине, который производится массово, в то время как для бензиновых АПД требуется авиационный бензин. Автомобильным бензином его заправлять нельзя, так как в таком горючем очень много ароматических углеводородов, и на высоте он проявляет склонность к повышенному парообразованию, то есть закипанию. А авиационного бензина в России сейчас не стало, во-первых, потому что запретили добавлять тетраэтилсвинец, то есть этилированные бензины исчезли. Во-вторых, и это основное: нефтеперерабатывающим заводам невыгодно производить его в малых количествах. В результате, кто-то завозит бензин из Финляндии или Польши, и, естественно, он гораздо дороже, чем автомобильный бензин или авиационный керосин. Кто-то на свой страх и риск все же использует автомобильный бензин, но с учетом того, что летать на нем можно только на небольшой высоте. Мы пытались ввести регламент на использование автомобильного бензина на АШ-62 и на М-14. На АШ-62 это не получилось сразу, потому что уже на земле идет перегрев на взлетном режиме из-за более высокой, чем у авиационного бензина, тепловой отдачи.
Интересно, что работы над первым отечественным авиационным дизелем АН-1 велись в ЦИАМ под руководством А.Д. Чаромского еще в 1930-е годы. Наработки по этому проекту были использованы при создании легендарного В-2 для танка Т-34. И вот теперь дизель возвращается в авиацию, но уже в связи с появлением новых технологий с переходом на алюминиевые корпусные детали, которые появились сначала в автомобильной промышленности и позволили значительно облегчить конструкцию дизеля, что открыло ему дорогу к использованию в легковых автомобилях, а далее — в летательных аппаратах.
Чем характеризуется мировой уровень в разработках современных АПД? Есть ли понятие поколений АПД?
В АПД нет такого понятия, как двигатели разных поколений. Поршневой двигатель и у нас, и на Западе остается достаточно консервативной конструкцией, и его схема кардинально не менялась с 1940–50-х годов. Базовые двигатели разработки наиболее известных западных фирм, таких как Lycoming и Teledyne, в течение нескольких десятилетий остаются в том же типоразмере и конфигурации. Единственное, что можно отметить: обновляются обеспечивающие работу двигателя системы, появляются, например, впрысковые системы с электронным управлением с полной ответственностью типа FADEC, которые значительно снижают расход топлива, внедряются новые материалы.
Основное направление развития АПД на Западе — это то, чем занимаемся и мы: переход на новые системы, на новые масла, на новые топлива. В чем мы отстаем, так это в агрегатике, которая у нас не развивалась ни в авиации, ни в автомобильной промышленности. Те же форсунки везде применяются импортные — и в наземной технике, и в авиационной, хотя сейчас ведутся работы по созданию отечественных форсунок и для дизеля, и для бензинового АПД.
Так что говорить о смене поколений или о резком скачке в характеристиках АПД не приходится. Единственное принципиальное новшество состоит в том, что с середины 2000-х годов во всем мире стали внедряться авиационные дизели, использование которых интересно с точки зрения снижения расхода топлива и применения авиационного керосина.
Давайте все же поговорим об АПД нетрадиционных схем. Например, о роторно-поршневых двигателях. В автомобильной промышленности этот тип двигателя не прижился. А какие у него перспективы в авиации?Работы по роторно-поршневым двигателям достаточно успешно ведутся во всем мире. Среди автомобильных компаний в этом направлении преуспела Mazda. Активно занимался этой темой и Автоваз, который вполне успешно оснащал роторно-поршневыми двигателями мощностью 120 л.с. «восьмерки» и «девятки» для МВД. Изготавливались и авиационные варианты, но затем их производство в Тольятти было прекращено. В автомобильной промышленности, прежде чем выпустить продукт на рынок, необходимо обеспечить его сервис в тех точках, где вы намерены его продавать, а эта задача достаточно непростая. Поэтому потеснить поршневые двигатели в наземном транспорте сложно. Роторно-поршневой мотор Mazda несколько лет признавался лучшим в своем классе, однако широкого распространения так и не получил.
Но если говорить об авиационном использовании, то я могу назвать как минимум шесть фирм, которые сейчас делают роторно-поршневые двигатели для беспилотников. БЛА с такими двигателями уже летают в Англии, Германии, Израиле.
У этого типа двигателей много достоинств: он компактен, у него малые вибрации и очень хорошая отдача по весу, он гораздо проще поршневого двигателя по количеству деталей, достаточно экономичен. Еще одно его достоинство — модульность: отработав одну секцию, можно создать унифицированный ряд двигателей, используя одну, две или три секции. Собрать вместе четыре модуля уже сложно, нужно много опор. Мы исследовали роторно-поршневой двигатель Mazda 13B и разработали свою секцию мощностью 90 л.с., что в дальнейшем позволит создать без больших дополнительных затрат двигатели мощностью 180 и 270 л.с.
В ЦИАМ уже создан демонстратор роторно-поршневого двигателя, он прошел на нашем стенде холодную обкатку и в данный момент времени «крутится» уже в горячую.
Важное направление исследований — это применение керамики в двигателях этого типа. ЦИАМ выиграл конкурс Фонда перспективных исследований по применению керамики на базе карбида кремния в роторно-поршневом двигателе для увеличения его ресурса. Будем делать из керамики вставку статора, все уплотнения и напыление на крышке.
Эта работа рассчитана на три года. Мы ее только начинаем, но уже к концу следующего года должен появиться работающий демонстратор для подтверждения заявленных технических характеристик, в том числе по высотности и по температуре окружающего воздуха в термобарокамере.
ЦИАМ на всевозможных выставках не раз демонстрировал поршень и гильзу из композиционного материала. Для роторно-поршневого двигателя будет использован тот же материал?Поршень и гильза из керамики могут работать без смазки, поэтому мы и стремимся их внедрить. Мы испытывали их сначала со смазкой, причем поршни мы делали бесколечные, с минимальными зазорами. Тепловые расширения при использовании композитов посчитать трудно, поскольку применяется достаточно сложный многокомпонентный состав материала. Мы знаем, что цилиндр и поршень из алюминия в результате тепловых напряжений становятся овальными, а как себя поведет керамика, предсказать очень сложно. С первыми образцами у нас сразу ничего не получалось. Но потом мы нашли способ обойти эту трудность за счет изменения структуры материала. Что касается роторно-поршневого двигателя, то сейчас идут исследования и прочностные испытания различных типов материала, который в дальнейшем и будет применен в РПД.
Собственно, это и есть основная работа ЦИАМ: исследования новых технологий, материалов и конструктивных решений, их испытания. Причем испытания сначала идут на наших стендах в наземных условиях, а если они завершаются удачно, то мы переходим к испытаниям в ожидаемых условиях эксплуатации.
Не могу не задать Вам как специалисту по АПД вопрос о бесшатунном двигателе Баландина. Каков все же практический потенциал этого изобретения? Многие считают этот тип двигателя незаслуженно забытым.Это не совсем так. Да, схема интересная. Благодаря отказу от кривошипно-шатунного механизма уменьшается трение между поршнем и цилиндром. Есть энтузиасты, например, в МАИ, которые продолжают развивать эту идею. К нам каждый год приходят несколько изобретателей с новыми вариантами усовершенствования баландинской схемы. Но ее основная проблема в большей степени — технологическая. Она связана с кулисой для передачи усилий со штока на вал. Из-за высоких нагрузок не удается обеспечить приемлемый ресурс этого механизма.
В целом же все схемные решения по поршневым двигателям уже были проверены в 1950–60-е годы: и аксиальная схема, и роторно-поршневой двигатель, и схема Баландина. Сергей Степанович Баландин, кстати, тоже работал в ЦИАМ и здесь создал двигатель, который работал и развивал мощность, но только до 2000 оборотов. В НАМИ много занимались этой схемой в 1980-е годы. Ее не забыли, и государство вкладывало в эти исследования большие деньги, но результата не было. Работоспособную конструкцию создать удалось, но не удалось сделать именно двигатель с нормальным ресурсом и нужными характеристиками.
Расскажите о работах ЦИАМ по турбокомпаундному двигателю.
Турбокомпаундная схема тоже известна уже достаточно давно. В ЦИАМ когда-то занимались и такими двигателями, а созданный при участии Института в 1950 году турбокомпаундный ВД-4К стал вершиной отечественного поршневого двигателестроения. В автомобилях же она в свое время применялась Volvo. Суть ее в том, что энергию от выхлопных газов, чтобы она не пропадала, срабатывают на силовой турбине, от которой мы можем или приводить генератор и получать дополнительную электроэнергию, или использовать эту прибавку непосредственно для увеличения мощности двигателя. Если в традиционном турбонагнетателе мы просто подаем в камеру больший топливный заряд, то здесь речь идет о более полном использовании энергии выхлопных газов, которая позволила бы запитывать, к примеру, бортовые системы, не отбирая мощность у двигателя.
У нас проработано несколько схемных решений использования такой турбины, просчитана сама турбина и электрическая часть. Планируем в этом году доработать математическую модель турбокомпаундного двигателя, посмотреть, какой эффективности мы добьемся в типоразмере на 500 л.с. Мы изучали варианты на 150, 300 и 500 л.с. При 150 л.с. использование этой схемы невыгодно по весовым характеристикам, а вот для 300 и 500 л.с. это уже интересно.
В планах ЦИАМ добиться резкого увеличения характеристик АПД к 2025–30 годам: снизить удельный расход топлива на 20-25%, удельную массу — на 25–30%, повысить ресурс и стоимость эксплуатации в 3–4 раза. За счет чего предполагается достигнуть такого прогресса?За счет применения новых материалов и технологий, новых систем управления, включая систему непосредственного впрыска топлива, работ по применению синтетических масел и топлив, использования методики ЦИАМ по уменьшению масляного зазора между поршнем и цилиндром, позволяющей снизить расход топлива. Ведутся работы по уменьшению веса поршня, шатуна, колец, коленвала за счет использования интерметаллидов и композиционных материалов, по улучшению наполнения цилиндра и снятию большей работы с единицы объема. Оптимизируется геометрия впускного канала и расположения форсунки для улучшения испарения топлива на впуске. Изучаются новые алгоритмы управления рабочим процессом двигателей (стратификация заряда, гомогенное сгорание ТВС) и технологии системы управления с высокими энергиями зажигания и электронной многопараметрической системой управления рабочим процессом. Мы занимаемся отработкой перспективных систем наддува и системы снабжения двигателя воздухом, включая его охлаждение после компрессора. В наших планах — использование альтернативных видов синтетических топлив на основе углеводородных фракций пропан-бутанового ряда. Все эти составляющие дают значительный суммарный эффект, что и позволяет нам рассчитывать на достижение требуемых показателей.
Плюсы и минусы двигателя внутреннего сгорания
Человечество уже несколько сотен лет пользуется двигателями внутреннего возгорания. Они приводят в движение машины, автобусы, мотоциклы, трактора и многую другую технику. ДВС пришел к нам на смену паровому двигателю.
Основная специфика этих устройств заключается в том, что возгорание происходит прямо внутри рабочей камеры, в результате чего, энергия горения превращается в механические силы. Суть работы таких двигателей в том, что внутри цилиндров, под давлением, возникает горение топливно-воздушной смеси, которая воспламеняется различными способами.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
- Поршневые. В агрегатах такого типа, полученная от горения энергия превращается в механическую при помощи кривошипно-шатунного механизма.
- Карбюраторные. В этом случае топливная смесь возникает внутри карбюратора, далее попадает в цилиндр. Воспламенение осуществляется за счет свечей.
- Инжекторные. Эти двигатели снабжены электронным устройством. Топливо впрыскивается в коллектор через форсунки.
- Дизельные. Топливно-воздушная смесь в них воспламеняется без использования искр от свечей.
- Роторные. В таких моторах энергия трансформируется в механическую работу при помощи кручения ротора газами.
- Газотурбинные. Ротор таких двигателей снабжен клиновидными лопатками, приводящими в действие вал турбины.
Плюсы двигателя внутреннего сгорания
- Малый вес мотора. В большинстве случаев подобные устройства не занимают много места, и весят достаточно легко. К тому же, объем топливных баков, также может располагаться в сравнительно маленьких пространствах.
- На одной заправке имеется возможность проехать большие расстояния. Это особенно актуально для водителей автобусов или дальнобойщиков. Постоянные остановки на дозаправку могли бы значительно отягощать и без того нелегкую работу водителей.
- Высокая мощность. Сегодня двигатели внутреннего сгорания могут обладать огромным запасом лошадиных сил. Все зависит от стоимости. Если у вас имеются крупные финансы, вы сможете купить себе монстра среди рядовых автомобилей. Но и прокормить его будет непросто. Бензин, в прямом смысле, начнет вылетать в трубу, что естественно, обойдется собственнику в копеечку.
- Простота в использовании. Разобраться в устройстве моторов сегодня может любой желающий, если приложит к этому некоторые усилия. Большинство из них имеют одинаковые системы, поняв, из чего состоит один двигатель, вы с легкостью сможете разобраться в любом другом.
- Возможность быстрой заправки. Количество заправочных станций сейчас настолько велико, что водителям не приходится опасаться за обсохший бак. Они расположены практически в любом населенном пункте, а длительность заправки не превышает 10 минут.
- Доступность. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания перестали быть редкостью. Они прочно вошли в нашу жизнь. Автосалоны предлагают потребителям любые машины на вкус и цвет. На вторичном рынке их стоимость настолько низкая, что их приобретают даже студенты и школьники.
- Большой ресурс работы. Современные моторы могут проработать без капитального ремонта десятки лет. К слову сказать, что надежность агрегатов потихоньку снижается, и все же остается на должном уровне вот уже многие годы.
Минусы
- Безусловным минусом ДВС является высокая степень выбросов, вырабатывающихся во время езды. Главная проблема лежит в том, что топливо сгорает не полностью. На передвижение машины уходит лишь 15% горючего материала, остальное вылетает в воздух, в результате не достигшей совершенства камеры сгорания топлива. Отработанные газы включают в себя сотни вредных компонентов, тяжелых металлов и производных углеводорода.
- Всегда требуется наличие коробки переключения передач. Это устройство необходимо для того, чтобы менять передаточное число, регулирующее количество оборотов двигателя, которые в свою очередь передают энергию на колеса, и те начинают вращаться либо быстрее, либо медленнее.
- Необходимость смены масла каждые 10 000 км пробега. Это обусловлено загрязнением жидкости, попадающими в двигатель мелкими частицами, а также при появлении рабочих отходов от поршней и коленвала.
- Высокая стоимость топлива. Цена за литр бензина или солярки неуклонно растет вверх. Такими темпами передвижение на автомобилях с ДВС будет большой роскошью. Выходом из данной ситуации может послужить установка газового оборудования, так как цена на газ сейчас в 2 раза меньше стоимости бензина, и пока что остается примерно на отметке в 23 рубля, в зависимости от региона.
- Ограниченный ресурс дешевых моторов. Производители двигателей низкой стоимости используют некачественные детали, имеющие большой износ. Хотя, при наличии современных смазок, время работы можно значительно повысить. Главное вовремя менять жидкости и прочие расходные материалы.
- Низкий коэффициент полезного действия. Данный показатель отражает эффективность работы двигателя относительно вырабатываемой энергии в механические силы. Его выражают в процентах. В отличие от электрических моторов, КПД которых может достигать 95%, КПД двигателей внутреннего сгорания не обладает такими показателями. Потери полезного действия происходят в результате неполного сгорания топлива, расходов на тепло, а также потери на прочее оборудование, такое как кондиционер, помпа, генератор.
Современные двигатели шагнули далеко вперед от своих предшествующих собратьев. На сегодняшний день им нет конкурентов. Возможно, если люди не придумают чего-то в корне нового, такие моторы просуществуют в нашем мире еще не одно десятилетие. Как бы хотелось, чтоб ДВС жили вечно, но их существование закончится вместе с нефтью, и придет эра электрических двигателей.
Но, несмотря на то, что ДВС заслужили всеобщую любовь, они могут стать причиной глобального экологического кризиса. Выбросы, создаваемые в атмосферу миллионами автомобилей, поднимают реальную угрозу нашей планете.
Похожие записи
W-образный двигатель — это… Что такое W-образный двигатель?
W-образный двигательW-образный двенадцатицилиндровый двигатель — двигатель внутреннего сгорания с W-образным расположением двенадцати цилиндров четырьмя рядами по три (даже на фото видно что три ряда по четыре цилиндра. Фото неверное, на фото тип двигателя, не соответствующий описанию и конфигурации «W») , и поршнями, вращающими один общий коленчатый вал. Для наглядного представления возьмем два двигателя конфигурации VR6 с углом развала между ними 72°, связанных общим колечатым валом. В конечном итоге получим два компактных VR-образных при габаритах немногим больше обычного V-образного шестицилиндрового двигателя. Данный двигатель будет иметь 12 цилиндров и обозначаться как W12. Считается что W-образная компоновка цилиндров была разработана инженерами концерна Volkswagen.
Сравнение
При сравнении 12-цилиндрового V-образного двигателя и 12-цилиндрового W-образного двигателя с одинаковым рабочим объемом становится очевидно что последний значительно компактнее. Более того 12-цилиндровый W-образный двигатель компактнее 8-цилиндрового V-образного двигателя.
Преимущества
Преимущества W-образной компоновки заключаются в компактности, экономится место в подкапотном пространстве автомобиля, освободившееся место можно использовать для установки дополнительного навесного оборудования (гидроусилитель рулевого управления, компрессор кондиционера, компрессор, турбину и др.) Также при той же компактности увеличивается мощность и крутящий момент по сравнению с двигателями V-образного типа. Более плотное расположение цилиндров относительно друг друга позволяет сэкономить конструкционные материалы.
Недостатки
Недостатки W-образного двигателя заключаются в более плотном расположении цилиндров относительно друг друга, соответственно появляется необходимость для модернизации системы охлаждения. В W-образном двигателе предусмотрено охлаждение каждого цилиндра.
Примечания
http://de.volkswagen.com/de/innovation-technik/technik-lexikon/w-motor.html
См. также
Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, варианты конструкций
Содержание:
Бесколлкторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью. Контроллер подаёт на фазы двигателя напряжения и токи, необходимые для создания требуемого момента и работы с нужной скоростью. Такой контроллер заменяет щёточно-коллекторный узел, используемый в коллекторных двигателях постоянного тока. Бесколлекторные двигатели могут работать как с напряжениями на обмотках в форме чистой синусоиды, так и кусочно-ступенчатой формы (например, при блочной коммутации).
Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.
Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя
Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре располагается трёхфазная обмотка. Ротор несёт на себе постоянный магнит, который может иметь одну или несколько пар полюсов. Когда к обмотке статора приложена трёхфазная система напряжений, то обмотка создаёт вращающееся магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным магнитом на роторе и приводит его в движение. По мере того как ротор поворачивается, вектор его магнитного поля проворачивается по направлению к магнитному полю статора. Управляющая электроника отслеживает направление, которое имеет магнитное поле ротора и изменяет напряжения, приложенные к обмотке статора, таким образом чтобы магнитное поле, создаваемое обмотками статора, повернулось, опережая магнитное поле ротора. Для определения направления магнитного поля ротора используется датчик положения ротора, поскольку магнит, создающий это поле жёстко закреплён на роторе. Напряжения на обмотках бесколлекторного двигателя можно формировать различными способами: простое переключение обмоток через каждые 60° поворота ротора или формирование напряжений синусоидальной формы при помощи широтно-импульсной модуляции.
Варианты конструкции двигателя
Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.
Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.
Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.
Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.
Преимущества и недостатки
Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.
Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла. Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.
Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.
Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.
Большая удельная мощность. Возможность достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.
Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.
Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.
Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя. Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.
Присутствие сложных электронных компонентов. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.
Где применяются бесколлекторные двигатели
К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.
Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.
Читать дальше:Аксиальный двигатель внутреннего сгорания Г.Л.Ф. Треберта (США)
В начале десятых годов прошлого века возникла новая тенденция в двигателестроении. Инженеры нескольких стран занялись созданием т.н. аксиальных двигателей внутреннего сгорания. Компоновка мотора с параллельным размещением цилиндров и главного вала позволяла уменьшить габариты конструкции с сохранением приемлемой мощности. Ввиду отсутствия устоявшихся альтернатив силовые установки этого класса представляли большой интерес и регулярно становились предметами новых патентов.В 1911 году к работам по тематике аксиальных двигателей подключился американский конструктор Генри Л.Ф. Треберт. Работая в собственной мастерской в Рочестере (штат Нью-Йорк), он разработал свой вариант перспективного двигателя, который, в первую очередь, предназначался для самолетов. Предполагаемая сфера применения сказалась на основных требованиях к конструкции. Новый двигатель должен был иметь минимально возможные габариты и вес. Анализ перспектив различных идей и решений привел к уже известным выводам: одно из самых лучших соотношений размеров, веса и мощности дает аксиальная компоновка.
Общий вид двигателя
Проект Треберта был готов к осени 1911 года. В октябре инженер подал заявку в патентное бюро, но ее одобрения пришлось ждать несколько лет. Патент был выдан только в ноябре 1917 года – через шесть лет после подачи документов. Тем не менее, конструктор получил все необходимые документы, которые, в частности, позволили ему остаться в истории как создателю интересного проекта.
Г.Л.Ф. Треберт решил строить новый авиационный двигатель по аксиальной схеме с воздушным охлаждением цилиндров. С целью улучшения охлаждения, подобно другим разработкам того времени, новый мотор планировалось делать ротативным с поворачивающимся блоков цилиндров. Кроме того, автор проекта предложил использовать новый механизм преобразования движения цилиндров во вращение вала. Предыдущие аксиальные двигатели для этого использовали шайбовый механизм. В проекте Треберта для этих целей предлагалось использовать коническую зубчатую передачу.
Основной деталью двигателя Треберта был цилиндрический картер, состоящий из крупной «банки» и крышки с болтовым соединением. Внутри картера размещался основной механизм. Поскольку двигатель был ротативным, на донной части картера предусматривались жесткие крепления для вала, на котором должен был устанавливаться воздушный винт. Кроме того, внутри картера предусматривались подшипники для главного вала, который предлагалось жестко закреплять на мотораме самолета.
В крышке предусматривались отверстия для установки литых цилиндров. Известно о существовании двух вариантов двигателя Треберта. В первом применялись четыре цилиндра, во втором – шесть. Патент 1917 года был выдан на шестицилиндровый двигатель. Следует отметить, количество цилиндров не сказывалось на общей компоновке двигателя и влияло только на размещение конкретных агрегатов. Общая структура двигателя и принцип его работы не зависели от числа цилиндров.
Чертеж из патента
Внутри цилиндров размещались поршни с шатунами. Ввиду использования сравнительно простого механизма передачи Треберт использовал качающееся крепление шатунов, которые могли двигаться только в одной плоскости. В верхней части цилиндра предусматривался патрубок для подачи бензовоздушной смеси от карбюратора. Патрубок имел Г-образную форму и своим верхним концом соприкасался со специальным полым барабаном на главном валу двигателя. В стенке барабана предусматривалось окно для подачи смеси. При вращении подвижного блока двигателя впускные патрубки последовательно соединялись с окном барабана и подавали смесь в цилиндр. Кроме того, имелись клапаны для сброса выхлопных газов. Отдельный выхлопной коллектор не предусматривался, газы выбрасывались через патрубок цилиндра. Зажигание производилось свечами, соединенными с магнето. Последнее, согласно патенту, размещалось рядом с валом воздушного винта.
Более ранние аксиальные двигатели Смоллбоуна и Макомбера имели в своем составе механизм «планшайба-стержни». Такая система обеспечивала требуемые характеристики, но была сложной с точки зрения конструкции, эксплуатации и обслуживания. Генри Л.Ф. Треберт предложил использовать для тех же целей коническую зубчатую передачу. На жестко закрепленном главном валу размещалось зубчатое колесо, которое отвечало за поворот всей конструкции двигателя. С ним контактировали 4 или 6 зубчатых колес (по числу цилиндров) меньшего диаметра. Эти шестерни были связаны с кривошипами и шатунами поршней.
Общая схема механизмов (без цилиндров и картера)
Во время работы двигателя поршни, двигаясь вниз и вверх относительно цилиндра, через шатуны и кривошипы должны были вращать малые шестерни. Последние, находясь в сцеплении с жестко закрепленным главным зубчатым колесом, заставляли блок цилиндров и картер вращаться вокруг главного вала. Вместе с ними должен был вращаться и воздушный винт, жестко закрепленный на картере. За счет вращения предполагалось улучшить обдув головок цилиндров с целью более эффективного охлаждения.
Запатентованный вариант двигателя Треберта имел цилиндры с внутренним диаметром 3,75 дюйма (9,52 см) и ходом поршня длиной 4,25 дюйма (10,79 см). Общий рабочий объем двигателя составлял 282 куб. дюйма (4,62 л). В составе двигателя планировалось использовать карбюратор фирмы Panhard и магнето компании Mea. Предлагаемый двигатель, по расчетам, мог развивать мощность до 60 л.с.
Схема двигателя в сборе
Характерной особенностью аксиальных двигателей внутреннего сгорания являются сравнительно малые габариты и вес конструкции. Двигатель Треберта не стал исключением из этого правила. Он имел максимальный диаметр 15,5 дюйма (менее 40 см) и общую длину 22 дюйма (55,9 см). Общий вес двигателя со всеми агрегатами составлял 230 фунтов (менее 105 кг). Таким образом, удельная мощность составляла 1,75 л.с. на килограмм веса. Для авиационных двигателей того времени это было неплохим достижением.
Аксиальный авиационный двигатель конструкции Г.Л.Ф. Треберта стал предметом патента, выданного в ноябре 1917 года. Дальнейшая судьба проекта достоверно неизвестна. В некоторых источниках упоминается, что Треберт смог начать серийное производство изделий собственной разработки, но подробности этого отсутствуют. Дефицит информации позволяет предполагать, что двигатели Треберта не заинтересовали потенциальных покупателей. В противном случае история сохранила бы информацию об использовании таких моторов в качестве силовой установки каких-либо самолетов. Вероятно, ввиду позднего получения патента конструктор не успел представить свою разработку в то время, когда она была актуальна и представляла интерес. Как результат, двигатели, если и производились серийно, не имели большого успеха.
По материалам сайтов:
http://douglas-self.com/
http://mechanicalgalaxy.blogspot.ru/
http://gillcad3d.blogspot.ru/
Десять лучших двигателей с нечетным числом цилиндров – Обзор – Autoutro.ru
Большинство автомобилей в наши дни оснащены скучными двигателями: рядные «четверки», «оппозитные» шестерки, V8, V12… Сплошные четные числа. Сегодня нам хочется поговорить о моторах с нечетным числом цилиндров, и хотя в последнее время экологические и экономические нормы вынуждают автопроизводителей все чаще обращаться к 3-цилиндровым моторам, они не станут участниками нашего обзора. Сосредоточимся на более эксклюзивных вещах.
Wright R-1820. Одни из самых красивых двигателей с нечетным количеcтвом цилиндров — это радиальные двигатели времен Второй мировой войны. 9-цилиндровый Wright R-1820 в количестве 4 штук приводил в действие тяжелый бомбардировщик Boeing B-17 по прозвищу «Летающая крепость». В зависимости от применения двигатель выдавал от 700 до 1 500 л. с. Единственная проблема с радиальными двигателями состояла в том, что они были непомерно огромны. На самом деле это совсем не проблема для самолета, но когда речь заходит об автомобиле… Тем не менее, многие умельцы умудрялись засовывать радиальные моторы в легковые машины, которые при этом выглядели довольно смешно.
Volkswagen VR5. Еще в 1983 году Oldsmobile разработал дизель V5, но так и не отправил его в производство. Таким образом VR5 от Volkswagen — это первый серийный блок, который использовал 5 цилиндров в V-конфигурации. Первая 2,3-литровая версия выдавала 150 л. с. и 205 Нм и устанавливалась на Passat, Golf и Bora. Это был странный нетрадиционный концепт, который при этом еще и фантастически звучал!
3-цилиндровый двухтактный мотор Saab. Для своих знаменитых двухтактных моторов Saab сначала использовал 2 цилиндра, но впоследствии перешел на продольно расположенную «тройку». Двигатель имел объем 748 кубических сантиметров и выдавал 33 л. с. Он устанавливался на Saab 93, Sonett обоих поколений, 95, 96 и некоторые другие модификации. Для Sonett были разработаны форсированные версии мощностью 58 л. с., и это поистине были спорткары конца 50-х годов.
Alfa Romeo JTD. Это семейство дизелей ведет свою историю с 1997 года. Разработаны Fiat Group совместно с подразделением GM Powertrain. Вершиной является 2,4-литровый 5-цилиндровый JTD, устанавливаемый на Alfa Romeo 159 и Brera. Он выдавал 210 л. с. и 400 Нм крутящего момента. В результате чип-тюнинга мощность можно поднять до 273 л. с., а момент — до 495 Нм. Очень быстрый дизель!
Volvo Modular. Конечно все знают о рядных пятицилиндровых моторах от Volvo. C запуска Volvo 850 в 1992 году эти двигатели были неотъемлемой частью шведской линейки и даже питали Ford Focus ST и RS. К сожалению, в 2014 году Volvo объявили, что прекращают их производство.
5-цилиндровые моторы Audi. История Audi тесно переплетается с 5 цилиндрами. Началось все в 1976 году с 2,1-литрового мотора с одним верхним распредвалом на Audi 100, однако гораздо интереснее присутствие этих двигателей в автоспорте. В абсолютно безумной «группе В» (для настоящих мужиков) классического ралли Audi S1 Sport Quattro E2 использовал 650-сильный 5-цилиндровый мотор, а к 1987 году инженеры готовили 1000-сильную версию, но ей не суждено было бороться на трассе, поскольку опасная «группа В» была упразднена. Немецкий «пятицилиндровик» популярен в европейских чемпионатах по дрэг-рейсингу: 2,2-литровый 20-клапанный 5-цилиндровый агрегат способен в экстремальных модификациях выдать более 1 мегаватта (1 340 л. с.).
7-цилиндровые моторы AGCO Sisu. Это единственный 7-цилиндровый двигатель, когда-либо использованный на сухопутном транспортном средстве (по крайней мере единственный на сегодняшний день). Кто-то не вполне нормальный из AGCO решил, что состыковать 3- и 4-цилиндровый дизели будет отличной идеей. И они заставили эту систему работать! Мотор устанавливается на сельхозтехнику, и именно ему многие люди Земли обязаны за хлеб на своем столе.
3-цилиндровый аксиальный двигатель Джона Делореана. Аксиальный двигатель — это тип двигателя с возвратно-поступательным движением поршней, в котором вместо обычного коленчатого вала используется шайбовый механизм. Поршни поочерёдно давят на наклонную шайбу, принуждая её вращаться вокруг своего центра. Гениальный инженер, изобретатель и конструктор Джон Делореан мечтал перевернуть автоиндустрию. Все знают его DMC-12 из кинофильма «Назад в будущее», в котором применено множество революционных решений. Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальную машину уникальным мотором. Среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Он использовал три цилиндра, расположенные в виде треугольника. Каждый из цилиндров имел двухсторонний поршень, что делало возможным две камеры сгорания на цилиндр. Таким образом мы получали 3-цилиндровый 6-поршневый мотор. Делореан задумал его в 1954 году, но начал разрабатывать лишь в 1979-м. По каким-то причинам рождение двигателя так и не состоялось…
Wärtsilä-Sulzer RT-Flex 96C. Серия громадных финских двигателей для морских судов. Перед вами 13-цилиндровая версия. Существует и 14-цилиндровый мотор, который является крупнейшим в мире поршневым двигателем внутреннего сгорания. Высота такого двигателя — 13,4 метров, длина — 27 метров, сухая масса — 2300 тонн, максимальная мощность — 108 920 лошадиных сил.
Lanz Eilbulldog. Культура немецких классических автомобилей не ограничивается «Мерседесами» и «Майбахами». Взгляните на Lanz Eilbulldog, который производился с 1921 по 1960 годы. Он использовал одноцилиндровый 10-литровый (!!!) двигатель мощностью от 12 до 55 л. с. в зависимости от года выпуска. Это один из тракторов-работяг, вытянувший немецкую экономику. Он мог сжигать отработавшее масло, когда поблизости не было бензина. Просто взгляните, как заводится эта штука!
Двигатели с осевым потоком — E-Mobility
Двигатели с осевым потоком могут изменить конструкцию трансмиссии, перемещая ее от оси внутрь колеса(любезно предоставлено YASA)
Двигатели с осевым магнитным потоком имеют много преимуществ в конструкции электромобилей по сравнению с их аналогами с радиальным магнитным потоком, как объясняет Ник Флаэрти.
Ось силы
В секторе электромобилей набирает обороты двигатель нового типа — двигатель с осевым потоком. В течение многих лет они использовались в стационарных приложениях, таких как лифты и сельскохозяйственная техника, но за последнее десятилетие ряд разработчиков работали над улучшением технологии, чтобы сделать ее пригодной для таких приложений, как электрические мотоциклы, контейнеры для аэропортов, грузовики для доставки и т. Д. электромобили и даже самолеты.
Традиционные двигатели с радиальным магнитным потоком, в которых используются постоянные магниты или асинхронные двигатели в электрическом поле, претерпевают обширные разработки, направленные на оптимизацию их веса и стоимости. Однако это может продолжаться только так, поэтому переход на совершенно другой тип машины, такой как осевой поток, может быть хорошей альтернативой.
Машины с постоянным магнитом с осевым потоком обычно обеспечивают больший крутящий момент для данного объема двигателя, чем радиальный двигатель, так как активная площадь магнитной поверхности является лицевой стороной ротора двигателя, а не внешним диаметром.
Это делает двигатели с осевым потоком намного более компактными; осевая длина машины намного короче по сравнению с радиальными машинами, что часто имеет решающее значение для такого применения, как колесный двигатель. Тонкая и легкая конструкция позволяет создавать машины с более высокой мощностью и плотностью крутящего момента, чем сопоставимые радиальные машины, без необходимости использования очень высоких скоростей.
Двигатели с осевым потоком также могут быть высокоэффективными, обычно с КПД более 96%.Это происходит из-за более короткого одномерного пути потока, который сравним или лучше, чем у самых лучших 2D-двигателей с радиальным потоком на рынке.
Двигатели короче, обычно в пять-восемь раз, и могут быть в два-пять раз легче. Оба эти фактора меняют возможности разработчиков электромобилей на платформе электромобилей.
Технология осевого флюса
Существует две основные топологии двигателя с осевым потоком — двухроторный синглстатор, иногда называемый машинами торового типа, и однороторный двухстаторный.
Большинство двигателей с постоянными магнитами в наши дни работают с топологией радиального потока. Здесь петля магнитного потока начинается с постоянного магнита на роторе, проходит через первый зубец на статоре, а затем течет в радиальном направлении вдоль статора. Затем он проходит через второй зуб и достигает второго магнита на роторе. В топологии осевого магнитного потока с двумя роторами магнитная петля начинается у первого магнита, проходит в осевом направлении через зуб статора и сразу же достигает второго магнита.
Это означает, что путь магнитного потока намного короче, чем в машинах с радиальным магнитным потоком, что позволяет уменьшить размер двигателя при той же мощности и иметь более высокую плотность мощности и эффективность.
Напротив, в радиальных двигателях магнитный поток движется через первый зубец, а затем через статор обратно к следующему зубцу к магнитам. Он также должен следовать двумерным путем.
Поскольку путь потока в машинах с осевым потоком является одномерным, может использоваться электротехническая сталь с зернистой структурой.Сталь облегчает прохождение флюса, что приводит к повышению эффективности.
В двигателях с радиальным магнитным потоком традиционно используются распределенные обмотки, где половина обмотки неактивна, поскольку они выступают за магниты. В конструкции улучшены методы намотки, так как выступ катушки приводит к увеличению веса, стоимости, электрическому сопротивлению и увеличению потерь тепла.
Машины с осевым потоком имеют гораздо меньший вылет катушки, а в некоторых конструкциях используются концентрированные или сегментированные обмотки, которые полностью активны.Радиальные машины с сегментированным статором приводят к дополнительным потерям из-за разрыва потока потока в статоре, но это не проблема для осевых машин. Конструкция обмоток катушек — это ключевая область, в которой поставщики могут отличаться друг от друга.
Развитие
Однако двигатели с осевым потоком создают серьезные проблемы при проектировании и производстве, которые делают их намного более дорогостоящими, чем их радиальные аналоги, несмотря на технологические преимущества.Радиальные двигатели хорошо изучены, а технологии производства и оборудование легко доступны.
Одной из основных проблем осевых машин является поддержание равномерного воздушного зазора между ротором и статором, поскольку магнитные силы намного выше, чем в радиальных машинах. Осевые машины с двумя роторами также имеют проблемы с тепловыделением, поскольку обмотки расположены глубоко внутри статора и между двумя дисками ротора. Это затрудняет отвод тепла.
Двигатели с осевым магнитным потоком также сложно изготовить по нескольким причинам.Двухроторные машины с топологией без ярма (где железное ярмо статора удалено, но железные зубья сохранены) преодолевают некоторые проблемы, избегая необходимости масштабировать диаметр машины и магниты.
Однако при снятии вилки возникают новые проблемы, например, как фиксировать и позиционировать отдельные зубья без механического соединения вилки. Устранение тепла также является более сложной задачей.
Изготовление ротора и соблюдение требуемого допуска на воздушный зазор также может быть затруднительным, поскольку диски ротора оказывают на ротор притягивающую силу.
Однако диски напрямую соединены друг с другом через кольцо вала, поэтому силы компенсируют друг друга. Это означает, что внутренний подшипник не воспринимает эти силы, и его единственная функция — удерживать статор посередине между двумя дисками ротора.
Хотя машины с двумя статорами и одним ротором не сталкиваются с проблемами машин с тором, конструкция статора была намного более сложной и трудной для автоматизации. Поскольку это не похоже на любую традиционную машину для радиального флюса, производственные процессы и оборудование просто не существовали до недавнего времени.
Обеспечение воздушного зазора в конструкции машины также было трудным, так как это требует точного контроля производственных допусков ключевых компонентов. Это привело к гораздо более сложной конструкции статора, что затруднило автоматическое и серийное производство и сохранило высокую стоимость двигателей.
(любезно предоставлено Magnax)
Электромобили
Надежность имеет первостепенное значение в автомобильной промышленности, и предоставление доказательств надежности и прочности различных двигателей с осевым потоком, чтобы убедить производителей в их пригодности для массового производства, было сложной задачей.Это побудило поставщиков осевых двигателей проводить свои собственные обширные программы проверки, каждый из которых может продемонстрировать, что надежность их двигателей не отличается от надежности традиционных типов радиального магнитного потока.
Единственные детали в двигателях с осевым потоком, которые изнашиваются, — это подшипники. Они расположены намного ближе друг к другу из-за относительно меньшей длины конструкции с осевым потоком, а также обычно имеют несколько «завышенные размеры». Кроме того, роторы с меньшей массой в машинах с осевым магнитным потоком подвергаются более низким роторно-динамическим нагрузкам на вал, поэтому действительные силы, действующие на подшипники, намного ниже, чем в двигателях с радиальным магнитным потоком.
Одним из первых применений осевого двигателя является электронная ось. Меньшая ширина позволяет разместить двигатель и коробку передач на оси. В гибридных применениях короткая осевая длина двигателя, в свою очередь, сокращает общую длину трансмиссии.
Следующим шагом является установка осевого двигателя на колесо транспортного средства. Это позволяет мощности передаваться напрямую от двигателя к колесу, повышая эффективность двигателя. Сложность системы также ниже, поскольку отсутствуют трансмиссия, дифференциалы и карданный вал.
Однако никаких стандартных конфигураций не появляется. Каждый OEM-производитель рассматривает конкретные конфигурации, поскольку разные размеры и форм-фактор осевых двигателей меняют конструкцию электромобиля. Более высокая удельная мощность двигателей означает, что можно использовать осевой двигатель меньшего размера по сравнению с радиальным двигателем. Это открывает новые возможности дизайна платформы транспортного средства, например, где разместить аккумуляторные батареи.
Эффективность потока
Сталь
с ориентированной зернистой структурой не может использоваться с радиальными флюсовыми машинами, потому что траектория флюса в этих машинах проходит по нелинейной двухмерной траектории.В топологии осевого потока без ярма зерна стали ориентированы в том же направлении, что и пути потока, поэтому для сердечника можно использовать более эффективную электротехническую сталь с ориентированной структурой. Низкие потери и высокий уровень проницаемости зернистого материала в прокатном (осевом) направлении снижает потери в сердечнике статора на 85% и дает небольшое увеличение электромагнитного момента.
Одним из способов увеличения мощности осевого двигателя является объединение нескольких машин в стек в одном корпусе с водяным охлаждением.Это дает большую гибкость в дизайне для данного приложения и позволяет использовать более стандартизованную технику производства.
Для некоторых приложений электронной мобильности требуются двигатели с прямым приводом. Безредукторная конструкция значительно снижает сложность и требования к техническому обслуживанию. Это хорошо согласуется с двигателями с осевым магнитным потоком, которые уже обеспечивают номинальный крутящий момент при нулевой частоте вращения. Для колесных конструкций эффективность оптимизирована для более низких диапазонов оборотов, обычно со скоростью вращения колес от 400 до 2000 об / мин.
Только активные части (например, статор и два ротора) могут быть интегрированы в концепцию трансмиссии OEM. В системах с электронным мостом меньший объем двигателя может обеспечить компактную конструкцию трансмиссии на рынке OEM.
(Предоставлено YAGA)
Арматура сегментированная
Топология двигателя YASA (без ярма и сегментированного якоря) является примером топологии с двумя роторами и одним статором с уменьшенной производственной сложностью для автоматизированного серийного производства.Они обеспечивают удельную мощность до 10 кВт / кг при скоростях 2000–9000 об / мин.
Здесь используется специализированный контроллер, который обеспечивает двигатель мощностью 200 кВА. Контроллер занимает объем 5 литров и вес 5,8 кг, включая управление температурой с диэлектрическим масляным охлаждением, и подходит для использования с двигателями с осевым потоком, а также с асинхронными двигателями и двигателями с радиальным потоком.
Это дает OEM-производителям электромобилей и разработчикам Tier 1 возможность выбора двигателя, подходящего для области применения и имеющегося пространства.Меньший размер и вес позволяют использовать более легкий автомобиль и больше аккумуляторов, что увеличивает дальность полета.
Электровелосипеды
Для электрических мотоциклов и квадроциклов была разработана другая конструкция двигателя переменного тока с осевым потоком. Он эволюционировал от предыдущих конструкций осевого потока на основе щеток постоянного тока, перешел на переменный ток и полностью герметичную бесщеточную конструкцию, и был разработан с нуля для массового производства.
При переходе от постоянного тока к переменному току в конструкции используются неподвижные катушки и сдвоенные роторы с постоянными магнитами, а не вращающийся якорь.Преимущество этого подхода состоит в том, что он устраняет необходимость в механической коммутации.
Конструкция переменного тока также позволяет использовать стандартные контроллеры трехфазных двигателей переменного тока в радиальных двигателях для осевых версий. Это помогает снизить затраты, поскольку контроллер обеспечивает ток, который управляет крутящим моментом, а не скоростью. Контроллерам нужна частота более 12 кГц, но сейчас это основная частота для этих устройств.
Эта более высокая частота возникает из-за более низкой индуктивности обмоток, равной 20 мкГн.Частота управляет токами, чтобы минимизировать пульсации тока и обеспечить как можно более плавный синусоидальный сигнал. Это хорошо с точки зрения динамики, поскольку позволяет очень быстро изменять крутящий момент, обеспечивая более плавное управление двигателем.
В этой конструкции используется распределенная двухслойная обмотка, поэтому поток проходит от ротора через статор к другому ротору, опять же по очень короткому пути для повышения эффективности.
Ключевым моментом в конструкции этого двигателя с осевым потоком является то, что он работает с напряжением до 60 В, а не с системами с более высоким напряжением.Это делает его подходящим для электрических мотоциклов и тяжелых квадрициклов класса L7e, таких как Renault Twizy.
Максимальное напряжение 60 В позволяет интегрировать двигатель в основные электрические системы 48 В и упрощает техническое обслуживание.
(любезно предоставлено Saietta)
Квадроцикл L7e согласно спецификации Европейской рамочной директивы 2002/24 / EC рассчитан на вес до 600 кг для транспортных средств, предназначенных для перевозки грузов, без учета массы аккумуляторов.Они могут нести полезную нагрузку до 200 кг для пассажиров или до 1000 кг для грузов при мощности двигателя 15 кВт. Подход с распределенной обмоткой обеспечивает крутящий момент 75–100 Нм при пиковой мощности 20–25 кВт, обеспечивая непрерывную мощность 15 кВт.
При осевом потоке проблема состоит в том, чтобы отвести тепло от медных обмоток, что сложно, так как оно должно пройти мимо роторов. Ключом к этому является распределенная обмотка, так как имеется большое количество пазов для полюсов. Это дает большую площадь поверхности между медью и корпусом для передачи тепла наружу, где его можно отводить с помощью стандартной системы жидкостного охлаждения.
Множественные полюса являются ключевыми для использования синусоидальной формы волны, что помогает уменьшить гармоники, возникающие, когда форма волны не является идеально синусоидальной. Эти гармоники проявляются как нагрев магнитов и сердечника, который не может быть достигнут медными элементами для отвода тепла. По мере того, как в магнитах и сердечнике накапливается тепло, эффективность падает, поэтому оптимизация формы волны и теплового тракта имеет решающее значение для производительности двигателя.
Конструкция двигателя также оптимизируется для недорогого автоматизированного крупносерийного производства.Экструдированное кольцо корпуса снижает стоимость материала без сложной механической обработки. Катушки легко наматывать, и во время наматывания используется процесс склеивания, чтобы поддерживать их правильную форму для сборки.
Ключевым моментом является то, что катушки изготовлены из стандартной, имеющейся в продаже проволоки, а в сердечнике используется стандартная ламинированная трансформаторная сталь, которую нужно только обрезать по форме. Другие конструкции двигателей требуют использования магнитомягких материалов в ламинировании сердечника, что может быть более дорогим.
Использование распределенных обмоток означает, что магниты не нужно сегментировать; они могут иметь более простые формы, которые легче изготавливать. Уменьшение размера магнитов и обеспечение простоты их изготовления существенно влияет на снижение стоимости.
Эта конструкция двигателя с осевым потоком также предлагается по индивидуальному заказу. Затем заказчик владеет специальной версией, разработанной на основе базового дизайна. Затем это строится на пилотной линии, чтобы доказать первые объемы, и эту линию можно скопировать на других заводах.
Акцент на индивидуальную настройку обусловлен тем, что рабочие характеристики транспортного средства во многом зависят от качества его архитектуры, аккумуляторной батареи и BMS, а также от конструкции двигателя с осевым потоком.
(любезно предоставлено Saietta)
Конструкция может быть увеличена за счет использования нескольких роторов в одном охлаждаемом корпусе, но здесь ограничивается величина тока, который можно использовать. Это означает, что контроллер и BMS являются узким местом.Переходя к более низкой мощности, нижний предел диапазона для двигателя составляет 4-6 кВт.
Двигатель также может использоваться в морских приложениях, поскольку он полностью герметичен. Это уже представляет интерес как бортовой мотор для яхт для экономии места и веса, а также интерес со стороны производителей подвесных моторов.
Однако для рынка электрических мотоциклов одним из основных недостатков является проблема быстрой и простой зарядки велосипедов. Здесь помогает двигатель с осевым магнитным потоком, поскольку он может быть интегрирован в поворотный рычаг с аккумулятором, так что он крепится к раме велосипеда с помощью болта, что значительно упрощает обслуживание и замену.
Некоторые производители электрических мотоциклов также рассматривают модульные кассетные батареи, особенно в Китае и Таиланде, где разряженные батареи можно заменять на заряженные. В этом случае простота замены является ключевой, а форма мотора позволяет ему естественным образом сидеть в раме электрического мотоцикла, оставляя больше места для аккумуляторной батареи.
Автобусы и грузовики
Существующая конструкция осевого двигателя оптимизируется для использования в больших электрических грузовиках.Снижение стоимости существующей конструкции с двойным статором, одним ротором, распределенной обмоткой и ярмом со спирально-навитым сердечником статора из многослойной стали, может обеспечить 440 кВт, что достаточно для грузовика массой 38 тонн.
В новой версии двигателя будут происходить постепенные улучшения вокруг статора, особенно с использованием тонкой стали для ламината. Вместо того, чтобы использовать обмотку с пазами внешней формы, что является трудозатратным, в новой версии рассматриваются способы перехода к автоматизированному проектированию.
Для двигателей с радиальным магнитным потоком стоимость магнитов, стали и меди, а также затраты на преобразование — процессы для крупносерийного производства — хорошо известны. Проблема с двигателями с осевым потоком заключается в том, что процессы не понимаются в масштабе. Затраты на вводимые ресурсы могут быть уменьшены, но затраты на преобразование не установлены четко и поэтому могут сильно варьироваться.
В принципе, двигатель с осевым магнитным потоком может быть конкурентоспособным с радиальной версией за счет более низких материальных затрат при заданном соотношении мощности к массе, но стоимость преобразования является большим фактором.
Е-мосты
Блинная форма двигателя с осевым потоком позволяет интегрировать его в колесо, создавая двигатель в колесе, и есть несколько проектов, изучающих, как этого можно достичь в суровых условиях.
Другой подход — использовать двигатели с осевым потоком в электронных осях. У них есть проблемы, аналогичные конструкциям с колесами, но их проще реализовать, особенно в электрических грузовиках, у которых уже есть ведущий задний мост.
Установка двигателя на ось увеличивает вес и сложность, поэтому двигатель должен быть прочным и надежным.Самый легкий из возможных электродвигателей будет иметь преимущества при проектировании мостов с электронным управлением для грузовых автомобилей малой и средней грузоподъемности и небольших местных автобусов.
Двигатель с осевым потоком, разработанный для больших грузовиков
(любезно предоставлено Avid)
Электросамолет
Бесконтактные осевые двигатели также лежат в основе разработки небольших электрических самолетов. Самолет ACCEL с нулевым выбросом, например, имеет заданную скорость 300+ миль / ч (480+ км / ч). Три осевых двигателя развивают мощность 500 л.с. для привода трех гребных винтов при 2400 об / мин.Более 6000 аккумуляторных элементов обеспечивают мощность 750 кВт для питания двигателей через инвертор на 750 В, разработанный для гоночных автомобилей Формулы E.
В другом подходе к осевым двигателям для самолетов используется ротор из углеродного композита, что позволяет избежать использования железа или черных металлов, а встроенный магнит удерживается лентой из углеродного волокна. Он ограничен двумя статорами по обе стороны от ротора, а не только одним. Система охлаждения статоров была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить полную герметичность агрегата.
Система также позволяет избежать использования каких-либо внешних движущихся частей и упрощает электромонтаж, поскольку управляющая электроника может быть встроена в двигатель. Текущие версии весят от 82 кг для двигателя 440 кВт до 22 кг для двигателя 100 кВт; двигатель мощностью 5 кВт и весом менее 750 г. также находится в стадии разработки.
(любезно предоставлено Rolls-Royce)
Забегая вперед
Двигатели с осевым потоком
имеют широкий спектр потенциальных применений и оптимизируются для различных уровней мощности, удельных мощностей и точек затрат.Всегда есть возможности для наивысшего отношения мощности к весу, особенно в электрических самолетах, но есть все больше возможностей на низком уровне в электрических мотоциклах.
На следующем этапе проектирования электрических пассажирских и грузовых транспортных средств гораздо больше внимания будет уделяться меньшей массе, и это ключевая возможность, если можно будет снизить затраты.
Проблема заключается в том, что существующие двигатели с постоянным радиальным потоком и асинхронные двигатели также оптимизируются по стоимости, поэтому цель всегда в движении.Двигатели с осевым магнитным потоком используют меньше материала и, следовательно, по своей сути менее дороги, если могут быть решены проблемы с теплопередачей и объемным производством.
Они могут обеспечивать удельную мощность 10 кВт / кг, что в четыре раза превышает удельную мощность двигателя с радиальным магнитным потоком для электромобиля. Это означает, что требуется меньше меди и стали с меньшими магнитами, что снижает стоимость. Меньший вес также снижает стоимость системы в транспортном средстве.
Благодарности
Автор хотел бы поблагодарить Даана Морелса из Magnax, Wichter Kist, Криса Лайнса и Грэма Лендена из Saietta, а также Райана Моана и Дхиллибабу Палани из Avid Technology за их помощь в исследовании этой статьи.
Что такое двигатель с осевым потоком и принцип его работы?
Двигатель — это механизм, преобразующий энергию двигателя в механическую. Его работа основана на электромагнитном взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой конструкции и магнитом. Он подразделяется на две категории в зависимости от направления магнитного поля: двигатели с осевым потоком и двигатели с радиальным магнитным потоком. Основное внимание в этом сообщении в блоге будет уделено двигателю с осевым потоком и его отличиям от двигателя с радиальным потоком, но также будет дано краткое объяснение применений.Следим за публикацией в Linquip.
Что такое двигатель с осевым потоком
Первый в мире двигатель с осевым потоком. Несмотря на то, что двигатель с осевым потоком не нов, его использование только увеличилось за последние два десятилетия. В течение многих лет он использовался в стационарных приложениях, таких как лифты и сельскохозяйственная техника, но за последнее десятилетие несколько разработчиков работали над улучшением технологии, чтобы ее можно было использовать в таких приложениях, как электрические мотоциклы, контейнеры для аэропортов, грузовики для доставки и т. Д. электромобили и даже самолеты.
Давайте посмотрим на уникальные варианты конструкции двигателя с осевым потоком:
- Прямоугольный медный провод используется для достижения максимально возможного коэффициента заполнения медью (90 процентов).
- Роторы с двумя постоянными магнитами используются для достижения максимально возможного отношения крутящего момента к массе.
- Статор без ярма, который имеет кратчайшие пути прохождения потока и меньший общий вес.
- Использование электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой снижает потери в сердечнике до 85 процентов.
- Уникальный метод охлаждения обмоток для достижения минимально возможных температур статора.
- Концентрированные обмотки для минимальных потерь в меди (отсутствие выступов катушек).
Применение (я) двигателя с осевым потоком
Двигатель с осевым потоком идеален для приложений с высокой плотностью крутящего момента и ограниченного пространства. Большинство людей полагают, что высокая плотность мощности определяется только высокой скоростью, и игнорируют влияние плотности крутящего момента. Стремление только к высокой скорости приведет к ограниченному времени работы и шуму. Действительно, сердцем высокоскоростного двигателя является увеличение плотности крутящего момента, и двигатель с осевым магнитным потоком является распространенным решением среди них.
Двигатель с осевым потоком и с радиальным потоком
Архитектура двигателя представляет собой вариант так называемого механизма с осевым потоком или осевым зазором. Из-за очень низкого отношения осевой длины к диаметру двигатели с осевым потоком часто называют «плоскими» или «плоскими» двигателями. Они производят большой крутящий момент, но их скорость ограничена конструкцией ротора. Это можно назвать одним из недостатков двигателя с осевым потоком.
Различие, как следует из их названия, состоит в том, что направление магнитного потока в машинах с осевым потоком параллельно оси вращения двигателя, тогда как направление магнитного потока в двигателях с радиальным потоком является радиальным.
Двигатель с радиальным магнитным потоком имеет классическую цилиндрическую конструкцию, тогда как двигатель с осевым потоком выполнен в виде формы для печенья, и они подходят для альтернативных установок, основанных только на форме. Поскольку он длиннее, но меньше в диаметре, обычный радиальный поток является естественным соответствием между двумя колесами на одной оси.
Магниты на роторе двигателя с осевым потоком, как и все виды синхронных электродвигателей переменного тока, притягиваются к вращающемуся полю, создаваемому окружающим кольцом независимых электромагнитов в статоре.Поскольку переключение магнитов, вызывающее вращение поля, не является идеально плавным, ротор при вращении страдает от крошечной «пульсации крутящего момента», известной как «зубчатость».
Большинство двигателей гибридных систем относятся к типу двигателей с радиальным магнитным потоком, в которых ротор, снабженный постоянными магнитами, вращается внутри статора с обмоткой. Поскольку между внешней поверхностью ротора и внутренним диаметром статора есть крошечный зазор, эти двигатели известны как машины с радиальным зазором или радиальным магнитным потоком, и они могут генерировать большую мощность, поскольку могут работать на высоких скоростях.
Двигатель с осевым магнитным потоком считается более совершенным, чем двигатель с радиальным магнитным потоком. Есть четыре причины, по которым двигатели с осевым потоком обеспечивают значительно большую мощность при меньшей удельной массе:
Рычаг
В двигателе с осевым потоком магниты расположены дальше от центральной оси. В результате на центральной оси больше «рычагов».
Обмотки
С точки зрения намотки осевой магнитный двигатель имеет значительное преимущество перед радиальным двигателем. Он имеет большую активную медь обмотки и меньший вылет, что означает, что он может легче увеличивать количество витков и выделяет меньше тепла из-за торцевого эффекта.Кроме того, обмотка может соприкасаться с металлом, который является отличным проводником тепла. Это означает более простую систему охлаждения.
В двигателе с радиальным магнитным потоком значительная часть обмоток неактивна (часть, расположенная снаружи зубцов статора, которая используется только для образования петель (выступ катушки). Выступ катушки увеличивает рассеивание электрического тепла. Таким образом, это называется «распределенной обмоткой», и это приводит к значительно более низкому отношению общей мощности к весу, в то время как машины с осевым потоком вообще не имеют выступа катушки.Тепло в радиальной машине должно отводиться через сердечник статора, который должен быть изготовлен из стали с низкой теплопроводностью.
Электромагнитный
Поскольку двигатели с осевым потоком содержат большее количество электромагнитно активного материала, процент массы обмотки, которая не создает крутящий момент, но вызывает потери, меньше в машинах с осевым потоком. В двигателях с радиальным потоком магнитный поток проходит через первый зубец, а затем через статор к магнитам. Напротив, путь потока в двигателях Axial Flux короче, т.е.е. от первого магнита через один сердечник и непосредственно на второй магнит.
Кроме того, в случае машин с радиальным потоком поток должен перемещаться в двух измерениях. Маршрут потока в машинах с осевым потоком является одномерным. В результате снижаются потери в стали при прохождении потока через сердечники. Кроме того, использование ориентированной стали позволяет флюсу легче проходить, что приводит к дополнительному повышению эффективности.
Охлаждение
Тепло должно передаваться через статор наружу машины в случае машин с радиальным флюсом.Однако сталь плохо проводит тепло. «Выступ змеевика» особенно трудно охладить, поскольку он не находится в прямом контакте с корпусом двигателя. Двигатели с осевым потоком обеспечивают хорошее охлаждение, поскольку обмотки находятся в тесном контакте с внешней алюминиевой оболочкой. Поскольку алюминий легко передает тепло, обмотки двигателей с осевым потоком остаются холодными, а сопротивление меди остается низким. И это приводит к значительному повышению производительности. Эти преимущества обычно повышают эффективность, что оказывает значительное влияние в мировом масштабе.
Недостатки двигателя с осевым потоком
Несмотря на свои технологические преимущества, двигатель с осевым потоком имеет значительные конструктивные и производственные проблемы, что делает его намного дороже, чем его радиальный эквивалент. Двигатель с осевым потоком является универсальным, и обмотка может быть изменена геометрическим расположением в соответствии с конструктивным конкретным диаметром, что позволяет значительно уменьшить общий объем, занимаемый машиной. Конструкция осевого магнитного потока также создала некоторые серьезные проблемы при проектировании и производстве:
Механические проблемы: из-за сильных магнитных сил, действующих между ротором и статором, поддержание равномерного воздушного зазора с высокими допусками между этими двумя компонентами является сложной инженерной и материальная проблема.
Тепловые проблемы: обмотки двигателя с осевым потоком расположены глубоко внутри статора и между двумя дисками ротора, что создает большую проблему охлаждения, чем в системе прямого привода с радиальным потоком. Электродвигатели с осевым потоком оснащены магнитами, которые расположены в плоскостях, параллельных катушкам, что позволяет им генерировать магнитный поток через меньший вращающийся объем, что приводит к уменьшению момента инерции и общей массы ротора.
Резюме
Электродвигатели делятся на два типа: двигатели с радиальным магнитным потоком и двигатели с осевым магнитным потоком.Двигатели с радиальным магнитным потоком более распространены и используются в течение длительного времени. Двигатель с осевым потоком — отличная альтернатива, когда требуется быстрое изменение скорости. Хотя двигатель с осевым потоком был изобретен раньше, его дальнейшее развитие было затруднено из-за уровня материалов и технологий, доступных в то время.
Напротив, двигатель с радиальным магнитным потоком стал лидером в разработке и стал известен как простой двигатель. Спасибо, что нашли время прочитать наш пост. Мы надеемся, что это помогло вам узнать о двигателе с осевым потоком.Если вы ищете дополнительную информацию о двигателе с осевым потоком, мы предлагаем вам зарегистрироваться в Linquip. Тогда смело оставляйте свои комментарии и вопросы.
Двигатели с осевым потоком готовы для массового использования?
Люди по-прежнему будут сомневаться, iPhone это или Android, PlayStation или Xbox, с ручным или автоматическим двойным сцеплением. То же самое и с двигателями, и, может быть, в следующий раз это будут электрические приводы: радиальный поток или осевой поток?
Как и у других вещей, у каждого есть свои плюсы и минусы — только в этом случае различия, вероятно, более четкие.Двигатель с радиальным магнитным потоком имеет знакомую цилиндрическую форму, а осевой поток имеет форму печенья, и только по форме они подходят для различных установок.
Традиционный радиальный поток — это естественная посадка между двумя колесами на одной оси, потому что они больше по длине, но меньше по диаметру. Осевой поток больше в диаметре и очень короток по длине, поэтому он идеально подходит для размещения между двигателем и коробкой передач для гибридных приводов. У этой идеи уже не так много будущего, но в электромобилях двигатели с осевым потоком могут также работать парами, установленными рядом с колесами в качестве приводных устройств, или как колесные двигатели, или уложены друг за другом, чтобы создать многороторные блоки.
Как и двигатели с радиальным магнитным потоком, они могут быть разработаны для работы при низком напряжении (48 В) для скутеров и небольших городских электромобилей или, в будущем, автономных контейнеров, а также при высоком напряжении для любых электромобилей, вплоть до суперкаров. Британская фирма Saietta разработала новый двигатель с осевым потоком (AFT) для массового производства и снижения затрат. Его можно масштабировать, чтобы приводить в движение все, от скутера до автобуса.
Использование простой низкоуглеродистой стали в дискообразном роторе с прикрепленными постоянными магнитами помогает снизить затраты, как и модульная конструкция, которая обеспечивает высокий уровень автоматизированной сборки — секрет производства большого количества и снижения затрат.Двигатель герметичен, имеет водяное охлаждение и, как и другие конструкции двигателей с осевым потоком, является «без ярма», в нем отсутствует громоздкая и тяжелая рама, поддерживающая обмотки статора традиционной машины с радиальным потоком. Отсутствие ярма — одна из особенностей, которая снижает вес и увеличивает удельную мощность.
Как и все типы синхронных электродвигателей переменного тока, магниты на роторе двигателя с осевым потоком притягиваются к вращающемуся полю, создаваемому окружающим кольцом отдельных электромагнитов в статоре.Переключение магнитов, заставляющих поле вращаться, не является абсолютно плавным, поэтому ротор при вращении страдает от небольшой «пульсации крутящего момента», известной как «зубчатость».
Хотя эффект обычно снижается с помощью электроники, двигатели Saietta имеют 96 электромагнитов в статоре, большое число и меньшие приращения помогают снизить его до минимума. Saietta недавно была получателем гранта Advanced Propulsion Centre, чтобы помочь наладить производственные процессы для производства 150 000 двигателей в год, и видит потенциал в производстве колесных двигателей для автономных контейнеров, а также для обычных транспортных средств.Он присоединится к другим разработчикам двигателей с осевым потоком, таким как основанная YASA и бельгийская фирма Magnax, в продвижении технологии электродвигателей.
Двигатели Hyundai
В новой аккумуляторно-электрической транспортной платформе E-GMP Hyundai Motor Group будут использоваться двигатели с радиальным магнитным потоком, но меньшие по размеру высокоскоростные модели, направленные на экономию веса и места в упаковке. Меньшие двигатели вращаются выше (в данном случае на 70% быстрее), чем традиционные, более крупные эквиваленты, чтобы генерировать такой же крутящий момент.
Высокоскоростные электромоторы (часто более 20 000 об / мин) обычно сочетаются с двухскоростной трансмиссией, но Hyundai придерживается односкоростной передачи и увеличила редуктор главной передачи на 33%.
Джесси Кросс
Под кожей: готов ли двигатель с осевым потоком одной британской фирмы к массовому использованию?
В человеческой природе задавать вопрос: «Что лучше?» Даже если обычно ответ «ни один», потому что у каждого есть свои плюсы и минусы.
Люди по-прежнему будут сомневаться, iPhone это или Android, PlayStation или Xbox, с ручным или автоматическим двойным сцеплением.То же самое и с двигателями, и, может быть, в следующий раз это будут электрические приводы: радиальный поток или осевой поток?
Как и у других вещей, у каждого есть свои плюсы и минусы — только в этом случае различия, вероятно, более четкие. Двигатель с радиальным магнитным потоком имеет знакомую цилиндрическую форму, а осевой поток имеет форму печенья, и только по форме они подходят для различных установок.
Традиционный радиальный поток — это естественная посадка между двумя колесами на одной оси, потому что они больше по длине, но меньше по диаметру.Осевой поток больше в диаметре и очень короток по длине, поэтому он идеально подходит для размещения между двигателем и коробкой передач для гибридных приводов. У этой идеи больше нет большого будущего в Великобритании, но в электромобилях двигатели с осевым потоком могут также работать парами, установленными рядом с колесами в качестве приводных устройств или как колесные двигатели, или уложены друг за другом для создания многороторных узлов. .
Как и двигатели с радиальным магнитным потоком, они могут быть разработаны для работы при низком напряжении (48 В) для скутеров и небольших городских электромобилей или, в будущем, автономных контейнеров, а также при высоком напряжении для любых электромобилей, вплоть до суперкаров.Британская фирма Saietta разработала новый двигатель с осевым потоком (AFT) для массового производства и снижения затрат. Его можно масштабировать, чтобы приводить в движение все, от скутера до автобуса.
Использование простой низкоуглеродистой стали в дискообразном роторе с прикрепленными постоянными магнитами помогает снизить затраты, как и модульная конструкция, которая обеспечивает высокий уровень автоматизированной сборки — секрет производства большого количества и снижения затрат. Двигатель герметичен, имеет водяное охлаждение и, как и другие конструкции двигателей с осевым потоком, является «без ярма», в нем отсутствует громоздкая и тяжелая рама, поддерживающая обмотки статора традиционной машины с радиальным потоком.Отсутствие ярма — одна из особенностей, которая снижает вес и увеличивает удельную мощность.
Как и все типы синхронных электродвигателей переменного тока, магниты на роторе двигателя с осевым потоком притягиваются к вращающемуся полю, создаваемому окружающим кольцом отдельных электромагнитов в статоре. Переключение магнитов, заставляющих поле вращаться, не является абсолютно плавным, поэтому ротор при вращении страдает от небольшой «пульсации крутящего момента», известной как «зубчатость».
Хотя эффект обычно снижается с помощью электроники, двигатели Saietta имеют 96 электромагнитов в статоре, большое число и меньшие приращения помогают снизить его до минимума.Saietta недавно была получателем гранта Advanced Propulsion Centre, чтобы помочь наладить производственные процессы для производства 150 000 двигателей в год, и видит потенциал в производстве колесных двигателей для автономных контейнеров, а также для обычных транспортных средств. Он присоединится к другим разработчикам двигателей с осевым потоком, таким как основанная YASA и бельгийская фирма Magnax, в продвижении технологии электродвигателей.
(PDF) Сравнение рабочих характеристик синхронной машины с осевым потоком на постоянных магнитах с магнитами разной формы
[5] S.К. А. Шах, Т. А. Липо, Б.-И. Квон, «Моделирование нового SPM-двигателя с постоянным магнитом
с формой полюса для уменьшения пульсации крутящего момента»,
IEEE Trans. Магн., Т. 48, вып. 11, стр. 4626–4629, ноябрь 2012 г.
[6] Й. Ли, Дж. Цзоу и Дж. Лу, «Оптимальная конструкция формы магнита в синхронных двигателях с постоянным магнитом
», IEEE Trans. Магн., Т. 39, нет. 6,
pp. 3523–3526, Nov. 2003.
[7] Н. Чен, С.Л. Хо и В.Н. Фу, «Оптимизация формы поверхности постоянного магнита
электродвигателей для минимизации зубцового момента
с использованием FEM », IEEE Trans.Магн., Т. 46, нет. 6, pp. 2478–2481,
июнь 2010 г.
[8] Мендрела Э.А., Беняк Р. и Вробель Р. Влияние конструкции статора
на электромеханические параметры бесщеточного двигателя постоянного тока торового типа.
IEEE Trans. Energy Convers., Т. 18, нет. 2, pp. 231–237, Jun. 2003.
[9] W. Fei и P.C.-K. Лук, «Снижение пульсаций крутящего момента синхронной машины с постоянным магнитом
с прямым приводом с помощью эффективного осевого полюса
», IEEE Trans.Ind. Electron., Vol. 59, нет. 6, pp. 2601–2611,
Jun. 2012.
[10] М. Айдын и М. Гулек, «Снижение зубцового момента в двухроторных двигателях с осевым потоком и постоянными магнитами
: обзор рентабельные
методы перекоса магнитов с экспериментальной проверкой », IEEE Trans.
Ind. Electron., Vol. 61, нет. 9, pp. 5025–5034, Sep. 2014.
[11] Х. Се и др., «Исследование техники асимметричного двунаправленного перекоса магнита
в модульном многоступенчатом осевом потоке с постоянным магнитом syn-
с хронометрическим двигателем. ”IEEE Trans.Магн., Т. 51, нет. 3 марта 2015 г.,
Ст. ID 8102705.
[12] C.-C. Хван, П.-Л. Ли, Ф. К. Чуанг, К.-Т. Лю, К.-Х. Хуанг,
«Оптимизация для уменьшения пульсаций крутящего момента в машине с постоянным осевым потоком
», IEEE Trans. Магн., Т. 45, нет. 3, pp. 1760–1763,
Mar. 2009.
[13] Дж. Квак, С. Мин и Ж.-П. Хонг, «Оптимальная конструкция статора внутреннего двигателя с постоянными магнитами
для уменьшения пульсации крутящего момента с использованием метода установки уровня
», IEEE Trans.Магн., Т. 46, нет. 6, pp. 2108–2111, Jun. 2010.
[14] Т. Лаббе, Б. Дехез, М. Маркович и Ю. Перриар, «Максимизация отношения крутящего момента к массе
в PMSM с использованием оптимизации топологии, ”В Proc. Int.
конф. Избрать. Mach., Рим, Италия, сентябрь 2010 г., стр. 1–5.
[15] Т. Дж. Миллер, Бесщеточные двигатели с постоянными магнитами: расширенная теория
и современные приложения. Токио, Япония: Sogo Electronics Press, 2003.
[16] С. А. Эванс, «Выраженные формы полюсных башмаков синхронных машин с внутренним постоянным магнитом
», в Proc.Int. Конф. Избрать. Mach., Рим, Италия,
сентябрь 2010 г., стр. 1–6.
[17] С. Гейр, А. Канова, Дж. Ф. Истхэм и Т. Бетцер, «Новый анализ 2D FEM
дисковой машины со смещенным ротором», в Proc. Int. Конф. Мощность
Электрон. Drives Energy Syst. Ind. Growth, vol. 1. 1995, стр. 617–621.
[18] Г. Цветковски, Л. Петковска, М. Цундев и С. Гейр, «Quasi 3D FEM
в функции анализа оптимизации дискового двигателя с постоянными магнитами», в Proc.
Внутр.Конф. Избрать. Mach., Т. 4. 2000, с. 1871–1875.
[19] Дж. Кили и М. Толикас, Конструкция двигателя с постоянным магнитом, мощностью 28 л.с., 47 000 об / мин.
Магнитный двигатель для кондиционирования воздуха на крыше. Бостон, Массачусетс,
США: SatCon Technology Corporation, 2004. [Online]. Доступно:
http://www.satcon.com/pdf/47000rpm.pdf, по состоянию на август 2004 г.
[20] А. Парвиайнен, «Проектирование низкоскоростных машин с осевым потоком на постоянных магнитах и Сравнение производительности радиальных и осевых машин
, ”Ph.Докторская диссертация, избранный отдел. Eng., Lappeenranta Univ.
Technol., Лаппеенранта, Финляндия, 2005.
Марьям Шокри родилась в Мешгиншехре, Иран, в 1987 году. Она получила степень бакалавра наук
. степень в области электротехники от Технологического университета Саханд-
огы, Тебриз, Иран, в 2009 году, и степень магистра наук. степень в области электротехники от
Исфаханского технологического университета, Исфахан, Иран, в 2012 году. В настоящее время она имеет
докторскую степень. степень в Университете Азарбайджана Шахида Мадани, Тебриз.
В настоящее время ее исследовательские интересы включают применение метода конечных элементов
для проектирования, моделирования и оптимизации машин с осевым потоком.
Наги Ростами родился в Ахаре, Иран, в 1984 году. Он получил степень бакалавра наук. степень
от Технологического университета Хадже Насира Туси, Тегеран, Иран, в 2006 г.,
степень магистра наук. степень от Тегеранского университета в Тегеране в 2008 году и докторскую степень
. Степень в Тебризском университете, Тебриз, Иран, в 2013 году, все в области электротехники
.
В настоящее время он является доцентом кафедры электротехники
Инженерное дело Тебризского университета. Работает в отрасли электрических машин.
Он хорошо разбирается в программном обеспечении с конечными элементами. Его текущие исследовательские интересы
включают электрические машины и приводы, а также электрические и гибридные транспортные средства.
Вахид Бехджат (M’10) родился в Тебризе, Иран, в 1980 году. Он получил
B.Sc. Степень от Тебризского университета в Тебризе в 2002 году и M.Sc. и
Ph.D. дипломы Иранского университета науки и технологий, Тегеран,
, Иран, в 2002 и 2010 годах, соответственно, все в области электротехники.
В настоящее время он является доцентом кафедры электротехнической инженерии, Азарбайджанский университет Шахида Мадани, Тебриз. Его текущие исследовательские интересы
включают диагностику и мониторинг состояния силовых трансформаторов
и электрических машин, а также применение методов конечных элементов
для проектирования, моделирования и оптимизации электрических машин.
Юха Пирхёнен (M’06) получил степень магистра наук. степень в области электротехники,
степень лиценциата наук (технических) и докторская степень. (Техническая) степень
Технологического университета Лаппеенранты, Лаппеенранта, Финляндия,
в 1982, 1989 и 1991 годах соответственно.
Он был руководителем кафедры электротехники с
с 1998 по 2006 год. Он был профессором электрических машин и приводов
с 1997 года. Он активно занимается исследованиями в области разработки электродвигателей
и электроприводов. .
Маджид Ростами родился в Ахаре, Иран, в 1995 году. В настоящее время он изучает
B.Sc. степень в области электротехники в Тебризском университете, Тебриз,
Иран.
Он хорошо разбирается в программировании с помощью MATLAB.
Разница между осевым и радиальным вентилятором
Что касается промышленных вентиляторов, у вас всегда будет выбор из нескольких вариантов. Но при выборе вентиляторов для различных отраслей, в том числе для шахт, заводов и коммерческих зданий, два наиболее популярных типа — осевые и радиальные.
Осевые и радиальные вентиляторы не только наиболее применимы в широком спектре отраслей, но и являются двумя наиболее распространенными типами вентиляторов, доступных сегодня на рынке.
Промышленные вентиляторы: понимание разницы между осевым и радиальным вентилятором
Итак, какой тип вентилятора — осевой или радиальный — лучше всего подходит для вашего применения? Ни то, ни другое — не плохой выбор, но бывают ситуации, когда одно следует предпочесть другому. Следовательно, выбор правильного типа вентилятора часто зависит от таких факторов, как объем воздуха, объем и даже тип лопастей.В этой статье мы подробно рассмотрим основы, ключевые отличия, а также преимущества и недостатки как осевых, так и радиальных вентиляторов.
Осевые вентиляторы
Если вы когда-либо жили в доме без кондиционера или спали на чердаке, где для создания комфортных условий требовалось немного больше циркуляции воздуха, переносной вентилятор, который вы установили для охлаждения помещения, скорее всего, будет осевым вентилятором.
Осевые вентиляторы получили свое название за принцип работы лопастей вентилятора: они вращаются вокруг оси и тем самым выталкивают воздух наружу параллельно оси.Пример, который мы использовали выше, распространен в домашних условиях и на небольших промышленных предприятиях. Однако осевые вентиляторы можно сделать намного больше, подходящими для заводов и подземных горных работ.
Осевые вентиляторы часто используются, когда требуется большой объем воздуха. Хотя осевые вентиляторы неплохо справляются с этой задачей, это воздух с довольно низким давлением и не очень концентрированный в определенной области.
Радиальные вентиляторы
Также известные как «центробежные вентиляторы», радиальные вентиляторы не тянут воздух параллельно оси, как это делают осевые вентиляторы.Вместо этого они перемещают воздух радиально от центра — отсюда и их название. Чтобы создать воздух, радиальные вентиляторы сначала втягивают его в вентилятор. Часто это делается через боковой воздухозаборник, который зависит от размера вентилятора.
Простым примером центробежного вентилятора является небольшой «нагнетательный» вентилятор, используемый в жилых и коммерческих помещениях для быстрой сушки влажных участков здания или участков, поврежденных водой.
Хотя объем таких вентиляторов обычно меньше, чем у осевых вентиляторов, давление намного выше.Они также могут лучше нацеливаться на конкретную область. Радиальные вентиляторы, используемые в тяжелой промышленности и горнодобывающей промышленности, обычно больше по размеру, они всасывают воздух через воздухозаборники, а затем пропускают его через ряд каналов, прежде чем он будет рассредоточен.
Центробежные вентиляторы могут также называться вентиляторами с короткозамкнутым ротором и вентиляторами с короткозамкнутым ротором из-за того, как они работают и как выглядят определенные модели.
Что лучше всего подходит для вашего приложения? Разница между осевыми и радиальными вентиляторами
Лучший способ решить, какой вентилятор подходит для вашего приложения, — это более внимательно изучить некоторые из ключевых сильных и слабых сторон каждого из них.
Давление
Когда мы говорим о давлении вентилятора, мы имеем в виду тип воздуха, который он создает в выбранной области. Осевые вентиляторы создают воздух низкого давления, так как конструкция таких вентиляторов позволяет этим устройствам распределять воздух в определенной области довольно равномерно.
Радиальные вентиляторы, наоборот, вырабатывают воздух под высоким давлением. Другими словами, они будут создавать постоянный поток воздуха, который можно использовать для нацеливания на концентрированную область.
Объем
Осевые вентиляторы распределяют большие объемы воздуха, но не воздуха под высоким давлением.Как указывалось ранее, это делает их идеальными для областей, где необходимо большое количество вытеснения воздуха.
Радиальные вентиляторы вырабатывают воздух под высоким давлением, но не в больших объемах.
Энергия
Как правило, любое устройство, состоящее из большего количества рабочих частей, будет потреблять большее количество энергии для работы. Это случай с радиальными вентиляторами, которые используют воздухозаборник для подачи воздуха в вентилятор, а затем центробежную силу, чтобы вытолкнуть его обратно.
Радиальные вентиляторы работают и распределяется под высоким давлением воздуха, поэтому они потребляют больше энергии.Осевые вентиляторы, наоборот, потребляют меньше энергии и обычно являются более экологичным вариантом в промышленных условиях.
Шум
Осевые вентиляторы более шумные, чем радиальные, что может быть фактором в определенных промышленных условиях.
Техническое обслуживание
Осевые вентиляторы обычно работают в условиях сильной турбулентности, что увеличивает износ устройства. Со временем это может привести к большему объему обслуживания или более ранней замене, чем радиальные вентиляторы.
Размер
Хотя многие производители будут производить вентиляторы по запросу потребителей, осевые вентиляторы более сложны и портативны, чем радиальные.Радиальные вентиляторы, которые устанавливаются в промышленных средах, обычно очень тяжелые, большие и всегда остаются на месте после установки.
Выбор между радиальным и осевым вентилятором
Понимание разницы между осевыми и радиальными вентиляторами имеет решающее значение для правильного выбора для вашей области применения. У каждого типа вентилятора есть свои достоинства и недостатки. Вы можете обнаружить, что комбинация каждого из них может лучше всего подойти для вашего приложения.
E86-P106-112_T26.indd
% PDF-1.3 % 1 0 объект >] / PageLabels 6 0 R / Pages 3 0 R / Type / Catalog / ViewerPreferences >>> эндобдж 2 0 obj > поток 2018-04-24T11: 02: 21 + 09: 002018-04-24T11: 02: 30 + 09: 002018-04-24T11: 02: 30 + 09: 00Adobe InDesign CC 2017 (Windows) uuid: 8528652a-5a04-4edb -82c0-994238935d82xmp.did: F87F117407206811958D90A86CA06A77xmp.id: 0a93d5cf-aa4e-d447-9b1b-3d333110f320proof: pdf1xmp.iid: 9ce0ffbb-13c9-ed45-ae74-1b394f288c2dxmp.did: ead98494-d64e-5a49-8fb3-c75ac8e63207xmp.did: F87F117407206811958D90A86CA06A77default