Ротор двигателя это: Ротор электродвигателя » Гиброид.ру

Содержание

Ротор электродвигателя » Гиброид.ру

Ротор электродвигателя — это подвижная часть, в машинах переменного тока его роль исполняет якорь. Электродвигатель – это машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Электрическая машина состоит из неподвижной и подвижной частей – статора и ротора. Ротор электродвигателя постоянного тока часто называют якорем.

Различают короткозамкнутые и фазные роторы. Фазные используются с обмоткой и применяются в тех случаях, когда необходимо уменьшить пусковой ток, а также регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. Такие двигатели раньше использовались в крановых установках, теперь же на смену фазным роторам пришли преобразователи частоты.

При включении машины в электрическую сеть в статоре возникает магнитное поле, которое пронизывает обмотку ротора, тем самым, наводя в ней ток индукции и приводя его во вращение. Если используется преобразователь частоты вращения, то часто вращение ротора устанавливается вручную.

Если же такое устройство не применяется, то частота вращения зависит от числа пар полюсов и частоты питающего напряжения. Разность между частотами вращения магнитного поля подвижной и неподвижной частей характеризуется скольжением. Если эти частоты не совпадают между собой, то двигатель называется асинхронным. Конструкция подвижной части синхронного двигателя отличается. Она выполнена либо с постоянным магнитом, либо с электромагнитом, который имеет в себе часть беличьей клетки для запуска. В синхронных двигателях частоты вращения магнитных полей статора и ротора совпадают.

Ротор асинхронного электродвигателя состоит из листов электромеханической стали, и может быть выполнен с контактными кольцами либо короткозамкнутым с беличьей клеткой. При короткозамкнутой конструкции обмотка состоит из металлических стержней (чаще всего бронза, медь или алюминий), которые располагаются в пазах и соединены на концах кольцами. Соединение колец осуществляется с помощью припоя или сварки. Если же стержни изготавливаются из алюминия или алюминиевых сплавов, то припой и сварку провести нельзя.

В таком случае необходимо выполнять кольца, вместе с расположенными на них лопастями, в виде литой детали или же штамповкой под давлением.

Ротор электродвигателя с контактными кольцами в пазах имеет трехфазную обмотку, которая очень похожа на обмотку статора, включенную в цепь соединением типа «Звезда». Начала фаз соединяются с контактными кольцами, которые закреплены на концах валов. Для регулирования частоты вращения и для плавного пуска двигателя можно к фазам обмотки через кольца и щетки подключить реостаты. После того, как подвижная часть двигателя успешно разгонится, контактные кольца накоротко замыкаются.

В шаговых электродвигателях ротор устанавливается с дискретным угловым перемещением. Заданное положение вала фиксируется с помощью подачи питания на соответствующую обмотку. Для того чтобы перейти в другое положение необходимо снять напряжение с одной обмотки и подать на другую. В вентильных электродвигателях питание обмоток осуществляется с помощью полупроводниковых элементов.

Ротор электродвигателя — что это?

В каждом аппарате, работающем от электрической энергии, используется такое устройство как электродвигатель, который состоит из статора – неподвижной части и ротора – подвижной. Далеко не каждому известно что такое ротор электродвигателя и какие его функции, поэтому, возникают ложные представления.


Состоит ротор из цилиндра, составленного из листов штампованной электротехнической стали, которые одеты на вал. По своей природе роторы бывают фазными и короткозамкнутыми. Фазные роторы имеют обмотку трёхфазного типа со схемой соединения «звезда» и вращающимися вместе с валом контактными кольцами. К данным кольцам с помощью определённых щёток возможно подключить:

  • дроссели для удержания токов ротора и стабилизации работы электродвигателя в моменты возможных перегрузок и падения оборотов;
  • источник постоянного тока;
  • пускорегулирующий реостат, для увеличения пускового момента с помощью снижения пускового тока;
  • инверторное питание, для управления моментных характеристик и оборотов двигателя.

Таким образом, фазные роторы снабжают асинхронные электродвигатели  рабочей стабильностью, позволяя использовать их в различных установках по типу мостовых кранов и других устройств, где не требуются широкая и плавна регулировка скорости электродвигателей большой мощности.

Короткозамкнутый ротор, имеющий обмотку с названием «беличье колесо» состоит из вставленных в сердечник стержней алюминиевого или медного происхождения и коротко замыкающих колец с торцевым лопастями. Для улучшения его пусковые характеристики на роторе выполняют паз специальной формы, создающий из-за своей неординарной относительно оси вращения структуры эффект вытеснения тока, вызывающего большие показатели сопротивлений, например, при пуске. Применяют такие роторы в двигателях асинхронного типа в приводах, которые не используют большие пусковые моменты, например, это могут быть водные насосы небольших мощностей без возможности регулировки рабочей скорости.

Среди всех преимуществ двигателей с короткозамкнутым ротором можно выделить:

  • практически одинаковая скорость с применением разных нагрузок;
  • допустимость больших рабочих перегрузок;
  • простота и удобство автоматизации пуска;
  • высокие показатели КПД;
  • конструктивная простота.

Как видим, хотя внешне и функционально роторы и имеют различия, влияющие существенно на область их применения, используются они в равных долях во всех сферах деятельности человека. Так, электродвигатели от Siemens изготавливаются с роторами и того и другого типа, что способствовало крупному внедрению этих агрегатов во многие производственные процессы.

Так же, кроме вышеперечисленных типов ротора стоит отметить и существование массивного ротора, состоящего из материала ферромагнитного происхождения, играющего роль магнитопровода и проводника одновременно. Быть может он не нашёл столь широкого применения как фазный ли короткозамкнутый, но имеет ряд преимуществ:

  • низкая себестоимость;
  • простота изготовления;
  • высокий пусковой момент;
  • высоких показатель механической прочности, что немаловажно в машинах работающих на высоких скоростях.
Электродвигатели

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Электромагнитные дефекты | Спектральная вибродиагностика

«Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам» 2012 г.

3.2. Дефекты оборудования уровня «механизм»

Анализируя сигналы с датчиков вибрации, установленных на опорных подшипниках электрических машин, можно выявить достаточно много специфических дефектов состояния, возникающих только в электродвигателях и генераторах различного типа.

Причиной повышенной вибрации электрических машин могут являться как различные внутренние электромагнитные дефекты электрических машин, так некоторые специфические особенности проявления электромагнитных процессов в обмотках и сердечниках, т. е. это просто может отражать особенности нормальной работы электродвигателей и генераторов во вращающихся агрегатах.

Применение вибрационных методов диагностики дефектов состояния электродвигателей и генераторов обычно является первым этапом в оценке их состояния. Так происходит потому, что они позволяют оперативно анализировать состояние оборудования непосредственно во время его работы, или как это принято называть в литературе, реализуют диагностику и мониторинг технического состояния в режиме «on-line».

После применения вибрационного анализа для диагностики дефектов в электрических машинах, и выявления основных характерных признаков существования того или иного дефекта, можно, а иногда даже необходимо, применять другие, специализированные и, естественно, более точные методы диагностики состояния электрических машин.

Очевидно, что описание этих методов выходит за рамки данной работы, и ознакомиться с ними можно, если обратиться к другой, более специализированной литературе. Частично, но все равно более широко, чем это обычно делается в «обычной» литературе по вибрационной диагностике, эти методы рассмотрены в данном разделе. Некоторые аспекты диагностики электротехнического оборудования приведены ниже, в соответствующем разделе.

При выборе дефектов, которые мы описываем в данном разделе, мы исходили из простого определения. Если дефект можно диагностировать при помощи установки датчиков вибрации на опорных подшипниках, то его описание включено в данный раздел. Если же для диагностики необходимо устанавливать датчики вибрации в других точках контролируемой электрической машины, то описание диагностики таких дефектов вынесено в особый раздел данного методического руководства.

Обычные, достаточно широко распространенные причины повышенной вибрации электрических машин «не электромагнитного характера», такие как небаланс, проблемы подшипников, наличие изогнутого вала, и т. д. в данном разделе методического руководства никак не рассматриваются. По вопросам диагностики этих дефектов в двигателях и генераторах вибрационными методами следует обращаться к соответствующим разделам данного руководства.

Для проведения диагностики различных электромагнитных дефектов в электрических машинах необходимо использовать измерительное оборудование, имеющее достаточно высокие эксплуатационные параметры. Не все приборы, хорошо подходящие для диагностики дефектов механической природы возникновения, такие как небаланс, расцентровка, и т. д., могут быть использованы для анализа технического состояния электрических машин переменного тока.

Для успешной диагностики различных электромагнитных проблем в электрических двигателях и генераторах необходим анализатор спектров вибросигналов с очень высокой разрешающей способностью, с числом спектральных линий, не меньшем, чем 3200, а желательно и лучше. Кроме того, такой прибор должен иметь возможность проводить регистрацию вибрационных сигналов в течение достаточно длительного интервала времени, не менее 10 — 20 секунд. Это необходимо делать для эффективного разделения проблем механической и электромагнитной природы возникновения, что возможно сделать только в момент отключения контролируемого агрегата от питающей сети.

Измерение вибрации на подшипниках электродвигателей и генераторов нужно всегда проводить в трех направлениях — вертикальном, поперечном и осевом, иначе потом будет невозможно провести полную диагностику состояния. Идеальным является синхронная регистрация (не путать с синхронизированной регистрацией, которая гораздо менее эффективна) сразу шести вибросигналов с двух подшипников электрической машины. Обычно это повышает достоверность диагнозов дополнительно не менее чем на 10 %.

3.2.6.1. Описание физических процессов в электрических машинах

Вопросами диагностики текущего технического состояния и поиска дефектов в электрических машинах обычно занимаются специальные электротехнические службы, знакомые с особенностями физических процессов в двигателях и генераторах. Для тех, кто раньше не был практически связан с процедурой оценки состояния электротехнического оборудования, необходимо обязательно ознакомиться со специальной литературой, описывающей основные особенности его работы.

Дело в том, что существует несколько типов электрических машин, процессы в которых значительно отличаются друг от друга. Кроме того, в каждом типе электрических машин существует несколько специфических особенностей, не зная которые очень сложно проводить корректную оценку их технического состояния.

В самом начале данного раздела, на первом этапе описаний, кратко вспомним некоторые основные определения и понятия из минимального, по объему, курса электрических машин. Сделаем это для простоты объяснения причин возникновения вибрации в электрических машинах, а так же для того, чтобы не загромождать эти объяснения в дальнейшем, Знание этих основополагающих понятий совершенно необходимо для проведения корректного диагностирования дефектов электрических машин, для правильного толкования спектрального состава регистрируемых вибрационных сигналов.

По принципу действия различают три основных типа широко применяемых электрических машин:

  • Синхронные машины переменного тока, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре. Эти машины могут работать в режимах двигателя и генератора, в практике встречаются и те, и другие.
  • Асинхронные машины переменного тока, в которых ротор вращается несколько медленнее. Величина отставания ротора от статора составляет несколько процентов, и характеризуется термином «скольжение». Теоретически также могут работать в режимах двигателя и генератора, но на практике встречаются практически одни двигатели.
  • Машины постоянного тока. Это также обратимые электрические машины, допускающие двигательный и генераторный режимы работы. На практике встречаются и те, и другие исполнения машин постоянного тока.

В данном разделе методического руководства будут рассмотрены основные способы диагностики состояния и поиска дефектов состояния электрических машин переменного тока, синхронных и асинхронных, как наиболее распространенных в промышленности и в быту. Электромагнитные проблемы машин постоянного тока очень сложно поддаются диагностике, в основе которой лежит анализ вибрационных сигналов с опорных подшипников, поэтому рассматриваться здесь не будут.

Синхронные и асинхронные машины являются по своему принципу действия обратимыми, т. е. могут работать в как режиме двигателя, так и в режиме генератора. В дальнейшем диагностика дефектов статоров синхронных и асинхронных машин, двигателей и генераторов, не будет подразделяться, т. к. они имеют одинаковые по конструкции статоры. Синхронные машины отличаются от асинхронных только конструкцией ротора, что найдет отражение в специальном подразделе, где будут описаны наиболее часто встречающиеся дефекты короткозамкнутых роторов.

Очень важно уже на самом первом этапе диагностики, заранее, определиться с диапазоном численных значений частоты вращения ротора и электромагнитного поля в зазоре. Для этого необходимо знать оборотную частоту вращения электромагнитного поля статора и оборотную частоту вращения ротора электрической машины переменного тока. Именно они определяют требования к приборам вибрационного контроля.

Максимальная частота вращения ротора электрической машины переменного тока определяется в размерности «обороты в минуту». В иностранной литературе широко используется термин RPM, что является сокращением стандартного параметра «Rotation Per Minute», т. е. те же «обороты в минуту». Эта максимальная частота вращения также является и номинальной, так как в нормальных условиях частота вращения машины переменного тока редко регулируется, а если и регулируется, то практически всегда с использованием преобразователей частоты.

Частота вращения ротора численно равна произведению частоты питающей сети, измеряемой в [Гц], умноженной на переводной коэффициент, равный 60 (количество секунд в одной минуте). В России принят стандарт частоты питающей сети в 50 Гц. Поэтому максимально возможная частота вращения роторов двигателей и генераторов переменного тока составляет 3000 об/мин. При частоте питающей сети в 60 Гц, что являющейся стандартной в Америке и в Японии, максимальная частота вращения ротора машины переменного тока составит 3600 об/мин.

В зависимости от особенностей конструкции статоров машин переменного тока частота вращения электромагнитного поля в зазоре может изменяться. Для определения этой частоты формула определения частоты вращения поля должна быть дополнена еще одним сомножителем «Р», находящимся в знаменателе:

N0 = 60 * F1 / P

Таким образом, частота вращения электромагнитного поля в зазоре электрической машины N0 равняется частному от деления максимальной частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на число «пар полюсов статора – Р». Это конструктивный параметр обмотки статора, и он может принимать только целые значения, равные 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. При этом частота вращения поля в зазоре электрической машины будет равна соответственно 3000 об/мин, 1500, 1000, 750, 600 и т. д.

При числе пар полюсов, отличном от единицы, частота вращения поля в зазоре электрической машины отлична от частоты питающей сети, причем в меньшую сторону от стандартных 3000 об/мин. Это очень важно учитывать при первой диагностике состояния «мало знакомых» электрических машин по спектрам вибросигналов.

В синхронных электрических машинах переменного тока частота вращения ротора всегда совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре. Именно поэтому такие машины называются синхронными. Такие электрические машины имеют достаточно большую мощность, что связано с особенностями их конструкции. Можно смело утверждать, что «встретить» синхронную машину с мощностью менее 1000 кВт на практике очень сложно. Их мало, но они имеют большую единичную мощность, генераторы достигают мощностей до 800 МВт и более.

В асинхронных машинах переменного тока частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на небольшую величину, ротор отстает от электромагнитного поля. Это отставание обычно называется скольжением «s» и измеряется в долях от единицы или в процентах. Имеющаяся небольшая разница в частотах вращения поля и ротора называется частотой скольжения ротора, которая измеряется в герцах или в процентах. В диагностике дефектов ротора асинхронного двигателя эта частота имеет большое значение.

Стандартный ряд рабочих частот вращения роторов асинхронных двигателей, в зависимости от числа пар полюсов обмотки статора, можно примерно представить в виде последовательности чисел — 2900 об/мин, 1450 об/мин, 970 об/мин.

Из этого ряда» хорошо видно, что частота вращения ротора асинхронной электрической машины всегда отстает от частоты вращения электромагнитного поля в зазоре электрической машины. Для сравнения напомним, что в синхронных машинах переменного тока, где частота вращения ротора совпадает с частотой вращения поля в зазоре,  этот ряд рабочих частот вращения электрических машин составляет 3000, 1500, 1000 об/мин.

Отдельно необходимо остановиться на термине, который практические диагносты достаточно широко используют на практике, но, может быть, не совсем корректно понимают его смысл. В самом общем случае этот термин звучит примерно как «электромагнитные вибрации и электромагнитные гармоники в спектре вибрационного сигнала».

В электрических машинах переменного тока возможно возникновение специфических вибраций двух типов. Конечно, реальных причин повышения вибрации в электродвигателях и генераторах может быть гораздо больше, но при измерении вибрационных сигналов на опорных подшипниках реально зарегистрировать можно только «отклики» от этих двух причин. В другом разделе нашего руководства мы частично затронем некоторые другие аспекты вибрационной диагностики состояния электротехнической составляющей электрических машин, здесь же мы рассмотрим только способы диагностики возможных «механических дефектов» электрических машин.

Для начала дадим определение основным электромагнитным вибрациям, которые можно зарегистрировать на опорных подшипниках синхронных и асинхронных электрических машин. Как мы уже говорили, они могут возникать по нескольким причинам.

Во-первых, это электромагнитные вибрации ферромагнитных сердечников и стальных конструктивных элементов электротехнического оборудования, по которым во время работы оборудования протекает переменный магнитный поток.

Эти вибрации возникают за счет специфического процесса, который в литературе называется магнитострикцией. Этот эффект обусловлен тем, что при перемагничивании ферромагнитных материалов сердечника происходит изменение внутренней ориентации элементарных намагниченных частиц, доменов. При каждом перемагничивании сердечника происходит поворот доменов на 180 градусов, что в итоге и приводит к небольшому «линейному расширению» ферромагнитного материала. Чем больше величина магнитного потока в сердечнике, тем больше размеры элементарных доменов в ферромагнитном сердечнике, и тем больше будут вибрации сердечника электрической машины.

Поскольку перемагничивание сердечника магнитным потоком происходит дважды за один период питающей сети, то и частота вибрации, обусловленная эффектом магнитострикции, равняется удвоенной частоте питающей сети, т. е. она равняется 100 Гц. Мы обращаем дополнительное внимание читателя на то, что вне зависимости от оборотной частоты вращения ротора электрической машины, частота вибрации сердечника (пакета стали статора) всегда равняется 100 Гц.

Если оборотная частота ротора равняется 50 Гц, то гармоника электромагнитной вибрации располагается на спектре «в том месте», где может находиться вторая гармоника оборотной частоты. Если же оборотная частота ротора равняется, например, 25 Гц, то гармоника электромагнитной вибрации на спектре будет располагаться на месте четвертой гармоники оборотной частоты. Этими двумя простыми примерами мы еще раз подчеркнули, что электромагнитная гармоника не связана с частотой вращения ротора электрической машины, а зависит только от частоты питающей сети.

Во-вторых, вибрации в электрической машине вызываются специфическими электродинамическими силами, которые в литературе принято называть «амперовыми силами», т. к. их величина определяется по закону Ампера. Смысл закона Ампера звучит следующим образом – на два проводника с током действует сила взаимного притяжения, пропорциональная квадрату протекающего по проводникам тока, и обратно пропорциональная расстоянию между проводниками. Если направление тока в обоих проводниках одинаковое, то проводники притягиваются друг к другу. Если токи в параллельных проводниках текут в разные стороны, то проводники отталкиваются друг от друга.

Самое важное для нас в этом законе заключается в том, что в числителе стоит произведение токов в проводниках, т. е. квадрат тока промышленной частоты. Из тригонометрии следует известное соотношение, гласящее, что квадрат синусоидального сигнала есть другой гармонический сигнал, но имеющий удвоенную частоту. Таким образом, мы аналогично получаем, что сила электродинамического воздействия между двумя проводниками с синусоидальными токами промышленной частоты имеет удвоенную частоту, относительно частоты питающей сети.

Таким образом, мы определили, что вибрации электрической машины, не вызванные механическими проблемами, имеют удвоенную частоту относительно частоты питающей сети, т. е. равную 100 Гц. Это определение относится как к электромагнитным причинам повышенной вибрации, возникающим в сердечниках электрических машин силами магнитострикции, так и к электродинамическим силам взаимодействия проводников друг с другом, возникающим при протекании токов по обмоткам электрической машины.

Все это можно сказать несколько иначе. Основная, или, говоря терминами, принятыми в вибрационной диагностике, оборотная частота электромагнитных сил и вибраций в электрической машине равна удвоенной частоте питающей сети. Это совершенно отдельная сила, не связанная с частотой вращения ротора, что может быть легко выяснено при помощи средств кепстрального анализа. Она просто имеет частоту, равную удвоенной частоте питающей сети. Гармоники основной частоты этой силы имеют значения 200 Гц, 300, 400 и т. д. В чистом виде эта сила очень явно проявляется в статическом электрооборудовании. Примером этого является трансформатор, в котором гармоника вибрации с частотой питающей сети в 50 Гц практически отсутствует, а максимальное значение имеет гармоника вибрации с частотой 100 Гц.

Есть еще и третья (по порядку нашего повествования, а не по порядковому номеру в спектре) гармоника вибрации, имеющая электромагнитную природу возникновения. Она называется зубцово – пазовой гармоникой. Она не всегда столь значительна, как первые две, но сказать о ней все равно нужно.

Зубцово – пазовая гармоника вызывается особенностями конструктивного исполнения электрической машины переменного тока. У нее на статоре и на роторе обмотка всегда укладывается в пазах. При вращении ротора в зазоре статора возникает периодическое чередование ферромагнитных зубцов и пазов на статоре и роторе. Это приводит к модуляции магнитного потока в зазоре частотой, связанной с количеством пазов на роторе и статоре электрической машины.

При разработке электрических машин принимаются все меры, чтобы исключить влияние зубцово — пазовой структуры на работу машины. На статоре и роторе всегда различное число пазов, на роторе применяется «скос» пазов, когда ось паза идет не вдоль оси ротора, а как бы немного закручена вокруг оси и т. д. Тем не менее, существуют типы электрических машин, в которых «пазовая» гармоника оборотной частоты ротора является явно выраженной на спектре.

Необходимо хорошо понимать, что все эти три гармоники в спектре вибросигнала, имеющие электромагнитную природу возникновения, не всегда являются признаками наличия дефектов в контролируемой электрической машине, они практически всегда сопровождают ее работу. Признаком наличия дефекта обычно является увеличение амплитуд электромагнитных гармоник выше некоторого уровня, являющегося порогом нормального состояния оборудования.

Основной признак того, что анализируемая гармоника в спектре сигнала вибрации имеет электромагнитную причину возникновения — мгновенное исчезновение этой гармоники сразу после отключения электрической машины от сети.

Очень важным является то, что диагностика причин повышенной вибрации электрических машин должна проводиться при возможно большей нагрузке двигателя. Если исследования будут проводиться на холостом ходу, или же при небольшой нагрузке, то диагностика дефектов будет затруднена.  

3.2.6.2. Сводка электромагнитных проблем ротора и статора

Приведем краткую сводку по электромагнитным проблемам электрических машин, которые можно эффективно диагностировать по спектрам вибросигналов. Здесь же приведем все характерные признаки каждого вида дефекта.

Для описания дефектов здесь и далее будем использовать термины:

F1 — частота питающей сети, в России равна 50 Гц.

FЭМ — частота электромагнитных сил в электрических машинах, равна удвоенной частоте сети, в России 100 Гц.

N0 — частота вращения поля в зазоре электрической машины, численно равна частному от деления 3000 на число пар полюсов Р, которое может принимать целые значения от единицы и более (об/мин).

F0 — частота электромагнитного поля в зазоре, Гц.

FP — собственная частота вращения ротора электрической машины. Для синхронных машин она равна частоте вращения поля. Для асинхронных машин она меньше на величину скольжения ротора.

FP = F0 (1 — s)

s - скольжение ротора относительно электромагнитного поля в асинхронных машинах, безразмерная величина, численно равняется разнице между частотой вращения поля в зазоре и частотой вращения ротора, отнесенной к частоте вращения поля в зазоре

s = (N0FP) / N0

FП — зубцово — пазовая частота вибрации, численно равная произведению числа пазов (на роторе или статоре) на частоту электромагнитного поля в зазоре. Может быть повышенной относительно статора, относительно ротора, может быть разностная или суммарная частота биений пазовых частот ротора и статора.

Наиболее важные проблемы статора, которые можно диагностировать на основе анализа вибрационных сигналов:

  • Ослабление прессовки пакета стали, обрыв или замыкание стержней, витков, или даже секций в обмотке статора. Соответствующие вибрации проявляются на частоте действия электромагнитных сил FЭМ, равной удвоенной частоте питающей сети. Особое внимание при диагностике такого дефекта следует уделять наличию дробных гармоник электромагнитной частоты — 1/2, 3/2, 5/2 и т. д. от основной частоты. По значению частоты эти гармоники соответствуют основной и нечетным гармоникам питающей сети. Появление этих гармоник в спектре вибрационного сигнала говорит об опасной степени развития дефекта, о необходимости оперативного принятия соответствующих мер.  
  • Эксцентриситет, эллипсность внутренней расточки статора относительно оси вращения ротора. Возникает обычно как дефект монтажа подшипниковых стоек, дефект состояния подшипниковых щитов или при общей деформации корпусных элементов самого статора. В вибрации проявляется на частоте вращения поля в зазоре, а также и на частоте действия электромагнитных сил в электрической машине, равной 100 Гц. Иногда сопровождается появлением боковых гармоник вблизи частоты 100 Гц. Дефект обычно сопровождается неравенством вертикальной и поперечной составляющих соответствующих гармоник. Пространственный максимум гармоник соответствует направлению эксцентриситета смещения оси статора. Наиболее просто направление смещения оси статора относительно оси ротора диагностируется при снятии «розы вибраций», когда датчик последовательно перемещается по огибающей вокруг подшипника со смещением при каждом измерении на угол 30 — 45  градусов.
  • Неправильный взаимный осевой монтаж активных пакетов ротора и статора. Иногда для данного дефекта используется термин: «неправильная установка электромагнитных осевых разбегов». При работе электрической машины, в результате сил магнитного притяжения, пакет ротора всегда стремится к положению точно под пакетом статора.

Если этому стремлению будут препятствовать неправильно смонтированные в осевом направлении подшипники, то в них будут возникать компенсирующие осевые усилия, которые и вызовут осевые вибрации подшипников. Подшипники достаточно быстро нагреются и выйдут из строя. Иногда ротор двигателя «утягивается» в осевом направлении валом механизма, что возможно при неправильном осевом монтаже приводного механизма, сопровождающемся малой осевой подвижностью в соединительной муфте.

Основные проблемы ротора, диагностируемые по вибрации:

  • Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительно оси его вращения. На спектре вибросигнала этот дефект проявляется в усилении первой гармоники частоты вращения ротора. Усиливается частота действия электромагнитной силы, вокруг которой иногда появляются боковые гармоники, сдвинутые друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов.
  • Обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах «беличьей клетки» в асинхронном двигателе. Обычно проявляется на спектре вибрационного сигнала вблизи частоты вращения вала ротора. Кроме того, этот дефект всегда сопровождается появлением вблизи основной гармоники частоты вращения ротора боковых гармоник, сдвинутых относительно гармоники частоты вращения ротора на интервал, равный произведению частоты скольжения на число полюсов двигателя. Очевидно, что этот дефект присущ только асинхронным двигателям, а в синхронных машинах он никак не проявляется.
  • Ослабление прессовки всего пакета стали ротора или только в области зубцов. Сопровождается усилением второй гармоники питающей сети или, при ослаблении стали в области зубцов, появлением пазовой частоты ротора с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту, равную двойной питающей частоте. Такой дефект на практике диагностируется достаточно сложно, так как его спектральные признаки напоминают признаки других дефектов, и проявляются не очень сильно, чаще всего неявно.

3.2.6.3. Диагностика электромагнитных проблем статора

При всех проблемах статора синхронной или асинхронной электрической машины, имеющих в своей основе первопричину электромагнитной природы, в спектре вибросигнала возникает весьма специфическая картина. В основном она сопровождается возникновением высокой амплитуды основной гармоники на частоте электромагнитных процессов FЭМ. Как уже неоднократно говорилось выше, ее частота равна удвоенной частоте питающей сети, т. е. всегда равняется 100 Гц. Еще раз напоминаем, что эта частота никак не связана с оборотной частотой вращения ротора.

Этот эффект достаточно хорошо объясняется с точки зрения физики происходящих в стали статора процессов. Силы взаимного притяжения, действующие между «распрессоваными» листами электротехнического железа или элементами крепления пакета стали, имеют максимум амплитуды дважды за один период изменения питающей сети — во время абсолютного минимума и максимума магнитного потока. Чем сильнее будет распрессован пакет статора электрической машины, тем большую амплитуду в спектре будет иметь основная электромагнитная гармоника.

Аналогично выглядит картина взаимодействия между элементами обмотки статора. Математически это объясняется тем, что электромагнитные силы пропорциональны квадрату тока или магнитного потока. Поскольку и тот и другой синусоидальны, то их произведение также пропорционально синусоиде, но изменяющейся уже с удвоенной частотой, относительно исходной частоты питающей сети.

На спектре вибрационного сигнала, приведенном на рисунке 3.2.6.1., картина появления электромагнитных проблем в статоре выражается в усилении пика на электромагнитной частоте. При значительных дефектах в стали могут появиться и вторая (200 Гц) гармоника электромагнитной частоты FЭМ, и даже третья (300 Гц).

Кроме того, в спектре может появиться также целый ряд дробных гармоник, имеющих кратность 1/2 от электромагнитной гармоники. В данной ситуации, по своей частоте, эти гармоники будут численно соответствовать нечетным целым гармоникам частоты питающей сети. Такое совпадение двух семейств гармоник усложняет их разделение частоте, требуя большей внимательности и применения дополнительных диагностических средств.

Очень важно хорошо понимать и помнить основное различие синхронных и асинхронных электрических машин, значительно влияющих на диагностику дефектов по спектрам вибрационных сигналов.

Гармоники вибрации от электромагнитных процессов в статоре синхронной машины, по своей физической природе, являются синхронными относительно частоты вращения ротора. В асинхронном двигателе эти же семейства гармоник являются несинхронными, т. к. частота вращения ротора и частота питающей сети не кратны между собой, а различаются между собой пропорционально частоте скольжения. В данном определении под коэффициентом кратности соотношений частот мы понимаем влияние числа пар полюсов обмотки, уложенной в пазах статора.

Ослабление прессовки активного железа статора в электрической машине обуславливается, в основном, двумя часто встречающимися причинами — или общим ослаблением элементов крепления железа статора, или же явлением «отслоения» крайних листов и пакетов стали.

При этих локализациях дефекта железа статора важную роль начинает играть место установки вибродатчика. Чем ближе он устанавливается к дефектному месту пакета статора, чем короче будет путь прохождения «полезного» вибрационного сигнала, тем более корректно можно будет проводить диагностирование и, достаточно часто, удается даже локализовать место проявления дефекта. Наиболее эффективно датчик вибрации устанавливать не на опорных подшипниках ротора, а непосредственно на корпусе сердечника статора, а еще лучше и на самом пакете активной стали.

Аналогично обстоит дело и с особенностями проявления в спектрах вибросигналов различных дефектов обмоток статора, но поиск их и локализация происходят гораздо сложнее. Более подробно мы рассмотрим этот вопрос в другом разделе данного руководства, однако основные требования к месту установки датчика вибрации останутся прежними – как можно ближе к возможному месту возникновения предполагаемого дефекта пакета или обмотки статора.

Самое главное, что нужно помнить при диагностике дефектов, что различить тип диагностируемого в статоре электрической машины дефекта, имеет — ли он «чисто электрическую природу возникновения», или же он обусловлен одними «магнитными проблемами», методами спектральной вибрационной диагностики практически невозможно. Единственный, достаточно корректный признак наличия короткозамкнутого витка в обмотке статора (электрическая причина возникновения повышенных вибраций) — наличие боковой гармоники вблизи частоты 100 Гц, и ее чаще всего обнаружить не удается. В большинстве практических случаев необходимо применение более специализированных методов диагностики состояния электрических машин.

3.2.6.4. Проблемы эксцентричности пакета статора

Эксцентриситет статора возникает чаще всего как дефект изготовления «шихтованного» пакета стали статора, или как дефект монтажа статора. Очень высока вероятность возникновения эксцентриситета статора в процессе монтажа электрической машины, особенно, если статор и подшипниковые опоры монтируются раздельно. Данный дефект статора может возникнуть в результате ослабления фундамента или как итог тепловых и иных деформаций в агрегате и фундаменте.

Для примера на рисунке 3.2.6.2. приведен спектр вибросигнала, зарегистрированного на подшипнике асинхронного двигателя, имеющего номинальную  частоту вращения ротора,  равную  n0 = 1480 об/мин. Этот спектр соответствует наличию в электрической машине достаточно развитого дефекта типа «эксцентриситет статора».

Эксцентриситет статора приводит, с точки зрения физики протекания электромагнитных процессов, к периодическому изменению магнитной проводимости воздушного зазора, к ее пульсации, или, говоря иными словами, к ее модуляции. Эта пульсация  происходит с удвоенной частотой сети, т. е. с частотой воздействия электромагнитных сил.

Удвоение частоты пульсации относительно питающей сети возникает из — за того, что мимо зоны окружности статора, где произошло изменение величины зазора, поочередно проходят и северный, и южный полюса электромагнитного поля, вращающегося в зазоре электрической машины. Удвоенные пульсации магнитной проводимости приводят к такой же пульсации магнитного потока и, как результат, к пульсации электромагнитной силы и вибрации с частотой 100 Гц.

Дополнительно несколько возрастает амплитуда гармоники на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре. Это позволяет в асинхронных двигателях хорошо дифференцировать эксцентричность статора от эксцентричности ротора, где вибрация идет с частотой вращения ротора. Для выявления этого различия необходимо наличие спектроанализатора с хорошим разрешением.

Для разделения эксцентриситетов статора и ротора в синхронной машине между собой, при диагностике следует помнить, что эксцентриситет статора неподвижен в пространстве и различен по амплитуде вибрации в направлениях измерения вибрации. Благодаря такой локализации эксцентриситет статора приводит к возникновению направленной в пространстве вибрации. Это можно выявить при помощи последовательного перемещения вибродатчика по контролируемому подшипнику «вокруг вала». Эксцентриситет же ротора всегда «вращается» вместе с ротором, поэтому он не имеет стационарного максимума при определенном значении угла установки датчика. При эксцентриситете статора такой максимум явно выражен.

Для исключения проявления эксцентриситета в вибрации электрических машин необходимо, чтобы воздушный зазор между статором и ротором должен быть неизменным по окружности. Обязательно должно соблюдаться требование к качеству взаимного монтажа статора и ротора, что различие в величине воздушного зазора вдоль окружности не должно превышать значение в 5% для асинхронных двигателей и генераторов, и не превышать 10 % для синхронных двигателей. Значение этого параметра жестко контролируется при помощи специальных щупов при монтаже электрической машины. Такая процедура измерения должна производиться при нескольких взаимных положениях ротора и статора.

3.2.6.5. Эксцентричный ротор

Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации асинхронных электрических машин. У синхронных электрических машин переменного тока этот дефект менее заметен из-за больших рабочих зазоров.

При наличии эксцентриситета ротора в характере распределения электромагнитного поля в зазоре двигателя возникает ряд особенностей. Плотность электромагнитного поля вдоль окружности зазора изменяется вместе с поворотом ротора. Это приводит, из-за переменного зазора, к неравномерности тягового усилия двигателя. При совпадении оси поля статора с зоной увеличенного зазора тяговое усилие несколько уменьшается, при этом возрастает величина частоты скольжения. При смещении оси поля в зону меньшего зазора тяговое усилие растет, частота скольжения падает. При числе пар полюсов статора, большем единицы, такой процесс повторяется «Р» раз.

Если бы мы имели очень чувствительные приборы для измерения частоты вращения ротора, то мы бы обнаружили следующее. В интервале перемещения ротора от зоны, с увеличенным зазором в сторону зоны, с уменьшенным зазором, ротор бы ускорился в своей частоте вращения на небольшое значение. На интервале перехода ротора обратно, к зоне с увеличенным зазором, ротор бы замедлился на то же значение. Конечно, таких приборов у нас нет, но это видно на спектре с большой разрешающей способностью, где появляются признаки таких изменений скорости.

На спектре вибросигнала, показанном на рисунке 3. 2.6.3., вокруг основной частоты вращения ротора, должны появиться симметрично расположенные боковые пики, гармоники, напоминающие зубцы короны. Симметрия пиков относительно основной частоты достаточно хорошо понятна — это следствие «мини ускорений и мини замедлений» частоты вращения ротора вокруг своего среднего значения. Аналогичные зубцы, даже еще большей интенсивности, появляются и вокруг пика электромагнитной силы, на частоте, равной второй гармонике питающей сети.

Необходимо пояснить причины проявления эксцентричности ротора на этой частоте.

Вращение эксцентричного ротора модулирует проводимость зазора с удвоенной частотой. При числе пар полюсов, равном единице частота вращения поля равна 50 Гц, удвоенная частота сети, частота электромагнитной вибрации равна 100 Гц. Эксцентричность ротора приводит к модуляции электромагнитной силы. При уменьшении числа пар полюсов частота вращения поля в зазоре уменьшится в Р раз. Переменный зазор ротора за один свой оборот будет модулировать электромагнитную силу 2 х Р раз больше частоты своего вращения, что как раз и соответствует частоте электромагнитной силы.

Эксцентричный ротор генерирует вокруг FP и вокруг FЭМ семейства гармоник, представляющих из себя пики, сдвинутые на одинаковый шаг по частоте. Сдвиг между этими гармониками равен произведению частоты скольжения на число полюсов обмотки статора

DF = FS * 2 * P

Причина такого шага между зубцами на спектре по частоте достаточно корректно объясняется. Частота скольжения есть разностная частота биений между частотой вращения поля и частотой вращения ротора. В течении одного оборота эксцентриситет ротора влияет «2 х Р» раз на тяговое усилие двигателя, которое связано с частотой скольжения ротора. Сама частота скольжения FS иногда видна на спектре, на начальном участке, на самой низкой частоте. Она проявляется обычно в диапазоне от 0,3 до 2,0 Гц. Для ее регистрации нужен низкочастотный датчик.

Необходимо помнить, что во временном сигнале эксцентриситет ротора проявляется в виде пульсирующей вибрации, средняя частота которой располагается в диапазоне частот (или вблизи него) между FЭМ и гармоникой оборотной частоты ротора, по частоте чуть меньшей, чем у электромагнитной силы (порядковый номер этой гармоники ротора равен удвоенному числу пар полюсов статора). Разделить эти гармоники на спектре можно только при высоком частотном разрешении используемого анализатора вибрационных сигналов.

Эксцентричность ротора обычно проявляется и в вертикальной, и в поперечной проекции вибрации. Иногда ее удается обнаружить даже и в осевой проекции. Так бывает при наличии эксцентричности ротора не по всей его длине, а только в районе одного, если смотреть вдоль оси ротора, края пакета электротехнической стали.

Эксцентричность ротора часто носит нестационарный характер, когда в спектре работающего двигателя имеется характерная картина, а практические измерения зазора не подтверждают диагноз. Причина здесь обычно в термических процессах, когда по тем или иным причинам ротор несимметрично нагревается, изгибается и дает картину эксцентриситета.

После останова двигателя, в процессе его разборки для измерения зазора, температуры быстро выравниваются и диагноз не подтверждается. Часто так бывает при обрывах стержней или «частичных задеваниях» ротора об неподвижные элементы, когда ротор так же начинает односторонне нагреваться.

3.2.6.6. Неправильный осевой монтаж двигателя

Принцип действия всех электрических машин переменного тока примерно одинаков - вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем ротора (синхронные машины) или с роторными проводниками с током (асинхронные машины).

Простейший аналог, характеризующий работу синхронной электрической машины переменного тока – притяжение двух постоянных магнитов, из которых один есть вращающееся магнитное поле статора, а второй жестко зафиксирован на роторе. В асинхронной машине переменного тока все выглядит немного иначе – вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой проводники с током, которыми являются стержни короткозамкнутой клетки ротора.

В синхронном электродвигателе машине энергия подается одновременно в ротор от источника постоянного тока, и в статор из питающей промышленной сети. В асинхронном электродвигателе внешняя энергия подается только из питающей сети в статор, поэтому для работы двигателя часть энергии должна быть передана (трансформирована) через зазор во вращающийся ротор. Только в этом случае возникает электромагнитное взаимодействие между полями ротора и статора. Наличие передачи энергии через зазор объясняет необходимость максимального уменьшения воздушного зазора в асинхронных машинах, а так же их большую чувствительность этого типа электрических машин к нелинейности величины зазора между ротором и статором.

Сила взаимного притяжения между ротором и статором является векторной величиной и состоит из трех составляющих — радиальной составляющей, касательной, полезной, и осевой. Касательная составляющая электромагнитной силы в зазоре является полезной, т. к. именно она создает вращающий момент. Радиальная составляющая есть сила притяжения ротора к статору и при постоянстве величины воздушного зазора эти силы, диаметрально противоположно, взаимно компенсируются.

Рассмотрим чуть подробнее осевую составляющую сил взаимного притяжения в зазоре электрической машины. Если магнитные сердечники ротора и статора в осевом направлении расположены непосредственно друг против друга, то и суммарная осевая составляющая силы электромагнитного притяжения ротора и статора равна нулю. Иначе будет происходить в том случае, когда произойдет взаимное осевое смещении сердечников ротора и статора. При этом итоговая осевая сила не будет равна нулю, она будет стремиться вернуть ротор в исходное нейтральное положение. Чем больше будет величина осевого смещения, тем больше будет величина осевого усилия, втягивающего ротор внутрь статора.

Величина допустимого свободного осевого перемещения ротора относительно статора определяется особенностями монтажа опорных подшипников ротора. Она максимальна при использовании подшипников скольжения, и минимальна при использовании подшипников качения, особенно радиально – упорного типа.

Если осевая подвижность ротора достаточна для перемещения его в нейтральное положение, то проблем с увеличением вибраций не будет. Если же возникнет препятствие к такому осевому перемещению, то на нем возникнет значительная осевая вибрация. Частота этой вибрации, как это показано на рисунке 3.2.8.4., обычно равняется частоте электромагнитных сил. Иногда гармоники вибрации возникают и частоте вращения ротора, это зависит от состояния поверхностей в месте препятствии к осевому смещению. Наиболее часто такая проблема возникает у асинхронных электродвигателей с подшипниками качения, осевая подвижность которых почти нулевая.

Осевая вибрация в электродвигателях, оборудованных подшипниками качения, обычно возникает при следующих основных причинах:

  • При осевом смещении магнитных пакетов статора и ротора, обусловленном особенностями их взаимного первичного монтажа.
  • При неполной посадке подшипников на вал, или в подшипниковых щитах, после проведения ремонтных работ.
  • При смещении подшипниковых щитов, или посадочных мест подшипников после выполнения ремонтных и восстановительных работ.

Вне зависимости от причины возникновения повышенных осевых усилий на опорные подшипники качения, это довольно опасный дефект. Большинство подшипников качения не предназначены для компенсации осевых усилий, и поэтому в такой ситуации достаточно быстро выходят из строя.

У подшипников скольжения обычно существует больший конструктивный «осевой разбег», поэтому осевые вибрации в них возникают гораздо реже. Кроме того, подшипники скольжения обычно используются в крупных синхронных электрических машинах, в которых вопрос компенсации осевых усилий, по причине наличия больших воздушных зазоров, стоит менее остро.

Тем не менее, и в таких условиях осевая подвижность подшипников скольжения может оказаться недостаточной для компенсации дефектов монтажа. В таком случае возникает осевая вибрация, обычно выражающаяся в возникновении трения галтели вала о торцевую поверхность подшипникового вкладыша.

Для устранения осевой вибрации в насосных агрегатах необходимо корректно и комплексно выставлять при монтаже все три так называемых в практике «осевых разбега», расположенных в насосе, в муфте и в электродвигателе.

Достаточно часто вал электродвигателя «утягивается в осевые вибрации» валом насоса при дефектах системы осевой разгрузки рабочего колеса насоса. Парадокс диагностики — дефект в насосе, а вибрация в двигателе.

На практике бывают случаи, когда для борьбы с осевыми вибрациями ротор в подшипниках скольжения, перед пуском, принудительно смещают в осевом направлении, например, при помощи лома, и после этого двигатель некоторое время хорошо работает. С течением времени, в процессе работы, ротор смещается обратно, и осевые вибрации агрегата снова возрастают до прежнего значения.

3.2.6.7. Обрыв стержней ротора

Наиболее распространенным конструктивным исполнением обмотки ротора асинхронного двигателя является короткозамкнутый ротор с «беличьей клеткой». У такого ротора в пазах, без изоляции, забиваются медные или латунные стержни, или же пазы полностью залиты сплавом алюминия. Концы стержней, по торцам ротора, объединяются замыкающими кольцами из такого же материала.

В процессе работы, а особенно при пуске асинхронного электродвигателя, по стержням беличьей клетки протекает большой ток, и они сильно нагреваются. Частой причиной выхода из строя двигателя является нарушение контакта стержней с замыкающими кольцами, называемые в практике «отгоранием стрежней». Появление такого дефекта в отдельных стержнях приводит к увеличению нагрузки на оставшиеся стержни, дополнительному перегреву их, и также к последующему «отгоранию», и т. д. Весь этот лавинообразный процесс разрушения обмотки ротора сопровождается потерей мощности электродвигателя, к его постепенному перегреву и выходу из строя.

Выявление начальных признаков повреждений стержней клетки ротора является очень актуальной задачей и позволяет повысить надежность работы асинхронных двигателей с короткозамкнутой клеткой на роторе.

Рассмотрим особенности физических процессов и вибрационных признаков этого в роторе, имеющем характерные признаки начальной стадии данного дефекта. Будем считать, что повредился один стержень короткозамкнутой клетки.

Необходимо сразу же сказать, что спектр вибрации асинхронного электродвигателя с отгоревшим стержнем во многом похож на спектр вибрации двигателя, имеющего эксцентричный ротор. На первый взгляд между этими дефектами мало общего, но при ближайшем рассмотрении можно выявить причины возникновения сходства вибрационных сигналов, зарегистрированных на опорных подшипниках.

Как и при эксцентричном роторе, отгоревший стержень приводит к модулированию величины тягового усилия двигателя. В момент прохождения зоны отгоревшего стержня мимо электромагнитного полюса (скорее наоборот, т. к. поле асинхронного электродвигателя обгоняет ротор) тяговое усилие импульсно уменьшиться, ротор чуть-чуть замедлится. В это время под полюс поля подойдет зона бездефектного стержня, в нем за счет возросшего скольжения будет несколько больший ток, тяговое усилие также импульсно возрастет, и ротор чуть-чуть ускорится.

Эти импульсные мини ускорения и мини замедления ротора на спектре будут характеризоваться  возникновением боковых зубцов вокруг основной гармоники частоты вращения ротора. Такой спектр для двигателя с частотой вращения ротора 2920 об/мин показан на рис 3.2.6.5. Понятно, что зубец (гармоника) с чуть меньшей частотой будет соответствовать моменту времени с замедлением, а зубец (гармоника) с чуть большей частотой будет принадлежать участку времени с ускорением ротора.

Сразу же напрашивается аналогия, что если поврежденных стержней в роторе будет не один, а два, то боковых гармоник будет по две с каждой стороны оборотной частоты, если будет три дефектных стержня – три пары боковых гармоник, и так далее. Это так, и не так. Примерно в половине практических случаев такой эффект соответствия количества дефектных стержней и боковых гармоник будет соблюдаться, а в половине случаев такого количественного соответствия не будет.

Корректное описание такой особенности картины спектрального отображения «дефектных» стержней на спектре вибрационных сигналов является очень сложным, и мы его здесь опустим. Мы ограничимся простой констатацией факта, что если боковых гармоник на спектре более двух (пар), то на роторе находится больше двух отгоревших стержней, или, говоря точнее, стержней с дефектами контакта. Если боковых гармоник всего две, то количество стержней с дефектами точно не определено.

Разделить две причины повышенной вибрации, о которых мы начали рассуждение, это эксцентриситет ротора и отгоревшие стержни беличьей клетки, возможно, но только при наличии у диагноста «хорошего анализатора спектров вибрационных сигналов». В данном случае речь идет о хорошем спектральном разрешении прибора, он должен рассчитывать спектры с разрешением не хуже 3200 частотных линий. В этом случае дефекты можно разделить, учитывая особенности различия их спектрах вибрационных сигналов.

Это следующие различия:

  • Характерная «корона» из зубцовых гармоник вокруг пика электромагнитной частоты FЭМ проявляется на спектре различно — при эксцентриситете ротора она имеется во всех режимах работы диагностируемой электрической машины. При наличии в роторе дефекта типа «дефектный стержень», корона на спектре появляется только при значительной нагрузке электрической машины, на холостом ходу она отсутствует.
  • При эксцентриситете ротора «корона» практически симметрична по величинам зубцовых гармоник относительно центрального пика, а при дефектах стержней пик на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте. Этот факт достаточно хорошо сообразуется с картиной физических процессов. Уменьшение скорости происходит при нормальном скольжении и нормальном токе в последнем (перед дефектным) «хорошем» стержне клетки. Ускорение же ротора происходит при увеличенном скольжении, большем токе в первом «хорошем» стержне и, как результат, с большим ускорением.
  • За счет колебательного «успокоения» пульсации частоты вращения ротора, после прохождения стержня с дефектом, что может возникать при определенных параметрах нагрузки на валу электродвигателя, на спектре вибрационного сигнала может возникнуть несколько гармоник частоты вращения ротора, и обычно все они окружены «коронами». Такая же картина может возникать при наличии механических или электромагнитных ослаблений в электрической машине. Параметр «электромагнитное ослабление» раскрывать мы не будем из-за его специфичности, оставив его для исследования специалистам по электрическим машинам.

В качестве численного ограничения степени проявления этого дефекта можно считать, что «короны» у исправного двигателя быть не должно. Если она появилась, и наибольший пик «короны» превысил 10 % от центрального пика — вероятность существования отгоревших стержней в обмотке ротора очень большая. Для контроля количественного значения признаков этого дефекта лучше использовать спектры с логарифмической шкалой по амплитуде. Если на нем пики «короны» будут меньше основного пика менее, чем на 20 dВ, то предполагаемый дефект имеет место.  

В заключение, подчеркивая особенности диагностики данной причине повышенной вибрации, необходимо еще раз указать, что такая диагностика возможно только с применением анализаторов спектров с высокой разрешающей способностью. Это нужно для разделения на спектре частот вращения поля, ротора и боковых гармоник. Центральный пик «короны» должен соответствовать частоте вращения ротора, а не быть равным частоте вращения поля в зазоре.

3.2.6.8. Дефекты зубцово — пазовой структуры

Такая неисправность не очень часто встречается в практике, но, тем не менее, ее можно достаточно просто описать и успешно диагностировать.

Условно эту неисправность можно представить в виде ротора, у которого отсутствует один ферромагнитный зуб. Это приводит к тому, что мимо пазов статора перемещается «магнитный непериодический» элемент, наводящий в обмотке статора импульсы, число которых за один оборот будет численно равно числу пазов на статоре. На спектре вибрационного сигнала это будет представлено пиком на частоте, равной произведению частоты вращения ротора на число пазов статора.

Не вдаваясь в тонкости физического описания, следует также сказать, что дефектный зуб будет модулировать и электромагнитную силу статора. Это будет происходить потому, что дважды за свой один оборот вращающееся поле «будет натыкаться» на дефект магнитной проводимости воздушного зазора двигателя, на «отсутствующий» зуб ротора. На спектре вблизи пика зубцовой частоты появятся два зеркально расположенных пика, сдвинутых относительно своего «главного пика» на частоту электромагнитной силы FЭМ, как уже неоднократно говорилось равную удвоенной частоте питающей сети.

Наиболее сложным для диагностики будет спектр вибрации при наличии магнитных дефектов на роторе и статоре одновременно, причем дефектов множественных. На спектре будут присутствовать зубцовые частоты ротора и статора, а также будут частоты их биения, зашумленные множественными «зеркальными» пиками.

«Положительным» при этом будет то, что при таком дефекте обычно сильно падает тяговое усилие, возрастает потребляемый ток и двигатель очень быстро выходит из строя, обычно раньше, чем персоналу удается записать спектры и выявить множественный магнитный дефект методами вибрационной диагностики.

Приборы нашего производства для диагностики электромагнитных дефектов

  • ViAna-4 – универсальный 4-хканальный регистратор и анализатор вибросигналов, диагностика электромагнитных дефектов по току

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: конструкция, принцип работы

Учитывая то, что электроснабжение традиционно осуществляется путём доставки потребителям переменного тока, понятно стремление к созданию электромашин, работающих на поставляемой электроэнергии. В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих областях деятельности человека. Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который в силу ряда причин занял прочные позиции в применении.

Секрет такой популярности состоит, прежде всего, в простоте конструкции и дешевизне его изготовления. У электромоторов на короткозамкнутых роторах есть и другие преимущества, о которых вы узнаете из данной статьи. А для начала рассмотрим конструктивные особенности этого типа электрических двигателей.

Конструкция

В каждом электромоторе есть две важных рабочих детали: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. Для охлаждения проводников обмотки на валу ротора установлен вентилятор. Это общий принцип строения всех типов электродвигателей.

Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от строения этих деталей в других типах электромоторов, работающих в сетях переменного тока. Сердечники статора, предназначенного для работы при трехфазном напряжении, располагаются по кругу под углом 120º. На них устанавливаются обмотки из изолированной медной проволоки определённого сечения, которые соединяются треугольником или звездой. Конструкция магнитопровода статора жёстко крепится на стенках цилиндрического корпуса.

Строение электродвигателя понятно из рисунка 1. Обратите внимание на конструкцию обмоток без сердечника в короткозамкнутом роторе.

Рис. 1. Строение асинхронного двигателя с КЗ Ротором

Немного по-другому устроен ротор. Конструкция его обмотки очень похожа на беличью клетку. Она состоит из алюминиевых стержней, концы которых замыкают короткозамыкающие кольца. В двигателях большой мощности в качестве короткозамкнутых обмоток ротора можно увидеть применение медных стержней. У этого металла низкое удельное сопротивление, но он дороже алюминия. К тому же медь быстрее плавится, а это не желательно, так как вихревые токи могут сильно нагревать сердечник.

Конструктивно стержни расположены поверх сердечников ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники монтируют на валу, а проводники обмотки впрессовывают (заливают) в пазы магнитопровода. При этом нет необходимости в изоляции пазов сердечника. На рисунке 2 показано фото ротора с КЗ обмотками.

Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с КЗ обмотками

Пластины магнитопроводов таких роторов не требуют лаковой изоляции поверхностей. Они очень просты в изготовлении, что удешевляет себестоимость асинхронных электродвигателей, доля которых составляет до 90% от общего числа электромоторов.

Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими деталями устанавливаются минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный зазор находится в пределах от 0,5 мм до 2 мм.

В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:

Они отличаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазными обмотками отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие пусковые характеристики. Зачастую такие электродвигатели используют простую схему пуска.

Двухфазные двигатели имеют две перпендикулярно расположенных обмотки статора, на каждую из которых поступает переменный ток. Их часто используют в однофазных сетях – одну обмотку подключают напрямую к фазе, а для питания второй применяют фазосдвигающий конденсатор. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя самостоятельно не начнётся. В связи с тем, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного электромотора, такие двигатели ещё называют конденсаторными.

В конструкции однофазного электродвигателя используют только одну рабочую обмотку. Для запуска вращения ротора применяют пусковую катушку индуктивности, которую через конденсатор кратковременно подключают к сети, либо замыкают накоротко. Эти маломощные моторчики используются в качестве электрических приводов некоторых бытовых приборов.

Принцип работы

Функционирование асинхронного двигателя осуществляется на основе свойства трёхфазного тока, способного создавать в обмотках статора вращающее магнитное поле. В рассматриваемых электродвигателях синхронная частота вращения электромагнитного поля связана прямо пропорциональной зависимостью с собственной частотой переменного тока.

Существует обратно пропорциональная зависимость частоты вращения от количества пар полюсов в обмотках статора. Учитывая то, что сдвиг фаз составляет 60º, зависимость частоты вращения ротора (в об/мин.) можно выразить формулой:

n= (f1*60) / p, где n1 – синхронная частота,  f1 частота переменного тока, а pколичество пар полюсов.

В результате действия магнитной индукции на сердечник ротора, в нём возникнет ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в замкнутом проводнике. Возникнет сила Ампера, под действием которой замкнутый контур начнёт вращение вдогонку за магнитным полем. В номинальном режиме работы частота вращения ротора немного отстаёт от скорости вращения создаваемого в статоре магнитного поля. При совпадении частот происходит прекращение магнитного потока, ток исчезает в обмотках ротора, вследствие чего прекращается действие силы. Как только скорость вращения вала отстанет, переменными токами магнитных полей, возобновляется действие амперовой силы.

Разницу частот вращения магнитных полей называют частотой скольжения: ns=n1–n2, а относительную величину s, характеризующую отставание, называют скольжением.

s = 100% * ( n/ n1) = 100% * (n— n2) / n1 , где nsчастота скольжения; n1, n2 – частоты вращений статорных и роторных магнитных полей соответственно.

С целью уменьшения гармоник ЭДС и сглаживания пульсаций момента силы, стержни короткозамкнутых витков немного скашивают. Взгляните ещё раз на рис. 2 и обратите внимание на расположение стержней, выполняющих роль обмоток ротора, относительно оси вращения.

Скольжение зависит от того, какую механическую нагрузку приложено к валу двигателя. В асинхронных электромоторах изменение параметров скольжения происходит в диапазоне от 0 до 1. Причём в режиме холостого хода набравший обороты ротор почти не испытывает активного сопротивления. S приближается к нулю.

Увеличение нагрузки способствует увеличению скольжения, которое может достигнуть единицы, в момент остановки двигателя из-за перегрузки. Такое состояние равносильно режиму короткого замыкания и может вывести устройство из строя.

Относительная величина отставания соответствующая номинальной нагрузке электрической машины называется номинальным скольжением. Для маломощных электромоторов и двигателей средней мощности этот показатель изменяется в небольших пределах – от 8% до 2%. При неподвижности ротора электродвигателя скольжение стремится к 0, а при работе на холостом ходу оно приближается к 100%.

Во время запуска электромотора его обмотки испытывают нагрузку, что приводит к резкому увеличению пусковых токов. При достижении номинальных мощностей электрические двигатели с короткозамкнутыми витками самостоятельно восстанавливают номинальную частоту ротора.

Обратите внимание на кривую крутящего момента скольжения, изображённую на рис. 3.

Рис. 3. Кривая крутящего момента скольжения

При увеличении крутящего момента коэффициент s изменяется от 1 до 0 (см. отрезок «моторная область»). Возрастает также скорость вращения вала. Если скорость вращения вала превысит номинальную частоту, то крутящий момент станет отрицательным, а двигатель перейдёт в режим генерации (отрезок «генерирующая область»). В таком режиме ротор будет испытывать магнитное сопротивление, что приведёт к торможению мотора. Колебательный процесс будет повторяться, пока не стабилизируется крутящий момент, а скольжение не приблизится к номинальному значению.

Преимущества и недостатки

Повсеместное использование асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

  • стабильностью работы на оптимальных нагрузках;
  • высокой надёжностью в эксплуатации;
  • низкие эксплуатационные затраты;
  • долговечностью функционирования без обслуживания;
  • сравнительно высокими показателями КПД;
  • невысокой стоимостью, по сравнению с моделями на основе фазных роторов и с другими типами электромоторов.

Из недостатков можно отметить:

  • высокие пусковые токи;
  • чувствительность к перепадам напряжений;
  • низкие коэффициенты скольжений;
  • необходимость в применении устройств, таких как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др., для улучшения характеристик электромотора;
  • ЭД с короткозамкнутым ротором нуждаются в дополнительных коммутационных управляющих устройствах, в случаях, когда возникает необходимость регулировать скорость.

Электродвигатели данного типа имеют приличную механическую характеристику. Несмотря на недостатки, они лидируют по показателям их применения.

Основные технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.

В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:

Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).

Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.

КПД от 66% до 83%.

Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.

Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.

Коллекторный и бесколлекторный двигатели — Green-Battery

В ассортименте продукции Greenworks есть инструменты с коллекторным (щёточным) и бесколлекторным (бесщёточным) двигателями. Но везде делается акцент только на бесколлекторном электродвигателе. Почему только на нём, и для чего тогда устройства с щёточным? Расскажем в данной статье преимущества и недостатки каждого электродвигателя и ответим на эти два вопроса.

Коллекторный двигатель

Начнём с того, что двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).

Устройство коллекторного двигателя

Якорь. Стержнем всей конструкции является якорь, он же металлический вал. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.

Ротор. Связан с ведущим валом. Его внешняя конструкция напоминает барабан, который вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.

Подшипники. Они расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.

Щётки. Выполнены обычно из графита. Их задача предавать напряжение через коллектор в обмотки.

Коллектор (коммутатор). Он выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию с щёток и направляет её в обмотки.

Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Их функция в генерировании собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.

Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора. Или — постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.

Плюсы:

  • Стоимость меньше, чем у бесколлекторных двигателей (БД).
  • Конструкция относительно проще конструкции БД.
  • В виду этого, техническое обслуживание проще.

Минусы:

На высоких оборотах увеличивается трение щёток. Отсюда вытекает:

  • Быстрый износ щёток.
  • Снижение мощности инструмента.
  • Появление искр.
  • Задымление инструмента.
  • Выход из строя инструмента раньше его «жизненного цикла».

Вывод: Если рассматривать бытовую сферу применения, то коллекторный двигатель является традиционным и бюджетным вариантом эксплуатации (и самым часто используемым). Инструменты на данном типе двигателя преданно и верно справятся с любой повседневной задачей в пределах своих возможностей. Т.к. такие инструменты по стоимости значительно дешевле инструментов на бесколлекторном двигателе, их рассматривает категория потребителей, которая придерживается мнения: «ничто не вечно». Зачем переплачивать, если любой агрегат может выйти из строя? Мы же считаем, что при надлежащих условиях эксплуатации любой инструмент может прослужить верой и правдой довольно долгий срок. Но выбор за Вами.


Бесколлекторный двигатель

Если в коллекторном двигателе всё приходит в действие за счёт механики, то в бесщёточном — чистая электроника. Также позиции некоторых элементов в конструкции меняются местами. В коллекторном двигателе обмотки находились на роторе, а постоянные магниты — на статоре. У бесколлеторного — постоянные магниты переносятся на ротор, а катушки с обмоткой располагаются на статоре. Также ротор и статор могут менять свои позиции: есть модели двигателей с внешним ротором. Здесь отсутствуют щётки и коллектор, вместо них добавлен микропроцессор (контроллер) и кулер для охлаждения системы. Микропроцессор контролирует положение ротора, скорость вращения, равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки.

Основные типы бесщёточного двигателя :

  • Асинхронный — это двигатель, который преобразовывает электроэнергию переменного тока в механическую. Название происходит от разной скорости вращения магнитного поля и ротора. Частота вращения ротора меньше, чем у магнитного поля, создаваемого обмотками статора (Например, двигатель DigiPro, который используется в продукции Greenworks).
  • Синхронный — это двигатель переменного тока, у которого частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля.

Тип двигателя с внешним ротором

Расположение ротора и статора в бесщёточном двигателе DigiPro

Плюсы:

  • Из-за отсутствия щёток меньше трения.
  • Меньше подвержены износу.
  • Отсутствие искр и возможного возгорания.
  • Упрощенная регулировка крутящего момента в больших пределах.
  • Экономия расходуемой энергии.
  • У инструментов с реверсом одинаковая мощность в обоих направлениях вращения.
  • Быстрый запуск с больших скоростей.
  • Могут разгоняться до предельных показателей.
  • Некоторые модели при сильной нагрузке оснащены системой защиты двигателя.

Минусы:

  • Значительно дороже в цене, чем коллекторные двигатели.
  • Техническое обслуживание более узкоспециализированное.

Вывод: Несомненно бесколлекторные двигатели ориентированы на профессиональные работы с приличной нагрузкой. Несмотря на высокие показатели усовершенствованного типа двигателя, его единственный недостаток бьёт по кошельку. И перед тем, как приобретать инструмент на том или ином двигателе, прежде всего надо поставить перед собой вопрос: для каких целей он нужен. Уже исходя из ответа делать свой выбор.

Сколько людей — столько и мнений. Компания Greenworks старается делать качественную продукцию на разных типах двигателя, чтобы каждый мог подобрать себе инструмент по предпочтениям, функционалу и необходимой мощности под конкретные задачи, которые у каждого клиента свои. Именно поэтому, например, в разделе «Ручной инструмент» Вы можете наблюдать один тип агрегата на коллекторном и бесколлекторном двигателях. Какой лучше? Выбор за Вами!

Всегда интересные новости и статьи от команды сайта Green-Battery. ru
Копирование текстов возможно только со ссылкой на первоисточник.


Роторно-лопастной ДВС — Энергетика и промышленность России — № 12 (76) декабрь 2006 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 12 (76) декабрь 2006 года

Конструкция и принцип работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с кривошипношатунным механизмом давно уже устарели – они не изменились с XIX века, но до сих пор им нет равноценной замены, поэтому их продолжают выпускать.

Cамыми перспективными из разрабатываемых ДВС являются роторные. Роторный двигатель Ванкеля, разработанный в 1957 г., серийно выпускается в ФРГ, Японии и США. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности существующих ДВС.

Еще более перспективными по сравнению с обычными ДВС (и даже с двигателями Ванкеля) являются роторно­лопастные ДВС.

Давно уже известен принцип работы роторно­лопастного двигателя. В отличие от других типов ДВС, у роторно­лопастного малое количество деталей – корпус и два ротора-лопасти. Все детали уравновешены. Места соприкосновения движущихся деталей образуются большими поверхностями, что позволяет довольно просто и надежно их уплотнять. Имеются и другие преимущества.

Однако, несмотря на это, до сих пор нет надежно работающего роторно­лопастного двигателя внутреннего сгорания. Причина – некоторые недостатки такого двигателя.

Основной недостаток – неравномерная скорость вращения роторов-лопастей. Во время рабочего хода один ротор движется, а другой должен стоять. В следующий рабочий ход, когда второй ротор движется, а первый ротор должен стоять, преобразовать энергию вращения роторов с неравномерной скоростью при механической передаче очень трудно.

Второй недостаток – необходимость синхронизировать работу роторов‑лопастей между собой. Т. е. нужен механизм или какое‑либо устройство, которое обеспечит бесперебойное схождение и расхождение лопастей. Известно много устройств механических синхронизаторов движения лопастей. Но, из‑за возникновения резких переменных нагрузок и ударов, на больших оборотах двигателя, при вспышках горючей смеси с маленькими площадями контакта на контактирующих поверхностях, очень быстро появляется усталость металла. Он начинает выкрашиваться, и детали быстро приходят в негодность, поэтому механические синхронизаторы не могут обеспечить длительную и надежную работу роторно­лопастного ДВС.

Но так ли уж необходимо синхронизировать работу роторов‑лопастей между собой? Самое главное в таком двигателе – чтобы одна лопасть во время рабочего хода могла двигаться свободно, а вторая стояла на месте. Это легко можно обеспечить любым стопором, например – храповым механизмом.

Синхронизацию лопасти обеспечат сами – лопасть, которая стояла во время рабочего хода, передвигается в конце рабочего хода лопастью, которая сжимает рабочую смесь или воздух. А лопасть, передвигающая ее, занимает положение задней стенки камеры сгорания (где и фиксируется).

Такой роторно­лопастной двигатель состоит из корпуса и одной или нескольких пар лопастей (одинаковое количество на каждом из роторов). Соответственно, столько же, сколько и пар лопастей на одном роторе, имеется устройств для зажигания рабочей смеси или впрыскивания топлива на впускных и выпускных «окнах». При этом пары лопастей на роторах и устройства зажигания или впрыскивания топлива, а также впускные и выпускные окна равномерно распределены по окружности. Имеются также датчики положения роторов и устройства, предотвращающие движение лопасти, находящейся в положении задней стенки камеры сгорания, в обратную сторону.

Роторы-лопасти посажены на один выходной вал, на котором они вращаются и которому – попеременно – то один, то другой – передают вращательное движение лопастей во время рабочего хода с помощью специального устройства, например – храпового механизма или обгонной муфты. В выходном валу имеются две системы отверстий, по одной из которых подается смазывающе-­охлаждающее вещество в полости роторов‑лопастей. А по другой – отводится это вещество, «отобравшее» тепло у роторов‑лопастей.

Устройство, которое фиксирует лопасть (находящуюся в положении задней стенки камеры сгорания) и предотвращающее ее движение в обратную сторону, совмещено с датчиком положения ротора. При этом стержень, фиксирующий лопасть, включает или выключает датчик положения ротора.

На выходном валу имеются кольца с выступами, а на роторах – впадины, в которые при необходимости входят выступы колец. Кольца вращаются вместе с валом, во время работы ДВС они отжаты от ротора пружинами. В корпусе ДВС имеются толкатели с приводами, которые в определенные моменты, при запуске ДВС, попеременно прижимают то одно, то другое кольца к роторам, обеспечивая этим вращение роторов, для того чтобы лопасти занимали положение стенок камеры сгорания. На выходном валу имеется приводное устройство, которое приводит в движение масляный насос, закрепленный в корпусе и подающий смазывающе-­охлаждающее вещество в полость выходного вала.

Между роторами, а также между роторами и корпусом установлены уплотняющие кольца. В роторах и в корпусе имеются канавки для этих колец, и в лопатках находятся канавки для уплотняющих пластин. Герметизация камер обеспечивается уплотнительными пластинами и кольцами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.

Все это вместе позволяет обойтись всего одним валом, и соответственно, при необходимости, всего одним генератором, и – обеспечить нормальную бесперебойную работу двигателя.

Работает роторно­лопастной ДВС следующим образом. При запуске срабатывает один из приводов; стержень‑толкатель прижимает кольцо к ротору. В это время стартер вращает вал, кольцо выступами входит в пазы ротора­-лопасти и заставляет его двигаться вместе с валом, пока лопасть ротора не займет положение задней стенки камеры сгорания. После чего срабатывает датчик положения ротора и привод толкателя отключается.

После этого срабатывает привод толкателя другого ротора. Кольцо этого ротора входит в его пазы и вращает ротор, пока его лопасть не займет положение задней стенки камеры сгорания. Во время движения лопасть сжимает топливную смесь или воздух, и когда сработает фиксатор этой лопасти, – а соответственно,  сработает и датчик положения этого ротора, – произойдет зажигание рабочей смеси или впрыскивание топлива. В камере сгорания сгорит топливо, и лопасть заставит ротор вращаться, толкатель упрется в паз вала и заставит его тоже вращаться.

В это же время противоположная лопасть этого ротора производит сжатие топливной смеси или воздуха, подготавливая следующий рабочий ход.

В процессе работы каждая лопасть совершает рабочий ход, когда на одну ее сторону давят рабочие газы, а другой стороной лопасть выгоняет через выхлопное окно отработавшие газы предыдущего хода.

Затем одной стороной она сжимает топливную смесь или воздух, подготавливая следующий рабочий ход, а другой стороной лопасть засасывает через впускное окно топливную смесь или воздух для последующего хода.

Потом она становится в положение задней стенки камеры сгорания, обеспечивая возможность осуществить рабочий ход лопастью другого ротора. При этом лопасть, занимающая положение задней стенки, переходит в положение передней стенки, после чего ею совершается новый рабочий ход.

Во время работы ДВС привод насоса заставляет его прокачивать смазывающе-охлаждающее вещество по системам отверстий и в вале, которое, попадая в полости роторов‑лопастей, смазывает поверхности соприкосновения роторов, и одновременно охлаждает роторы. А уплотняющие кольца предотвращают попадание смазки в рабочие полости ДВС и в то же время препятствуют проникновению горючих газов во внутренние полости двигателя. При этом уплотняющие пластины препятствуют прохождению горючих газов из камеры сгорания в другие полости.

Все это делает роторно­лопастной ДВС простым в изготовлении и надежным в работе.

При этом массо-габаритные характеристики роторнолопастного ДВС будут на порядок лучше, чем у существующих ДВС.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя. 

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла. 


Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего  номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.


Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют  двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя. 

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине  скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для  применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ. 

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Как работают роторные двигатели | HowStuffWorks

Роторные двигатели используют четырехтактный цикл сгорания, который является тем же циклом, что и четырехтактные поршневые двигатели. Но в роторном двигателе это делается совершенно по-другому.

Этот контент несовместим с этим устройством.

Если вы посмотрите внимательно, то увидите, что выступ на выходном валу вращается три раза за каждый полный оборот ротора.

Сердце роторного двигателя — это ротор. Это примерно эквивалент поршней в поршневом двигателе. Ротор установлен на большом круглом выступе выходного вала. Этот выступ смещен от центральной линии вала и действует как рукоятка кривошипа на лебедке, давая ротору рычаг, необходимый для поворота выходного вала. Когда ротор вращается внутри корпуса, он толкает лепесток по узким кругам, поворачивая три раза на за каждый один оборот ротора.

По мере того, как ротор перемещается через корпус, три камеры, создаваемые ротором, меняют размер. Это изменение размера производит перекачивающее действие. Давайте рассмотрим каждый из четырех тактов двигателя, глядя на одну сторону ротора.

Впуск

Фаза впуска цикла начинается, когда кончик ротора проходит через впускное отверстие. В тот момент, когда впускное отверстие выходит в камеру, объем этой камеры близок к своему минимуму.Когда ротор движется мимо впускного отверстия, объем камеры увеличивается, втягивая топливно-воздушную смесь в камеру.

Когда пик ротора проходит через впускной канал, эта камера закрывается и начинается сжатие.

Сжатие

По мере того, как ротор продолжает движение вокруг корпуса, объем камеры становится меньше, и топливно-воздушная смесь сжимается. К тому времени, когда поверхность ротора приблизилась к свечам зажигания, объем камеры снова близок к своему минимуму.Это когда начинается горение.

Горение

Большинство роторных двигателей имеют две свечи зажигания. Камера сгорания длинная, поэтому пламя распространялось бы слишком медленно, если бы была только одна заглушка. Когда свечи зажигания воспламеняют топливно-воздушную смесь, давление быстро нарастает, заставляя ротор двигаться.

Давление сгорания заставляет ротор двигаться в направлении увеличения объема камеры. Газы сгорания продолжают расширяться, перемещая ротор и создавая мощность, пока пик ротора не пройдет через выхлопное отверстие.

Выхлоп

Как только пик ротора проходит через выхлопное отверстие, газообразные продукты сгорания под высоким давлением могут свободно выходить из выхлопа. По мере того как ротор продолжает двигаться, камера начинает сжиматься, вытесняя оставшийся выхлоп из порта. К тому времени, когда объем камеры приближается к своему минимуму, пик ротора проходит через впускное отверстие, и весь цикл начинается снова.

Отличная особенность роторного двигателя заключается в том, что каждая из трех сторон ротора всегда работает в одной части цикла — за один полный оборот ротора будет три такта сгорания. Но помните, что выходной вал вращается три раза за каждый полный оборот ротора, что означает, что на каждый оборот выходного вала приходится один ход сгорания.

Руководство для начинающих: что такое роторный двигатель (и как он работает)?

Роторное и поршневое

ПРОФИ
• Природа двигателя означает, что гораздо меньший рабочий объем может производить значительно большую мощность, чем поршневой двигатель сопоставимого размера — Mazda RX-8 технически имеет 1 балл.3 литра, но мощность около 230 л.с.

• Двигатели физически намного меньше, легче и имеют меньше движущихся частей, которые могут выйти из строя.

• Благодаря конструкции двигателя они внутренне сбалансированы — роторы действуют как вращающиеся противовесы, поэтапно компенсируя друг друга. Это означает, что вибрации меньше, поэтому двигатель работает более плавно и будет вращаться до более высоких оборотов (10000 об / мин, конечно, не является чем-то неслыханным) без повреждений.

МИНУСЫ
• Роторные двигатели менее экономичны, чем их аналоги с поршневыми двигателями, поскольку они менее эффективны с точки зрения теплового воздействия.

• Выбросы низкие из-за частичного совпадения событий впуска и выпуска, и ни одно из них не соответствует действующим нормам.

• Наконечники ротора, также известные как уплотнения вершины, подвергаются огромным нагрузкам и склонны к выходу из строя — это была огромная проблема для старых моделей Wankels, и ее еще предстоит полностью решить в современных вариантах.

• Высокий расход масла из-за необходимости поддерживать внутреннюю смазку роторов и уплотнений.

• Из-за небольшого эксцентриситета вала по сравнению с ходом коленчатого вала роторные двигатели имеют небольшой крутящий момент по сравнению с обычным двигателем на низких оборотах.

Mazda была крупнейшим производителем роторных двигателей и единственным производителем, который использовал их с конца 1970-х годов. General Motors разрабатывала свою собственную машину более 40 лет назад, но законы о смоге и первое нефтяное эмбарго в 1973 году заставили их отказаться от нее до того, как она была завершена для производства. NSU и Citroen в Европе продавали автомобили в небольших количествах, а Hercules, Norton и Suzuki производили мотоциклы, но никто не производил столько, сколько Mazda. Mazda Cosmo впервые появилась с роторным двигателем в 1965 году, за ним последовали R100, R130, RX-2, RX-3, RX-7, Luce, Rotary Pickup Truck, RX-7 и, наконец, RX-8, который выпускался до тех пор, пока 2012 г.

Недавно были проведены некоторые исследования по производству небольших роторных двигателей для питания генераторной части гибрида из-за их компактных размеров и плавности хода. Считается, что, работая с постоянной скоростью для выработки энергии, двигатель Ванкеля может, наконец, решить проблемы с топливной экономичностью и выбросами.

Чем роторные двигатели отличаются от обычных двигателей?

Большинство автомобилей, которые вы видите на дорогах, имеют под капотом традиционный поршневой двигатель. Однако у небольшого количества есть явное отличие: они используют роторный двигатель без поршня или роторный двигатель.Вместо цилиндрических поршней, используемых в большинстве двигателей, они используют трехсторонние роторы в продолговатом корпусе для создания сгорания.

Что такое роторный двигатель?

Роторный двигатель, с которым знакомо большинство американских потребителей, также называют двигателем Ванкеля, названным в честь немецкого инженера Феликса Ванкеля, который разработал эту конфигурацию в 1960-х годах. Некоторые бренды приняли поворотную конфигурацию из-за репутации конструкции, обеспечивающей впечатляющую мощность за счет небольшого рабочего объема.Благодаря легкому весу и компактным размерам соотношение мощности и веса является одним из лучших среди двигателей внутреннего сгорания.

Хотя это двигатель внутреннего сгорания, он работает совсем иначе, чем традиционные поршневые двигатели. В типичном поршневом двигателе каждый такт выполняет четыре разные задачи: впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Роторные двигатели выполняют те же четыре задачи, но выполняются в отдельном секторе корпуса двигателя. По сути, это более эффективный способ завершить четырехтактный процесс; аналогично наличию специального цилиндра внутри одной камеры.

Меньше подвижных частей

Роторный двигатель не имеет такого количества движущихся компонентов, как поршневой двигатель. В типичном двигателе внутреннего сгорания имеется более 40 отдельных компонентов, таких как шатуны, распределительный вал, клапаны, коромысла, зубчатый ремень, зубчатые колеса, коленчатый вал и, конечно же, поршни, которые все должны работать вместе для четырехтактного двигателя. цикл, чтобы завершить один оборот.

С другой стороны, в типичном двухроторном роторном двигателе всего три движущихся части.Два из них являются роторами, а третий — выходным валом. Нет такого клапана, как в поршневом двигателе. Ротор улавливает воздушно-топливную смесь, когда она вращается мимо впускного отверстия, затем сжимает ее, когда она вращается мимо зоны сгорания, и позволяет сгоревшей смеси выйти, когда она вращается мимо выпускного отверстия, прежде чем снова запустить цикл. Преимущество меньшего количества движущихся частей состоит в том, что меньше изнашиваемых частей, они легче и не требуют замены масла.

Более плавное движение

Детали в традиционном поршневом двигателе меняют направление при вращении, в то время как детали в роторном двигателе постоянно двигаются в одном и том же направлении.Они также оснащены противовесами, которые устраняют вибрации, возникающие в поршневых двигателях.

Это помогает сделать роторный двигатель более плавным, чем поршневой. Он имеет три оборота выходного вала за один оборот ротора. В поршневом двигателе сгорание происходит каждые два оборота и четверть каждого оборота коленчатого вала. Роторы роторного двигателя движутся медленнее, чем поршневого двигателя, что является еще одним фактором, увеличивающим срок службы.

Известные проблемы

Одним из отрицательных побочных эффектов роторного двигателя является сам процесс сгорания.Хотя сами двигатели работают более эффективно с точки зрения создания мощности, топливная эффективность не так хороша. Фактически, типичный двигатель внутреннего сгорания с поршневым приводом сжигает приблизительно 80 процентов топливовоздушной смеси в камере сгорания, в то время как роторный двигатель обычно сжигает только 70 процентов. Кроме того, проблемы с поддержанием герметичности уплотнений делают роторные двигатели склонными к расходу масла. Эти факторы делают их менее экономичными и более загрязняющими.

Более того, хотя роторные двигатели создают большую мощность на высоких оборотах, они не создают такой же крутящий момент, как поршневые двигатели, особенно на низких оборотах.Это делает их хорошим вариантом для гоночной трассы, но менее идеальным для повседневной езды по городу.

Роторные двигатели не используются во многих транспортных средствах, особенно в США, из-за требований к выбросам и соображений надежности. Тем не менее, японский автопроизводитель Mazda добился определенного успеха с двигателем Ванкеля. Их четырехроторный гоночный автомобиль 787 выиграл престижную гонку «24 часа Ле-Мана» в 1991 году, а такие спортивные автомобили, как RX-7 и RX-8, стали культовыми среди автолюбителей. Несмотря на это, Mazda не производила роторные двигатели с 2012 года. Хотя компания утверждает, что они по-прежнему занимаются исследованием и улучшением роторных двигателей, с сегодняшними постоянно ужесточающимися правилами выбросов, кажется маловероятным, что они вернутся. Автолюбители могут только надеяться когда-нибудь в будущем ощутить плавность вращения и высокую мощность нового роторного автомобиля.

Роторный двигатель — Energy Education

Рисунок 1. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [1]

Роторные двигатели или Двигатели Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, наиболее часто используемый в Mazda RX-7, который преобразует тепло от сгорания топливно-воздушной смеси под высоким давлением в полезную работу для остальной части машина. Его уникальной особенностью является треугольный ротор, который выполняет те же задачи, что и поршень поршневого двигателя, но совсем другим образом. [2]

Ротор заключен в корпус овальной формы и выполняет обычный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания, как показано на рисунке 1.Ротор соединен с выходным валом, который вращается в 3 раза быстрее, чем ротор (внутренний круг, обозначенный буквой «B» на рисунке). Этот цикл описан ниже и повторяется 3 раза для каждого вращения ротора: [2]

  1. Впуск : Это инициируется, когда кончик ротора проходит через впускной канал. В этот момент камера имеет самый маленький размер, и по мере вращения камера расширяется, втягивая топливно-воздушную смесь. Как только конец ротора проходит через впускной канал, он переходит на стадию сжатия, а следующая сторона ротора начинает этот шаг заново.
  2. Сжатие : По мере того как ротор продолжает вращаться, топливно-воздушная смесь сжимается, поскольку камера уменьшается в размерах. Это необходимо для следующей детали, которая воспламеняет эту смесь.
  3. Зажигание : Сжатая смесь воспламеняется свечами зажигания, и значительное увеличение давления заставляет ротор расширяться. Это силовой ход, обеспечивающий полезную работу. Часто необходимы две свечи зажигания, чтобы обеспечить равномерное зажигание по всей камере.Выхлопной газ расширяется в камеру, пока кончик ротора не пройдет через выхлопное отверстие.
  4. Выхлоп : Как только наконечник проходит через это отверстие, выхлопные газы под высоким давлением могут проходить через выпускное отверстие. Ротор продолжает вращаться до тех пор, пока его поверхность не пройдет через выпускное отверстие, а кончик не пройдет через впускное отверстие, и цикл повторяется.

Интересная часть этого цикла состоит в том, что : каждый шаг выполняется одновременно, , только в разных камерах.Это дает три рабочих хода на каждый оборот ротора.

Отличия от поршневого двигателя

Помимо различных методов завершения четырехтактного цикла, роторные двигатели имеют другие преимущества и недостатки по сравнению с более распространенными поршневыми двигателями: [2]

  • Меньше движущихся частей : Двухроторный роторный двигатель имеет три движущихся части — два ротора и выходной вал, — в то время как обычные поршневые двигатели имеют не менее 40. Это повышает надежность роторных двигателей.
  • Более плавный : ротор постоянно вращается в одном направлении, в отличие от поршневых двигателей, поршни которых резко меняют направление. Они также уравновешены грузами, которые уменьшают внутренние вибрации. Подача мощности также более непрерывна из-за трех тактов на каждый оборот ротора.
  • Медленнее : Ротор вращается со скоростью, равной одной трети скорости выходного вала, поэтому основные движущиеся части движутся медленнее, чем в поршневом двигателе.Это повышает надежность.

Недостатки

Затраты на производство могут быть выше из-за меньшей популярности этих двигателей. Кроме того, они обычно потребляют больше топлива, чем другие двигатели, из-за их низкой степени сжатия и, следовательно, имеют более низкий термический КПД, что затрудняет соблюдение норм выбросов.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Роторный двигатель | Britannica

Роторный двигатель , двигатель внутреннего сгорания, в котором камеры сгорания и цилиндры вращаются вместе с ведомым валом вокруг неподвижного управляющего вала, к которому прикреплены поршни; давление газа сгорания используется для вращения вала. Некоторые из этих двигателей имеют поршни, которые скользят в тороидальных цилиндрах (в форме бублика); другие имеют одно- и многолепестковые роторы. Ранние роторные двигатели использовались в самолетах Первой мировой войны. Они имели воздушное охлаждение, а цилиндры располагались по кругу вокруг коленчатого вала, жестко прикрепленного к фюзеляжу. Винт крепился непосредственно к круглой раме, на которой устанавливались вращающиеся цилиндры. Различные недостатки этих двигателей привели к тому, что после войны от них отказались.

Подробнее по этой теме

Бензиновый двигатель

: Роторные двигатели (Ванкеля)

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, разработанный в Германии, радикально отличается по конструкции от обычного поршневого двигателя…

После Второй мировой войны интерес к разработке нового типа роторного двигателя пробудился. Ванкель — наиболее развитый и широко используемый роторный двигатель. В двигателе Ванкеля ротор в форме равностороннего треугольника вращается с орбитальным движением в корпусе особой формы и образует вращающиеся камеры сгорания в форме полумесяца между его сторонами и изогнутой стенкой корпуса. Три вершины ротора снабжены подпружиненными уплотнительными пластинами, которые поддерживают непрерывный скользящий контакт с вогнутой внутренней поверхностью корпуса, а камеры сгорания последовательно увеличиваются и уменьшаются в размере по мере вращения ротора.Топливный заряд из карбюратора поступает в камеру через впускной канал, сжимается, поскольку размер камеры уменьшается из-за вращения ротора, и в соответствующее время воспламеняется свечой зажигания.

Двигатель Ванкеля был впервые испытан для использования в автомобилях в 1956 году. С тех пор он стал использоваться в таких промышленных областях, как приводные воздушные компрессоры, где необходимы небольшие, легкие, высокоскоростные двигатели с простотой механики. См. Также бензиновый двигатель .

Проблема с роторными двигателями: инженерное объяснение

Мощь в крошечном, простом и легком корпусе. В роторном двигателе Ванкеля есть что любить, но недостаточно, чтобы поддерживать его жизнь. Давайте посмотрим, что пошло не так

Они компактные, мощные и производят потрясающий шум.Так почему же роторные двигатели так и не стали популярными, и почему от этой концепции почти отказался один производитель, который ее поддерживал? Давайте проведем вас через это.

NSU Spider 1964 года стал первым серийным автомобилем в мире, у которого задние колеса плавились под действием роторного двигателя Ванкеля. Автомобильный дебют Ванкеля готовился десятилетиями, хотя срок его службы был относительно коротким и закончился Mazda RX-8 2011 года. Это приводит нас к нескольким вопросам:

  1. Как работает роторный двигатель?
  2. Какие преимущества у этого двигателя? (Зачем было сделано?)
  3. Какие недостатки есть у двигателя? (Почему он умер?)

1.Как работает роторный двигатель?

Процесс роторного двигателя очень похож на то, что происходит в традиционном поршневом цилиндровом двигателе. Отличие в том, что вместо поршней здесь ротор треугольной формы, а вместо цилиндров — корпус, напоминающий овал.

Всасывание

По мере того, как ротор перемещается внутри корпуса, небольшой воздушный карман расширяется в больший, создавая тем самым вакуум.Этот вакуум поступает во впускные отверстия, из которых воздух и топливо затем всасываются в камеру сгорания.

Сжатие

Ротор продолжает вращаться, сжимая топливно-воздушную смесь по плоской стороне корпуса ротора.

1 МБ

Благодарю Итана Смейла за эпический GIF!

Мощность

Две свечи зажигания используются для зажигания топливовоздушной смеси, помогая ускорить процесс сгорания и обеспечить сгорание большей части топлива, и это заставляет ротор продолжать вращаться.

Выхлоп

Подобно такту впуска, ротор перемещается до тех пор, пока не станут доступны выпускные отверстия, а затем выхлопные газы под высоким давлением вытесняются наружу, когда ротор закрывается из корпуса.

Важно понимать, что в отличие от поршневого цилиндрового двигателя в одном корпусе ротора все эти события происходят почти одновременно. Это означает, что в то время как всасывание происходит на одной части ротора, также происходит рабочий такт, что приводит к очень плавной подаче мощности и большому количеству мощности в небольшом корпусе.

2. Какие преимущества дает двигатель Ванкеля?

Удельная масса

Одним из самых больших преимуществ роторного двигателя был его размер. Двигатель 13B Mazda RX-7 занимал около одного кубического фута объема, но вырабатывал значительную мощность для своих небольших размеров.

Меньше движущихся частей

Часто в инженерии простейшее решение оказывается одним из лучших. Роторный двигатель резко сокращает количество деталей, необходимых для сгорания, при этом всего три основных компонента вращаются в двухроторном двигателе.

Плавная и высокая частота вращения

Роторный двигатель не имеет возвратно-поступательной массы, как клапаны или поршни в традиционном двигателе.Это приводит к невероятно сбалансированному двигателю с плавной подачей мощности и способности развивать высокие обороты, не беспокоясь о таких вещах, как поплавок клапана.

3.

Почему умер роторный двигатель?

Mazda RX-8 2011 года стала последним серийным автомобилем с ротором Ванкеля 1.3-х литровый Ренезис. Независимо от того, соответствовал ли RX-8 названию роторного двигателя, мы все прослезились из-за потери этого инновационного и уникального подхода к внутреннему сгоранию. Что нанесло последний удар? RX-8 не соответствовал нормативам по выбросам Евро 5, и поэтому после 2010 года он больше не мог продаваться в Европе. Несмотря на то, что в штатах он оставался законным, продажи значительно упали, поскольку модель существует с 2004 года.

Какие недостатки у поворотной конструкции?

Всего три основные движущиеся части в двухроторном двигателе Ванкеля

Низкий тепловой КПД

Из-за длинной камеры сгорания и уникальной формы тепловой КПД двигателя был относительно ниже по сравнению с поршневыми аналогами. Это также часто приводило к выходу несгоревшего топлива из выхлопа (отсюда и тенденция роторных двигателей к обратному воспламенению, что, очевидно, столь же круто, сколь и неэффективно).

Ожог ребенка Ожог

Роторный двигатель по своей конструкции сжигает масло. Во впускном коллекторе есть масляные распылители, а также форсунки для распыления масла непосредственно в камеру сгорания. Это не только означает, что водитель должен регулярно проверять уровни масла, чтобы поддерживать надлежащую смазку ротора, но также означает, что из выхлопной трубы выходит больше вредных веществ.А окружающая среда ненавидит плохое.

Через это отверстие в корпусе масло впрыскивается непосредственно во время такта впуска двигателя.

Уплотнение ротора

Другая проблема, которая также может повлиять на выбросы: сложно герметизировать ротор, когда он находится в очень разных температурах.Помните, что всасывание и сгорание происходят одновременно, но в очень разных местах корпуса. Это означает, что верхняя часть корпуса относительно холодная, а нижняя часть намного горячее. С точки зрения герметичности это проблематично, так как вы пытаетесь создать уплотнение «металл-металл» из металлов, которые работают при существенно разных температурах. Используя рубашки охлаждающей жидкости для выравнивания тепловой нагрузки, эту проблему можно уменьшить, но никогда полностью не устранить.

Выбросы

Если сложить все вместе, выбросы убили ротор. Сочетание неэффективного сгорания, внутреннего сгорания масла и проблем с герметизацией приводит к тому, что двигатель не может конкурировать с сегодняшними стандартами по выбросам или экономии топлива.

Чем отличается RX-8 от конкурентов?

Печально известное верхнее уплотнение ротора RX-7 13B

В моем видео, описывающем недостатки RX-8, зрители справедливо отметили, что я сравнивал автомобили 2015 модельного года с моделью 2011 года с точки зрения экономии топлива, что было несправедливо со стороны Mazda.Давайте исправим эту ошибку, используя RX-8 первого года выпуска.

Автомобиль Объем двигателя Масса Мощность MPG Комбинированный рейтинг
2004 Mazda RX-8 1. 3л Ванкель 3053 фунта (1385 кг) 197-238 л.с. (авто / человек) 18 миль на галлон (13 л / 100 км)
2004 VW GTI 1,8 л I4 2934 (1330 кг) 180 л.с. 9,8 л / 100 км (24 миль на галлон)
2004 Корвет 5,7 л V8 3214 фунтов (1458 кг) 350 л.с. 20 миль на галлон (11.8 л / 100 км)

Как вы можете видеть выше, RX-8 не очень хорош с точки зрения экономии топлива. Corvette со значительно более мощным двигателем, на 47% большей мощностью и на 5% большей массой по-прежнему обеспечивает на 11% большую экономию топлива. Также стоит упомянуть, что это был первый год выпуска модели RX-8, в то время как двигатели Corvette и GTI использовались с предыдущих лет.Проще говоря, о RX-8 нельзя сказать ничего хорошего с точки зрения экономии топлива. Хотя покупатель не обязательно может рассматривать это как отрицательный момент, без учета выбросов нет автомобиля для покупки.

Стоит отметить, что с момента первой публикации этой статьи Mazda объявила, что вернет роторные двигатели, но только в качестве небольших расширителей запаса хода в электромобилях. Другими словами, ничего, что не взорвется.

Форма ротора Ванкеля

Я написал несколько постов о криволинейных треугольниках, которые не являются треугольником Рило, в том числе о Kresge Auditorium Массачусетского технологического института, струнном искусстве Triforce, крышках клапанов, садовом столе и логотипе Whale Cove, Нунавут. Я давно собирался написать о другой очевидной теме в этой теме, о роторе изогнутого треугольника двигателя Ванкеля, но, наконец, меня подтолкнули к этому, когда я прочитал две последние популярные книги по математике, How Round Is Your Circle? (2008) и Icons of Mathematics (2011) повторяют ложь о том, что роторы Ванкеля являются треугольниками Рило. Они не.

В Википедии есть хорошая визуализация того, как работают механизмы Ванкеля, которые я скопировал ниже. Они проходят те же четыре этапа, что и обычный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень отрывается от камеры сгорания, всасывая смесь топлива и воздуха, толкает назад к камере, сжимая смесь, зажигает смесь, выталкивая поршень обратно и прикладывая силу к приводному валу, а затем толкает назад к камере, выталкивая выхлоп наружу.Разница в том, что в двигателе Ванкеля эти четыре этапа происходят в четырех разных местах камеры сгорания, поскольку газы внутри нее выталкиваются изогнутым треугольным поршнем, ротором двигателя.

Приводной вал двигателя — это фиксированная меньшая шестерня в центре анимации; в реальном двигателе это колесо само вращалось бы, но это не показано. Треугольный ротор соединяется с карданным валом с помощью эксцентричной планетарной передачи и вращается вокруг карданного вала, как хула-хуп вокруг вращающегося танцора.Шестерни имеют зубья и радиусы в соотношении 3: 2, в результате чего приводной вал вращается в три раза быстрее, чем ротор. При этом три угла ротора («верхние уплотнения») остаются в контакте с внешней стенкой двигателя, называемой его статором, так что газы в двигателе не просачиваются между различными фазами.

Форма статора определяется не изгибом самого ротора, а только траекторией движущихся уплотнений вершины. Эта траектория представляет собой кривую, называемую эпитрохоидой.Если вы когда-либо играли со спирографом, вы знаете, что такое эпитроихоид: это то, что вы получаете, фиксируя один круговой диск, позволяя другому круговому диску вращаться вокруг него, помещая точку где-то внутри вращающегося диска и отслеживая кривую, которую он следует. Вот еще одна анимация из Википедии:

Различное соотношение радиусов между внутренним и внешним диском дает вам разное количество лепестков на кривой, а разное расположение движущейся точки на внешнем диске (ближе или дальше от центра диска) дает вам кривые, которые ближе к центру диска. круг или более пышные.Размещение движущейся точки на самом внешнем круге дает вам острые, а не извилистые эпитрохоиды, а размещение ее еще дальше превращает внутренние выпуклости этих кривых в самопересекающиеся петли.

Траектории спирографа отличаются от вращающихся траекторий уплотнения вершины по крайней мере тремя способами: в двигателе Ванкеля центральный круг (приводной вал) вращается, а не удерживается неподвижно, внешний круг (планетарная шестерня) окружает центральный круг, а не находится снаружи его, а точка, движение которой отслеживается (уплотнение вершины), находится за пределами внешнего круга, а не внутри него.Тем не менее форма по-прежнему остается двухлопастным эпитрохоидом; см. «теорему двойного поколения» Бернулли, описанную Нэшем, , чтобы узнать, почему одна и та же кривая может быть сгенерирована несколькими способами. По модулю масштаба всей системы существует один свободный параметр, контролирующий точную форму этой эпитрохоиды: соотношение расстояний от центра ротора до уплотнений верхушки и планетарной передачи. Если верхние уплотнения расположены слишком близко, планетарная шестерня ударится о статор; если они находятся слишком далеко, статор будет близок к круговому, и будет небольшое изменение давления от одной части цикла сгорания к другой, что приведет к снижению эффективности двигателя.В реальных двигателях делается не тот выбор, при котором верхние уплотнения устанавливаются как можно ближе друг к другу, а, по-видимому, требуется более тщательная оптимизация, учитывающая форму и размер областей, образованных ротором и статором на разных этапах цикла сгорания.

После определения формы статора можно перейти к ответу на вопрос, с которого мы начали: какова форма ротора? Основное конструктивное ограничение заключается в том, что он должен касаться или, по крайней мере, оставаться рядом с внутренней выпуклостью статора (на его «боковых уплотнениях»), чтобы предотвратить обратное течение выхлопных газов во впускное отверстие. Форму, которая позволяет достичь этого, можно понять с помощью мысленного эксперимента, в котором мы представляем ротор каким-то образом закрепленным в пространстве, в то время как транспортное средство, содержащее его, вращается вокруг него, а не наоборот. Когда автомобиль вращается, его статор проходит через части пространства, которое не может быть занято ротором. Части пространства, которые остаются нетронутыми вращающимся статором, доступны для использования ротором и должны использоваться им, если мы хотим, чтобы ротор оставался в контакте со статором на своих боковых уплотнениях.Математически это описывается как «конверт» положений вращающегося статора относительно неподвижного ротора. Этот конверт представляет собой изогнутый треугольник, но не треугольник Рело. Его кривые более плоские, чем дуги треугольника Рило, но они не являются дугами окружности. Как оболочка алгебраических кривых, они предположительно сами алгебраичны, но более высокого порядка; тригонометрические формулы даны Шунгом и Пенноком.

На практике форма ротора отличается от идеальной формы эпитрохоидной оболочки несколькими способами.Во-первых, как объясняет Дрогош, для простоты изготовления часто аппроксимируется дугами окружности, а не точно повторяет форму оболочки. Пока аппроксимация остается в пределах диапазона, ротор избегает столкновения со статором, а контакт бокового уплотнения не так важен вблизи углов треугольника, так что именно здесь приближение наиболее заметно. Во-вторых, настоящие роторы Ванкеля часто имеют ложки, вынутые из середины их сторон, чтобы сформировать мини-камеры сгорания, которые направляют и формируют газообразные продукты сгорания внутри двигателя.

Подробнее об этом см .:

(Обсудить на Mastodon)

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *