Электрификация

Справочник домашнего мастера

Как сделать двигатель из бумаги на воздухе?

Содержание

Онлайн помощник домашнего мастера

Во многих бытовых приборах сегодня используются электродвигатели. Главная их особенность в том, что они работают асинхронно. Это позволяет держать постоянную частоту вращения ротора даже при меняющихся нагрузках.

Все выпускаемые электродвигатели имеют разные конструктивные особенности. Каждая модификация может отличаться по количеству полюсов, типу ротора, и других составных частей. Технология перемотки электродвигателей делается по общему принципу, в некоторых нюансах могут быть различия.

Если устройство вышло из строя, то нужно обратиться в мастерскую. При ее отсутствии можно попытаться сделать перемотку двигателя в домашних условиях. Желательно иметь для этого необходимые навыки, но в целом этот процесс не такой сложный на вид.

«Движки» имеют два типа обмотки:

  • статорная;
  • роторная.

Если учесть, что конструкция и размеры устройств разные, можно дать общую инструкцию для перемотки двигателей. Остановимся на тех, которые используются в бытовых приборах и питаются от переменного тока.

Краткое содержимое статьи:

  • Осмотр двигателя
  • Подготовительные работы
  • Как подобрать провод
  • Монтаж и пропитка
  • Проверка и включение
  • Фото процесса перемотки электродвигателей

Осмотр двигателя

В случае поломки следует извлечь двигатель из бытового прибора. Очистив составные элементы, проводится внешний осмотр обмоток. Главное точно определить, где произошел пробой. Иногда случается так, что сгорают роторная и статорная обмотки. И тогда нужно их полностью заменить.

Когда возникает неисправность, внутри корпуса двигателя повышается температура. Это приводит к нарушению изоляции на всех элементах. Поэтому, в ремонте электродвигателя заменяются обмотки, и изоляционные покрытия.

Подготовительные работы

Для начала разберемся, как правильно перемотать электродвигатель. Первое что следует сделать – это определить параметры провода и количество витков в катушке. Тут поможет интернет. На форумах люди обсуждают подобные проблемы, а так же рассказывают о личном опыте, как они перематывали двигатели.

ВАЖНО! Необходимо найти точно такую же модель устройства, в противном случае после ремонта «движок» может не запуститься!

При отсутствии нужной информации в интернете, можно узнать ее самостоятельно при осмотре «движка». При сильном выгорании «укладок» находим наиболее целый участок обмотки. Его нужно почистить.

Чтобы избавить провода от нагара воспользуйтесь растворителями. Теперь «катушки» не стоит жалеть, они уже не пригодны. Если не получается очистить обмотку растворителем, то можно ее обжечь.

Есть различные схемы перемотки электродвигателей. Прежде чем извлекать «катушки», следует обратить внимание, как они соединены между собой. И тогда в точности можно скопировать их сборку.

Выступающую верхушку «укладки» надо срезать. Для этого подготовим соответствующий инструмент, все зависит от сечения провода. Чем оно больше, тем серьезнее инструмент понадобится. Срезанную часть нужно разделить на отдельные провода. Так удобнее определить сечение и количество витков.

Сняв обмотку, проверяем железо, на которую она была намотана. Сталь должна быть гладкой без вмятин и заусенций. Дефекты способны повредить изоляционный слой медных проводов, что приведет к очередному пробою. Поэтому все неровности следует зачистить наждачной бумагой.

Если в стальных пазах имеется нагар, от него тоже следует избавиться. Это поможет избежать дальнейших сложностей при работе с изоляцией и проводами.

Как подобрать провод

Чтобы мощность электродвигателя была прежней, следует подбирать провод с таким же сечением, какое и было. Это позволит намотать заданное количество витков.

Если не удается этого сделать, то берется максимально приближенное сечение. Следует помнить о законе Ома, чем меньше диаметр проводника, тем выше его сопротивление.

ВАЖНО! К подбору проводов относятся очень серьезно. Неправильное сечение приведет к перегреву двигателя, изоляционный лак будет плавиться и как следствие приведет к замыканию!

Наматывать обмотку нужно с помощью шаблона, который изготавливается самостоятельно из картона. Он должен соответствовать размерам «железа». Чтобы добиться аккуратного расположения витков используют специальный станок для намотки провода. Это все, что нужно для перемотки двигателя.

Укладка, выполненная вручную, может иметь дефекты. Возникает вероятность уложить провода не плотно, что приведет к увеличению размеров обмотки, и трудностям ее монтажа.

Монтаж и пропитка

Перемотка статора электродвигателя своими руками не представляет особых трудностей. Главное в этом деле – аккуратность.

В пазы железа помещается изоляция. Далее в них укладывается намотанные на станке провода. Делать это нужно осторожно, чтобы не повредить изоляционный слой. При необходимости обмотку утрамбовывают в позах.

ВАЖНО! Вставленная в пазы изоляция не должна торчать. Поэтому лишнюю часть обрезают, иначе в процессе работы двигателя, она может задевать ротор!

Чтобы сделать полную изоляцию всех токопроводящих частей применяют специальный лак. На рынке он представлен в большом ассортименте. Но по факту он разделяется на два типа. Первый засыхает при обычных температурах, а второй только после термической обработки.

Проверка и включение

Перед первым после ремонта запуском двигателя его нужно как следует проверить. Для начала все вставленные «катушки» прозванивают. Это поможет узнать наличие обрыва или плохого контакта. Между «укладками» замеряется сопротивление, чтобы при включении не возникло короткого замыкания.

Сразу подавать 220 В на двигатель не стоит, лучше подать пониженное напряжение. Пусть ротор крутится медленно, тут главное выяснить, не греется ли двигатель. Если все прошло хорошо, и не появился дым, значит, ремонт двигателя прошел удачно.

В интернете есть много фото по перемотке двигателей. Это поможет новичкам наглядно ознакомиться с процессом.

Инструменты и приспособления

Для того чтобы самостоятельно осуществить перемотку якоря электродвигателя своими руками, потребуется наличие следующих инструментов и приспособлений.

  1. Мультиметра или индикатора напряжения, а также лампы 12 В (мощность не более 40 Вт), мегомметра.
  2. Обмоточного провода, его диаметр должен быть точно такой же, как и на вышедшем из строя электродвигателе.
  3. Картон диэлектрический толщиной 0,3 мм.
  4. Электрический паяльник.
  5. Толстые хлопчатобумажные нити.
  6. Эпоксидная смола или лак.
  7. Наждачная бумага.

Прежде чем начинать проводить работы, необходимо точно установить поломку. Для этого необходимо визуально осмотреть электродвигатель и проверить, идёт ли на коллектор напряжение. Осуществить диагностику кнопки запуска, прозвонить ее с помощью мультиметра. Только в том случае, если цепь питания полностью исправна, необходимо разбирать электродвигатель и заниматься его ремонтом.

Как прозвонить

Для качественной диагностики статора болгарки, следует выполнить полную разборку электроинструмента с целью устранения всех других конструктивных элементов, включая ротор, чтобы обеспечить свободный доступ ко всем его частям. На первоначальном этапе необходимо выполнить визуальный осмотр. Для более полной картины обязательно следует выполнить проверку наличия дефектов с помощью электрических приборов. Какими приборами и как прозвонить статор болгарки, подробно описано по ссылке «Как прозвонить статор болгарки».

Подготовка к перемотке

Прежде чем приступать к работе, необходимо изучить инструкцию по перемотке электродвигателей. Своими руками если это делать, потребуется не менее 4 часов, и это только на перемотку якоря. Перед началом ремонта необходимо выполнить следующие действия.

  1. Посчитать число пазов на якоре.
  2. Пересчитать количество ламелей на коллекторе.
  3. Определить, с каким шагом произведена намотка. Чаще всего укладываются катушки в начальный паз, после чего в седьмой, а крепится на первом.

Также иногда используется сброс влево или вправо. Если происходит намотка со сбросом вправо, катушка уходит вправо от начала обмотки. Например, если в якоре 12 пазов, шаг намотки 1-6 и сброс производится вправо, закладывается обмотка в первом, после чего в восьмом и проводится крепление во втором пазах. Все эти моменты обязательно необходимо учитывать, иначе после ремонта окажется, что электродвигатель вращается в другую сторону.

Направление намотки и начальный паз

Для того чтобы осуществить перемотку эл. двигателей в бытовых условиях, необходимо запоминать, записывать, либо же фотографировать каждый этап проведения работ. Это существенно облегчит ремонт, позволит избежать неточностей при сборке. Чтобы определить направление намотки и начальный паз, необходимо найти катушку, не прикрытую другими. Именно она является последней.

В том случае, если обмотка уложена вправо, то начальный паз находится справа от крайней катушки. Именно отсюда и необходимо начинать укладку провода. Только таким образом можно добиться максимально точной намотки, очень близкой к заводской. Если исходная обмотка симметрична, в ней укладываются попарно катушки, то начальных пазов будет два. Найти их можно точно так же, как и в прошлом случае.

Алгоритм разборки и изготовления статора перфоратора Макита 2450,2470

Вот последовательность при изготовлении статора перфоратора Макита 2450:

  1. Извлечение из корпуса статора в сборе.
  2. Удаление старой обмотки, определение направления намотки, диаметра провода.
  3. Намотка новых катушек согласно собранным данным по шаблонам.
  4. Подготовка изоляции на новые катушки.
  5. Изоляция новых катушек.
  6. Установка готовых катушек в пазы сердечника или намотка катушек в самом сердечнике.
  7. Подпайка выводов к концам катушек.
  8. Бронирование обмоток новых катушек.
  9. Пропитка намотанных катушек.
  10. Сборка статора.

Особенности

Мастеру обязательно нужно узнать, сколько витков провода уложено в одном пазу и во всей катушке. Для этого необходимо катушку, расположенную сверху, отделить и посчитать, сколько в ней витков. Если необходимо, то производите разборку при помощи газовой горелки. Число витков в пазу напрямую зависит от:

  • числа ламелей на коллекторе;
  • количества пазов на якоре.

После подсчёта необходимо подготовить коллектор, демонтаж его не требуется. Для этого нужно просто измерить значение сопротивления между корпусом и ламелями.

Сопротивление должно быть в пределах 200-250 кОм. После этого необходимо полностью демонтировать старый проводник, для этого удаляете обмотку. Тщательно защищаете все пазы и корпус якоря. Нагар, заусеницы, обязательно шлифуете при помощи наждачной бумаги. После этого из картона необходимо нарезать прямоугольные отрезки, соответствующие размерам пазов в якоре.

Намотка нового провода

После этого можно приступать к намотке новых проводников. Схема обязательно должно быть такой же, как и на заводской. Начинайте укладку с начального паза, соблюдайте сброс и шаг намотки. Крепеж производится при помощи хлопчатобумажных ниток непосредственно у коллектора. Синтетические нитки не рекомендуется применять, так как они подвержены горению.

После завершения всех работ необходимо проверить обмотки на межвитковое замыкание и обрывы. Если нет поломок, то необходимо нанести эпоксидную смолу или лак на обмотку. Чтобы ускорить процесс, необходимо якорь поместить в духовку, установив температуру в ней 80 градусов. Сушка должна проводиться не менее 20 часов.

Балансировка ротора

Для того чтобы электроинструмент после ремонта работал максимально эффективно, потребуется сделать балансировку. Так как все работы выполняются в домашних условиях, обязательно следует соблюдать определенные рекомендации. Перемотка электродвигателя своими руками выполняется довольно просто, намного сложнее окажется произвести балансировку.

  1. Подберите два стальных лезвия. Они должны быть ровные и гладкие.
  2. Эти лезвия обязательно устанавливаются параллельно и крепятся к жесткому основанию.
  3. Между ними необходимо соблюдать расстояние, которое равно размеру ротора.
  4. Размещаете на этих стальных лезвиях ротор и наблюдаете, как он перемещается.
  5. Обязательно якорь начнёт проворачиваться, наиболее тяжелая часть окажется снизу.
  6. Нужно сместить центр тяжести к оси ротора, закрепляя на нем грузы.

После балансировки якорь должен быть неподвижным.

Для того чтобы уравнять стороны ротора, необходимо навесить на нем небольшие грузики, изготовленные из пластилина. Только после того, как достигнете равновесия, необходимо снять пластилиновые грузики, взвесить их, припаять металл. После этого обязательно перепроверьте балансировку.

Особенности проверки асинхронных моторов

Асинхронные двигатели могут быть одно- и трехфазными. Существуют особенности проверки этих машин.

  1. У однофазных асинхронников у пусковой обмотки сопротивление больше, чем у рабочей. Проверить это можно при помощи любого мультиметра.
  2. Между обмотками и корпусом электродвигателя сопротивление должно быть большим.
  3. В трехфазных моторах у всех обмоток одинаковое сопротивление.

Чтобы узнать более точные параметры двигателя, нужно прочитать информацию, которая находится на его корпусе. На нем имеется пластина со всеми параметрами работы, а иногда даже со схемами соединения обмоток.

Разборка асинхронного мотора

Прежде чем осуществлять перемотку статора асинхронного электродвигателя, необходимо его полностью разобрать. Для этого потребуется использовать съемник, так как крышки установлены на подшипниках очень плотно. Старайтесь все работы проводить как можно аккуратнее, чтобы не допустить разрушение крышки и не повредить обмотку.

Короткозамкнутые роторы очень редко ломаются, поэтому при ремонте его трогать не нужно. Потребуется менять только обмотки на статоре. В том случае, если присутствует почернение на проводах, это говорит о поломке в двигателе. Все соединения в асинхронных двигателях практически незаметны, так как они очень хорошо изолированы, ведь произведен крепеж бандажом.

Состав компонентный

Статор электромашин может быть либо постоянным магнитом, либо электромагнитом. Если он представляет собой электромагнит, то катушку, которая его активирует, называют обмоткой возбуждения. Катушки имеют металлический сердечник, усиливающий магнитное поле.

Сердечник катушки может быть либо железным, либо алюминиевым. Чтобы уменьшить потери нагрузки в двигателях, производители в качестве проводящего материала в обмотках всегда используют медь. Алюминий из-за его меньшей электропроводности может быть альтернативным материалом в двигателях с дробной мощностью, особенно когда двигатели используются достаточно короткие периоды.

Для информации.

Статор состоит из стальной рамы, охватывающей полый цилиндрический сердечник (состоящий из слоев кремниевой стали). Эти слои должны уменьшать гистерезис и потери вихревых токов.

Удаление обмотки

После разборки обязательно удалите старую обмотку. Для этого потребуется при помощи острого ножа срезать все верёвки и избавиться от клея. Провода максимально очищаются от грязи, электрические соединения при этом не разрушаете. Желательно производить фотографирование всех соединений, чтобы при сборке сделать всё правильно. Обязательно составляете схему соединения всех обмоток, можно использовать для этого справочники.

Затем необходимо выбить колья, изготовленные из текстолита или дерева, которые находятся внутри пазов статора. После этого демонтировать прокладки, освобождая провода. Найдите крайний провод, отведите его к середине статора, он должен полностью отклеиться от обмотки. После этого разматываете следующий виток, до тех пор, пока полностью не освободите паз.

Материал изготовления

Статор обычно изготавливается из кремниевой стали, называемой электротехнической сталью. Существует несколько марок стали, в зависимости от количества кремния в материале. Это позволяет создавать различные материалы с электромагнитными свойствами и применять их для разных целей.

Электротехническая сталь предоставляет собой листы толщиной от 0,1 мм до 1 мм, но может быть и в виде более толстых листов. Обычно на так называемых низковольтных двигателях (до 1000 В) используют листы, имеющие толщину 0,5 мм.

Листы из электротехнической стали пробивают, затем укладывают на оправку. Технологически процессы центрирования и ориентации листов должны обеспечивать решение двух основных задач: ограничить в заданных пределах перемещение листов на плоскости по двум координатным осям и вращение листов вокруг оси сердечника. Для этого зажимают и склеивают вместе стопку листов и подвергают сварке. После сварки конструкция готова к обмотке.

Намотка провода

Способов перемотки статора асинхронного электродвигателя существует несколько, но при выборе любого из них обязательно запоминаете каждый шаг при разборке. Это позволит облегчить ремонт, причём, значительно. Для намотки потребуется медный провод в лаковой изоляции, его сечение должно быть таким же, как и на ремонтируемом электродвигателе.

Убедитесь в том, что на корпусе и магнитопроводе электродвигателя отсутствуют повреждения. После этого необходимо изготовить гильзы, установить их в пазы на статоре. Чтобы не заниматься подсчетом количества витков, не определять толщину, прочность и термостойкость материалы для изготовления гильз, можно воспользоваться справочной литературой. Для этого необходимо узнать тип и модель асинхронного мотора.

Все работы в специализированных мастерских производятся на станках. Автоматом производится даже подсчет числа витков. Но как в домашних условиях перемотать электродвигатель, если таких условий нет? Придётся всё считать самостоятельно, либо же брать все данные из сервисной книжки к электродвигателю.

Сборка электродвигателя

Чтобы собрать двигатель следует поставить ротор на место и наживить необходимое количество болтов. Все крепления ставить не нужно, собираем для замера токов в цепи.

Замерять токи каждой фазы необходимо прибором «токовые клещи». Токи должны быть равны по трём фазам и соответствовать табличным данным.

После проведения испытаний вращения двигателя и проверки работы на холостом ходу, разбираем мотор снова.

Производим покрытие статора лаком. Когда пропитались обмотки и заполнились все пустоты, статор размещают в подвешенном состоянии на длительное время. Лишний лак должен стечь и высохнуть в течение 3 часов на открытом воздухе. Можно просушить покрытые детали в печи.

Просушив двигатель, проводим сборку электродвигателя, проверяем ещё раз сопротивление изоляции. Затем осуществляем проверку токов на холостом ходу.

  1. Не рекомендуется перемотанный двигатель сразу включать в полное напряжение. Сначала подвергают запуск через трансформатор — понижающий. Электродвигатель должен слабо начать вращение, отсутствие дыма и запахов подгорания свидетельствует об исправной работе.
  2. Если замечены какие-то отклонения в работе, следует выявить причину на неработающем моторе. Только после этого повторив проверку при помощи трансформатора, следует включать на полное напряжение.

В итоге получили перемотанный электродвигатель.

Рекомендации специалистов по перемотке

  • При определении неисправности двигателя необходимо помнить, что в довольно в частых случаях, когда сопротивление изоляции упало и имеет какие-то малые значения, двигатели достаточно очистить от грязи и просушить от накопленной влаги применяя печку, называемой «тепловой пушкой».
  • В редких случаях возможен ремонт старой изоляции: если произошло короткое замыкание из-за вибрации и место соприкосновения под фланцами. Поможет зачистка изоляции, её восстановление и залить лаком.
  • При прозвонке установлено межвитковое замыкание? Сопротивление одной обмотки ниже чем других. Определяется омметром. Можно попытаться определить нужный виток. Для этого придётся перекусывать провода между витками и определять сопротивление каждого.
  • В редких случаях можно извлечь испорченный виток, заменить на новый, спаять концы и проверить на стенде. Такие же шаги можно использовать при коротком замыкании.
  • Перематывать виток на шаблон необходимо равномерно, заполняя провод к проводу, без перекосов, без нахлестов, согласно размерам статора. Иначе есть риск при сборке не вставить ротор. Сечение и марка проводов должно соответствовать оригиналу.

Далее, следует залить обмотку специальным лаком. Обязательно перед заливкой надо проверить вращение двигателя с помощью трансформатора. Потом под полным напряжением. Эта проверка исключит возможность испорченного материала.

Использование поверенных приборов для определения параметров двигателя: сопротивления и тока холостого хода. При проверке в схеме питания двигателя должна стоять исправная защита, настроенная выше двух третьих номинального тока.

Практически все электродвигатели, установленные в различных моделях бытовых приборов, являются асинхронными. Одно из преимуществ такого технического решения в том, что изменение нагрузки никак не отражается на частоте вращения. Во многом этим и обусловлена популярность таких моделей.

Промышленность выпускает различные модификации этих устройств, которые имеют конструктивные отличия в исполнении составных частей – разное количество полюсов, ротор или короткозамкнутый, или фазный (значительно реже), и ряд других. Но общий принцип ремонта электродвигателей остается неизменным, разница может быть только в отдельных нюансах.

В случае поломки эл/двигателя простейший способ восстановления его работоспособности – обратиться в мастерскую. Однако не в каждом населенном пункте «частники» смогут выполнить эту работу качественно, если, конечно, вообще за нее возьмутся. Поэтому нередко возникает дилемма – выкинуть его в мусорный ящик или попробовать перемотать самостоятельно.

Учитывая разнообразность конструкций и габаритов «движков», а также то, что все они имеют как статорную, так и роторную обмотки (для эл/двигателей постоянного тока – якорную), изложим только порядок действий по перемотке электродвигателей своими руками и общие рекомендации по этому вопросу. Остановимся на двигателе переменного тока, так как именно такие изделия чаще всего входят в состав различных бытовых приборов и агрегатов.

Внешний осмотр

Необходимо, частично разобрав двигатель, произвести очистку всех составных частей и определить, в чем собственно дело. Одновременное выгорание и роторной, и статорной обмоток происходит довольно редко. Поэтому и следует понять, какой из них придется заниматься.

Но здесь нужно учесть, что резкое повышение температуры внутри механизма в момент возникновения неисправности сопровождается нарушением изоляционного покрытия на всех составных частях. Поэтому ограничиваться одной лишь перемоткой нельзя. Следовательно, придется уточнить, что еще необходимо будет сделать и какие материалы приготовить.

Читать также: Usb в com порт

Определение параметров провода

Можно попробовать найти соответствующую информацию в интернете (намоточные данные). Часто люди делятся личным опытом, как они ремонтировали эл/дрель, фен своей жене, насосную станцию на даче и так далее. Но нужно понимать, что это должна быть ТОЧНО ТАКАЯ ЖЕ модель, иначе не факт, что после ремонта ваша станет работать.

На практике же обычно приходится все вопросы выяснять непосредственно при осмотре. Даже если двигатель выгорел довольно сильно, то всегда можно найти участок, на котором обмотка более-менее сохранилась. В этом месте нужно все тщательно очистить для того, чтобы можно было пересчитать все проводки в «укладке». Все, что нам нужно – определить количество витков и сечение провода.

Заботиться о целостности провода, естественно, смысла нет. Поэтому подойдет все, что поможет удалить нагар и частицы расплавленного лака – бензин, спиртосодержащие жидкости и тому подобное. Как вариант – произвести обжиг (горелка, костер и так далее). Главное – результат.

Обмотка выступает за габариты «железа». На той ее части, которая цела и пригодна к осмотру, срезается (срубается, спиливается) верхушка. Подходящий инструмент подбирается в зависимости от толщины провода, но нужно иметь в виду, что он довольно мягкий (медь). Наша задача – добиться того, чтобы одну часть намотки можно было «распушить». Тогда и число проводков посчитать несложно, и сечение их замерить.

Подготовка «железа»

Основой и ротора, и статора служит специальная сталь. При внешнем осмотре на них иногда можно обнаружить небольшие вмятины или заусеницы. Такие места необходимо аккуратно обработать или «мягким» надфилем, или мелкой «наждачкой», не повреждая металл.

Подбор провода

В идеале он должен быть точно таким же. Но это не всегда получается. Следовательно, придется использовать материал с другим сечением, который занимает в соответствующей таблице соседнюю позицию. При этом нужно вспомнить закон Ома и учесть, что с уменьшением диаметра провода его сопротивление возрастает.

Значит, нужно будет изменить и число витков, например, вместо 350 наматывать 400 или 320. Возможно, такое решение – «на глазок» – приведет к некоторому снижению мощности. Тем, для кого это принципиально, придется произвести точные расчеты, тем более что все исходные данные есть – номинал напряжения питания (220 В), сечение имеющегося провода, габариты «железа», на которое он будет наматываться (значит, общая длина проводника).

Изготовление обмотки

Это делается при помощи шаблона. Его несложно изготовить самостоятельно, из плотного картона или фанеры. Главное – правильно снять все размеры с «железа». Намотку провода лучше делать на специальном станке, который не является дефицитом и стоит копейки. Такое приспособление можно смастерить и самому, из подручного материала. Как выглядят станок и шаблон, ясно из рисунка.

Если делать намотку вручную, на это уйдет времени значительно больше, да и есть вероятность того, что можно ошибиться в количестве витков. Кроме того, работая с тонким проводом, его легко порвать, а с толстым – уложить неплотно, что вызовет трудности при постановке обмотки на место из-за увеличения ее габаритов.

Установка обмотки

Ничего сложного в этом нет, необходимо лишь соблюдать аккуратность. После укладки изоляции в пазы по месту «сажается» изготовленная «катушка» (такие «гильзы» изготавливаются из материалов категории «диэлектрик»). Как они ставятся, понятно из рисунка.

Следует избегать любого повреждения не только провода, но и его внешней изоляции (лаковое покрытие). В некоторых случаях целесообразно использовать специальное приспособление – «трамбовку». С ее помощью обмотка «уплотняется» в посадочных пазах. Все фазные катушки надежно изолируются друг от друга.

Пропитка

Она делается с целью изоляции всех токоведущих частей. Рекомендовать какой-то конкретный состав смысла нет, так как в продаже имеется большой ассортимент соответствующей продукции. Но вот кое-что посоветовать стоит.

Все лаки делятся на 2 категории. Одни не требует температурного воздействия, так как просыхают естественным путем. Для других необходима термическая обработка. На производстве с этим проблем нет, так как используются специальные печи. А вот как просушить лак в домашних условиях, придется подумать.

Проверка эл/двигателя

После того, как просушка закончена, нужно убедиться в том, что он готов к включению. Что необходимо? «Прозвонить» все обмотки, по очереди, чтобы выяснить, нет ли где обрыва или «неконтакта» в местах соединений. Кроме того, нужно замерить сопротивление между катушками и на корпус (удостовериться в отсутствии КЗ).

И только после этого можно проверять изделие в работе.

Включение

Для проверки работоспособности двигатель не следует сразу же запитывать от источника 220 В. Сначала нужно проверить его работоспособность через понижающий трансформатор. Если ротор, хоть и «вяло», но крутится и эл/двигатель не греется, не дымит, значит, все сделано правильно.

После включения в промышленную сеть (220) целесообразно замерить потребляемый устройством ток. В паспорте на изделие такие данные есть. В случае чрезмерного отклонения измеренной величины от «номинала» необходимо разбираться с вероятной причиной.

Практические советы

  • В процессе намотки провода на шаблон нужно укладывать его равномерно, «виток к витку». Наложения проводков друг на друга, с «перехлестом», следует избегать. Иначе полученная катушка просто не поместится в месте установки из-за увеличенных габаритов.
  • Еще в процессе разборки эл/двигателя необходимо обратить внимание, как и чем выполнена изоляция внутренних частей (например, фазных катушек), по какой схеме они соединены («треугольник», «звезда») и так далее. Это поможет произвести правильную сборку, так как ее придется делать «один в один». Не стоит надеяться на память. Надежнее все это «зарисовать», с указанием всех особенностей инженерного решения.
  • Если пришлось сдать «движок» в ремонт, то следует поинтересоваться, какие в мастерской применяются пропиточные составы и есть ли соответствующее оборудование для просушки обмоток.

В принципе, ничего особо сложного в самостоятельной «перемотке» эл/двигателя нет. Следует только вспомнить азы электротехники и учесть вышеприведенные рекомендации. Тогда не придется платить за дорогостоящий ремонт (а в мастерской, как правило, «накручивают» смету) или приобретать другую бытовую технику вместо отправленной в утиль.

Завершение намотки

После того как уложите все обмотки в пазах, необходимо вставить между катушками изоляторы. Бандаж необходимо проводить на тыльной стороне статора. Проводите нить через все петли, старайтесь при этом стягивать все изоляторы и провода. Добейтесь того, чтобы изоляционные пластины не соскользнули со своих мест.

Обязательно по завершению выполнить диагностику всей обмотки, после чего прогреть статор и нанести специальный лак. Статор обязательно нужно полностью погружать в лак. Именно так сможете добиться максимальный механической прочности обмоток, ведь заполните пустоты и пазы. На этом перемотка электродвигателя своими руками окончена, можно приступать к эксплуатации.

Видео

Когда речь заходит о перемотке статора, в подавляющем большинстве случаев, подразумевается ремонт инструмента. В качестве примера выполнения означенного процесса можно привести перемотку статора на болгарке.

Означенный процесс по замене обмоток в одной из частей электрического двигателя можно осуществить и бытовых условиях. Объяснить это можно полным повторением сгоревшей обмотки. То есть, выбирается точно такой же проводник, с точно такой же изоляцией.

Ниже представлены самые распространенные причины, которые так или иначе могут привести к выходу статора из строя:

  • разрыв обормотки в результате перенапряжений;
  • электрическое замыкание соседних витков;
  • частично выгоревшая обмотка;
  • нарушение изоляции.

Как правило, присутствует сразу несколько симптомов из означенного списка. Также наблюдается выход оборудования из строя, при существенном увеличении нагрузки на инструмент.

Любое нарушение эксплуатационных правил, технически может привести к поломке инструмента. Однако, если самое худшее произошло, это не означает, что придётся покупать новую болгарку.

Ведь значительно дешевле осуществить замену электрической обмотки (или сгоревшей её части) и продолжить эксплуатацию оборудования.

Действительно, перед тем, как осуществить перемотку, необходимо подготовить статор. Для этого предварительно укладывают его в раскалённое масло. В результате изоляция (нередко используется электротехнический лак) размягчается.

Удаление выполняется при помощи металлической щётки.

После удаления становится понятно, каким проводом была осуществлена намотка на заводе. С отрезком этого провода идём на рынок и покупаем в точности такой (по техническим характеристикам).

Естественно, запрещается менять металл проводника. То есть, если обмотка была выполнена медным проводом, не стоит выбирать более толстый, но алюминиевый. Наша задача – максимально достоверно восстановить выгоревшую обмотку.

Перемотку статора болгарки в настоящее время можно сделать и самостоятельно. Для этого нужно запастись только необходимыми знаниями. При наличии у мастера необходимых инструментов, навыков проведения ремонтных работ и определенного объема знаний в области электротехники, вопрос о том, как своими руками устранить неисправность этого инструмента решается достаточно легко.

Электрофорная машина (генератор Вимшурста) Wimshurst

Генератор Вимшурста (Wimshurst) является индукционной электростатической машиной. В ней статический заряд образуется не с помощью трибоэлектричества, когда присутствует трение, а через индуцирование зарядов. У этого класса машин выше КПД в сравнении с теми, где используется трение.

Описание машины Вимшурста

Машина состоит из двух дисков, которые выполнены из хорошего диэлектрика, например эбонита, акрила и т.п. Эти диски свободно насажены на ось и могут вращаться вокруг горизонтальной оси. Сами диски располагаются вертикально. С помощью рукоятки 1 оба диска приводятся в разнонаправленное вращение. Один диск вращается по часовой стрелки, а другой против часовой. Это обеспечивается с помощью приводных ремней 2 и 3, один из которых перекручен на 180° на одном из шкивов. За счет этого обеспечивается разнонаправленное вращение дисков, которое необходимо для индукции зарядов. Оба диска вращаются от одной рукоятки и поэтому будут вращаться одновременно.

На наружной части каждого диска наклеены металлические полоски 4, которые не касаются краев диска, а выполнены на некотором расстоянии от них. Полоски расположены радиально, в виде лучей, исходящих из центра диска. Оба диска имеют одинаковое количество и расположение полосок, можно сказать, что один диск является отражением другого.

Полоски при вращении дисков соприкасаются со щётками 5, которые выполняют роль контакта для переноса заряда по проводникам 6, 7, 8 и 9. При работе машины Вимшурста металлические полоски в месте контакта со щетками могут изнашиваться и конструктивно этот износ должен быть сведен к минимуму, а надежность контакта к максимуму. Проводники 6 и 7 служат для съема и накопления образованных зарядов с обоих дисков. Проводники 8 и 9 расположены каждый по одну сторону диска и соединяют диаметрально противоположные полоски.

Таким образом мы имеем два типа проводников. Одни (6 и 7) для съема зарядов, а 8 и 9 для установления своеобразной «земли» — линии нейтрального потенциала. Проводники 6 и 7 расположены на одной геометрической диаметральной оси относительно дисков, а проводники 8 и 9 относительно друг друга повернуты на угол 90°.

Можно также заметить, что между проводниками 8 и 9 проводники 6 и 7 расположены по середине и отстоят на угол 45°. Таким образом мы видим, что конструктивно машина выполнена симметрично и достаточно просто, чтобы изготовить ее самостоятельно.

Описание работы электрофорной машины

При вращении рукоятки диски начинают двигаться в противоположных направлениях. Щетки, которые обычно выполняются в виде мишуры начинают контактировать то с одними, то с последующими металлическими полосками. С каждым оборотом начинает накапливаться всё больший и больший заряд, что обеспечивает увеличение потенциала на контактах 6 и 7. Для лучшего накопления используют конденсаторы в виде лейденских банок.

Как только накопленный заряд достигает максимального значения для используемой конструкции машины Вимшурста, дальнейший рост заряда прекращается. Чем больше диаметра дисков и чем больше скорость вращения, тем больший заряд способна выработать электрофорная машина.

Как происходит накопление заряда?

Предположим, что первый круг имеет недостаток свободных зарядов, что в нашем случае означает недостаток свободных электронов в металлических пластинах. При движении второго диска его пластины будут поочередно соприкасаться со щетками на проводнике 8, и, соответственно, на них будет образован избыток свободных носителей зарядов.

Это происходит потому, что пластины с обоих сторон, между которыми расположен диэлектрик (материал дисков), представляют собой плоский конденсатор, но такой конденсатор, обкладки которого двигаются. Электрический заряд на таком конденсаторе индуцируется, или иначе говоря — наводится.

Дальше происходит следующее. Пластины, второго диска, дойдя до щеток контакта 6 отдадут свои электроны в накопитель в виде лейденской банки (конденсатор). Эта лейденская банка будет накапливать заряд -Q. Затем настанет очередь следующих за ними пластин и так далее. Аналогичный процесс происходит и на первом диске, так как он так же вращается, но в другом направлении. Здесь можно сказать, что свободные носители как бы выкачиваются из другой лейденской банки, тем самым образуя на ней недостаток электронов, а значит ею приобретается заряд +Q.

Чем чаще пластины обоих дисков соприкасаются со щетками на проводниках 6 и 7, тем большее количество зарядов накапливается на них. Лейденские банки, если они установлены, будут заряжаться всё сильнее и сильнее, до тех пор, пока кулоновские силы не начнут противодействовать дальнейшему накоплению зарядов. Это значит, что есть предел накопления, который можно характеризовать также и разностью потенциалов (напряжением) между двумя контактами 6 и 7.

Если же в дальнейшем разрядить оба контакта, накопившие +Q и -Q, либо друг на друга, либо передать заряд в другую электрическую емкость, то дальнейшее накопление заряда станет вновь возможным.

Вы можете спросить. Откуда берется первоначальный заряд? Дело в том, что он существует всегда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком (газ, жидкость, твердое тело) всегда имеют емкость, и более того, они имеют разность потенциалов, что говорит о наличии на одном таком проводнике большего количества свободных носителей зарядов, чем на другом.

Электрофорная машина Вимшурста является машиной с самовозбуждением, то есть для начала ее работы не требуется подвод какого-либо дополнительного заряда.

Является ли машина Вимшурста генератором энергии?

Более точно можно сказать, что машина Вимшурста является преобразователем механической энергии вращения в энергию электростатического поля. При работе такой машины, как впрочем и любой другой, существуют потери на трение, утечки энергии и т.п. Поэтому ее КПД не может быть более 100%, и даже он не может быть равен 100%.

По мере роста разности потенциалов, чем всё больший заряд будет накапливаться, тем сильнее кулоновские силы будут противодействовать механическим. На практике это означает, что с каждым оборотом дисков будет расти прикладываемое усилие. Кроме этого будут потери на трение в конструкции и нежелательные утечки зарядов.

Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса

Двигатели Ванкеля, Стирлинга, разного рода газотурбинные установки так и не стали автомобильным мейнстримом. Ряд известных компаний (от Мазды до GM, от Мерседеса до Volvo) работали над ними десятки лет, упорствовали маленькие фирмы и отдельные изобретатели. Увы, в конце концов выяснялось, что подводных камней в той или иной конструкции намного больше, чем казалось вначале. Но это не значит, что развитие альтернативных агрегатов невозможно. Энтузиасты перебирают идею за идеей, и мне как инженеру-двигателисту интересно поделиться с вами рядом экзотических схем.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация из цилиндра, поршня, шатуна и коленвала отлично себя зарекомендовала более чем за столетие и, чтобы улучшить параметры ДВС, не надо изобретать её заново — достаточно лишь подправить кое-какие аспекты. Поэтому первый в нашем обзоре — мотор американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но происходят они не в одном и том же цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий — за рабочий ход и выпуск.

В простейшем моторе Scuderi цилиндров два: поршень в холодном цилиндре отстаёт на 30 градусов поворота коленвала от собрата в горячем.

Пока в рабочем цилиндре идёт расширение газов, в холодном, компрессорном, — такт впуска. В рабочем — выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мёртвым точкам, смесь через перепускной канал перебрасывается из холодного цилиндра в горячий и поджигается. Такой разделённый цикл (в принципе — тот же цикл Отто, пусть и модифицированный) американцы придумали в 2006 году, а в 2009-м построили опытный Scuderi Split Cycle Engine. У компрессорного и рабочего цилиндров могут быть разные диаметры и ходы поршней, что даёт гибко настраивать параметры — получается аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газов.

Экспериментальный литровый мотор Scuderi на стенде работает плавно и относительно тихо — даже без глушителя!

По расчётам мотор Scuderi на 25% экономичнее обычного, а с турбонаддувом и теплообменником, передающим энергию выхлопных газов воздуху в перепускном канале, и того выше. В четырёхцилиндровом варианте один компрессорный цилиндр может загонять смесь в три рабочих.

Если к каналу между цилиндрами добавить ответвление с клапанами и баллоном высокого давления, можно заставить такой мотор собирать энергию при торможении и использовать её при разгоне (этот режим показан на последней минуте первого ролика). Однако на протяжении уже ряда лет деятельность компании Scuderi Group ограничивается лишь опытными образцами и участием в выставках. Похоже, реальная экономичность тут всё же не может перебить высокую сложность конструкции.

Двухтактный агрегат Paut Motor использует принцип, подобный применённому в моторах Scuderi Group, — сжатие и рабочий ход тут происходят в разных цилиндрах, между которыми устроены перепускные каналы.

К разделённому рабочему циклу обратились было и разработчики хорватской фирмы Paut Motor. Их «разнесённая» конструкция привлекла меньшим числом деталей, низким трением и сниженным шумом. А необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере масла не предусмотрено, не испугала. Изобретатели построили несколько опытных образцов. Для рабочего объёма в семь литров их габариты (500×440×440 мм) и вес (135 кг) оказались чуть ли не вдвое ниже, чем у традиционных ДВС. А отдачу так и не выяснили. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект заглох.

В агрегате Paut Motor — четыре рабочих камеры с поршнями диаметром 100 мм и четыре компрессионных (120 мм). Двухсторонние поршни передают усилия на коленвал, который, благодаря паре шестерён с внутренним зацеплением, совершает планетарное движение.

Двухтактный двигатель Bonner (по имени спонсора, фирмы Bonner Motor), изобретённый в 2006 году в США Вальтером Шмидом, устроен ещё сложнее. Как и в проекте Paut Motor, цилиндры тут расположены буквой X, а коленвал тоже совершает планетарное движение за счёт системы шестерён.

Ключевое отличие от схемы фирмы Paut Motor — роль рабочих поршней играют подвижные цилиндры, соединённые с коленвалом (показаны красным). А с внешней стороны их закрывают неподвижные поршни (отмечены серым).

За газораспределение в Боннере отвечают клапаны в донышках цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе мотора. При этом внешние поршни могут немного смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Запутанная схема! А всё — ради высокой мощности на единицу веса. В теории Bonner выглядит интересно, но на практике о нём уже давно нет никаких новостей — судя по всему, надежд он не оправдал.

Некий мистер Смоллбон получил американский патент на аксиальный мотор ещё в 1906 году. Но если бы такой агрегат был идеалом, через 110 лет все автомобили использовали бы его.

Другие изобретатели не меняли рабочие циклы ДВС, а сосредотачивались на расположении его частей. Таковы, например, аксиальные моторы, которым уже больше ста лет (один из ранних патентов — на рисунке выше). Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры располагаются, как патроны в барабане револьвера, с соосным выходным валом. За преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала отвечают разные системы вроде наклонённых к продольной оси двигателя штифтов, косых шайб и тому подобного.

По такому принципу сегодня работают некоторые компрессоры. Добавив продуманное газораспределение и зажигание, можно превратить подобный блок в мотор…

…такой, как американский Dina-Cam 1960-х с полувековыми корнями. Благодаря хорошему соотношению веса и мощности аксиальные агрегаты прочили на роль моторов для лёгких самолётов.

Разновидностью аксиальных агрегатов является новозеландский проект фирмы Duke Engines — пятицилиндровый четырёхтактник рабочим объёмом три литра. По сравнению с классическим ДВС того же литража этот был, по расчётам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Ему сулили применение в самых разных областях, но мечты о завоевании целого мира остались мечтами.

Опытный образец мотора Duke был построен в 2012 году. Потом он мелькал на выставках, собирал призы, но вот уже несколько лет новостей о нём нет.

Ещё более сложный аксиальный пример — двигатель RadMax канадской фирмы Reg Technologies. Здесь вместо цилиндров в общем барабане с помощью тонких лопастей организована дюжина отсеков. В прорезях ротора установлены пластины, которые сдвигаются вдоль них по мере его вращения. С торцов полученные переменные объёмы ограничивают изогнутые поверхности: они задают траекторию движения лопастей и заведуют газообменом.

Основные части мотора RadMax. За один оборот вала тут происходит 24 полных рабочих цикла.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели под разные виды топлива, хотя изначально изобретатели выбрали дизельное. В 2003 году был построен образец диаметром и длиной всего 152 мм. Он развивал 42 силы — в разы больше, чем схожий по габаритам ДВС. Позже фирма отчиталась о создании более крупных прототипов на 127 и 380 сил. Но, судя по релизам, вся её деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Ещё один пример превосходства теории над практикой — тороидальный мотор Round Engine (или VGT Engine) уже исчезнувшей канадской компании VGT Technologies. Первые прототипы двигателя с тором переменной геометрии (отсюда и буквы VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) инженеры испытывали ещё в 2005 году.

Авторы кругового двигателя избавились от возвратно-поступательных движений. Отсюда — радикальное снижение вибраций. Плюсом можно назвать минимальное число деталей и хорошую расчётную экономичность.

Тор здесь играет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с парой закреплённых на нём поршней. Необходимые для обеспечения рабочих тактов переменные объёмы образуются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом под поршни, который ремённым или иным приводом вращается поперёк тора. Этот диск ограничивает топливно-воздушную смесь в процессе сжатия и рабочего хода.

Система фирмы Garric Engines похожа на VGT, однако вместо поперечного распреддиска использовано шесть поворотных золотников.

В 2009 году свой тороидальный мотор, принципиально повторяющий канадский, разработали американцы Гарри Келли и Рик Айвас (видео выше). По их оценке, тор полуметрового диаметра обеспечивал бы 230 л.с. и около 1000 Н•м всего при 1050 об/мин. Но… На сайте их фирмы Garric Engines сейчас висит заглушка «Спасибо за интерес. В будущем страница может быть обновлена». Возможно, чуть лучшая судьба ждёт так называемый нутационный двигатель, придуманный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — его хотя бы построили в нескольких экземплярах.

Главный принцип нутационного диска: в процессе работы он не вращается вокруг вала, а качается из стороны в сторону. Добавив перегородки, получаем отсеки, в которых газ может сжиматься и расширяться.

Нутация по-латински означает «кивать». Мейер сформировал четыре рабочие камеры переменного объёма между корпусом мотора и «кивающим» по сторонам диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам вдоль своего диаметра и нанизан на Z-образный вал, с которого и снимается мощность. За газообмен отвечают каналы и клапаны в корпусе.

Рабочий диск показан в разрезе. Минимализму, уравновешенности и лёгкости нутационной конструкции позавидует даже двигатель Ванкеля.

Прототипы мотора Мейера построила компания Baker Engineering и родственная ей Kinetic BEI. С единственным диском диаметром 102 мм агрегат развивает семь сил, а с парой дисков по 203 мм — уже 120! Длина двухдискового двигателя — 500 мм, диаметр — 300, а рабочий объём — 3,8 л. На килограмм веса — 2,5−3 «лошади» против одной-двух у массовых атмосферных ДВС (из немассовых некоторые моторы Ferrari выдают больше трёх сил на килограмм, но при высоченных 9000 об/мин). Литровая мощность, правда, не впечатляет. Ныне Baker и Kinetic вроде как доводят проекты до ума, хотя особой активности на их сайтах не видно.

За один оборот вала в двухдисковом нутационном агрегате происходят те же четыре рабочих хода, что и в восьмицилиндровом поршневом «четырёхтактнике». На фото — одно- и двухдисковые рабочие прототипы. (Кстати, из двух дисков в принципе можно создать и машину с разделённым циклом, одному отдать сжатие смеси, другому рабочий ход.)

В 2010 году нутационный мотор попал в зону интереса исследовательского центра ВВС США. Гарри Смит, менеджер лаборатории, демонстрирует внутренности мотора и объясняет, что особую ценность конструкция представляет для лёгкой авиации.

Идея роторных агрегатов различного типа так часто привлекает новаторов, будто один лишь отход от знакомой схемы даёт существенное повышение характеристик. Так, Николай Школьник, выходец из СССР, давно перебравшийся в США, с сыном Александром разработал мотор, напоминающий двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку. Ротор арахисовой формы также вращается в треугольной камере, но в отличие от агрегата Ванкеля уплотнители закреплены не на поршне, а на стенках камеры.

В роторе LiquidPiston есть полость, играющая свою роль в газообмене. Процесс сгорания проходит при постоянном объёме, а затем идёт расширение — это один из факторов, повышающих КПД.

Для развития конструкции Школьники основали фирму LiquidPiston, которой заинтересовалось оборонное агентство DARPA — теперь оно софинансирует эксперименты в расчёте на перспективы работы «арахисовых» агрегатов в лёгких летательных аппаратах, включая беспилотники, и в переносных генераторах. Опытный моторчик рабочим объёмом 23 см³ обладает неплохим для таких габаритов КПД в 20%. Теперь авторы нацелены на дизельный прототип весом около 13 кг и мощностью 40 л.с. для установки на гибридный автомобиль. Его КПД якобы вырастет уже до 45%.

Первый образец мотора Школьников можно положить на ладонь. Он весит 1,8 кг и может заменить вдесятеро более тяжёлый поршневой ДВС карта (показан слева). Мощность всего 3 л.с., но классический двигатель такого размера был бы ещё слабее.

Последний рассмотренный нами мотор демонстрирует, что идея плоского агрегата (ротор ведь можно сделать очень узким) заманчива. Вместе с тем для её реализации сами роторы не так обязательны — достаточно «оквадратить» традиционный поршень и, соответственно, сделать прямоугольным на виде сверху цилиндр.

Этой странной разработке фирмы Pivotal Engineering уже несколько лет, в течение которых создан ряд образцов, приводивших в движение мотоциклы и самолёты. Авторы адресуют так называемый качающийся поршень в первую очередь авиации. Помимо высоких выходных характеристик по отношению к весу и габаритам, такой двухтактный агрегат отлично поддаётся форсировке за счёт прохождения сквозь неподвижную ось поршня (рисунок ниже) жидкостного канала охлаждения. С иной схемой такой трюк затруднителен.

Задумка компании Pivotal Engineering из Новой Зеландии представляет собой мотор с качающимися прямоугольными (в плане) поршнями. Один их край закреплён на неподвижной оси, второй — связан с шатуном. Справа — четырёхцилиндровый образец на 2,1 л.

За пределами нашего обзора осталось ещё много экзотических разработок вроде 12-роторного мотора Ванкеля, двигателя Найта или агрегатов со встречными поршнями, ДВС с изменяемой степенью сжатия или с пятью тактами (есть и такие!), а ещё роторно-лопастные агрегаты, в которых составные части ротора совершают движения, будто сходящиеся и расходящиеся лезвия ножниц.

Ещё пример чудачеств — H-образный двигатель, объединяющий в себе две рядные «пятёрки». Автор патента Луи Хернс полагает, что одну половину агрегата можно адаптировать под бензин, а другую — под метан и активировать их как врозь, так и вместе.

Даже беглый экскурс за пределы классических ДВС показал, сколь большое количество идей не находит массового воплощения. Роторы часто губит проблема износа уплотнений. Роторно-лопастные варианты вдобавок страдают от высоких знакопеременных нагрузок, разрушающих механизм связи лопастей и вала. Это только одна из причин, почему мы не встречаем такие «чудеса» на серийных автомобилях.

Вторая — в том, что и традиционные ДВС не стоят на месте. У последних бензиновых образцов с циклом Миллера термический КПД доходит до 40% даже без турбонаддува. Это много. У большинства бензиновых агрегатов — 20−30%. У дизелей — 30−40% (на крупных судах — до 50). А главное — глобальная альтернатива ДВС уже найдена. Это электромоторы и силовые установки на топливных элементах. Поэтому если изобретатели диковинок не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, вырулить с обочины прогресса перед электричками они попросту не успеют.

Необычные ДВС

Добавлено: 01:24 / 12.02.07 | Последний раз редактировалось: Мослитр (02:27 / 13.02.07), всего редактировалось 2 раз(а)
Содержание:
1)НОВОЕ СЕРДЦЕ МОТОРА
2)Двигатель Фролова
1)НОВОЕ СЕРДЦЕ МОТОРА
Конструкторское бюро Центрального дома детей железнодорожников разработало новую схему мотора. Конструктивным преимуществом мотора являются простота изготовления, компактность и малый вес. Отсутствуют такие детали, как шатуны и коленчатый вал. Увеличена также его мощность за счет двух рабочих ходов при одном обороте вала. Мотор работает по двухтактному циклу.
Подача горючего осуществляется через карбюратор, который крепится непосредственно к картеру 8 мотора. В патрубке карбюратора имеется лепестковый клапан 10 (на схеме указан в картере). Свеча 6 ввернута в утолщенную стенку цилиндра 1 и вращается вместе с ним. Это обеспечивает пол-ную герметичность цилиндра во время работы и устраняет силы, противодействующие на стенки картера. Высокое напряжение подводится к свече через скользящий контакт. Для удержания поршневых шарикоподшипников 4 в пазу служат направляющие полозья, между которыми скользят удлиненные в обе стороны пальцы шарикоподшипников.
Направляющие полозья укрепляются на болтах внутри картера по замкнутой кривой. (Полозья и удлиненные пальцы шарикоподшипников на схеме не указаны.)
При работе мотора трение между пальцами и полозьями отсутствует. Поршни удерживаются в пазу центробежной силой.
На рисунке под цифрами вы видите: цилиндр 1, поршни 2, поршневые кольца, 3 шарикоподшипники 4, 5, свечу 6, отверстия для болтов 7, корпус картера 8, водяную рубашку 9, клапан 10.
А АБРАМОВ, нонструнтор
2)Двигатель Фролова (Наука и Жизнь №9 1988)
На ВДНХ СССР этим летом проходила выставка «Изобретательство и рационализация-88». На ней были представлены три тысячи экспонатов. Здесь показаны несколько новинок, с которыми познакомились посетители выставки.
Универсальный двигатель внутреннего сгорания, изобретенный В. К. Фроловым (г. Николаев, клуб «Мотор»).
При массе в 7,5 кг он развивает мощность около 30 кВт.
Возвратно-поступательное движение поршней этого оригинального двигателя превращается во вращательное движение ротора.
Фролов Виталий Константинович — авиатор, пилот/борт-механик, спортсмен авто/мотокроссмен (мастер спорта), в прошлом, и ныне действующий изобретатель/рационализатор двигателей внутреннего/внешнего сгорания, пневмо/гидронасосов и просто хороший человек с золотыми руками и развитым чувством юмора.
Его кредо — СЕЙЧАС УЖЕ НИЧЕГО НОВОГО В МЕХАНИКЕ НЕ ИЗОБРЕСТИ! ДОСТАТОЧНО КОМПОНОВАТЬ РАНЕЕ ИЗОБРЕТЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ИСКАТЬ ИХ НЕТРАДИЦИОННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. Первой его пробой сил стал двухтактный оппозит разработанный по заданию ВДВ. Этот двигатель должен быть легким, экономичным, безотказным в воздухе, на земле и воде. И что немаловажно, в боевых условиях иметь высокую живучесть. Так вот, этот двигатель получился ну ООООчень живучим!, поскольку в первую очередь он прижился на гражданке и использовался как в сверхлегкой авиации, так и в кольцевых мотогонках, так и в мотокроссах. Оппозитная схема вкупе с конической передачей позволила легко апгрейдить одноцилиндровые двигатели повышая как их объем, так и мощность. Пример тому — ИЖ Планета 5 на картер которой был установлен блок цилиндров от Юпитера.
На фото:
Фролов В.К. справа
Мотор получился компактным и бодрым. На второй передаче заднее колесо легко срывало в букс.
Вариантов оппозитных двухтактников было достаточно много. В основном они были предназначены для мотодельтапланов, поскольку довольно долгое время Фролов сотрудничал с ОКБ им. Антонова
Эта схема применяется и поныне. Сейчас разрабатывается блок-мотор для установки на низ кроссовогоЧЗ, что позволит реанимировать многие кроссовые мотоциклы в небольших мотоклубах.
Нетрадиционный подход Фролова проявляется с давних пор. Еще во времена службы в ВВС, генерал, обеспечивавший поддержку изобретателя, в сердцах сказал: «Уж лучше бы ты водку пил!», после того, как Фролов заставил свой АН-2 лететь хвостом вперед со скоростью 75км/ч
Однако вернемся к нашим моторам.
Основные усилия по модернизации и совершенству конструкций двигателей Фролов направил на поиск новых решений по преобразованию возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение ведущего вала. Пока что он признает незыблемость и необходимость цилиндро-поршневой группы двигателя. Экспериментов было много, в том числе и с двигателями Баландинской схемы.
Один такой двигатель был смонтирован в минском картере и внешне ничем не отличался от обычного мотора. Как известно, — шило в мешке не утаишь и вот, однажды, когда Фролов уехал в командировку, ребята картингисты, у которых он базировался в то время, втихаря поставили этот мотор на карт и выиграли чемпионат Украины. Уж как им удалость обойти техкомиссию одному Богу известно, впрочем в 70е годы техкомиссии не были уж очень строгими, возможно это их и спасло. А поскольку мотор все время был скрыт от любопытных глаз брезентом и ему еще только предстояли испытания, то ребята опять поставили его на место и только через несколько лет признались в содеянном
Второй двигатель по этой же схеме был изготовлен полностью самодельным
Убедившись в труднопреодолимости недостатков Баландинской схемы, Фролов продолжил поиск механизмов преобразования. Однажды на глаза попался механизм ткацкого станка, который стал главным звеном в сегментно-роторном моторе.
а затем перекочевал на четырехцилиндровый V-образник
В качестве базовых деталей использованы головки цилиндров, цилиндры и поршня от ЗАЗ 965А, такие, какие они есть, без каких бы то ни было переделок и доработок! При этом с двигателя объемом 993 см3 удалось снять 89 л.с. при 8800об/мин.
Верхняя часть двигателя сделана отдельным, съемным блоком
и установлена на нижнюю часть кроссового двигателя ЧЗ
Двигатель не имеетколенвала как такового, вместо него используется механизм напоминающий шарнир разных угловых скоростей, или как его принято называть — шарнир Гука.
Все вращающиеся детали работают на подшипниках качения. Масло подается под клапанные крышки и свободно стекая не только смазывает но и отводит тепло. Для охлаждения масла перед двигателем установлен узкий длинный радиатор. Двигатель смонтирован в гибридной раме
родословная которой уходит корнями в кольцевые мотогонки. Запуск не представляет труда как киком, так и электростартером. Эта ходовка была сделана скорее как стенд для ходовых испытаний, после того как двигатель погоняли на стационарном стенде. Сейчас, параллельно с ходовыми испытаниями, идет оптимизация конструкции двигателя и разработка новой рамы с помощью современных методов проектирования. Все разработки Фролова защищены авторскими свидетельствами, но он не торопится приподнимать покрывало тайны над ними.
(Мото, 2004г)
В этом двигателе нет коленвала
Мало что меняется в конструкции двигателей внутреннего сгорания (ДВС): в целом они такие же, что и 100 лет назад. И все же появляются сомневающиеся в незыблемости конструкции. Знакомьтесь: Виталий Константинович ФРОЛОВ из города Николаева (Украина) — бывший авиатор, автомо-токроссмен (он мастер спорта), изобретатель и мастер с золотыми руками. Он сначала усовершенствовал коленвал, а затем и вовсе изгнал его из своих моторов.
Забытое гениальное
В начале изобретательской карьеры, 30 лет назад, Виталий Фролов еще не замахивался на то, чтобы изменить ДВС -ограничился малым: установил на коленвал особые накладки. Когда они изнашивались, менял их вместе с вкладышами, и вал продолжал работать. Просто? Тем не менее, до этого раньше никто не додумался. Виталий получил первое авторское свидетельство, его наградили серебряной медалью Выставки достижений народного хозяйства СССР — в те времена считалось очень почетным стать лауреатом этой награды. Так часто бывает: гениальные изобретения забываются. Чудесный коленвал так и не был внедрен…
Похоже, обида на неразумное человечество вылилась у Виталия в нелюбовь к коленчатым валам, и позже он беспощадно «уничтожал» деталь во всех своих последующих разработках. И сформулировал один из принципов: коленчатый вал — деталь несовершенная.
Странный оппозит
Однажды он получил заказ от специалистов воздушно-десантных войск: разработать двигатель — помощник суперсолдат. Мотор, сказали ему люди в мундирах, должен быть легким, экономичным, безотказным в воздухе, на земле и воде. И вскоре такой появился — 2-тактный оппозит, в основе которого лежал мотор «Иж-Юпитер 5».
Оппозит Фролова необычный — без уплотнительной перегородки между кривошипными камерами, так усложняющей конструкцию ординарных 2-цилиндровых двухтактников. Коленчатый вал (до поры до времени Фролов оставил его в покое) — с двумя опорными подшипниками (вместо трех), что снизило его вес и длину. В конструкции Фролов использовал два своих изобретения: «Демпфер крутильных колебаний коленчатого вала ДВС» и «Узел двигателя внутреннего сгорания».
Мотор получился компактным и «бодрым» — в 1,5 раза возросли мощность и крутящий момент. Он предназначался для сверхлегкой авиации, водномоторного спорта. В 1988 г. пришел заказ на изготовление 300 моторов для дельтапланов. Опытный мотор УМБ-760 устанавливался и на автомобиль ЛуАЗ, планировалось начать его серийный выпуск.
В 2001 году появился мотоцикл, который сразу привлек внимание байкеров. Еще бы: во время демонстрации работоспособности аппарата на второй передаче заднее колесо срывало в букс. Производство движка планировали развернуть на одном из харьковских заводов — для переоборудования обычных «Ижей». Но нагрянули известные события с распадом СССР, и проект так и остался невоплощенным.
Улучшенный баландин
Вконец разочаровавшись в коленчатых валах, Виталий Фролов увлекся бесшатунными двигателями Баландина. У этих моторов нет не только шатуна, но и коленчатого вала: преобразование возвратно-поступательного движения поршня в них происходит посредством особого эксцентрического механизма.
Недостаток баландинского «бесшатунника» — излишне высокие требования к точности изготовления эксцентрика. Модернизировав узел преобразования, Виталий изготовил два опытных мотора: один смонтировал в картере «Минска», использовав штатные цилиндр, головку, сцепление и КП. Второй по этой же схеме был от начала до конца самоделкой.
Иногда он давал мотогонщикам свои моторы — и те выигрывали. Техкомиссия их не засекала, потому что о необычных «внутренностях» никто и не догадывался: габариты двигателя оставались прежними. Настолько не догадывались, что однажды в гонках по спидвею победившего спортсмена дисквалифицировали с формулировкой… «опасно ехал». Но никто не продолжил мысль: ведь это происходило в силу избытка мощности мотора. Никому в голову не пришло заглянуть вовнутрь.
И все равно, даже усовершенствованный «баландин» не устраивал изобретателя: механизм преобразования своей громоздкостью напоминал ненавистный коленчатый вал.
Мотостенд
Однажды на глаза Фролову попался ткацкий станок. Другой бы прошел мимо, но нашего пытливого героя натолкнул на нетрадиционное решение. И в 2001 году он изобрел собственную конструкцию механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Изобретательство ради патентов — не его страсть: во Фролове жило неуемное желание воплотить идею в металле. Он построил не маленький движочек-игрушку, как было с мотором по «баландинскому» принципу, а полноразмерный силовой агрегат. Так появился на свет 4-цилинд-ровый 4-тактный V-образник. В качестве базовых деталей использовал головки цилиндров, цилиндры и поршни от «Запорожца», причем без особых доработок, разве что, в силу увеличившегося хода поршней, рабочий объем с 993 см3 возрос до 1100.
Так ведь уменьшился в размерах и картер (коленвала-то нет!), и двигатель в целом вышел в три раза легче(!) и в два раза компактнее (!) исходного мотора МеМЗ-966. Такой не грех установить на мотоцикл. Что и сделал.
Верхняя часть двигателя выполнена съемным блоком и установлена на картер кроссового двигателя ЧЗ-250 со сцеплением и КП. Чтобы демонтировать верх мотора, достаточно открутить всего четыре болта — 10 минут хлопот. Рама — от шоссейно-кольцевого «Ижа» с подвесками от «Чезета», бак — от «Явы». Мотор настолько компактен, что если посмотреть на аппарат сбоку, то он вписывается в габариты ижевского движка, а если смотреть сверху, то его не видно из-под бака. Силовому агрегату еще предстоит пережить доводку, а пока на нем установлены достаточно примитивные карбюраторы и контактное зажигание от «Жигуля»-«копейки».
Благодаря возможности значительно поднять обороты выходного вала механизма преобразования с мотора «сняли» 89 л. с. при 8800 об/мин. Масса «чумовоза» — около 180 кг. Согласитесь, для байка с кубатурой 1100 весьма недурно: у большинства зарубежных «одноклассников» она переваливает за 220-240 кг.
Свой мотоцикл Фролов настойчиво называет «мотостендом». Кстати, построенный в 1885 году Готтлибом Даймлером первый мотоцикл тоже по сути был мотостендом — на нем немец-первооткрыватель отлаживал новый в то время поршневой двигатель Отто.
Секрет — в цилиндре
Своими фантастическими показателями мотор Фролова обязан именно тому, что в конструкции нет коленчатого вала. Вместо него используется рычажный механизм преобразования, напоминающий шарнир Гука. С виду все просто, но объяснить, как он работает, никому толком не удается -это надо видеть. Изобретатель охотно демонстрирует механизм в работе. Но секрет все же есть — он заключен в некоей цилиндрической детали, которая крепится к проставке, установленной между блоком цилиндров и низом мотора. Фролов называет этот узел демпфером, или уравнителем крутильных колебаний — на него изобретатель и оформил патент.
Со стороны цилиндров в демпфер входит палец, вращающийся рывками, а с другой выходит шестерня конической передачи, вращающаяся достаточно равномерно и без вибраций. Дальше все тривиально — вторая шестерня конической передачи сидит на валу сцепления.
Коническая передача позволяет располагать мотор относительно трансмиссии в каком угодно положении -и в этом еще одно преимущество двигателя. Он обладает повышенным моторесурсом — в силу того, что здесь нет подшипников скольжения, а значит, не требуется смазка под давлением. Кроме того, практически отсутствуют боковые силы воздействия на детали цилиндро-поршневой группы, нет мертвых точек и момента инерции деталей, механизма преобразования движения поршня во вращение вала.
Изобретатель утверждает — признаться, в это верится с трудом — что в его механизме можно во время езды плавно изменять хода поршня, вплоть до нулевых. А это открывает перспективы двигателей с совершенно новыми качествами.
Задания на завтра
Его не следует считать непризнанным самоучкой-неудачником. О результатах творчества Фролова писали в авторитетных журналах «Крылья Родины», «Изобретатель-рационализатор», «Наука и жизнь», «Моделист-конструктор», «ИР Украины», «Авиация общего назначения» и других. Наш изобретатель получил пять авторских свидетельств, подал еще пять заявок.
Сейчас Виталий Фролов работает консультантом в недавно созданном Николаевском политехническом институте на кафедре ДВС. У него есть почитатели, в меру возможностей они помогают Виталию. Совместно с соратниками он организовал компанию «Двигатели Фролова».
К нему приезжали конструкторы с Ижевского и Киевского мотозаводов. Ижевчан заинтересовал 2-тактный оппозит, киевлянам он пообещал разработать 4- и даже 8-цилиндровый двигатель для трайка «Днепр-300», более того, продемонстрировал макет с действующей кинематической схемой. Подписан договор с Харьковским автодорожным университетом о разработках в области новых экологически безопасных двигателей для городского транспорта, а также мотора, который мог бы приводить в движение скутер или мотоколяску в течение двух часов, и для него хватало бы горючего из маленького баллончика с газом. Понятно, что это будет двигатель совсем другого типа. К примеру, если современные моторы Фролова обладают удельной мощностью 100 г/л. с., то в перспективе, убеждает изобретатель, показатель можно довести до 10 г/л. с. Кое-какие наметки у него уже есть, но он не торопится приподнимать покров тайны.

10 самых необычных двигателей за всю историю автомобилестроения

Большинство современных автомобильных двигателей очень похожи друг на друга. Даже те, которые могут на первый взгляд показаться особыми, например шестицилиндровый Porsche, или новый двухцилиндровый Fiat, построены по все той же заезженной технологии, которая используется в конструкции двигателей уже более 50 лет. Однако, не все производители следуют этой тенденции. Некоторые двигатели являются поистине уникальным, а некоторые из них просто шокируют. Кто-то гнался за эффективностью, другие – за оригинальностью. В любом случае, их проекты поражают.

Сегодня я расскажу вам о десяти самых необычных двигателях за всю историю автомобилестроения, однако, есть некоторые правила. В этом списке имеют право находиться только двигатели серийных пассажирских автомобилей, никаких кастомных проектов. Итак, давайте же приступим!

Bugatti Veyron W16

Конечно, куда же без него, великий и могучий Veyron W16. Одни только цифры поражают: 8 литров, более 1000 лошадиных сил, 16 цилиндров – этот двигатель является самым мощным и сложным среди всех серийных автомобилей. Он имеет 64 клапана, четыре турбины, W-компоновку – такого мы еще никогда не видели. И да, на него распространяется гарантия.

Такие двигатели являются удивительно редкими, поэтому мы должны ценить то, что нам удалось застать такие уникальные технологические прорывы.

Knight Sleeve Valve

В начале прошлого века, Чарльз Йел Найт решил, что пора внести в конструкцию двигателей что-то новенькое, и придумал бесклапанный двигатель с гильзовым распределением. К всеобщему удивлению, технология оказалась рабочей. Такие двигатели были весьма эффективными, тихими и надежными. Среди минусов можно отметить потребление масла. Двигатель был запатентован в 1908 году, а позднее появлялся во многих автомобилях, в том числе Mercedes-Benz, Panhard и Peugeot. Технология отошла на задний план, когда двигатели стали быстрее крутиться, с чем традиционная клапанная система справлялась гораздо лучше.

Mazda Wankel Rotary

Пришел как-то один парень в офис Mazda, и предложил сделать двигатель, в котором трехконечный поршень должен вращаться в овальном пространстве. По сути, это напоминало футбольный мяч в стиральной машине, но по факту двигатель оказался удивительно сбалансированным.

Вращаясь, ротор создает три небольших полости, которые отвечают за четыре фазы силового цикла: впрыск, компрессия, мощность и выхлоп. Звучит эффективно, и так оно и есть. Соотношение мощности и объема довольно высоко, но сам по себе движок нефонтанистый, потому что камера сгорания у него сильно удлинена.

Странно, не так ли? А знаете, что еще более странно? Он всё еще в производстве. Купите Mazda RX-8 и получите сумасшедший движок, который вращается до 9000 об/мин. Чего же вы ждете? Скорее в салон!

Eisenhuth Compound

Джон Айзенхат знаменит тем, что изобрел интересный трехцилиндровый двигатель, в котором два крайних цилиндра питали средний, «мертвый» незажженный цилиндр своими выхлопными газами, который, в свою очередь, отвечал за выходящую энергию. Айзенхат пророчил своему двигателю 47-процентную экономию топлива. Через пару лет компания развалилась и обанкротилась. Делайте выводы.

Panhard Flat-Twin

Французская компания Panhard стала известна благодаря своим интересным двигателям с алюминиевыми блоками. Их изюминкой является конструкция. Суть в том, что блок и головка блока цилиндров сварены в единое целое. Объем двигателя составлял от 0.61 до 0.85 литра, мощность – от 42 до 60 л.с, в зависимости от модели. Удивительный факт: этот двигатель является самым странным участником и победителем (!!!) гонок Le Mans.

Commer Rootes TS3

Странный двигатель со странным названием. Трехлитровый движок с оппозитными поршнями Commer TS3 оснащался компрессором и одним коленвалом (большинство оппозитных двигателей имеет два). Очень интересная махина во всех смыслах этого слова.

Lanchester Twin-Crank Twin

Компания Lanchester была основана в 1899 году, а уже через год они выпустили свой первый автомобиль Lanchester Ten, оснащенный четырехлитровым атмосферным двигателем с двумя коленвалами. Выжимал он 10.5 лошадиных сил при 1250 об/мин. Если вы еще не встречали элегантного произведения инженерного искусства, то вот оно.

Cizeta-Moroder Cizeta V16T

Как и Veyron, суперкар Cizeta выпускался ограниченной партией, и его ключевой деталью был двигатель. 560 лошадей, 6 литров, компоновка V-16. По сути, это два двигателя V8, использующих общий блок. Найти эту машину сейчас сложнее, чем честного чиновника. Количество произведенных автомобилей держится в тайне.

Gobron Brillie Opposed Piston

Двигатель Commer TS3 построили, вдохновившись именно этим чудом инженерии родом из Франции. Поршни располагались противоположно друг другу. Первая пара отвечала за коленвал, вторая – за шатуны, соединенные с коленвалом под углом 180°.

Компания производила широкий спектр двигателей, от двухцилиндровых объемом 2.3 литра, до шестицилиндровых объемом 11.4 литра. Был еще огромный 13.5-литровый четырехцилиндровый гоночный движок, благодаря которому впервые была пройдена отметка скорости в 100 миль/час в 1904 году.

Сама идея того, что сзади тебя в автомобиле вращается двигатель, довольно интересна, именно поэтому данный движок попал в наш список. Вообще, вращался не весь двигатель, а только цилиндры и поршни, потому что коленвалы были прочно зафиксированы. Установленные по кругу цилиндры охлаждались воздухом и напоминали крутящееся колесо.

Сам двигатель устанавливался позади водительского места, которое было выдвинуто максимально вперед. Идеальная схема для летального исхода во время аварии.

Бонус! Безумные двигатели не из серийных автомобилей

Chrysler A57 Multibank

30 цилиндров, пять карбюраторов, пять распределителей – вот что случается, когда Америка выходит на тропу войны. Этот монстр питал своими 425 силами такие знаменитые танки, как M3A4 Lee и M4A4 Sherman.

British Racing Motors H-16

Не упомянуть его было бы преступлением. Трехлитровый двигатель имел 32 клапана H-16, по сути два восьмицилиндровых двигателя, соединенных воедино инженером по имени Тони Радд. Он выжимал более 400 л.с, но был ненадежным и ужасно высоким. В 1966 году этот двигатель стал победителем гонок Формула 1 Гран При США, за рулем болида находился Джим Кларк.

Идеи покорения космоса занимают сегодня умы людей всех возрастов. Не могли остаться в стороне от космической темы и юные сотрудники лабораторий физического эксперимента Клуба юных техников СО АН СССР. Предметом их исследований стали плазменные и ионные двигатели, используемые для ориентации космических аппаратов на орбите… правда, пока только в произведениях фантастов. Изготовить действующую модель плазменного двигателя задумали восьмиклассники Леонид Клем-Мусатов и Юрий Торшенов.

В ракетном двигателе такого рода работает реактивная сила плазменной струи, вытекающей из сопла, а плазма создается электрическим разрядом. Чтобы источник питания двигателя модели получился не очень сложным и не громоздким, ребята выбрали импульсный режим работы. Источником энергии служил конденсатор С емкостью 0,5 мкф, напряжением 10 кВ, который заряжался от высоковольтного трансформатора через диоды V1—V4 и резистор R5 (рис. 1).

Принцип действия установки следующий. Напряжение, до которого заряжается конденсатор, определяется величиной зазора между электродами разрядкой камеры и токоподводящего коллектора (рис. 2). Как только напряжение на конденсаторе достигнет величины пробоя этих промежутков, возникает электрический разряд в камере двигателя. Воздух, находящийся там, под действием разрядного тока нагревается до температуры около 10000° К и переходит в состояние плазмы. При этом давление в камере резко возрастает И плазменная струя через сопло с большой скоростью вытекает наружу. Реактивная сила плазменной струи передается модели ракеты, соединенной с двигателем. Для того чтобы вращение было мягким, ракета крепится ка оси через шариковый подшипник и уравновешивается противовесом. Наиболее сложный электрический узел установки — токоподводящий коллектор. Зазоры между стационарными кольцевыми электродами и подвижными штыревыми должны быть 0,2—0,5 мм. Это обеспечит минимум потерь мощности при передаче ее от конденсатора и не создаст дополнительного трения при вращении ракеты.

Рис. 1. Принципиальная схема источника питания плазменного двигателя.

Размеры ракет и соответственно всей установки могут быть различными, однако объем разрядной камеры должен быть соразмерным с величиной конденсатора и мощностью источника питания. Для того чтобы юные конструкторы могли сами рассчитывать основные узлы установки и сконструировать свою модель ракеты, ниже приводится упрощенная схема расчета необходимой мощности.

Основным отправным положением является то, что газ в разрядной камере двигателя должен быть нагрет до t=8—10°К, Это позволяет оценить энергию одного разряда:

E=VρСV (Т – Т0). (I)

Коэффициент полезного действия установки, определяемый наличием подводящих проводов и зазоров в токовом коллекторе, можно принять равный 0,6, Тогда энергия, запасенная в конденсаторе, равна:

Е =CV2/2 = VρСv (Т – Т0)/0,6 (II)

По формуле можно рассчитать величину емкости конденсатора С, если знать, чему равна напряжение на нем U.

Чтобы оценить величину вспомнив, что она определяется электрическим пробоем разрядного промежутка модели. Процесс пробоя в воздухе зависит от целого ряда параметров: влажности воздуха, состояния поверхности и полярности электродов, формы внешнего и внутреннего электродов разрядной камеры и т. д. Приближенно можно считать, что

U = К·103·dB.

Здесь d — суммарный зазор, выраженный в сантиметрах. K1 равняется 20, если внутренний электрод отрицательный и К2 равен 14, если он положительный. Приведенных формул достаточно, чтобы сделать наш несложный расчет. Добавим еще, что если камера имеет цилиндрическую форму, то объем ее равен:

V = λr2·l,

а площадь сопла в минимальном сечении должна быть равна примерно 0,20 r2.

Условные обозначения в формулах:

Е — энергия разряда, Дж;

V — объем, см3;

r — радиус камеры, см;

l — длина камеры, см;

ρ — плотность воздуха при нормальных условиях, ρ=0,129 10-3 г/см3;

Сv — теплоемкость воздуха при постоянном объеме (для наших расчетов можно принять Сv =8 Дж/г. град.);

Т — Т0 — температура, до которой нагревается газ; Т0 — нормальная температура воздуха, равная примерно 300°К;

С — емкость конденсатора, Ф;

U — напряжение зарядки конденсатора, В.

Приведем примерный расчет. Зададим напряжение U=6000 В, тогда из третьей формулы d = 0,45 см. Емкость конденсатора возьмем равной 0,5-10-6Ф, тогда Ес по второй формуле составит 9 Дж, а энергия, выделяемая в камере модели двигателя, Е=5,4 Дж. Разницу температур возьмем равной 10000° К. Из (I) получаем величину объема камеры V≈0,50 см3. Считая r=d—0,025 : 2 = 0,4 см, получаем 1 = 1 см, а диаметр сопла 1,8 мм. Элементы электрической схемы для данного, конкретного случая следующие: повышающий трансформатор 220X5000 В мощностью 200 Вт, резистор R5 — проволочный мощностью 100 Вт.

Рис. 2. Конструкция установки для демонстрации работы плазменною двигателя:

1 — подвижные штыревые электроды, 2 — противовес, 3 — ось, 4 — модель ракеты, 5 — разрядная камера, 6 — сопло, 7 — шариковый подшипник, 8 — стационарные кольцевые электроды.

Описываемая нами модель относится к разряду установок с рабочим напряжением выше 1000 В, поэтому необходимо проявлять особую осторожность при работе с ней и соблюдать правила техники безопасности. Напомним основные из них.

Прежде всего нельзя запускать модель без наблюдения руководителя кружка или учителя. Запуск должен производить один человек, остальные находятся на расстоянии не менее 1 м от установки. Производить какие бы то ни было операции с моделью и касаться ее можно только после полного отключения установки от сети питания (выдернуть вилку шнура питания из розетки) и после истечения 1 мин. За это время конденсатор С1 полностью разряжается через шунтирующие резисторы R1—R4. И еще одно замечание: величину R5 следует выбирать такой, чтобы зарядный ток был меньше 60 мА. Источник питания установки должен быть помещен в закрытый металлический корпус, который при работе заземляется медным проводом в изоляции диаметром не менее 1,5 мм.

В. ФОМИЧЕВ, г. Новосибирск

Плазма между анодом и катодом ионного двигателя.

Фотография: Joao Duarte / eLab hackerspace

Португалец Жуан Дуарте собрал в домашних условиях простую рабочую модель ионного двигателя. Рассказ о своем проекте разработчик опубликовал на портале eLab hackerspace. В его двигателе используются несколько держателей, подставка, корпус и сопло, напечатанные из пластика на 3D-принтере, семь гвоздей, семь медных трубок и высоковольтный трансформатор.

При строительстве ионного двигателя важна высокая электрическая проводимость всех элементов. Для ее увеличения Дуарте покрыл гвозди тонким слоем меди. Он зачистил гвозди от ржавчины, а затем опустил их вместе с окислившимися медными монетами в раствор соли и уксуса. Благодаря меднению электрическая проводимость на поверхности гвоздей увеличилась.

Затем португалец взял медную трубу диаметром два сантиметра и нарезал ее на пять частей длиной пять сантиметров каждая. После этого Дуарте распечатал на принтере держатели для трубок и гвоздей, подставку, кожух двигателя и сопло. Для эффективной работы ионного двигателя кончики медненных гвоздей должны находиться точно в центре окружности медных трубок.

На каком расстоянии от трубок следует разместить гвозди от трубок Дуарте не уточнил, но отметил, что оно должно быть одинаковым для всех гвоздей. Для регулирования тяги португалец сделал держатель с гвоздям подвижным в горизонтальной плоскости. К трубкам и гвоздям Дуарте подключил трансформатор, способный выдавать напряжение в девять киловольт и силу тока в 50 миллиампер.

В конструкции двигателя гвозди выступают в качестве катода, а медные трубки — анода. При включении напряжения воздух вокруг гвоздей ионизируется и притягивается анодом, возникает воздушный поток, который и формирует незначительную тягу за соплом двигателя. Сдвинутся с места такая силовая установка не может, но способна колыхать обрезки бумаги.

Концепцию ионного двигателя впервые предложил американский ученый Роберт Годдард. В 1954 году технологию детально описал ученый Эрнст Штулингер, а первый функционирующий двигатель был собран в 1959 году в NASA. Он смог проработать на протяжении 31 минуты. В качестве маршевого двигателя ионная силовая установка была впервые использована на космическом аппарате Deep Space в 1998 году.

Современные ионные двигатели способны непрерывно работать на протяжении трех лет. В них для создания реактивной тяги используются как правило аргон или ксенон. Эти инертные газы разгоняются в электрическом поле. Положительными качествами ионного двигателя является малое энергопотребление и расход топлива, а серьезным недостатком — микроскопическая тяга, составляющая до 250 миллиньютонов.

masterok

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте , и ) — даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid — DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.

Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

Именно поэтому на ИД полностью или частично работали и работают такие «дальнобойные» зонды, как Hayabusa, Deep Space One и Dawn. И если вы собираетесь не просто по инерции лететь до далёких небесных тел, но и активно маневрировать близ них, то без таких двигателей не обойтись.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power. Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Так вот, исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА считают, что как минимум частично покончили с этой проблемой.

При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведёт к анодному разбрызгиванию. Чем выше тяга двигателя и скорость ионов, тем быстрее, следовательно, будет эродировать анод.

Стенки из нитрида бора — самое уязвимое место ионного двигателя, однако магнитное поле смогло повысить их предельный ресурс в 500–1 000 раз.

Они попробовали изолировать стенки анода (на базе нитрида бора) от положительных ионов магнитным полем. А линии такого магнитного поля были параллельны поверхности стенок, и по ним заряженные частицы уносились прочь, не трогая стенок. Решение, при всей его очевидности, оказалось довольно эффективным: скорость эрозии упала в 500–1 000 раз. Испытания проводились на ИД, основанном на эффекте Холла и потребляет значительное количество электроэнергии — около 25КВатт на создание силы тяги в 1 ньютон…

Разумеется, это не конец всех проблем. При дальнейшем масштабировании ИД энергия ионов может оказаться такой, что на защитное магнитное поле либо не хватит располагаемой электрической мощности, либо даже при её наличии обеспечить защиту от ионов полностью не получится. И всё же это решительный шаг вперёд — такое замедление эрозии делает принципиально возможной отправку даже весьма тяжёлого корабля к относительно удалённым объектам Солнечной системы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Applied Physics Letters .

Подготовлено по материалам Gizmag. и http://lab-37.com

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх