Новый виток эволюции ДВС: супер двигатель без коленвала
Для тех, кто активно интересуется различными изобретениями, доработками и инновациями в сфере двигателестроения, следует обратить внимание на двигатель Ибадуллаева, а также на двигатель без коленчатого вала.
Если в первом случае речь идет о значительном увеличении степени сжатия и получении большой мощности без увеличения рабочего объема, то во втором следует понимать снижение механических потерь и рост КПД, расхода горючего, степени вибраций, общего веса ДВС и т.д. Давайте остановимся на моторе без коленвала более подробно.
Мотор без коленчатого вала: преимущества и сложности реализации
Итак, главной задачей и назначением любого ДВС является преобразование энергии, полученной от сгорания топлива, в механическую работу. Если просто, топливо сгорает в закрытом объеме, газы оказывают давление на поршень, через кривошипно-шатунный механизм возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное.
В результате создается крутящий момент двигателя, который передается через трансмиссию на колеса автомобиля. Примечательно то, что хотя с момента создания первых моторов и их внедрения в широкие массы прошло уже более 100 лет, общая конструкция ДВС не изменилась.
При этом постоянно ведутся работы, чтобы мотор мог работать без коленвала. Дело в том, что привычный кривошипно-шатунный механизм не лишен целого ряда определенных минусов. Именно по этой причине инженеры стремятся избавиться от этого узла.
Дело в том, что работа КШМ связана с неизбежным создание трения и значительных боковых усилий, которые приводят к износу стенок цилиндров. В результате зеркало цилиндра повреждается, разрушаются поршневые кольца и т.д. Что касается потерь на трение, общий КПД двигателя заметно снижается.
Также двигатель с коленвалом сложно обслуживать, так как снятие коленвала без снятия двигателя на многих авто крайне сложно реализовать. Вполне очевидно, что если исключить указанные недостатки, двигатель станет более производительным, увеличится моторесурс.
Для решения задачи конструкторы предлагают разные подходы, однако на практике качественно реализовать большинство решений попросту не удается. Наибольшего внимания в данной области сегодня заслуживает двигатель Баландина и двигатель Фролова. Давайте остановимся на механизмах без шатунов и коленвала более подробно.
Бесшатунный двигатель Баландина
Данный мотор известен тем, что в нем отсутствуют шатуны. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах происходит благодаря использованию в конструкции специального эксцентрического механизма.
Общее устройство бесшатунного двигателя предполагает наличие следующих деталей:
- специальный поршневой шток
- коленвал особой конструкции
- подшипник кривошипа и кривошип
- вал для отбора мощности
- поршень
- ползун штока
- цилиндр
В таком ДВС вместо шатунов были использованы поршневые штоки, которые жестко прикреплены к поршням (в обычном агрегате для соединения используется поршневой палец). Указанные штоки, как и привычные шатуны, охватывают шейки коленвала.
Отсутствие боковых усилий позволяет снизить допуски применительно к размерам поршня. Двигатель становится более производительным, экономичным, возрастает ресурс. Также следует отметить компактность такого ДВС и сниженный вес. Однако главным минусом всей конструкции можно считать крайне высокие требования касательно общей точности изготовления указанного эксцентрика.
Двигатель Фролова: мотор без шатунов и коленвала
Основным принципом В. Фролова, который был положен в основу его разработок, является то, что коленчатый вал является далекой от совершенства деталью. По этой причине талантливый инженер детально изучил конструкцию двигателя Баландина, после чего предложил ряд собственных доработок.
С учетом того, что недостатком бесшатунного мотора Баландина оставались повышенные требования к точности изготовления эксцентрика, на начальном этапе Фролов существенно модернизировал данный узел преобразования. Однако далее был признан факт, что полностью избавиться от недостатков схемы мотора Баландина крайне сложно.
При этом Фролов не остановился на достигнутом, а также не оставил мысль избавиться от коленвала. Дальнейшие поиски надежных и эффективных механизмов преобразования привели к тому, что изобретатель обратил внимание на механизм ткацкого станка.
Вращающиеся детали в таком двигателе Фролова работают благодаря использованию подшипников качения. Что касается смазочной системы, моторное масло подается под крышки клапанов, затем стекает, осуществляя смазку и отвод лишнего тепла. Чтобы масло хорошо охлаждалось, перед двигателем также отдельно установлен масляный радиатор.
Что в итоге
Как видно, даже с учетом сложности реализации, инженеры и конструкторы все равно продолжают искать способы для повышения общей надежности двигателей, увеличения их КПД, снижения расхода топлива.
С учетом вышесказанного становится понятно, что еще рано говорить об окончании эволюции двигателей внутреннего сгорания. Другими словами, не следует исключать возможность появления бесшатунных моторов, а также агрегатов без коленчатого вала на серийных транспортных средствах.
Какой срок службы двигателя является нормой для современных моторов. Почему не осталось двигателей «миллионников». Как увеличить ресурс современного ДВС.
Линейка дизельных двигателей CRDi Hyundai/KIA: сильные и слабые стороны моторов данного типа, особенности эксплуатации, ремонта и обслуживания.
Моторы линейки TSI. Конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Модификации с одним и двумя нагнетателями. Рекомендации по эксплуатации.
Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.
Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.
Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.
Источник
«Бесколлекторные двигатели» ЛикБез и проектирование
Принцип работы электрического двигателя:
В основу работы любой электрической машины положено явление электромагнитной индукции. Поэтому если в магнитное поле поместить рамку с током, то на неё подействует сила Ампера, которая создаст вращательный момент. Рамка начнет поворачиваться и остановится в положении отсутствия момента, создаваемого силой Ампера.
Устройство электрического двигателя:
Любой электрический двигатель состоит из неподвижной части — Статора и подвижной части — Ротора. Для того чтобы началось вращение, нужно по очереди менять направление тока. Эту функцию и выполняет Коллектор (щетки).
Бесколлекторный двигатель — это двигатель ПОСТОЯННОГО ТОКА без коллектора, в котором функции коллектора выполняет электроника. (Если у двигателя три провода, это не значит что он работает от трехфазного переменного тока! А работает он от «порций» коротких импульсов постоянного тока, и не хочу вас шокировать, но те же двигатели которые используются в кулерах, тоже бесколлекторные, хоть они и имеют всего два провода питания постоянного тока)
Устройство бесколлекторного двигателя:
Inrunner (произносится как «инраннер»). Двигатель имеет расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор.
Outrunner (произносится как «аутраннер»). Двигатель имеет неподвижные обмотки (внутри) вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами. 
Принцип работы:
Для того чтобы бесколлекторный двигатель начал вращаться, напряжение на обмотки двигателя надо подавать синхронно. Синхронизация может быть организованна с использованием внешних датчиков (оптические или датчики холла), так и на основе противоЭДС (бездатчиковый), которая возникает в двигателе при его вращении.
Бездатчиковое управление:
Существуют бесколлекторные двигатели без каких либо датчиков положения. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз (А) подключен «+» к другой (В) «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС (т.е. в следствии закона электромагнитной индукции в катушке образуется индукционный ток) в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе (С) изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора.
Что бы измерить это напряжение изпользуется метод «виртуальной точки». Суть заключается в том, что, зная сопротивление всех обмоток и начальное напряжение, можно виртуально «переложить провод» в место соединения всех обмоток:
Регулятор скорости бесколлекторного двигателя:
Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка, т.к. при отсутствии регулятора, мы не можем просто подключить напряжение на него, чтоб он просто начал нормальное вращение. Регулятор скорости — это довольно сложная система радиокомпонентов, т.к. она должна:
1) Определять начальное положение ротора для запуска электродвигателя
2) Управлять электродвигателем на низких скоростях
3) Разгонять электродвигатель до номинальной (заданной) скорости вращения
4) Поддерживать максимальный момент вращения
Принципиальная схема регулятора скорости (вентильная):
Бесколлекторные двигатели были придуманы на заре появления электричества, однако систему управления к ним никто не мог сделать. И только с развитием электроники: с появлением мощных полупроводниковых транзисторов и микроконтроллеров, бесколлекторные двигатели стали применятся в быту (первое промышленное использование в 60-х годах).
Достоинства и недостатки бесколлекторных двигателей:
Достоинства:
-Частота вращения изменяется в широком диапазоне
-Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
-Большая перегрузочная способность по моменту
-Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
-Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов
Недостатки:
-Относительно сложная система управления двигателем
-Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы)
Разобравшись с теорией, перейдем к практике: спроектируем и сделаем двигатель для пилотажной модели МХ-2.
Список материалов и оборудования:
1) Проволока (взятая из старых трансформаторов)
2) Магниты (купленные в интернете)
3) Статор (барашек)
4) Вал
5) Подшипники
6) Дюралюминий
7) Термоусадка
8) Доспуп к неограниченному техническому хламу
9) Доступ к инструментам
10) Прямые руки 🙂
Ход работы:
1) С самого начала решаем:
Для чего делаем двигатель?
На что он должен быть рассчитан?
В чем мы ограничены?
В моем случае: я делаю двигатель для самолета, значит пускай он будет внешнего вращения; рассчитан он должен на то, что он должен выдать 1400 грамм тяги при трех-баночном аккумуляторе; ограничен я в весе и в размере. Однако с чего же начать? Ответ на этот вопрос прост: с самой трудной детали, т.е. с такой детали, которую легче просто найти, а все остальное подгонять под неё. Я так и поступил. После многих неудачных попыток сделать статор из листовой мягкой стали, мне стало понятно, что лучше найти её. Нашел я её в старой видеоголовке от видеорекоудора.
2) Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется изолированным медным проводом, от сечения которого зависит значение силы тока, а значит и мощность двигателя. Незабываем что, чем толще проволока, тем больше оборотов, но слабее крутящий момент. Подбор сечения:
1А — 0.05мм; 15А — 0.33мм; 40А — 0.7мм
3А — 0.11мм; 20А — 0.4мм; 50А — 0.8мм
10А — 0.25мм; 30А — 0.55мм; 60А — 0.95мм 
3) Начинаем наматывать на полюса проволоку. Чем больше витков (13) намотано на зуб, тем большее магнитное поле. Чем сильнее поле, тем больший крутящий момент и меньшее количество оборотов. Для получения высоких оборотов, необходимо мотать меньшее количество витков. Но вместе с этим падает и крутящий момент. Для компенсации момента, обычно на мотор подают более высокое напряжение. 
4) Дальше выбираем способ соединения обмотки: звездой или треугольником. Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов, чем соединение треугольником в 1.73 раз. (впоследствии было выбрано соединение треугольник) 
5) Выбираем магниты. Количество полюсов на роторе должно быть четным (14). Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. Также чем больше количество полюсов, тем больше момент, но меньше оборотов. Магниты на роторе закрепляются с помощью специального термоклея. 
Испытания данного двигателя я проводил на созданной мной витномоторной установке, которая позволяет измерить тягу, мощность и обороты двигателя.
Чтобы увидеть отличия соединений «звезда» и «треугольник» я соединял по разному обмотки:
В итоге получился двигатель соответствующий характеристикам самолета, масса которого 1400 грамм. 
Характеристики полученного двигателя:
Потребляемый ток: 34.1А
Ток холостого хода: 2.1А
Сопротивление обмоток: 0.02 Ом
Количество полюсов: 14
Обороты: 8400 об/мин
Видеоотчет испытания двигателя на самолете. Мягкой посадки 😀
Расчет КПД двигателя:
Очень хороший показатель. Хотя можно было еще выше добиться. 
Выводы:
1) У бесколлекторных двигателей высокая эффективность и КПД
2) Бесколлекторные двигатели компактны
3) Бесколлекторные двигатели можно использовать во взрывоопасных средах
4) Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов в 1.73 раза, чем соединение треугольником.
Таким образом, изготовить собственный бесколлекторный мотор для пилотажной модели самолета- задача выполнимая
Если у вас есть вопросы или вам что-то не понятно, задавайте мне вопросы в комметариях этой статьи. Удачи всем)
Источник