Из чего состоит ротор: Ротор электродвигателя — что это? – Ротор асинхронного двигателя: конструкция, принцип действия, типы

Ротор электродвигателя — что это?

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

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

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

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

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

Среди всех преимуществ двигателей с короткозамкнутым ротором можно выделить:

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

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

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

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

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

Типы роторов, частота вращения ротора, роторы и статоры

Известно множество образцов электротехнического оборудования, работающего по принципу взаимодействия э/м полей, создаваемых входящими в их состав подвижными и неподвижными элементами. Типичные представители такого оборудования – генераторы, электродвигатели и другие системы, особенностью которых является индуктивный характер взаимодействия (смотрите рисунок ниже).

Индуктивное взаимодействие статора и ротора

Носителями индуктивности в них считаются подвижная и неподвижная обмотки (ротор и статор, соответственно). За счёт взаимодействия э/м полей, создаваемых этими элементами, происходит вращение вала электродвигателя или генератора.

Определения

Для понимания различий между отдельными частями механизмов, работающих по принципу индуктивного взаимодействия, следует ознакомиться с основными понятиями и определиться с тем, что такое ротор и статор. Дать определения рассматриваемым элементам проще всего по их функциональному назначению, то есть после того, как будет понят принцип их взаимного действия.

Прежде всего, следует знать, что обмотка статора жёстко фиксируется на остове электродвигателя и соединяется с контактами, подводящими к ней электропитание.

Дополнительная информация. В электрогенераторах фиксируемая часть называется якорем, а подвижная – индуктором.

В отличие от неё ротор – это подвижная составляющая механизма, располагаемого в промежутке между полюсами статора и свободно вращающегося на продольном валу. Концы оси размещаются в двух подшипниковых ступицах, фиксируемых по торцам корпуса электродвигателя.

Устройство электродвигателя

При вращении ротор «скользит» в магнитном поле статора и слегка отстаёт от него по фазе, вследствие чего режим его работы называется асинхронным. В качестве подвижной части механизма обычно используется цельнолитой или наборный каркас, в котором при вращении наводится ЭДС самоиндукции. При этом чем больше частота вращения ротора, тем более чётко проявляется эффект скольжения.

Виды электромеханических устройств

В зависимости от функционального назначения конкретного механизма, все они делятся на двигатели и генераторы. В электродвигателях энергия э/м поля превращается в механическое вращательное движение, а в генераторе наблюдается обратный процесс: выработка электричества за счёт принудительного вращения вала.

Каждый из этих механизмов, в свою очередь, классифицируется по виду тока, протекающего в обмотках их статоров. В соответствии с этим параметром все они делятся на машины постоянного и переменного тока. Рассмотрим каждый из них более подробно.

Агрегаты, работающие на переменном токе

В зависимости от особенностей конструкции статора и ротора, машины переменного тока подразделяются на следующие виды:

• Синхронные механизмы;
• Асинхронные двигатели;
• Коллекторные машины.

С устройством асинхронного двигателя можно ознакомиться на приводимом ниже рисунке.

Асинхронный двигатель

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым или фазным ротором изготавливаются в виде чугунного корпуса с запрессованными в него катушками статора (их называют ещё магнитопроводом). В нём имеются заранее подготовленные пазы, в которые укладываются обмотки медного провода, создающие переменное магнитное поле. Всего в статоре имеется три разбитых на мелкие секции катушки, напряжение в каждой из которых соответствует трёхфазному стандарту, т. е. смещено относительно других на 120 градусов.

Благодаря такому расположению обмоток в пространстве, между статором и ротором образуется переменное (скользящее) магнитное поле, вызывающее механическое вращение последнего.

У синхронных машин угловая частота вращения ротора совпадает с периодичностью изменения трёхфазного э/м поля в обмотках ротора, что соответствует их названию.

Сравните. В механизмах асинхронного типа скорости изменения поля в обмотке и вращения ротора немного отличаются, вследствие чего подвижный элемент «скользит» вдоль обмоток.

В конструкции коллекторных двигателей предусматривается специальный щёточный механизм, посредством которого переменное напряжение поступает на взаимодействующие элементы двигателя. Благодаря такому устройству они могут работать по однофазной питающей схеме (то есть от обычной бытовой сети).

Обратите внимание! Двигателями коллекторного типа оснащается всё работающее от электропроводки бытовое оборудование с вращающим привод валом (миксер, фен, дрель и им подобные механизмы).

Их существенным недостатком является постоянный износ щёток и необходимость в замене или настройке всего передаточного механизма в целом.

Машины постоянного тока

К механизмам, работающим на постоянном токе, принято относить электродвигатели и генераторы, в которых преобразование энергии происходит без внешней переменной ЭДС. Двигатели питаются от неизменного по величине напряжения, а генераторы обеспечивают получение на выходе постоянного тока.

При их работе требуемое для режима скольжения переменное напряжение образуется за счёт особой конструкции съёмного щёточного механизма (коллектора). Благодаря этому удаётся менять направление тока в роторе при его обороте на 180 градусов.

Дополнительная информация. Этого удаётся добиться за счёт разделения коллектора на две половинки, каждая из которых ответственна за создание одного полупериода колебания.

Машина постоянного тока

В генераторе постоянного тока применяется такой же коллектор, обеспечивающий выпрямление формируемого переменного тока (иногда для этих целей используется мощный электронный выпрямитель).

Типы роторов

Изготавливается ротор в виде правильного цилиндра, набираемого из стальных заготовок и крепящегося на валу, концы которого при сборке фиксируются в ступицах с подшипниками вращения. В зависимости от способа обустройства этого элемента, он может иметь следующие исполнения:

• Фазный ротор, состоящий из фиксированного числа катушек, каждая из которых сдвинута относительно других на 120º градусов. В его конструкции предусмотрено наличие трёх полностью изолированных контактных колец, не связанных ни с валом, ни между собой. К ним с одной из сторон подпаиваются концы от трех фазных обмоток, а с другой – подсоединяются скользящие по ним графитовые щётки;
• Ротор короткозамкнутого типа набирается из отдельных медных стержней, укладываемых в пазы цилиндра, которые соединяются между собой специальным кольцом из той же меди.

Существенный недостаток асинхронных машин с фазным ротором – их значительные габариты и большой вес. Зато они отличаются прекрасными пусковыми и регулировочными характеристиками. Однако наиболее надежными в эксплуатации считаются всё же механизмы с короткозамкнутым ротором, что объясняется простотой их конструкции и дешевизной изготовления.

В заключение обзора отметим, что единственным минусом короткозамкнутых изделий являются значительные по величине пусковые токи («тяжёлый» режим запуска). Но и с этим недостатком научились бороться путём принятия различных схемных ухищрений. Последние состоят в том, что при пуске двигателя обмотки включаются по схеме «звезда», а по достижении им больших оборотов они переключаются на «треугольник».

Видео

Оцените статью:

Ротор — Большая советская энциклопедия

I

Ро́тор (математический)

то же, что Вихрь векторного поля.

II

Ро́тор

в технике [от лат. roto — вращаю (сь)], 1) вращаюшаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела (например, ротор Ванкеля двигателя (См. Ванкеля двигатель)) или отдающие её рабочему телу (например, Р. роторного насоса (См. Роторный насос)). Р. двигателей связан с ведущим валом, Р. рабочих машин — с приводным валом. Р. выполняют в виде барабанов, дисков, колёс,

2) Вращающаяся часть, как правило, переменного тока машины (См. Переменного тока машина) — обычно цилиндрическое тело с пазами для размещения обмотки (см. Ротор электромашины). 3) В буровых установках Р. служит для вращения колонны бурильных труб в скважине.

III

Ро́тор

электромашины, вращающаяся часть электрической машины. Понятие «Р.», как правило, относят к Переменного тока машинам; в Постоянного тока машинах Р. называется якорем (См. Якорь). Р. асинхронной машины обычно представляет собой собранное из листовой электротехнической стали цилиндрическое тело с пазами для размещения обмотки. По типу обмотки Р. асинхронных машин разделяют на фазные и короткозамкнутые. Фазный Р. имеет трёхфазную обмотку с тем же числом секций, что и у обмотки статора; секции обычно соединяют в звезду, а концы выводят через контактные кольца и щётки на пусковой реостат. Короткозамкнутый Р. имеет обмотку, образованную металлическими стержнями, замкнутыми с двух сторон.

Р. синхронных машин разделяют на явнополюсные и неявнополюсные. Явнополюсный Р. состоит из ярма и прикрепленных к нему полюсов с обмотками возбуждения. Неявнополюсный Р. обычно изготовляется как единое целое из одной стальной поковки, в которой фрезеруют пазы для укладки в них обмотки возбуждения.

Лит.: Костенко М. П., Пиотровский Л. М., Электрические машины, 3 изд., ч. 1—2, Л., 1972—73.

М. И. Озеров.

Источник: Большая советская энциклопедия на Gufo.me

---

Значения в других словарях

1. ротор — орф. ротор, -а Орфографический словарь Лопатина
2. ротор — Ро́тор/. Морфемно-орфографический словарь
3. ротор — Ротора, м. [от латин. roto – вращаю] (тех.). 1. Вращающаяся часть в электромашинах и турбинах, в противоп. статору. 2. Устройство на судах в виде вертикально поставленных труб, служащее для приведения в движение судна силой ветра (мор.). Большой словарь иностранных слов
4. Ротор — То же, что вихрь. Математическая энциклопедия
5. ротор — -а, м. тех. Вращающаяся часть машины (турбины, электрического двигателя и т. п.). [От лат. rotare — вращать] Малый академический словарь
6. ротор — Р’ОТОР, ротора, ·муж. (от ·лат. roto — вращаю) (тех.). 1. Вращающаяся часть в электромашинах и турбинах, ·в·противоп. статору. 2. Устройство на судах в виде вертикально поставленных труб, служащее для приведения в движение судна силой ветра (мор.). Толковый словарь Ушакова
7. ротор — 1) вращающаяся часть двигателей и рабочих машин, напр. ротор двигателя Ванкеля, ротор роторного насоса, маховик инерционного двигателя, рабочий орган роторного экскаватора. Техника. Современная энциклопедия
8. РОТОР — РОТОР, центральная часть электрического ДВИГАТЕЛЯ или ГЕНЕРАТОРА. В большинстве устройств ротор состоит из нескольких проволочных катушек, надетых на стержень, который вращается в магнитном поле. Научно-технический словарь
9. ротор — РОТОР, а, м. (спец.). 1. Вращающаяся часть в машинах. 2. Автоматически управляемая машина (транспортное устройство, прибор), в к-рой заготовки двигаются вместе с обрабатывающими их орудиями по дугам окружности. | прил. роторный, ая, ое. Роторная линия (комплекс роторов во 2 знач.). Толковый словарь Ожегова
10. ротор — РОТОР -а; м. [от лат. rotare — вращать] Техн. Вращающаяся часть машины (турбины, электрического двигателя и т.п.). ◁ Роторный, -ая, -ое. Р-ая обмотка. Р. насос. Р. экскаватор. Толковый словарь Кузнецова
11. ротор — ротор м. 1. Вращающаяся часть машины (турбины, электрического генератора и т.п.). 2. Устройство на судах в виде вращающегося вертикального цилиндра, использующее силу ветра для движения судна. Толковый словарь Ефремовой
12. ротор — Ротор, роторы, ротора, роторов, ротору, роторам, ротор, роторы, ротором, роторами, роторе, роторах Грамматический словарь Зализняка
13. РОТОР — РОТОР — то же, что вихрь векторного поля. РОТОР (от лат. roto — вращаюсь) — вращающаяся деталь машин, обычно расположенная внутри статора, напр. в электродвигателях, турбинах. Большой энциклопедический словарь
14. ротор — сущ., кол-во синонимов: 4 гидроротор 1 контрротор 1 мехротор 1 шнекоротор 1 Словарь синонимов русского языка

Ротор — это… Что такое Ротор?

Роторный экскаватор как экспонат в бывшем угольном карьере — «стальном городе» Феррополис (Германия), превращенном в музей под открытым небом

Ро́тор — от лат. roto )— вращаться

В математике:

• Ротор — то же, что вихрь векторного поля, то есть вектор, характеризующий вращательное движение в данной точке векторного поля.

В медицине:

В технике:

• Ротор — вращающаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела (например, ротор двигателя Ванкеля) или отдающие её рабочему телу (например, ротор роторного насоса). Ротор двигателей связан с ведущим валом, ротор рабочих машин — с приводным валом. Ротор выполняется в виде барабанов, дисков, колёс.
• Ротор — вращающаяся часть паровой турбины, компрессора, гидронасоса, гидромотора и т. д.
• Буровой ротор — механизм, являющийся многофункциональным оборудованием буровой установки, который предназначен для вращения бурильных труб и поддержания колонны бурильных или обсадных труб при свинчивании и развинчивании в процессе спуско-подъемных операций, при поисковом бурении и капитальном ремонте скважин. Привод — цепной или карданный. Роторное бурение.
• Ротор — устройство управления поворотом антенны в направлении приёма или передачи сигнала.
• Ротор — любое вращающееся тело в теории балансировки.
• Ротор — система вентилятора.

Ротор (слева) и статор (справа) электродвигателя в разборе

В электротехнике:

• Ротор — вращающаяся часть электрической машины (генератора или двигателя переменного тока внутри неподвижной части — статора). Ротор асинхронной электромашины обычно представляет собой собранное из листовой электротехнической стали цилиндрическое тело с пазами для размещения обмотки. Ротор в электромашинах постоянного тока называется якорем.
• Ротор — автоматически управляемая машина (транспортное устройство, прибор), в которой заготовки двигаются вместе с обрабатывающими их орудиями по дугам окружности. Роторная печь. Ротороный экскаватор. Роторная линия (комплекс роторов).

В авиации:

В ветроэнергетике:

• Ротор Дарье — составная часть вертикально-осевого ветрогенератора, крыльчатка которого представляет собой двояковыпуклые лопасти, закреплённые при помощи штанг на вертикально вращающейся оси.
• Ротор Савониуса — составная часть вертикально-осевого ветрогенератора в виде двух смещенных относительно друг друга полуцилиндрических лопастей и небольшого (10—15 % от диаметра лопасти) перекрытия, которые образуют параллельно оси вращения роторы.

В судостроении:

• Ротор Флеттнера — «парусная мачта» или заменяющий паруса ротор (на судне их устанавливается несколько), с помощью которого судно приводится в движение посредством ветра, благодаря эффекту Магнуса. Роторное судно Флеттнера.

Собственные имена:

Ротор (дифференциальный оператор) — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Ротор.

Ро́тор, ротация или вихрь — векторный дифференциальный оператор над векторным полем.

Обозначается разными способами:

• rot{\displaystyle \operatorname {rot} } (в русскоязычной^[1] литературе),
• curl{\displaystyle \operatorname {curl} } (в англоязычной литературе, предложено Максвеллом^[2]),
• ∇×{\displaystyle \mathbf {\nabla } \times } — как дифференциальный оператор набла, векторно умножаемый на векторное поле, т.е. для векторного поля F результат действия оператора ротора, записанного в таком виде, будет векторным произведением оператора набла и этого поля: ∇×F.{\displaystyle \mathbf {\nabla } \times \mathbf {F} .}

Результат действия оператора ротора на конкретное векторное поле F называется ротором поля F или просто ротором F и представляет собой новое векторное^[3] поле:

rot⁡F≡∇×F{\displaystyle \operatorname {rot} \mathbf {F} \equiv \mathbf {\nabla } \times \mathbf {F} }

Поле rot F (длина и направление вектора rot F в каждой точке пространства) характеризует в некотором смысле (см. далее) вращательную составляющую поля F в соответствующих точках.

Ротор rota{\displaystyle \operatorname {rot} \,\mathbf {a} } векторного поля a{\displaystyle \mathbf {a} } — есть вектор, проекция которого rotn⁡a{\displaystyle \operatorname {rot} _{\mathbf {n} }\mathbf {a} } на каждое направление n есть предел отношения циркуляции векторного поля по контуру L, являющемуся краем плоской площадки ΔS, перпендикулярной этому направлению, к величине этой площадки (площади), когда размеры площадки стремятся к нулю, а сама площадка стягивается в точку^[4]:

rotn⁡a=limΔS→0∮L⁡a⋅drΔS{\displaystyle \operatorname {rot} _{\mathbf {n} }\mathbf {a} =\lim _{\Delta S\to 0}{\frac {\oint \limits _{L}\mathbf {a\cdot \,dr} }{\Delta S}}}.

Направление обхода контура выбирается так, чтобы, если смотреть в направлении n{\displaystyle \mathbf {n} }, контур L обходился по часовой стрелке^[5].

Операция, определенная таким образом, существует строго говоря только для векторных полей над трехмерным пространством. Об обобщениях на другие размерности — см. ниже.

Альтернативным определением может быть непосредственное вычислительное определение дифференциального оператора, сводящееся к

rot⁡a=∇×a,{\displaystyle \operatorname {rot} \mathbf {a} =\nabla \times \mathbf {a} ,}

что может быть записано в конкретных координатах как это показано ниже.

• Иногда можно встретиться с таким альтернативным^[6] определением^[7]

rot a|O=limS→O∮S⁡[a×dS]V,{\displaystyle \mathrm {rot} \ \mathbf {a} {\Big |}_{O}=\lim _{S\rightarrow O}{\frac {\oint \limits _{S}[\mathbf {a} \times \mathbf {dS} ]}{V}},}

где O — точка, в которой определяется ротор поля a,

S — какая-то замкнутая поверхность, содержащая точку O внутри и в пределе стягивающаяся к ней,

dS — вектор элемента этой поверхности, длина которого равна площади элемента поверхности, ортогональный поверхности в данной точке,

знаком ×{\displaystyle \times } обозначено векторное произведение,

V — объем внутри поверхности S.

Это последнее определение таково, что дает сразу вектор ротора, не нуждаясь в определении проекций на три оси отдельно.

Если v(x,y,z) — поле скорости движения газа (или течения жидкости), то rot v — вектор, пропорциональный вектору угловой скорости очень маленькой и легкой пылинки (или шарика), находящегося в потоке (и увлекаемого движением газа или жидкости; хотя центр шарика можно при желании закрепить, лишь бы он мог вокруг него свободно вращаться).

Конкретно rot v = 2 ω, где ω — эта угловая скорость.

• Простую иллюстрацию этого факта — см. ниже.

Эта аналогия может быть проведена вполне строго (см. ниже). Основное определение через циркуляцию, данное выше, можно считать эквивалентным полученному таким образом.

Формула ротора в декартовых координатах[править | править код]

В трёхмерной декартовой системе координат ротор (в соответствии с определением выше) вычисляется следующим образом (здесь F — обозначено векторное поле с декартовыми компонентами (Fx,Fy,Fz){\displaystyle (F_{x},F_{y},F_{z})}, а ex,ey,ez{\displaystyle \mathbf {e} _{x},\mathbf {e} _{y},\mathbf {e} _{z}} — орты декартовых координат):

rot(Fxex+Fyey+Fzez)={\displaystyle \operatorname {rot} \;(F_{x}\mathbf {e} _{x}+F_{y}\,\mathbf {e} _{y}+F_{z}\mathbf {e} _{z})=}

=(∂yFz−∂zFy)ex+(∂zFx−∂xFz)ey+(∂xFy−∂yFx)ez≡{\displaystyle =\left(\partial _{y}F_{z}-\partial _{z}F_{y}\right)\mathbf {e} _{x}+\left(\partial _{z}F_{x}-\partial _{x}F_{z}\right)\mathbf {e} _{y}+\left(\partial _{x}F_{y}-\partial _{y}F_{x}\right)\mathbf {e} _{z}\equiv }

≡(∂Fz∂y−∂Fy∂z)ex+(∂Fx∂z−∂Fz∂x)ey+(∂Fy∂x−∂Fx∂y)ez.{\displaystyle \equiv \left({\frac {\partial F_{z}}{\partial y}}-{\frac {\partial F_{y}}{\partial z}}\right)\mathbf {e} _{x}+\left({\frac {\partial F_{x}}{\partial z}}-{\frac {\partial F_{z}}{\partial x}}\right)\mathbf {e} _{y}+\left({\frac {\partial F_{y}}{\partial x}}-{\frac {\partial F_{x}}{\partial y}}\right)\mathbf {e} _{z}.}

или

(rot⁡F)x=∂yFz−∂zFy≡∂Fz∂y−∂Fy∂z{\displaystyle (\operatorname {rot} \mathbf {F} )_{x}=\partial _{y}F_{z}-\partial _{z}F_{y}\equiv {\frac {\partial F_{z}}{\partial y}}-{\frac {\partial F_{y}}{\partial z}}}

(rot⁡F)y=∂zFx−∂xFz≡∂Fx∂z−∂Fz∂x{\displaystyle (\operatorname {rot} \mathbf {F} )_{y}=\partial _{z}F_{x}-\partial _{x}F_{z}\equiv {\frac {\partial F_{x}}{\partial z}}-{\frac {\partial F_{z}}{\partial x}}}

(rot⁡F)z=∂xFy−∂yFx≡∂Fy∂x−∂Fx∂y{\displaystyle (\operatorname {rot} \mathbf {F} )_{z}=\partial _{x}F_{y}-\partial _{y}F_{x}\equiv {\frac {\partial F_{y}}{\partial x}}-{\frac {\partial F_{x}}{\partial y}}}

(что можно считать альтернативным определением, по сути совпадающим с определением в начале параграфа, по крайней мере при условии дифференцируемости компонент поля).

Для удобства можно формально представлять ротор как векторное произведение оператора набла (слева) и векторного поля:

rot⁡F=∇×F=(∂x∂y∂z)×F=|exeyez∂x∂y∂zFxFyFz|{\displaystyle \operatorname {rot} \mathbf {F} =\mathbf {\nabla } \times \mathbf {F} ={\begin{pmatrix}\partial _{x}\\\partial _{y}\\\partial _{z}\end{pmatrix}}\times \mathbf {F} ={\begin{vmatrix}\mathbf {e} _{x}&\mathbf {e} _{y}&\mathbf {e} _{z}\\\partial _{x}&\partial _{y}&\partial _{z}\\F_{x}&F_{y}&F_{z}\end{vmatrix}}}

(Последнее равенство формально представляет векторное произведение как определитель).

Формула ротора в криволинейных координатах[править | править код]

Удобным общим выражением ротора, пригодным для произвольных криволинейных координат в трехмерном пространстве является выражение с использованием тензора Леви-Чивиты (используя верхние и нижние индексы и правило суммирования Эйнштейна):

(rotv)i=εijkgjm∂∂xmvk,{\displaystyle (\mathrm {rot} \mathbf {v} )_{i}=\varepsilon _{ijk}g^{jm}{\frac {\partial }{\partial x^{m}}}v^{k},}

где εijk{\displaystyle \varepsilon _{ijk}} — координатная запись тензора Леви-Чивиты, включая множитель g,{\displaystyle {\sqrt {g}},} gjm{\displaystyle g^{jm}} — метрический тензор в представлении с верхними индексами, g≡det(grs){\displaystyle g\equiv \mathrm {det} (g_{rs})}

Это выражение может быть также переписано в виде:

(rot v)n=gniεijkgjm∂∂xmvk{\displaystyle (\mathrm {rot} \ \mathbf {v} )^{n}=g^{ni}\varepsilon _{ijk}g^{jm}{\frac {\partial }{\partial x^{m}}}v^{k}}

Формула ротора в ортогональных криволинейных координатах[править | править код]

rot⁡A=rot⁡(q1A1+q2A2+q3A3)={\displaystyle \operatorname {rot} \mathbf {A} =\operatorname {rot} (\mathbf {q_{1}} A_{1}+\mathbf {q_{2}} A_{2}+\mathbf {q_{3}} A_{3})=}

=1h3h4[∂∂q2(A3h4)−∂∂q3(A2h3)]q1 +{\displaystyle ={\frac {1}{H_{2}H_{3}}}\left[{\frac {\partial }{\partial q_{2}}}(A_{3}H_{3})-{\frac {\partial }{\partial q_{3}}}(A_{2}H_{2})\right]\mathbf {q_{1}} \ +}

+ 1h4h2[∂∂q3(A1h2)−∂∂q1(A3h4)]q2 +{\displaystyle +\ {\frac {1}{H_{3}H_{1}}}\left[{\frac {\partial }{\partial q_{3}}}(A_{1}H_{1})-{\frac {\partial }{\partial q_{1}}}(A_{3}H_{3})\right]\mathbf {q_{2}} \ +}

+ 1h2h3[∂∂q1(A2h3)−∂∂q2(A1h2)]q3{\displaystyle +\ {\frac {1}{H_{1}H_{2}}}\left[{\frac {\partial }{\partial q_{1}}}(A_{2}H_{2})-{\frac {\partial }{\partial q_{2}}}(A_{1}H_{1})\right]\mathbf {q_{3}} }

=1h2h3h4|(h2e1)(h3e2)(h4e3)∂∂q1∂∂q2∂∂q3(A1h2)(A2h3)(A3h4)|{\displaystyle ={\frac {1}{H_{1}H_{2}H_{3}}}{\begin{vmatrix}\mathbf {(} H_{1}{e}_{1})&\mathbf {(} H_{2}{e}_{2})&\mathbf {(} H_{3}{e}_{3})\\{\frac {\partial }{\partial \mathbf {q} _{1}}}&{\frac {\partial }{\partial \mathbf {q} _{2}}}&{\frac {\partial }{\partial \mathbf {q} _{3}}}\\(A_{1}H_{1})&(A_{2}H_{2})&(A_{3}H_{3})\end{vmatrix}}}, где H_i — коэффициенты Ламе.

Обобщения[править | править код]

• Обобщением ротора применительно к векторным (и псевдовекторным) полям на пространствах произвольной размерности (при условии совпадения размерности пространства с размерностью вектора поля) является антисимметричное тензорное поле валентности два, компоненты которого равны:

(rot⁡F)ij=∂iFj−∂jFi≡∂Fj∂xi−∂Fi∂xj{\displaystyle (\operatorname {rot} \mathbf {F} )_{ij}=\partial _{i}F_{j}-\partial _{j}F_{i}\equiv {\frac {\partial F_{j}}{\partial x_{i}}}-{\frac {\partial F_{i}}{\partial x_{j}}}}

Эта же формула может быть записана через внешнее произведение с оператором набла:

rot⁡F=∇∧F{\displaystyle \operatorname {rot} \mathbf {F} =\nabla \wedge \mathbf {F} }

• Для двумерной плоскости может быть использована аналогичная формула с псевдоскалярным произведением (такой ротор будет псевдоскаляром, и его величина совпадает с проекцией традиционного векторного произведения на нормаль к данной плоскости, если она вложена в трёхмерное евклидово пространство).

• Если на двумерном вещественном пространстве (с координатами x{\displaystyle x} и y{\displaystyle y}) введена структура комплексного пространства (с координатой z=x+iy{\displaystyle z=x+iy}) и двумерные векторные поля записываются как комплекснозначные функции f(z){\displaystyle f(z)}, тогда с использованием дифференцирования по комплексной переменной

∂∂z=12(∂∂x−i∂∂y){\displaystyle {\frac {\partial {}}{\partial z}}={\frac {1}{2}}\left({\frac {\partial {}}{\partial x}}-i{\frac {\partial {}}{\partial y}}\right)}

ротор и дивергенцию (а они останутся действительными числами) можно записать так:

rot⁡f=2Im⁡∂f∂z{\displaystyle \operatorname {rot} f=2\operatorname {Im} {\frac {\partial f}{\partial z}}},

div⁡f=2Re⁡∂f∂z{\displaystyle \operatorname {div} f=2\operatorname {Re} {\frac {\partial f}{\partial z}}}.

• Операция ротора линейна над полем констант: для любых векторных полей F{\displaystyle F} и G{\displaystyle G} и для любых чисел (констант) a{\displaystyle a} и b{\displaystyle b}

rot⁡(aF+bG)=arot⁡F+brot⁡G{\displaystyle \operatorname {rot} (a\mathbf {F} +b\mathbf {G} )=a\operatorname {rot} \mathbf {F} +b\operatorname {rot} \mathbf {G} }

• Если φ{\displaystyle \varphi } — скалярное поле (функция), а F{\displaystyle F} — векторное, тогда:

rot⁡φF=grad⁡φ×F+φrot⁡F{\displaystyle \operatorname {rot} \varphi \mathbf {F} =\operatorname {grad} \varphi \times \mathbf {F} +\varphi \operatorname {rot} \mathbf {F} }

∇×(φF)=(∇φ)×F+φ(∇×F){\displaystyle \nabla \times (\varphi \mathbf {F} )=(\nabla \varphi )\times \mathbf {F} +\varphi (\nabla \times \mathbf {F} )}.

• Если поле F{\displaystyle F} потенциально, его ротор равен нулю (поле F{\displaystyle F} — безвихревое):

F=grad⁡ φ⇒rot⁡ F=0{\displaystyle \mathbf {F} =\operatorname {grad} ~\varphi \Rightarrow \operatorname {rot} ~\mathbf {F} =0}

• Обратное верно локально^[8]: если поле безвихревое, то локально (в достаточно малых областях) оно потенциально (то есть найдется такое скалярное поле φ {\displaystyle \varphi \ }, что F{\displaystyle \mathbf {F} } будет его градиентом):

rot⁡F=0⇒F=grad⁡φ{\displaystyle \operatorname {rot} \mathbf {F} =0\Rightarrow \mathbf {F} =\operatorname {grad} \varphi }

Таким образом, различные векторные поля могут иметь одинаковый ротор. При этом различаться они будут обязательно на безвихревое поле (то есть, локально — на градиент некоторого скалярного поля).

div⁡rot⁡F=0{\displaystyle \operatorname {div} \operatorname {rot} \mathbf {F} =0}

∇⋅(∇×F)=0{\displaystyle \nabla \cdot (\nabla \times \mathbf {F} )=0}

• Обратное свойство также выполняется локально — если поле F{\displaystyle F} бездивергентно, локально оно являет

Принцип работы роторного двигателя, плюсы и минусы системы |

Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.

Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.

Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.

Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.

Содержание статьи:

Строение и принцип работы роторного двигателя

Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.

Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.

Капсула, где находится ротор, — это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:

• сжатие смеси;
• топливный впрыск;
• поступление кислорода;
• зажигание смеси;
• отдача сгоревших элементов в выпуск.

Одним словом, шесть в одном, если хотите.

Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.

Всё начинается следующим образом: в первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно-топливной смесью, которая здесь же перемешивается. После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру. Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.

Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива в систему выхлопа.

Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.

Кроме того, японским инженерам удалось усовершенствовать роторный двигатель. Сегодня роторные двигатели Мазда имеют не один, а два и даже три ротора, что в значительной мере повышает производительность, тем более если сравнить его с обычным двигателем внутреннего сгорания. Для сравнения: двухроторный РПД сравним с шестицилиндровым ДВС, а 3-роторный с двенадцатицилиндровым. Вот и получается, что японцы оказались такими дальновидными и преимущества роторного мотора сразу распознали.

Опять же, производительность — это не одно достоинство РПД. Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали — ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.

Принцип работы роторного двигателя

Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!

Роторный двигатель в разрезе Ротор роторного двигателя Камера роторного двигателя

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.

Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа. В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:

• Впуск
• Сжатие
• Сгорание
• Выпуск

Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.

Выходной вал роторного двигателя

Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала. Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.

Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.

Два крайних слоя закрыты и содержат подшипники для выходного вала. Они также запечатаны в основных разделах камеры, где содержатся роторы. Внутренняя поверхность этих частей очень гладкая и помогает роторам в работе. Отдел подачи топлива расположен на конце каждой из этих частей.

Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.

Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.

В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.

Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.

Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже — нагревание происходит неравномерно.

Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.

Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.

Преимущества роторного двигателя

Меньше движущихся частей

Роторный двигатель имеет намного меньше частей, чем скажем 4-х цилиндровый поршневой движок. Двух роторный двигатель имеет три главные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой 4-х цилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, стержень, клапаны, рокеры, клапанные пружины, зубчатые ремни и коленчатый вал. Минимизация движущихся частей позволяет получить роторным двигателям более высокую надежность. Именно поэтому некоторые производители самолетов (к примеру Skycar) используют роторные двигатели вместо поршневых.

Мягкость

Все части в роторном двигателе непрерывно вращаются в одном направлении, в отличие от постоянно изменяющих направление поршней в обычном двигателе. Роторный движок использует сбалансированные крутящиеся противовесы, служащие для подавления любых вибраций. Подача мощности в роторном двигателе также более мягкая. Каждый цикл сгорания происходит за одни оборот ротора в 90 градусов, выходной вал прокручивается три раза на каждое прокручивание ротора, каждый цикл сгорания проходит за 270 градусов за которые проворачивается выходной вал. Это значит, что одно роторный двигатель вырабатывает мощность в три четверти . Если сравнивать с одно-цилиндровым поршневым двигателем, в котором сгорание происходит каждые 180 градусов каждого оборота, или только четверти оборота коленчатого вала.

Неспешность

В связи с тем, что роторы вращаются на одну треть вращения выходного вала, основные части двигателя вращаются медленней, чем части в обычном поршневом двигателе. Это также помогает и в надежности.

Малые габариты + высокая мощность

Компактность системы вместе с высоким КПД (сравнительно с обычным ДВС) позволяет из миниатюрного 1,3-литрового мотора выдавать порядка 200-250 л.с. Правда, вместе с главным недостатком конструкции в виде высокого расхода топлива.

Недостатки роторных моторов

Самые главные проблемы при производстве роторных двигателей:

• Достаточно сложно (но не невозможно) подстроиться под регламент выброса CO2 в окружающую среду, особенно в США.
• Производство может стоить намного дороже, в большинстве случаев из-за небольшого серийного производства, по сравнению с поршневыми двигателями.
• Они потребляют больше топлива, так как термодинамическое КПД поршневого двигателя снижается в длинной камере сгорания, а также благодаря низкой степени сжатия.
• Роторные двигатели в силу конструкции ограничены в ресурсе — в среднем это порядка 60-80 тыс. км

Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись. Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.

Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.

Пришлось идти на крайние меры. Очередная модель Мазда RX-8 с роторным двигателем уже выходит с 200 лошадками, что позволяет сократить расход топлива. Но не это главное. Заслуживает уважения другое. Оказалось, что до этого никто, кроме японцев, не догадался использовать невероятную компактность роторного двигателя. Ведь мощность в 200 л.с. Мазда RX-8 открывала с двигателем объёмом 1,3 литра. Одним словом, новая Мазда выходит уже на другой уровень, где способна конкурировать с западными моделями, беря не только мощностью мотора, но и другими параметрами, в том числе и низким расходом топлива.

Удивительно, но РПД пытались ввести в работу и у нас в стране. Такой двигатель был разработан для установки его на ВАЗ 21079, предназначенный как транспортное средство для спецслужб, однако проект, к сожалению, не прижился. Как всегда, не хватило бюджетных денег государства, которые чудесным образом из казны выкачиваются.

Зато это удалось сделать японцам. И они на достигнутом результате останавливаться не желают. По последним данным, производитель Мазда усовершенствует двигатель и в скором времени выйдет новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.

Разные конструкции и разработки роторных двигателей

Двигатель Ванкеля

Двигатель Желтышева

Двигатель Зуева

Ротор Дарье — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 июля 2016; проверки требуют 3 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 июля 2016; проверки требуют 3 правки. У этого термина существуют и другие значения, см. Ротор.

Ротор Дарье, турбина Дарье (англ. Darrieus rotor) — тип турбины низкого давления, ось вращения которой перпендикулярна потоку жидкой или газовой среды. Предложена в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье (George Darrieus)^[1]. Ротор Дарье нашёл широкое применение в ветроэнергетике^[2].

H-ротор Дарье — дальнейшее Н-образное развитие ротора Дарье

Ротор Дарье представляет собой конструкцию, состоящую из одного, двух и более аэродинамических крыльев, закреплённых на радиальных балках. Хотя общий принцип работы ротора Дарье в целом известен, но полного описания физических процессов и адекватной математической модели до сих пор нет. Это обусловлено сложным, сильно нестационарном характером обтекания лопастей (число Струхаля) и большим числом Рейнольдса. Главным отличием ротора Дарье от ротора Савониуса является его быстроходность. Так, если скорость лопастей ротора Савониуса близка к скорости набегающего потока, то у ротора Дарье она в 3-4 раза выше. В работе ^[3] показано, что характеристика ветрогенератора Дарье не является автомодельной по критерию Рейнольдса, а также существует режим начальной авторотации, в которой ротор Дарье работает в режиме ротора Савониуса.

На практике для ротора Дарье используют три лопасти, так как при их меньшем количестве нет самозапуска и возникают проблемы балансировки. При увеличении числа лопастей быстроходность ротора Дарье падает, как и в случае горизонтально-осевых ветрогенераторов.

Преимущества

• Работа ротора Дарье, как и прочих роторов, не зависит от направления потока, следовательно турбина на его основе не требует устройства ориентации;
• Ротор Дарье характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях потока, поскольку не требует ориентации на ветер;
• Высокий коэффициент использования энергии ветра. Роторы Дарье не уступают, и в отдельных случаях даже превосходят горизонтально-осевые конструкции ветрогенераторов ^[4];
• Пониженный шум, создаваемый при работе, в отличие от горизонтально-осевых ветрогенераторов. Это связано с практически равномерным, в силу быстроходности ротора Дарье, обтеканием лопастей;
• Относительная простота изготовления (пропеллерный профиль по длине постоянно меняется) — для профилей крыльев с прямой кромкой;
• Ось вращения ветрогенератора совпадает с осью опорной мачты.

Недостатки

• Значительные нагрузки на мачту, связанные с эффектом Магнуса;
• Большая часть массы вращающегося механизма на периферии в отличие от горизонтально-осевых ветрогенераторов.
• Отсутствие адекватной математической модели, что затрудняет конструирование ротора Дарье;
• Большой срок окупаемости ветрогенераторов, что не позволяет производителям перейти на использование ротора Дарье с горизонтально-осевых ветрогенераторов.

• Твайделл Дж., Уэйр А. Ветроэнергетика // Возобновляемые источники энергии = Renewable energy resources. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 393 с. — ISBN 5-283-02469-5.