Зависимость мощности от крутящего момента

Что разгоняет авто: мощность или момент?

В Интернете популярен мем, что машину разгоняет не мощность, а момент. Едва заходит разговор о мощности, ее тут же унижают: мол, она ничего не решает. А на самом деле?

В Интернете популярен мем, что машину разгоняет не мощность, а момент. Едва заходит разговор о мощности, ее тут же унижают: мол, она ничего не решает. А на самом деле?

Недопонимание происходит из-за того, что в технических характеристиках к автомобилю указывается максимальная мощность. По науке такая мощность называется номинальной и достигается при высоких оборотах и полном дросселе. А поскольку такой режим в жизни почти не используется, эта самая мощность определяет в основном максимальную скорость автомобиля, которая волнует только пубертатных гонщиков.

Вот пиковый момент – другое дело. Он достигается при средних, а иногда и низких оборотах и косвенно определяет реальный темп разгона, потому что большую часть времени мы и елозим в середине шкалы тахометра. Однако не все так однозначно.

Сразу внесем ясность – мощность и момент связаны жесткой зависимостью:

(Момент, Н*м)=9550*(Мощность, кВт)/(частота вращения, об/мин).

Например, если двигатель Renault Logan развивает 82 л.с. (60,5 кВт) при 5000 об/мин, несложно посчитать, что при этой частоте он выдает 115 Н*м. При этом пиковый момент составляет 134 Н*м при 2800 об/мин. Кстати, соотношение этих двух моментов во многом определяет удобство управления автомобилем в тяжелых условиях. Если пиковый момент существенно превосходит таковой при максимальных оборотах, у двигателя появляется тракторная тяговитость: чем больше его грузишь, тем упорнее он сопротивляется.

Как бы то ни было, характеристики разгона во многом определяются кривой крутящего момента. Она называется внешней скоростной характеристикой, и ее форма может многое рассказать инженерам. Например, если момент растет от низких частот этак до 5000 об/мин, после чего резко скисает – скорее всего, речь о «крученом» моторе, форсированном по частоте: такие любят спортсмены и Honda. Если «горб» крутящего момент достигается, скажем, при 1250 об/мин, а к 2000 об/мин от него не остается и половины – речь о каком-то двигателе-тяжеловесе, призванном таскать прицепы и рыхлить землю. Чудеса современного турбонаддува позволяют создать двигатели с «полками» крутящего момента, когда он остается постоянным в довольно широком диапазоне оборотов. Ездить на таких моторах одно удовольствие: когда ни нажми педаль, следует резвый отклик.

Внешняя скоростная характеристика двигателя 1,4 TSI концерна VW. Мощность — красным, момент – синим

Отсюда складывается впечатление, что все-таки момент рулит, и темп разгона, равно как удобство управления, определяются им и только им. На самом деле не совсем.

Строго говоря, сравнивать двигатели по кривой крутящего момента уместно, если они имеют близкие характеристики и работают в одном диапазоне частот. Скажем, для легковых моторов этот диапазон составляет 800-6000 об/мин. Поэтому, имея два таких агрегата, можно предположить, что в дрег-рейсинге победит тот, у которого крутящий момент больше.

Но по моменту нельзя сравнивать моторы, работающие в разном диапазоне частот. Например, для новой Skoda Octavia предлагаются бензиновые моторы и дизели. Пиковый крутящий момент самого мощного бензинового мотора – 250 Н*м. У дизеля – целых 320 Н*м (+28%). Но при этом бензиновая «Шкода» на секунду быстрее дизельной в разгоне до 100 км/час, и дело даже не в том, что дизель на 10 кг тяжелее. Просто в данном случае крутящий момент уже не является исчерпывающим критерием, а вот тот факт, что бензиновая «Шкода» выдает 180 л.с. против 150 л.с., очень даже значим. Да, бензиновый мотор имеет меньший момент, но более «накручен», и в этом его преимущество.

Как же так? Да очень просто: нам ведь важен не момент на хвостовике двигателя, а момент на колесах – именно он преобразуется в полезное усилие, разгоняющее автомобиль. А между двигателем и колесами есть еще трансмиссия, и в ней крутящий момент увеличивается на порядок: скажем, на маховике мотора имеем 300 Н*м, на колесах – 3500 Н*м.

Так вот, если один мотор развивает гигантский момент, но его рабочая шкала смещена в область низких оборотов (то есть мощность невысока), для реализации преимуществ такого мотора потребуются более длинные передачи в трансмиссии, например, «длинная» главная пара. И момент на колесах, вполне возможно, будет отнюдь не так высок. Если установить на такой мотор «короткую» пару, он попросту не сможет разогнаться до максимальных скоростей – не хватит «кручености» мотора. Такой двигатель напоминает силача с короткими ногами, который может стронуть с места тепловоз, но стометровку бежит на уровне восьмиклассницы.

Скажем, у той же Skoda дизель не разгоняется выше 4000 об/мин, а бензиновый мотор выдает более 6000 об/мин, поэтому для дизеля требуется главная пара с меньшим передаточным числом. В результате итоговый момент на колесах может быть ниже, несмотря на преимущество в моменте двигателя.

Чтобы не углубляться в сложную арифметику, лучше оперировать именно мощностью. Ее прелесть в том, что в трансмиссии она не изменяется (если пренебречь потерями), и, грубо говоря, более мощный мотор при прочих равных всегда обеспечит больший крутящий момент на колесах. Другое дело, что разгон зависит не только от максимальной мощности, но и от ее распределения по шкале оборотов – есть и такая внешняя скоростная характеристика. И тут уже можно говорить веско: из двух моторов лучший разгон обеспечит тот, у которого во всем диапазоне большая мощность.

Уточню еще такой нюанс: чтобы выжать из мотора максимум, нужна правильная трансмиссия с оптимальным набором передаточных чисел. Если это условие выполняется, мощность более показательна, потому что нужный момент на колесах обеспечит трансмиссия.

А почему все-таки люди пользуются моментом? Потому что график мощности от оборотов ненагляден. Скажем, кривая крутящего момента всегда имеет характерную горбинку, и по ней можно многое сказать о характере мотора. Кривая мощности, как правило, напоминает устремленную вверх прямую (или пологую кривую) с крючком на пиковых оборотах и чисто визуально воспринимается плохо. Поэтому для сравнения близких по характеристикам моторов вполне можно мериться крутящими моментами и их характеристиками. Но лишь до тех пор, пока это действительно близкие моторы.

А вообще даже сама постановка вопроса не вполне верная. Что разгоняет, мощность или момент? Обе одновременно, потому что это две стороны одной медали. Иногда удобнее оперировать одной, иногда другой, но разгон обеспечивают обе.

Мощность и крутящий момент

Мощность и крутящий момент… Эти термины часто вводят в ступор многих посетителей автомобильных форумов. Энцо Феррари однажды сказал: «Лошадиные силы продают автомобиль, крутящий момент выигрывает гонки».

Мы не собираемся представлять здесь все уравнения и формулы, позволяющие рассчитать мощность и крутящий момент: объяснить многие вещи в одной статье достаточно трудно. Да это вам и не понадобится, если, конечно, вы не планируете стать крупным специалистам в данной области. Но мы постараемся доступным языком объяснить, как мощность и крутящий момент соотносятся друг с другом и как они влияют на производительность автомобиля.

Лошадиная сила

Термин «лошадиная сила» был впервые использован Джеймсом Уаттом, британским изобретателем, чье имя неразрывно связано с созданием парового двигателя. Строго говоря, лошадиная сила – это скорость, с которой может быть выполнена работа. Уатт использовал этот термин для сравнения мощности парового двигателя с мощью рабочей лошадки. Наравне с лошадиными силами сегодня используется и системная единица измерения мощности – ватт (Вт).

Эффективная мощность двигателя измеряется на коленчатом валу с помощью динамометра. Производители автомобилей, как правило, используют для ее обозначения термин «пиковая мощность» (максимальная мощность при определенном числе оборотов в минуту).

Мощность рассчитывается путем умножения крутящего момента двигателя на число оборотов и последующего деления на 5252. Откуда взялась последняя цифра? Если вы не хотите скучных и путаных объяснений, просто поверьте на слово и запомните эту константу.

крутящий момент * угловая скорость ( RPM )

Здесь не мешало бы упомянуть о динамометрических роликовых стендах, но из-за большого разнообразия стендовых динамометров, мы опишем основные из них в другой статье. Следует отметить, что существует немало причин, по которым цифры, наблюдаемые при езде по дороге, оказываются ниже полученных на стенде. Автомобиль на стенде неподвижен, а на открытой дороге свой вклад вносят давление воздуха, перепады температуры и многие другие факторы, которые сложно учесть при испытаниях, хотя многие пытаются компенсировать их отсутствие с помощью вентиляторов и т.д.

Крутящий момент

Крутящий момент – вращательное усилие, которое будет применено к ведущим колесам автомобиля. Крутящий момент можно рассматривать в качестве меры способности двигателя выполнить работу. Единицы измерения крутящего момента – фунт*фут и Ньютон*метр (Нм). Один фунт*фут крутящего момента представляет собой усилие, необходимое для поворота 1-футовой оси, на конце которой прикреплен груз весом 1 фунт. Если на конце 1-футовой оси находится груз весом 200 фунтов, крутящий момент будет составлять 200 фунтов*фут. Очевидно, что чем больше это число, тем больше вращательное усилие на колесах.

1 фунт*фут = 1.36 Н*м

Однако важно понимать, что по мере увеличения крутящего момента вашего двигателя возрастает вероятность самопроизвольного поворота колес. Это довольно частое явление у мощных переднеприводных (FWD) автомобилей с большим крутящим моментом. Поскольку в данном случае передние колеса задействованы также и в управлении автомобилем, вы можете столкнуться с эффектом, называемым паразитным силовым подруливанием. В принципе проблема «непослушания» приводных колес свойственна не только переднеприводным машинам, а любым мощным автомобилям с большим крутящим моментом. Однако, разделив крутящий момент на все четыре колеса (в случае полноприводных (4WD) автомобилей), вы можете уменьшить этот эффект и больше мощности передать дороге. Хотя есть еще много факторов (например, размер и структура шин, настройка подвески и ходовой части, передаточные числа), которые могут помочь переднеприводным (FWD) или заднеприводным (RWD) автомобилям эффективно использовать свою мощность.

Сравнение мощности и крутящего момента

(Как мощность и крутящий момент влияют на производительность)

Причина недопонимания ряда вопросов автолюбителями кроется в том, что в качестве характеристики двигателя автомобиля производители, как правило, приводят пиковые показатели мощности. Это ведет к путанице, люди пытаются сравнивать производительность автомобиля с его мощностью. «Моя машина имеет большее количество лошадиных сил, поэтому она будет быстрее вашей» – некорректное, но достаточно распространенное сравнение.

Есть много факторов, влияющих на производительность автомобиля, и крутящий момент, безусловно, один из них. Кроме того, и мощность, и крутящий момент будут зависеть от передаточных чисел. И, конечно же, большую роль играет то, как и для чего используется автомобиль.

Если вы когда-либо управляли машиной с высоким крутящим моментом (например, автомобилем с большим объемом двигателя или турбодизелем), вы, вероятно, заметили, что способны с легкостью ускоряться на большинстве передач. Это является результатом того, что имеется достаточно мощности в виде крутящего момента, чтобы автомобиль двигался при более широком диапазоне оборотов. Ускорение прямо пропорционально крутящему моменту, т.е. машина, будет ускоряться в соответствии с кривой крутящего момента.

Однако, если вы используете численно более высокое передаточное отношение для увеличения крутящего момента, вы на самом деле уменьшаете максимальную скорость вращения привода. Это может привести к тому, что автомобиль с высоким крутящим моментом (допустим, 680 НМ) достигнет своего предела уже при 30 км/ч.

При всем этом разговоры о крутящем моменте не просто игра слов. Следует понять, что лошадиная сила – просто другой способ измерения мощности (вспомните приведенное выше уравнение: лошадиная сила – это крутящий момент, умноженный на угловую скорость и деленный на 5252). Однако двигатель может быть рассчитан на более высокие обороты и более высокую мощность и, таким образом, на создание большего крутящего момента.

Из всего вышесказанного следует, что лошадиные силы и крутящий момент связаны друг с другом, однако это не одно и то же. Автомобиль с большим крутящим моментом будет ускоряться иначе, чем автомобиль с большим числом лошадей под капотом, с разными точками переключения передач и диапазонами оборотов в минуту. Автомобили с меньшим крутящим моментом (большим числом лошадиных сил), как правило, набирают больше оборотов, но максимальная мощность достигается только на больших оборотах. Машины с большим крутящим моментом (меньшим числом лошадиных сил) имеют меньшую мощность, но сравнительно более широкий диапазон оборотов. Все очень запутано: вроде бы крутящий момент и лошадиные силы – это одно и то же, но разгоняют машину по-разному. Хорошим автомобилем можно считать тот, что имеет оптимальное соотношение крутящего момента и лошадиных сил и возможность повышения обоих параметров.

Что еще влияет на ускорение

• Вес автомобиля. Многие ошибочно полагают, что чем больше весит машина, тем больше нужно энергии, чтобы сдвинуть ее с места.
• Аэродинамика. Снова требуется много энергии, чтобы машина могла преодолевать сопротивление встречным потокам воздуха.
• Сопротивление качению. Шины и привод (шестерни, приводные валы, оси и т.д.) требуют энергии, чтобы они могли вращаться с контактирующими поверхностями.
• Шестерни/передачи. Чтобы автомобиль мог разгоняться и ускорятся, он оборудован коробкой передач. Шестеренки в коробке влияют на крутящий момент, передаваемый на ведущие колеса, но они не могут изменить количество лошадиных сил в машине. В коробке передач все начинается с шестерни, которая запускает крутящий момент. Он позволяет ускоряться в относительно умеренном темпе, но избежать быстрых оборотов двигателя. Каждая последующая передача помогает развить скорость. Вот почему автомобиль, например, может разогнаться от 0 до 96 км/час за 5 секунд, но от 0 до 160 км/час разгон уже займет 13 секунд, поскольку ему нужно еще 8 секунд, чтобы набрать добавочную скорость в 64 км/час. При этом важно учитывать кинетическую энергию и аэродинамику (сопротивление ветру).

Динамометр фиксирует хороший крутящий момент не только на низких оборотах, но и во всем диапазоне оборотов. В сочетании с равномерно возрастающей кривой лошадиных сил, такой двигатель дает возможность машине разгоняться и выжимать педаль газа до упора. Хотя, все зависит от привода и комплектации самой машины. Но в целом, он имеет хорошую мощность и динамику.

Хочется надеяться, что после прочтения статьи о лошадиных силах и крутящем моменте вы не будете путать эти два понятия. Главное – запомнить, что машина с очень хорошим разгоном – это та, у которой двигатель может выдавать постоянно высокую мощность, даже на самых больших оборотах. Например, система газораспределительного механизма VVT-i эффективна для небольших двигателей, она помогает оптимизировать мощность на переменных оборотах. На самом деле не столь важно, с большим количеством лошадей ли машина или с высоким крутящим моментом, потому, что есть много других факторов, влияющих на ее характеристики.

Ускорение
И снова не будем вас утомлять скучными техническими терминами, а просто подсчитаем кое-что. Крутящий момент двигателя зависит от шестерней в коробке передач. Он нарастает по мере того, как вы переключаетесь на другую скорость. На автомобиле с низким крутящим моментом, его можно увеличить путем изменения передаточного числа. В результате этого трансмиссия или коэффициент привода изменяют диапазон оборотов двигателя, а также то, как используется крутящий момент (не оценивайте это в процессе). A V8 и Vtec производят крутящий момент разными способами посредством зубчатой передачи. Эти способы зависят от конструкции двигателя.

При всем этом интересно, как уже упоминалось ранее, что, хорошо набирающая скорость машина, имеет хорошую динамику крутящего момента, которая распространяется в самом широком диапазоне оборотов (высокий диапазон оборотов помогает поддерживать максимальный крутящий момент). Чтобы добиться максимума от машины, нужно знать, как выглядит динамика мощности и какие обороты у двигателя на каждой из передач. Также необходимо знать, как меняются обороты двигателя, когда переключается скорость: повышается или понижается передача. Это поможет вам узнать, что такое динамика крутящего момента на каждой отдельной передаче. Автомобиль разгоняется сильнее всего на пике крутящего момента, но стоит вам переключиться, как падают обороты, и ослабевает крутящий момент. Вся фишка в том, чтобы найти на каких оборотах будет хороший крутящий момент на следующей передаче, без потери динамики на текущей. Конечно, многое зависит от авто и его водителя, но есть наиболее общие рекомендации. Итак, если ваша машина производит максимальный крутящий момент на 4000 оборотах, и вы не хотите переключаться на следующую скорость с этой отметки, поскольку думаете, что потеряете сейчас эти ценные обороты и не сможете сохранить такой же крутящий момент на следующей передаче, а соответственно и скорость движения. Общая рекомендация в этом случае – для максимального ускорения переключаться тогда, когда стрелка тахометра ляжет на красную отметку (у некоторых легковых и гоночных авто есть специальные индикаторы).

Обозначение мощности авто в лошадиных силах
Американские машины

Лошадиные силы (HP Gross)
До 1972 года в Америке мощность двигателя автомобиля измерялась в лошадиных силах следующим образом: на стенде испытывался двигатель, который не оснащен воздушным фильтром, системой выхлопа или системой контроля над выбросами, но иногда оснащенный коллектором. В результате показатели максимальной мощности и крутящего момента отражали только теоретические значения, но не демонстрировали реальную мощность двигателя. Таким образом, измерялась общая мощность двигателя.

Лошадиные силы (HP net)
После 1972 года в Америке стали измерять полезную мощность двигателя. У полностью укомплектованного и установленного двигателя измерялась мощность на маховике, но при этом не учитывались потери при переключении передачи.

Запомните, что американские автомобили оснащены большими двигателями CU, которые выдают высокий крутящий момент и обеспечивают высокую производительность машины.

Лошадиные силы (bhp)
Мощность измеряется в лошадиных силах при помощи динамометра. Замер происходит на испытательном стенде в месте выхода вала из двигателя (коленчатый вал, который соединяется с маховиком). Окончательная цифра получается из крутящего момента, который используется для вычисления мощности в лошадиных силах (bhp).
Обратите внимание, что показатель мощности в лошадиных силах PS, принятый в Германии, отличается от обозначения bhp. Многие производители используют значение PS для лошадиных сил BHP.
Значения приблизительные:

• 1 Bhp = 1.005 Hp (net) – (разница не существенная)
• 1 Bhp = 1.0187 PS
• 1 PS = 0.986 Hp
• 1 Hp = 1.01387 PS

Иногда происходит путаница потому, что одни говорят о мощности в лошадиных силах, измеренной динамометром, другие об измерении с учетом потерь, а третьи о способе измерения по колесам WHP.

Формула расчета мощности в зависимости от крутящего момента и оборотов

Цель работы: Научиться определять параметры вращательного движения по известным заданным величинам.

Оборудование и материалы для выполнения работы

1. Методический материал по выполнению практической работы

Порядок выполнения практической работы

1. Перед выполнением практической работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями.

2. Внимательно ознакомиться с примером выполнения расчетов.

3. Выполнить в соответствии с заданием расчетную часть.

4. Провести анализ полученных результатов и сделать необходимые выводы по результатам работы

5. Вариант берем сами на свое усмотрение.

Основные положения

При вращательном движении — все точки, принадлежащие твердому телу, описывают окружности относительно оси вращения.

Для характеристики изменения угла поворота с течением времени вводится величина, называемая угловой скоростью ω:

размерность угловой скорости

В технике угловая скорость – это частота вращения, выраженная в оборотах в минуту. (частотная).

За одну минуту тело повернется на угол 2π⋅n, где n – число оборотов в минуту (об/мин). Разделив этот угол на число секунд в минуте, получим

2π⋅n = = =c -1

Связь между линейной и угловой скоростями. Скорость точки, движущейся по окружности, часто называют линейной скоростью, чтобы подчеркнуть ее отличие от угловой скорости. (скорость ремня, цепи или другого звена передачи вращения)

Из этой формулы видно, что, чем дальше расположена точка тела от оси вращения, тем больше ее линейная скорость.

Формула расчета мощности в зависимости от крутящего момента и оборотов

Р — мощность в кВт (кило Ваттах)

Р =

P = M_кр х N : 9550, где:

M_кр — крутящий момент в Hм (Ньютона метрах)

N — обороты мотора об/мин

9550- это коэффициент, чтобы не возится с косинусами альфа и обороты подставлять в об/мин.

ω =

Произведя соответствующие преобразования, подставляя π равное 3,14, киловатты в ватты получаем примерно это число 9550

Например, если мотор выдает 357 Нм момента при 4400 об/мин, его мощность в киловаттах:

357 x 4400 : 9550 =164,5 (кВт)

164.5 х 1.36 = 223,72 л.с

1.36 коэффициент перевода кВт в лошадиные силы (л. с)

M_кр=9550

Задание.

Определить искомые величины по заданным.

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткое теоретическое содержание темы

3. Решение практической задачи с необходимыми чертежами.

4. Выводы по проделанной работе.

5. Выучить наизусть основные формулы для расчета параметров вращательного движения)

Контрольные вопросы

1. Как изменится вращающий момент если мощность величина постоянная, а обороты увеличатся?

2. Как изменится мощность если величина вращающего момента уменьшится, а обороты увеличатся?

3. Как изменится вращающий момент, если мощность величина постоянная, а обороты уменьшатся?

Выбор электродвигателя для промышленных применений

При выборе электродвигателя следует учитывать множество факторов, в том числе целевое назначение, требующиеся эксплуатационные и механические характеристики, а также предполагаемые внешние воздействия. Возможные варианты таковы: электродвигатель переменного тока, электродвигатель постоянного тока (рис. 1) или серводвигатель (шаговый электродвигатель). Конечный выбор в основном зависит от того, для какого промышленного изделия подбирается электродвигатель, и от наличия особых потребностей.

Рис. 1. Электродвигатели постоянного тока хорошо подходят для применения в изделиях с невысокой стоимостью, низкой частотой вращения ротора или постоянным крутящим моментом — например, таких, как этот ленточный транспортер

В зависимости от характера нагрузки это может быть электродвигатель с постоянной или переменной частотой вращения и мощностью. Крутящий момент и мощность определяются величиной нагрузки, необходимой частотой вращения, а также разгоном и торможением (особенно если они быстрые и/или частые). Кроме того, следует учитывать требования к регулированию частоты вращения и управлению положением ротора.

Типы нагрузок электродвигателей

Существует четыре типа нагрузок электродвигателей промышленной автоматики:

• переменная мощность и постоянный крутящий момент;
• переменный крутящий момент и постоянная мощность;
• переменные мощность и крутящий момент;
• управление положением ротора или регулирование крутящего момента.

К изделиям с переменной мощностью и постоянным крутящим моментом относятся транспортеры, краны и редукторные насосы. Крутящий момент у них постоянен, так как нагрузка не меняется. Требующаяся мощность может различаться в зависимости от типа изделия, поэтому хорошим выбором в этом случае будут электродвигатели постоянного тока с постоянной частотой вращения ротора.

Пример изделия с переменным крутящим моментом и постоянной мощностью — станок для перемотки бумаги. Скорость подачи материала постоянна, поэтому мощность не меняется. Нагрузка, однако, меняется по мере увеличения диаметра рулона. Для небольших систем такого рода хорошо подойдут электродвигатели постоянного тока или серводвигатели. Другой важный фактор в этом случае — энергия рекуперации, которую следует учитывать при выборе размера электродвигателя или метода регулирования мощности. В более крупных системах, возможно, целесообразнее будет использовать электродвигатели переменного тока с датчиками перемещений, регулирование с обратной связью и приводы, работающие в четырех квадрантах.

Для вентиляторов, центробежных насосов и мешалок требуются переменные мощность и крутящий момент. С увеличением частоты вращения ротора электродвигателя растет и мощность на нагрузке, а с нею требующиеся номинальная мощность и крутящий момент. При нагрузках такого типа начинает играть важную роль КПД двигателя. В подобных изделиях применяются электродвигатели переменного тока с инверторным управлением и частотно-регулируемые приводы.

В линейных приводах, которые должны обеспечивать точное перемещение во множество положений, требуется управление положением или регулирование крутящего момента ротора с малой погрешностью, а зачастую и обратная связь для проверки правильности положения. Для этих целей лучше всего подходят серводвигатели и шаговые двигатели, но наряду с ними часто применяются электродвигатели постоянного тока с обратной связью или электродвигатели переменного тока с инверторным управлением и датчиком перемещения, которые позволяют с малой погрешностью регулировать крутящий момент на металлургических и бумагоделательных линиях, а также в других аналогичных применениях.

Типы электродвигателей

Электродвигатели бывают двух основных разновидностей — переменного и постоянного тока, но они, в свою очередь, разделяются более чем на три десятка типов.

Несмотря на большое разнообразие, промышленные применения электродвигателей имеют между собой много общего, и под влиянием рыночных механизмов практический ассортимент типов электродвигателей в большинстве применений сузился. Шесть наиболее распространенных типов электродвигателей, которые можно использовать в подавляющем большинстве изделий, — это бесколлекторные и коллекторные электродвигатели постоянного тока, электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым и фазным ротором, серводвигатели и шаговые электродвигатели. Прочие типы электродвигателей применяются только в изделиях специального назначения.

Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя

Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя — это изделия с постоянной частотой вращения, переменной частотой вращения и управлением положением (или регулированием крутящего момента) ротора. В различных изделиях промышленной автоматики требуются разные режимы, и набор вопросов, на который приходится отвечать при выборе электродвигателя, может также различаться (рис. 2).

Рис. 2. Асинхронные электродвигатели переменного тока часто выбирают для промышленных машин с вращательным движением рабочего органа

Например, если требующаяся максимальная частота вращения ротора меньше номинальной, может понадобиться редуктор. Возможно, для этой цели удастся подобрать более компактный электродвигатель, частота вращения ротора которого будет обеспечивать более высокий КПД. В Интернете есть большое количество информации о том, как выбирать электродвигатель по размеру, но пользователям необходимо принимать во внимание и другие факторы. Для расчета момента инерции нагрузки, крутящего момента и частоты вращения ротора требуется знать такие параметры, как полная масса и размер (радиус) нагрузки, а также коэффициент трения, потери на редукторе и цикл работы машины. Кроме того, во избежание перегрева электродвигателя необходимо учитывать изменение нагрузки, темп разгона или торможения и рабочий цикл изделия.

Определившись с типом и размером электродвигателя, пользователю нужно также учесть влияние внешних факторов и выбрать исполнение — например, открытое или в кожухе из нержавеющей стали для работы во влажной среде.

Выбор электродвигателя: три вопроса

Даже после того, как все эти решения приняты, пользователю необходимо ответить на следующие три вопроса, прежде чем сделать окончательный выбор.

Требуется ли постоянная частота вращения ротора?

В изделиях с постоянной частотой вращения ротора электродвигатель часто работает на приблизительно установленной частоте, а характеристики разгона и торможения роли практически не играют. В этом случае обычно применяется релейное управление с питанием непосредственно от сети. Цепи управления часто состоят из ответвления с предохранителем и контактором, устройства защиты от перегрузки при пуске и ручного регулятора электродвигателя или устройства плавного пуска.

Для изделий с постоянной частотой вращения ротора подходят электродвигатели переменного и постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока обеспечивают номинальный крутящий момент при нулевой частоте вращения; этот тип электродвигателей очень популярен. Электродвигатели переменного тока — тоже хороший выбор, так как они характеризуются высоким коэффициентом мощности и нетребовательны в обслуживании. Серво­двигатель или шаговый двигатель с высокими эксплуатационными характеристиками был бы излишним для простого изделия.

Требуется ли переменная частота вращения ротора?

Изделия с переменной частотой вращения ротора обычно требуют изменения линейной скорости и частоты вращения с малой погрешностью, а также четко определенных характеристик разгона и ускорения. Уменьшение частоты вращения ротора в таких изделиях, как вентиляторы и центробежные насосы, часто позволяет повысить КПД за счет согласования мощности с нагрузкой вместо работы на максимальной частоте с пропорциональным регулированием или демпфированием. Это важно для конвейерных систем, например линий бутылочного розлива.

Электродвигатели как переменного, так и постоянного тока с приводами соответствующего типа эффективно работают в изделиях с переменной частотой вращения ротора. На протяжении длительного времени привод с электродвигателем постоянного тока был единственным вариантом для изделий с переменной частотой вращения ротора, и компоненты для этой комбинации хорошо отработаны и проверены временем. Даже сейчас электродвигатели постоянного тока широко применяются в маломощных (менее 1 л. с.) изделиях этого типа, а также оказываются полезными в изделиях с низкой частотой вращения ротора, так как обеспечивают номинальный крутящий момент на низкой частоте вращения и постоянный крутящий момент в широком диапазоне частот.

Слабой стороной электродвигателей постоянного тока может быть обслуживание, так как во многих из них для коммутации используются щетки, которые со временем изнашиваются от контакта с подвижными частями. Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока свободны от этого недостатка, но дороже в приобретении, а их ассортимент — уже.

Избавлены от этой проблемы и асихронные электродвигатели переменного тока, а вкупе с частотно-регулируемым приводом (рис. 3) они позволяют получить более высокий КПД в изделиях мощностью более 1 л. с., таких как вентиляторы и насосы. Некоторые типы приводов предусматривают обратную связь по положению. Если этого требует характер изделия, можно дополнить электродвигатель датчиком перемещений и выбрать привод, использующий сигнал от этого датчика для обратной связи. Такая конфигурация может обеспечить такое же регулирование частоты вращения ротора, как в серводвигателе.

Рис. 3. Сочетание электродвигателя постоянного тока с частотно-регулируемым приводом широко применяется для повышения КПД и эффективно работает в разнообразных изделиях с переменной частой вращения ротора

Требуется ли управление положением ротора?

Управление положением ротора электродвигателя с малой погрешностью обеспечивается путем непрерывной проверки его положения в процессе вращения. В изделиях, где требуется, например, задавать положение линейного привода, можно применять шаговый электродвигатель с обратной связью или без таковой, а также серводвигатель со встроенной обратной связью.

Шаговый электродвигатель предназначен для перемещения в заданное положение на умеренной скорости с последующим сохранением этого положения. Шаговый электродвигатель без обратной связи по положению обеспечивает весьма точное управление положением ротора, если правильно выбрать его размер, а также перемещение на точно заданное число шагов (если только он не столкнется с изменением нагрузки, превышающим его возможности).

С ростом требуемой частоты вращения и динамических нагрузок шаговый привод без обратной связи может уже не обеспечить нужных характеристик системы, и тогда понадобится шаговый привод с обратной связью или сервопривод.

Система с обратной связью обеспечивает точное высокоскоростное перемещение по заданному профилю и регулирование положения ротора. Серводвигатель обеспечивает больший крутящий момент на высоких частотах вращения в сравнении с шаговым электродвигателем, а также эффективнее работает в изделиях, характеризующихся высокими динамическими нагрузками или сложным характером перемещения.

Для быстрого и/или резкого перемещения с малым перерегулированием по положению момент инерции нагрузки должен быть как можно лучше согласован с моментом инерции серводвигателя. Рассогласование в пропорции до 10:1 приемлемо в некоторых применениях, но оптимальным является согласование 1:1.

Уменьшение частоты вращения посредством редуктора — оптимальный способ решить проблему рассогласования моментов инерции, поскольку момент инерции нагрузки обратно пропорционален квадрату передаточного отношения редуктора. При этом в расчетах необходимо учитывать момент инерции редуктора.

Знание особенностей изделия и электродвигателя

Производители предлагают широкий ассортимент электродвигателей для промышленных применений. Шаговые электродвигатели, серводвигатели, электродвигатели переменного и постоянного тока пригодны для использования в большинстве типов изделий промышленной автоматики, но оптимальный выбор электродвигателя зависит от характера изделия. Пользователям следует выбирать электродвигатель для своего изделия, учитывая, какой требуется режим работы — постоянная частота вращения, переменная частота вращения или управление положением ротора, — и в тесном взаимодействии с поставщиками электродвигателя и привода.

Крутящий момент двигателя – как сделать мощнее свой автомобиль?

От чего зависит мощность и как повысить максимальный крутящий момент двигателя? Вот два вопроса, в решении которых заинтересован практически каждый опытный автолюбитель. Мы же попытаемся вникнуть в эти понятия и определить пути решения поставленных вопросов.

Что такое крутящий момент двигателя?

Для начала вспомним, что же такое мощность и как с ней связан крутящий момент. Параметр мощность при поступательном движении – это произведение силы на скорость, а крутящий момент мотора определяется как произведение силы, воздействующей на рычаг, на расстояние от оси его вращения до точки приложения силы. Но как отнести к работе автомобиля эти физические формулы?

Если переформулировать это по-другому, то крутящий момент – это тяговые возможности. От этой величины зависит грузоподъемность автомобиля и степень ускорения, которую он развивает. Два этих понятия порой плохо совместимы, поскольку мощность мотора оказывает небольшое значение на динамику автомобиля. Главное – это величина крутящего момента, и чем она больше, тем быстрее происходит разгон.

Увеличение крутящего момента двигателя – приемы модернизации

Какие существуют способы улучшения динамики автомобиля, что дает и как увеличить крутящий момент двигателя? Можно прибегнуть к простым и недорогим методам:

• установить на двигателе фильтр нулевого сопротивления;
• заменить стандартный глушитель на прямоточный;
• провести прошивку (чип-тюнинг).

К затратным, но эффективным методам увеличения крутящего момента относятся:

• фрезерная расточка блока, то есть увеличение объема цилиндров (так называемый форсированный двигатель);
• установка распределительного вала с измененными газораспределительными фазами;
• установка системы питания с оксидом азота;
• установка турбокомпрессора, что значительно увеличивает крутящий момент любого мотора.

На серийных автомобилях для увеличения этого показателя силовой агрегат оборудуют тремя и даже пятью клапанами на каждый цилиндр, изменяют выпускные тракты, на турбокомпрессорах устанавливают керамические крыльчатки с изменяемым углом наклона.

Цель всех подобных модернизаций – совершенствование процесса наполнения цилиндров мотора воздушно-топливной смесью.

Крутящий момент дизельного двигателя – нюансы этого вида моторов

Как же осуществить расчет и увеличение крутящего момента двигателя? В качестве исходных данных используют величину давления газов в цилиндрах, площадь днища поршней и радиус кривошипно-шатунного механизма. Но наиболее точные результаты можно получить лишь экспериментальным путем на специальных опытных стендах.

На современных автомобилях устанавливают два типа моторов: дизельные и работающие на бензине. Далее подробно остановимся на характеристиках дизелей, как более мощных силовых агрегатах. Достоинства дизельных двигателей:

• вследствие низкого расхода топлива существенно снижаются затраты, связанные с эксплуатацией автомобиля, так как у дизельного двигателя степень сжатия находится на уровне 20 единиц;
• высокий КПД, который достигает более 30 %;
• выхлопные газы дизельного двигателя содержат гораздо меньший процент окиси углерода, чем бензиновые;
• дизельное топливо отличается низкой летучестью;
• масса впрыскиваемого топлива в цилиндры в полтора раза меньше, чем у бензиновых двигателей;
• высокое значение, которое приобретает крутящий момент дизельного двигателя на небольших оборотах, позволяет более эффективно использовать его мощность, поэтому на большинстве внедорожников устанавливают данный тип силового агрегата.

К сожалению, получить увеличение крутящего момента мотора на любых оборотах практически невозможно, поскольку у разных агрегатов его наивысшее значение достигается на различных режимах. Это связано с различиями в механизмах впускного тракта, а также фаз газораспределения, что оказывает существенное влияние на эффективность наполнения цилиндров воздушно-топливной смесью при различных оборотах двигателя.