Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.
Каждая система обладает каким-либо коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.
Параметры КПД в электродвигателях
Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:
- n = p2/p1
В данной формуле p1 — это подведенная электрическая мощность, p2 — полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть. В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.
Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель
Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:
- Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
- Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.
Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.
Снижение КПД
Механический КПД электродвигателя должен обязательно учитываться при выборе мотора. Очень большую роль играют потери, которые связаны с нагревом двигателя, снижением мощности, реактивными токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, которое естественным образом происходит при работе двигателя. Причины выделения теплоты могут быть разными: двигатель может нагреваться в процессе трения, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве самого простого примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было потрачено 1 000 рублей, а работы было произведено на 700 рублей. В таком случае коэффициент полезного действия будет равен 70%.
Для охлаждения электрических двигателей применяются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные зазоры. В зависимости от класса двигателей, нагрев может осуществляться до определенной температуры. Например, двигатели класса A могут нагреваться до 85-90 градусов, класса B — до 110 градусов. В том случае, когда температура превышает допустимую границу, это может свидетельствовать о замыкании статора.
Средний КПД электрических двигателей
Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:
- При холостом ходе КПД равен 0%.
- При нагрузке 25% КПД равен 83%.
- При нагрузке 50% КПД равен 87%.
- При нагрузке 75% КПД равен 88%.
- При нагрузке 100% КПД равен 87%.
Одна из причин падения коэффициента полезного действия — асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй — 403 В, а на третьей — 390 В, то среднее значение будет равно 401 В. Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%. Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.
Как повысить КПД электродвигателя
Формула Клосса
Для графического построения механической характеристики пользуются упрощенной формулой, называемой формулой Клосса:
Мк — критическое (максимальное) значение момента. Этому значению момента отвечает критическое скольжение
где λм = Мк/Мн
Формула Клосса применяется при решении вопросов, связанных с электроприводом, осуществляемым с помощью асинхронного двигателя. Пользуясь формулой Клосса можно построить график механической характеристики по паспортным данным асинхронного двигателя. Для практических расчетов в формуле при определении критического момента перед корнем следует принимать во внимание только знак плюс.
Каждый двигатель снабжается техническим паспортом
в виде приклепанной металлической таблички, на которой приведены основные характеристики двигателя. В паспорте указан тип двигателя. Например, двигатель типа 4А10082УЗ: асинхронный электродвигатель серии 4А закрытого исполнения с высотой оси вращения 100 мм, с короткой длиной корпуса, двухполюсный, климатического исполнения У, категории 3.
Заводской номер дает возможность отличить электрическую машину среди однотипных.
Далее приведены цифры и символы, которые расшифровываются следующим образом:
3 ~ — двигатель трехфазного переменного тока;
50 Hz — частота переменного тока (50 Гц), при которой двигатель должен работать;
4,0 KW — номинальная полезная мощность на валу электродвигателя;
косинус фи = 0,89 — коэффициент мощности;
220/380V, 13,6/7,8А — при соединении обмотки статора в треугольник она должна включаться на напряжение 220 В, а при соединении в звезду — на напряжение 380 В. При этом машина, работающая с номинальной нагрузкой, потребляет 13,6 А при включении на треугольник и 7,8 А — при включении на звезду;
S1 — двигатель предназначен для длительного режима работы ;
2880 об/мин — частота вращения электродвигателя при номинальной нагрузке и частоте сети 50 Гц.
Если двигатель работает вхолостую, частота вращения ротора приближается к частоте вращения магнитного поля статора;
к. п. д. = 86,5 °/о — номинальный коэффициент полезного действия двигателя, соответствующий номинальной нагрузке на его валу;
IP44 — степень защиты. Двигатель изготовлен во влагоморозостойком исполнении. Может работать в среде с повышенной влажностью и на открытом воздухе. В паспорте указан ГОСТ, класс изоляции обмотки (для класса В предельно допустимая температура 130° С), масса машины и год выпуска.
КПД
Любой электродвигатель потребляет определенное количество электрической энергии и отдает энергию механическую. Сравнение их величин и называется КПД электродвигателей, чем выше этот показатель, тем эффективнее работает мотор. Добиться 100% отдачи невозможно, а вот приблизиться к этой величине максимально близко – задача выполнимая. Сегодня большинство силовых агрегатов имеют КПД в районе 80-90%. Потери
складываются из самых разных факторов, в числе которых
основными являются следующие
: а) магнитные потери в статоре; б) вихревые токи; в) перемагничивание ротора; г)электрические потери в обмотках статора и ротора; д)трение подшипников, геометрия зубьев; е) толщина изолирующего слоя обмотки.
Все это влияет на КПД электродвигателя постоянного тока, снижает эффективность самых современных асинхронных моторов. Так же на уменьшение КПД оказывает влияние необходимость охлаждения двигателя, ведь вентилятор так же потребляет электрическую энергию. Не следует забывать и о нагрузке: КПД двигателя на холостых оборотах равен нулю, а своего максимума обычно коэффициент достигает на ¾ нагрузки.
Как повысить КПД электродвигателя
Увеличение КПД асинхронными двигателями может быть достигнута за счет использования более качественных материалов и усовершенствования конструкции. Это позволить снизить потери и эффективность двигателя станет выше. Например, чем чище медь в обмотке, тем меньше ее сопротивление, а более качественная магнитная сталь позволит уменьшить потери на перемагничивание. В результате будут меньше потери мощности и двигатель будет греться не так сильно. Отсюда вытекает заключение, что на его охлаждение будет тратиться меньше энергии, потребляемой вентилятором.
Позволит повысить КПД двигателя более тонкий слой изоляции обмоток, работа над такими материалами ведется постоянно. Еще одним перспективным направлением является работа над изменением геометрии зубьев двигателя, которая позволит увеличить концентрацию магнитного поля и избежать потерь за счет рассеивания энергии. Расчет КПД электродвигателя обычно учитывает и асимметрию тока. Если на разных фазах напряжение существенно отличается, то это может снизить коэффициент на 5-7%, а это значительная величина. Устранение проблем электросети, таким образом, становится прекрасным способом увеличить КПД используемого оборудования.
Вращающий момент
Вращающий момент (T) — это произведение силы на плечо силы. В Европе он измеряется в Ньютонах на метр (Нм).
Как видно из формулы, вращающий момент увеличивается, если возрастает сила или плечо силы — или и то и другое. Например, если мы приложим к валу силу в 10 Н, эквивалентную 1 кг, при длине рычага (плече силы) 1 м, в результате, вращающий момент будет 10 Нм. При увеличении силы до 20 Н или 2 кг, вращающий момент будет 20 Нм. Таким же образом, вращающий момент был бы 20 Нм, если бы рычаг увеличился до 2 м, а сила составляла 10 Н. Или при вращающем моменте в 10 Нм с плечом силы 0,5 м сила должна быть 20 Н.
Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w). Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин. Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.
Приведем единицы измерения к общему виду.
Регулирование частоты вращения АД
Частота вращения асинхронного двигателя
n = n1 (1 – s) = (60f1/p) (1-s)
Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту
f1
питающего напряжения, число пар полюсов
р
искольжение s.
Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах
Последнее при заданных значениях момента на валу Мвн и частоты f1 можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.
Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения.
Этот способ требует наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным.
Регулирование путем изменения числа пар полюсов.
Этот способ позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну фазу (рис. 266), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них (например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек (рис. 266, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 266, б) — двум. Катушки двух других фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При изменении числа полюсов изменяется частота вращения n1 магнитного поля двигателя, а следовательно, и частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n1, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n1 при постоянном наибольшем моменте или при приблизительно постоянной мощности (рис. 267).
В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.
Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)
Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора
Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения
В двигателе же с фазным ротором в этом случае надо было бы изменять число полюсов обмотки ротора, что сильно усложнило бы его конструкцию, поэтому такой способ регулирования частоты вращения используется только в двигателях с коротко-замкнутым ротором. Такие двигатели имеют большие габаритные размеры и массу по сравнению с двигателями общего применения, а следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f1 = 50 Гц частота вращения поля n1 при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.
Регулирование путем включения в цепь ротора реостата.
При включении в цепь обмотки ротора реостата с различным сопротивлением (Rп4, RпЗ, Rп2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту Мном (рис. 268) будут соответствовать меньшие частоты вращения n4, n3, n2 и т. д., чем частота nе при работе двигателя на естественной характеристике 1 (при Rп = 0). Это способ регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).
Изменение направления вращения.
Для изменения направления вращения двигателя нужно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка чередования тока в фазах обмотки статора. Например, если максимумы токов поступают в фазы обмотки статора 1 (рис. 269, а) в следующем порядке: фаза А — фаза В — фаза С, то ротор 2 двигателя будет вращаться по часовой стрелке. Если же подавать их в такой последовательности: фаза В — фаза А — фаза С, то ротор начнет вращаться против часовой стрелки. Для этой цели необходимо изменить схему соединения обмоток статора с сетью, переключив две любые фазы (провода). Например, зажим А обмотки статора, который ранее был соединен с линейным проводом Л1, нужно переключить на провод Л2, а зажим В этой обмотки, соединенный ранее с Л2, переключить на провод Л1 (рис. 269,б). Такое переключение можно осуществить обычным переключателем.
Общие потери и падение КПД
Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее — на ротор.
Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.
Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.
О топливной эффективности дизеля
ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.
Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.
Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.
Автомобильные двигатели
История развития электрических двигателей начинается с момента открытия закона электромагнитной индукции. Согласно ему, индукционный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Именно эта теория легла в основу создания первого электрического двигателя.
Современные модели основаны на этом же принципе, однако кардинально отличаются от первых экземпляров. Электрические моторы стали намного мощнее, компактнее, но самое главное — их КПД значительно увеличился. Мы уже писали выше о том, какой КПД электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. К примеру, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.
КПД бензинового и дизельного двигателя.
При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.
Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.
Преимущества электрического двигателя
Высокий КПД — это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.
Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей — это очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.
Подводим итоги: плюсы и минусы каждого из моторов
Дизель или бензин, что выбрать? Ответ на этот вопрос необходимо искать, основываясь на своих предпочтениях. Кому то важна мощность и динамика, другие предпочитают сэкономить на топливе и обслуживании. Здесь можно выделить следующие преимущества бензина:
- небольшая масса и габариты агрегата;
- низкая шумность;
- устойчивость к минусовым температурам;
- большая мощность;
- переносимость топлива плохого качества;
- дешевизна в обслуживании.
К недостаткам бензина относится высокий расход, меньшая тяга и невысокий ресурс эксплуатации. Если говорить о дизельных двигателях, стоит отметить следующие достоинства:
- экономичность;
- высокая тяга на малых оборотах;
- продолжительный срок эксплуатации;
- дешевизна топлива.
Недостатками являются меньшая мощность, высокий уровень шума, дороговизна в обслуживании и ремонте, а также боязнь низких температур.
Представленная информация позволит вам с легкостью выбрать необходимый тип мотора. Обязательно проведите тест-драйв, ведь все преимущества конкретного мотора будут бесполезны, если вам не понравится динамика и разгон. Во многом все зависит от стиля вождения каждого человека в отдельности.
Повышение эффективности электродвигателей
Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.
Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.
Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.
Максимальный КПД электродвигателя
В зависимости от типа конструкции, коэффициент полезного действия в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д. То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% — на нагрев деталей. Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.
КПД дизельного двигателя – заметная эффективность
Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.
Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.
Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.
Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.
Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:
- Вид топлива.
- Способ образования топливно-воздушной смеси.
- Реализация воспламенения заряда.
Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.
Возможен ли КПД свыше 100%?
Ни для кого не секрет, что электрические двигатели, КПД которых превышает 100%, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону о сохранении энергии. Дело в том, что энергия не может взяться из ниоткуда и точно так же исчезнуть. Любой двигатель нуждается в источнике энергии: бензине, электричестве. Однако бензин не вечен, как и электроэнергия, ведь их запасы приходится пополнять. Но если бы существовал источник энергии, который не нуждался в пополнении, то вполне возможно было бы создать мотор с КПД свыше 100%. Российский изобретать Владимир Чернышов показал описание двигателя, который основан на постоянном магните, и его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.
роблема.
КПД существующих типов тепловых двигателей достигло предела, при котором дальнейшая разработка их, с целью увеличения КПД, становится экономически не оправданной. Затраты на разработку, высокая стоимость применяемых материалов и технологий не оправдывает те доли процента, на которые увеличивается КПД двигателей. Идеальный тепловой двигатель считается тот, в котором кинетическая энергия продуктов сгорания с температурой достигающей 2700°К непосредственно преобразуется в электрическую энергию. Разработка данного двигателя, называемого МГД–генератор, велась в двадцатом веке, но закончилась безрезультатно.
Решение проблемы.
Для резкого повышения КПД теплового двигателя применим в его схеме суперэжектор (способ безударного сложения потоков газа). Применяя суперэжектор в схеме газотурбинной установки, можно повысить её КПД до максимально возможного уровня, сопоставимого с КПД теоретического МГД–генератора. В известном термическом цикле газотурбинной установки температура продуктов сгорания ограничена материалом ротора турбины и в современных турбинах может достигать 1000°С. Дальнейшее повышение температуры может привести к снижению моторесурсов турбины или разрушению её ротора. Защитить вращающийся ротор турбины от высокой температуры сложно и не эффективно. Эффективно можно защитить только неподвижные детали устройств, например такие как камеры сгорания и газоходы. Повысить КПД двигателя можно только убрав из цикла газотурбинной установки слабое звено — турбину и заменить её суперэжектором, который не имеет движущихся деталей и может быть эффективно защищен от высокой температуры общеизвестными методами. Рассмотрим новый цикла, назовем его газо- суперэжекторным. Компрессор нагнетает сжатый воздух в камеру сгорания с давлением превосходящим давление на обычных газотурбинных установках. В камеру сгорания подается топливо, при сгорании которого температура продуктов сгорания может достигать 2700°К, как и в МГД – генераторе. Высокоэнергетические продукты горения направляются в суперэжектор, где их работа преобразуется в работу сжатого атмосферного воздуха. Получен результат — работа запредельных параметров термического цикла аккумулирована в потенциальна работа сжатого воздуха, которая в дальнейшем может быть преобразована в механическую работу в той же турбине.
Сравним с МГД-генератором.
Предположим, что исходные параметры продуктов сгорания равны на выходе с камеры сгорания и достигают 2700°К, как для МГД — генераторе, так и для предложенного способа, поэтому и срабатываемые теплоперепады их будут равны. Если предположить, что потери энергии при преобразовании равны, то получим и равное количество полезной энергии – электрической энергии и энергии сжатого воздуха.
Получен новый тепловой двигатель, КПД которого будет превосходить все существующие типы тепловых двигателей и сопоставим с прямым преобразованием кинетической энергии в электрическую энергию. При необходимости можно полученный сжатый воздух с температурой, позволяющей применять обычные стали, направить в турбогенератор, где его энергия будет преобразована в электроэнергию.
Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя
Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли. И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается. В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.
Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы. Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция — это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит. Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.
Постоянные магниты как источники энергии для двигателей
Второй интересный источник — постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, а магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит что-либо притянет к себе, то он выполнит работу, а его магнитное поле слабее не станет. Это свойство уже не раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока что ничего более-менее нормального из этого не получилось. Любой механизм износится рано или поздно, но сам источник, которым является постоянный магнит, практически вечен.
Впрочем, есть специалисты, которые утверждают, что со временем постоянные магниты теряют свои силы в результате старения. Это неправда, но даже если бы и было правдой, то вернуть его к жизни можно было бы всего лишь одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который бы требовал перезарядку раз в 10-20 лет, хоть и не может претендовать на роль вечного, но очень близко к этому подходит.
Уже было много попыток создать вечный двигатель на базе постоянных магнитов. Пока что не было удачных решений, к сожалению. Но учитывая тот факт, что спрос на такие двигатели есть (его просто не может не быть), вполне возможно, что в скором будущем мы увидим что-то, что очень близко подойдет к модели вечного мотора, который будет работать на возобновляемой энергии.
