Как сделать мотор своими руками

Сложно ли сделать своими руками электродвигатель?

Чтобы понять, как сделать своими руками электродвигатель, нужно вспомнить, как он устроен и как работает.

Если следовать инструкции шаг за шагом, не столь сложно электродвигатель сделать самому. Мотор послужит для ваших проектов.

Затраты на изготовление электродвигателя будут минимальными, поскольку сделать своими руками электродвигатель можно из подручных средств.

Материалы

Прежде всего, запастись нужно необходимыми материалами:

• болтами;
• спицей велосипедной;
• гайками;
• изолентой;
• проволокой медной;
• пластиной металлической;
• супер- и термоклеем;
• фанерой;
• шайбами.

Не обойтись и без таких инструментов:

• электродрели;
• ножа канцелярского;
• плоскогубцев;
• станка шлифовального;
• молотка;
• ножниц;
• паяльника;
• пинцета;
• шила.

Процесс изготовления

Начинать работу по изготовлению электродвигателя своими руками нужно с изготовления пяти пластин, в которых позже нужно просверлить отверстие по центру при помощи электродрели и надеть на ось – спицу велосипедную.

Плотно прижав пластины друг к другу, следует их концы зафиксировать изолентой, обрезав излишки канцелярским ножом. Если оси оказались неровными, их нужно заточить.

При прохождении через катушку электротока, последняя создает магнитное поле вокруг себя, которое не отличается от поля обычного магнита, но исчезает, когда ток отключают. Свойство это, можно использовать, чтобы металлические предметы притягивать и отпускать, включая и выключая ток.

В качестве эксперимента можно сделать цепь, состоящую из кнопки и электромагнита, который включать и отключать поможет эта кнопка.

Цепь питается от блока питания компьютера 12В. Если ось с пластинами установить рядом с электромагнитом и включить ток, то они будут притягиваться и одной из сторон поворачиваться к электромагниту.

Рекомендуем:

для электромобиля : принцип работы, как устроен, основные отличия стиральной машины

Если ток сначала включить, а выключить его в момент, когда пластины максимально близко подошли к электромагниту, то они его пролетят по инерции, совершив оборот.

Если момент угадывать постоянно, и включать ток, они будут вращаться. Для того, чтобы сделать это в нужный момент, необходим прерыватель тока.

Изготовления прерывателя тока

Снова понадобится небольшая пластина, закрепить которую нужно на оси, прижав плоскогубцами, чтобы крепление было надежным. Как это должно выглядеть, понять поможет видео:

Видео: Как сделать электродвигатель

Далее, чтобы сделать электродвигатель своими руками нужно изготовить из нелакированной медной проволоки пружинящего контакта.

Один из контактов подключают к металлической пластине, а сверху на нее устанавливают ось. Поскольку ось, пластина и прерыватель металлические, то по ним будет идти ток. Дотрагиваясь контактом прерывателя, цепь можно замыкать и размыкать, что позволит электромагнит подключать в нужный момент и отключать.

Получившаяся вращающаяся конструкция, сделанная своими руками, называется в электродвигателях постоянного тока якорем, а взаимодействующий с якорем неподвижный электромагнит – индуктором.

Якорь в двигателях переменного тока называется ротором, а индуктор – статором. Названия порой путают, но это неправильно.

Изготовления рамки

Ее сделать нужно, чтобы конструкцию электродвигателя не держать руками. Материал для изготовления основания – фанера.

Индуктор своими руками

В фанере сделаем два отверстия под болт М6 длиной 25 мм, на которых разместим позже катушки электродвигателя. На болты накрутим гайки и вырежем три детали для соединения болтов (опоры).

У опор две функции: на них опираться будет ось якоря электродвигателя, сделанного своими руками, вторая – они будут служить магнитопроводом, который соединит болты. Под них нужно сделать отверстия (на глаз, поскольку особой точности это не требует). Пластины соединяют вместе и ставят снизу, прижимая болтами. Надев на болты катушки получаем некий подковообразный магнит.

Для закрепления в вертикальном положении якоря электродвигателя, нужно сделать рамку из листового металла (скоба). В ней сверлим три отверстия: одно по диаметру оси и два по бокам под шурупы (для крепления).

Изготовление катушек

Чтобы сделать их, потребуется полоска из картона и тонкой бумаги (см. размеры на чертеже). Вынув болт из основания, наматываем на него толстую полоску в 4-5 слоев, зафиксировав 2 слоями изоленты. Держится полоска достаточно плотно. Аккуратно снимаем ее, чтобы намотать проволоку.

После того, как проволока намотана, достанем пинцетом бумагу изнутри, обрезаем лишние слои, чтобы на болт катушка одевалась легко. Отрезаем у катушки лишнее с учетом того, что сверху и снизу еще будут щечки, необходимые для того, чтобы при эксплуатации электродвигателя не сползала проволока. Таким же образом делаем своими руками вторую катушку и переходит к изготовлению щечек.

Как сделать своими руками щечки?

Толстую бумагу кладем на гайку, а болтом сверху пробиваем отверстие. Сделать это легко. Надев затем бумагу на болт, сверху ставим шайбу и вырезаем, предварительно обведя ее карандашом. Получается она по форме аналогичной шайбе.

Всего нужно таких деталей сделать 4 шт., чтобы установить на болт сверху и снизу. На верхнюю щечку накручиваем гайку, подложив металлическую шайбу и фиксируем обе щечки термоклеем. Каркас, который сделан своими руками, готов.

Теперь осталось намотать на него проволоку (500 витков) лакированную диаметром 0,2 мм. Начало и конец проволоки скручиваем, чтобы не разматывалась. Раскрутив гайку, удалям болт – остается красивая маленькая катушка.

Концы проволоки освобождаем от лака, используя канцелярский нож, лудим, устанавливаем на болт. То же самое сделать нужно со второй катушкой.

Чтобы на оси пластины и прерыватель тока не прокручивались, их рекомендуется приклеить суперклеем.

Теперь последовательно соединим катушки, чтобы проверить работу электродвигателя. Плюс подключаем на начало обмотки (со стороны шляпки болта). При помощи скользящего контакта находим положение, в котором электродвигатель работает максимально эффективно.

Контакты такие называют в электродвигателях щетками. Чтобы последние не держать руками, нужны щеткодержатели, которые приклеиваются на суперклей, смазав маслом места трения оси.

Соединив катушки параллельно, увеличим ток (поскольку катушки обладают сопротивлением), следовательно, возрастет мощность электродвигателя. То есть, представить катушки можно как сопротивления.

А при их параллельном соединении их, суммарное сопротивление уменьшается, значит, возрастает ток. При соединении последовательном, все происходит с точностью до наоборот.

А, раз увеличивается ток через катушку, то и магнитное поле больше, а якорь электродвигателя сильнее притягивается к электромагниту.

Делаем электродвигатель своими руками

Промышленные электродвигатели — это сложные технические устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую. Широкое применение в бытовом и промышленном оборудовании обеспечивалось конструкторской и технологической мыслью многих людей. Электродвигатель, собранный мастерами — самоучками из подручных материалов вряд ли найдет такое же распространение как промышленные образцы. Однако в качестве учебного пособия, наглядно демонстрирующего принцип работы электродвигателя, вполне подойдет.

Принцип работы электродвигателя

Для практического изготовления требуется наличие теоретических знаний. Законы физики говорят о том, что если в магнитное поле поместить проводник с электрическим током в виде рамки, то на него будет действовать сила заставляющая рамку вращаться. Если добавить еще одну рамку под углом или менять направление тока, то вращение будет непрерывным. В электродвигателе функции создания магнитного поля выполняет статор, а вращающуюся рамку заменяет ротор или якорь.

Примеры электродвигателей сделанных мастерами — самоучками

Самостоятельно изготовленные электромоторы отличаются различными подручными материалами, применяемыми в качестве заготовок для ротора и статора. Представляем некоторые варианты таких самоделок.

Электродвигатель из жестяной банки от «Пепси-Колы»

Для такой самоделки понадобятся следующие комплектующие материалы и инструменты:

• пустая алюминиевая банка от газированного напитка, которая послужит основой для ротора;
• катушка от швейной машинки;
• медная изолированная проволока диаметром около 0.35 мм, длиной примерно 10 метров;
• деревянная дощечка толщиной 10–15 мм, по габаритам в соответствии с размерами банки от «Пепси-Колы»;
• 4 (четыре) круглых постоянных магнита в виде тонких пластинок, которые будут создавать магнитное поле вместо статора;
• металлическая вязальная спица;
• два небольших деревянных бруска размерами 15×15×60 мм;
• короткий брусок в виде кубика с размером стороны 15 мм;
• медная проволока толщиной 1.0 мм для изготовления контактов;
• для фиксации катушки потребуется саморез 3.5×30 мм, а для закрепления контактов — саморезы 2×15 мм (3 шт.) и 3 широких шайбы под них;
• источник питания 12 В;
• тюбик суперклея;
• штангенциркуль и чертилка для разметки;
• маркер для нанесения точек разметки;
• ручная электрическая дрель;
• мультиметр для проверки наличия контакта;
• набор отверток, нож для зачистки, пассатижи, бокорезы и возможно другой инструментарий для монтажа электрической проводки.

Порядок проведения работ

Рекомендуем выполнять работы в следующей последовательности.

• Вручную аккуратно намотаем медную проволоку на катушку. Обязательно фиксируем концы.
• По центру деревянной дощечки закрепляем намотанную катушку, которая уже превратилась в электромагнит, с помощью длинного самореза.
• Размечаем с помощью маркера места нахождения постоянных магнитов, как на изображении:
• Наклеиваем на обозначенные места магниты, соблюдая при этом их полярность.
• С помощью дрели сверлим по центру банки отверстия под ось (вязальная спица).
• Устанавливаем в эти отверстия спицу.
• В деревянных брусках 15×15×60 мм с одного из краев сверлим отверстие под спицу.
• Закрепляем с помощью клея на деревянной дощечке конструкцию ротора с деревянными брускам (подставками).
• На спицу (ось ротора) дополнительно устанавливаем брусок в виде кубика, при этом его ребро должно совпадать с осью установки магнитов.
• Из медной проволоки толщиной 1.0 мм изготавливаем управляющие контакты, один конец которых закрепляем на деревянном основании. Расстояние между контактами подбирается таким образом, что вращаясь, кубик должен их замыкать при касании ребра.
• Контакты электромагнита зачищаются и подключаются к части контактов толстой медной проволоки, закрепленной на деревянном основании.

После подключения источника питания 12 В двигатель может работать.

Электродвигатель из винной пробки и спицы

Этот вариант похож на предыдущий, только для изготовления ротора применяется подручный материал в виде винной пробки и вместо четырех небольших магнитов два более крупных с дополнительными под них деревянными опорами.

Процесс изготовления ротора из винной пробки производится следующим образом.

• Торцы винной пробки подрезаются до ровных площадок.
• Сверлиться в середине торцов пробки отверстие под спицу. С одного края на спицу наматывается изолента.
• В торце пробки вставляются две медные проволоки толщиной 1.0 мм, фиксируются клеем.
• Выполняется обмотка пробки тонкой медной проволокой в одном направлении, как показано на изображении:
• Места соединения толстой и тонкой медных проволок зачищаются и крепятся (лучше припаять).

Далее процесс сборки практически ничем не отличается от предыдущего варианта и получается электродвигатель своими руками с ротором из винной пробки.

Изучаем, как собрать свой двигатель — на случай «Большого ПЭ» и не только

Энергия в современном мире — это всё, и чем дальше, тем больше: экзоскелеты, роботы, разнообразные электрические виды транспортных средств. Всё это базируется на необходимости доступа к соответствующим источникам питания и, в то же время, ограничивается их отсутствием. Однако всё может стать ещё хуже, если традиционные источники питания станут вдруг недоступны, по тем или иным причинам. Либо же, потребуется создать собственный источник питания (например, для электропитания далеко расположенного лесного домика и т.д.). Ещё одним интересным вариантом может быть изготовление альтернативного источника питания для уже существующих устройств, — например, для дронов. Да, в этой статье мы поговорим об устройстве и возможности изготовления собственных двигателей внутреннего сгорания различных типов. Кроме того, для этих целей можно даже применить технологии машинного обучения!

Несмотря на движение в сторону «зелёных» технологий и попыток отхода от углеродных принципов получения энергии — пока мы от этого никуда не денемся, по крайней мере, в ближайшее время. Несмотря на достаточно проработанную технологию производства аккумуляторов и все их возможности, по мнению учёных, плотность хранимой энергии в углеводородном топливе многократно превышает таковую в любых типах аккумуляторов.

Если попытаться назвать конкретные цифры, то они выглядят следующим образом: максимально возможная плотность хранимой в аккумуляторах энергии составляет приблизительно 0,2 кВтч/кг, в то время как любые углеводородные способы хранения предоставляют нам плотность в районе 12 кВтч/кг.

То есть, другими словами, плотность энергии, хранимой в сгораемом топливе, в 60 раз превышает таковую, в любом аккумуляторе сходного веса!

Весь последующий рассказ, я думаю, будет интересен со следующих точек зрения: во-первых, мы сможем ознакомиться с основными типами двигателей внутреннего сгорания, постараемся прикинуть, как мы могли бы их изготовить самостоятельно, рассмотрим интересные моменты, касающиеся их устройства, а также попробуем применить новые технологии, которые нам даёт наше время. Вообще говоря, любые знания всегда только в плюс, если вспомним, например, тот же самый роман Жюля Верна — «Пятнадцатилетний капитан». Именно знания из разных сфер позволили там выжить и преуспеть героям этой истории. Весь дальнейший рассказ не претендует на исключительную полноту и точность всех фактов, однако, позволит сложить общее представление о предмете. Итак…

Двигатель Ленуара (или просто, — «Ленуар»)

Исторически самым первым двигателем внутреннего сгорания можно назвать двигатель инженера бельгийского происхождения Жана Жозефа Этьена Ленуара.

Картинка Livejournal Dinamik67

Чем он был хорош: позволил отойти от необходимости постоянного мониторинга за паровым двигателем, на замену которому и пришёл. Полностью автоматический, он позволил вывести на новый уровень приводные системы машин.

Принцип действия этого двигателя заключается в том, что поочерёдно, то в одной стороне цилиндра, то в другой — происходит вспышка, толкающая цилиндр то в одну, то в другую сторону.

Неэффективность здесь заключается в том, что работа двигателя Ленуара происходит при атмосферном давлении (отсутствие сжатия, как в современных двигателях). А зажигание происходит не в момент максимального сжатия, а когда поршень уже пошёл в обратную сторону и вдогон его ещё сильнее как бы разгоняет — возникшая вспышка и расширение продуктов сгорания.

В современных двигателях подобное явление называется поздним зажиганием и, вообще-то, является негативным явлением, так как приводит к перегреву системы и снижению эффективности. Однако, в двигателе Ленуара, благодаря его массивной конструкции, это проблема не была страшна.

Зажигание с каждой стороны происходит после достижения поршнем приблизительно 60-100 угловых градусов от верхней мёртвой точки. Здесь под угловыми градусами подразумевается очень простая вещь (если вы будете собирать Ленуар самостоятельно): на вал насаживается диск, например, бумажный, и размечается по одному градусу. Таким образом, проворачивая вал двигателя руками, вы будете знать, в какой момент должно происходить зажигание (в нашем случае, мы выставляем, например, на 60°) и настраиваем систему так, чтобы именно в этот момент проскочила искра.

КПД Ленуара весьма мал, и находится в пределах 4%. Благодаря своему низкому КПД, в литературе называются цифры, что с 18 л двигателя можно снимать приблизительно две лошадиные силы.

Однако есть и плюсы:

• благодаря работе при атмосферном давлении, — выхлоп такого типа двигателя достаточно малошумящий,
• из-за отсутствия больших давлений во время работы, — требования к точности изготовления цилиндро-поршневой группы весьма низкие.

Однако любители не останавливаются только на небольших экземплярах, а изготавливают даже вполне себе «гулливерские» Ленуары:

Соответственно, в подобных огромных Ленуарах, зазор между поршнем и цилиндром может быть ещё больше! Тем не менее — это никак не мешает двигателю успешно функционировать!

Плюс подобных устройств мне видится в том, что можно самостоятельно создать успешно функционирующий двигатель, какого угодно размера и мощности, практически из подручного хлама (который не страшно оставлять без надзора и не опасаясь, что его украдут).

После своей постройки этот двигатель может служить как источником силы непосредственного привода (например, накачивать воду в резервуар), так и средством выработки электроэнергии; в том числе, — в отдалённой деревне, далёкой лесной избушке и т.д. и т.п.

Немного работы сваркой и собирательства подручного хлама – и вуаля!

А если ещё учесть возможность питания этого двигателя от газогенератора, в котором происходит выработка горючего газа путём термической возгонки дров — получается вообще интересная концепция…

А тут, друзья мои, придёт нам на помощь литейное мастерство! 🙂

Многие любители, которые увлекаются изготовлением самодельных двигателей — не изготавливают поршни! А делают их следующим образом: обычной парафиновой свечкой коптят внутреннюю поверхность будущего цилиндра, после чего прямо в этот закопчённый цилиндр отливают из различных материалов поршень! Ну, то есть, просто берут и льют туда, например, алюминий или даже свинец! О_о

И оно работает! И работает даже хорошо! То есть, мы минимальными усилиями получаем поршень, практически идеально подогнанный к цилиндру, а благодаря закопчёности цилиндра, легко страгивающийся с места после литья!

Таким образом, вы теперь понимаете, что нам не составляет никакого труда, изготовить даже из любой бросовой трубы со свалки — двигатель нужного диаметра. Хотите поршень диаметром полметра и идеально подогнанный? Запросто! 🙂 И двигатель лошадей в 50 – ваш…

Двигатель Отто

▍ Четырёхтактные двигатели

Однако Ленуар после изобретения своего двигателя начал, так сказать, «почивать на лаврах», и упустил нужный момент, благодаря чему в результате проиграл конкуренцию изобретению немецкого инженера Николауса Отто, который в 1878 году реализовал двигатель нового типа, продолжающий идеи француза А. Бо-Де Роша.

В настоящее время двигатель подобного типа мы знаем как четырёхтактный, процесс работы которого состоит из четырёх фаз: впуск смеси, сжатие, рабочий ход, выброс отработанных газов:

Четырёхтактные двигатели тоже широко распространены среди самоделок. В качестве донора для изготовления подобных двигателей самодельщики частенько берут компрессор, например, от холодильника:

Для работы двигателя подобного типа, как можно было видеть по анимированной картинке выше, необходимо в определённые моменты впускать рабочую смесь и выпускать отработанные газы.

Для этих целей был создан так называемый «распредвал», — вал, на который насажены кулачки, которые поочерёдно нажимают то на один, то на другой клапан. Распредвал в действие приводится цепной, либо ременной передачей с основного вала двигателя.

Вообще говоря, создание каких-либо двигателей — это очень увлекательное занятие и поэтому многие предпочитают создавать двигатель полностью с нуля:

Говоря об отдельных элементах этого двигателя, можно сказать, что, например, впускные и выпускные клапана — самодельщики обычно изготавливают из обычных чёрных калёных саморезов для евроремонта:

Система зажигания, как правило, представляет собой повышающую высоковольтную плату, снятую с зажигалки от газовой плиты, и питающуюся от одной батарейки форм-фактора АА (есть такие виды зажигалок, где источником искры является не пьезоэлемент, а отдельная плата).

Альтернативным и более простым вариантом системы зажигания — является использование простого пьезоэлемента, на который периодически нажимает специальный кулачок, расположенный на вале двигателя.

Плюсом такого решения является крайняя простота системы генерации искры, а минусом — весьма малый срок наработки на отказ: всего лишь порядка 1 млн срабатываний (после которого, просто-напросто физически развалится пьезокристалл).

Попробуем подсчитать, насколько нам хватит этого пьезокристалла. Допустим, двигатель вращается со скоростью 3.000 оборотов в минуту (реально — будет быстрее этого, я тут совсем скромно взял). Соответственно: наработка на отказ, часов = 1 000 000 / (3000/4)*60 = 22,2 часа.

В качестве способа получения рабочей смеси для сгорания используется, так называемый, «бульбулятор». Воздух пробулькивается сквозь цилиндр (в качестве которого, взята колба от вытянутой стеклянной лампы и отпилена с концов) в который налит бензин, благодаря чему он насыщается парами бензина в нужной концентрации.

Исторически подобные устройства являются самым первым типом карбюратора (конечно, карбюратор гораздо более совершенен и лучше использовать, конечно, его, однако годится и такой вариант).

▍ Двухтактные двигатели

Со временем инженеры стали думать, а можно ли как-то повысить мощность двигателя? Решение напрашивалось само: увеличить количество тактов, которые являются рабочими, в которых происходит зажигание. В результате ряда работ родился так называемый двухтактный двигатель: в котором в течение первого такта происходит впуск смеси и полезная работа(с параллельным выбросом отработанных газов), а в течение второго — сжатие впущенной смеси и её зажигание. После чего цикл повторяется.

Двухтактные двигатели гораздо более оборотистые, чем четырёхтактные. Однако, в силу своего характера, они являются достаточно прожорливыми и неэкологичными: они устроены таким образом, что в процессе газообмена, впускаемая свежая смесь фактически вытесняет отработавшие газы (и часть этой новой смеси улетает вместе с газами в выхлоп!):

С этим, конечно, пытаются бороться:

• устанавливают лепесток на всосе, после карбюратора. Таким образом, когда поршень движется вверх и сжимает смесь — свежая смесь перестаёт поступать в систему (попутно растёт степень сжатия),

• глушитель проектируют таким образом, чтобы в нём возникала стоячая звуковая волна, которая, скажем так, «нематериальным» образом блокирует потерю свежей смеси.

Как ни странно, несмотря на их относительно более сложное устройство, собрать успешный 4Т-двигатель и заставить его работать — гораздо проще, чем двухтактный.

Почему? Объясняется это более сложными процессами газообмена, происходящими в двухтактном двигателе, а в отличие от него, в четырёхтактном — это всё намного более упрощено. Отработавшие газы вытесняются самим поршнем, наподобие того, как шприц выдавливает лекарство (при медицинских уколах). Поэтому люди предпочитают собирать двигатель именно такого типа.

Интересные тонкости

• Так как в двухтактных и четырёхтактных двигателях процессы происходят при гораздо больших давлениях (как я уже писал в нескольких своих статьях, в момент вспышки — давление в цилиндре составляет приблизительно 60 бар), приходится каким-то образом герметизировать это всё.

Почему именно чугун: так как он представляет собой металл с высоким процентом содержания углерода, который обладает низким коэффициентом трения. Поэтому зачастую используют чугунные поршневые кольца и чугунную гильзу цилиндра. Если же мы говорим о двухтактных двигателях бензокос/бензопил, то там используется сочетание чугунных поршневых колец и покрытого хромом алюминиевого цилиндра. Это как удешевляет конструкцию, так и упрощает охлаждение цилиндра и одновременно увеличивает ресурс (хром весьма жёсткий и износоустойчивый).

Однако, при изготовлении малогабаритных двигателей, особенно таких, как на радиоуправляемых игрушках — изготовление, а затем и надевание готовых поршневых колец на поршень, представляет собой существенную проблему. А при некотором предельном размере поршня, — это и вовсе невозможно сделать (поршень слишком маленький и кольца просто-напросто ломаются, при попытке надеть их на него. Не хватает гибкости чугуна).

Конечно, если мы собираем небольшой и не особо мощный двигатель — это не проблема. Вполне можно работать и без поршневых колец, что и показывает следующая самоделка, где поршень изготовлен из графита, а в качестве цилиндра — используется обычная химическая мензурка:

• Кстати говоря, чтобы повысить ресурс у маленьких двигателей, используют очень интересный приём, который заключается в том, что цилиндр не является цилиндром! А он — является конусом! О_о

Смысл этого всего заключается вот в чём: по сути, необходимо обеспечить высокую герметизацию только в самом начальном моменте (верхняя мёртвая точка), где давление максимально. В дальнейшем можно сделать так, чтобы между цилиндром и поршнем при движении поршня вниз, начинал возникать некий зазор. Это даже хорошо, ведь туда будет проникать масло и всё смазывать. Кроме того, оно же является и герметизирующим агентом, то есть, выступает в роли своеобразного «поршневого кольца», где вязкость самого масла, занимающего маленький зазор между поршнями цилиндра — не даёт газам просочиться сквозь этот зазор.

Таким образом, износоустойчивость повышается: цилиндр и поршень максимально трутся только на самом верху и на минимальном участке траектории!

• Ещё одним весьма интересным способом увеличения ресурса является изготовление цилиндра из силумина, который является сплавом алюминия и кремния. Если правильно помню (могу ошибаться), его определённым образом охлаждают, что приводит к образованию в структуре металла множественных микрокристаллов кремния.

На картинке это (для наглядности) показано достаточно утрировано. В реальности эти кристаллы очень мелкие и практически непрерывным ковром покрывают всю внутреннюю поверхность цилиндра. Однако некоторое расстояние между ними всё же остаётся, что является положительным явлением, так как эти расстояния постоянно заполнены маслом, благодаря чему, коэффициент трения уменьшается ещё больше.

А теперь, когда у вас более-менее сформировалась общая картина о том, что же представляет собой двигатель внутреннего сгорания и как их делают самодельщики, перейдём к самому вкусному:

Линейные двигатели внутреннего сгорания / Internal Combustion Free Piston Engines

Ключевой проблемой двигателей внутреннего сгорания является их сложность и, в рамках нынешнего перехода к электрическим машинам, — наличие кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Почему? Он является источником излишнего веса, вибраций (ввиду наличия больших вращающихся масс, с большой инерцией) и из-за силы трения такого немалого веса (да ещё и при воздействии мощных центробежных сил) — уменьшает ресурс двигателя в целом.

А что если предположить, что двигатель мог бы существовать без КШМ? Тогда он становится гораздо более компактным, увеличивается его срок службы, и упрощается производство!

Подобные двигатели существуют уже достаточно давно, и известны под названием линейных двигателей внутреннего сгорания. Наиболее очевидным применением подобного двигателя напрашивается использование его в качестве электрогенератора.

Однако, помимо подобного применения, эти двигатели широко используются, например, в качестве газогенераторов — когда выхлоп подобного двигателя используется для вращения турбин.

По ссылке вы сможете найти великое множество конфигураций подобных двигателей.

Два наиболее интересующих нас двигателя выглядит следующим образом:

С единственной камерой сгорания (неуравновешенный, сильная вибрация, хотя это можно купировать монтажом двигателя на тяжёлую платформу, когда у него просто не хватит сил сдвинуть эту платформу с места и, таким образом, вибрации будут погашены):

С уравновешенными поршнями используются две камеры сгорания:

И вот именно использование подобного типа двигателей — видится мне очень интересным, так как на его основе можно создать весьма компактный и мощный электрогенератор. Например, вот в этом исследовании, линейный генератор размером с батарейку AA — вырабатывал порядка 5 Вт.

Картинка Citeseerx

Исследователями был проведён его тест. В течение порядка 100 часов, когда он непрерывно работал,- отказов не наблюдалось, и он стабильно сохранял свою среднюю частоту работы в районе 115 Гц.

Как написано в отчёте, подобного типа двигатель:

• может работать с очень низким уровнем шума,
• используя широкий диапазон топлив (так как он дизельного типа — смесь взрывается от сжатия. В тестах использовалась пропан/бутановая смесь),
• обладает малым весом, но, несмотря на это, позволяет обеспечивать высокую плотность энергии,
• может работать вообще без смазки (видимо, подразумевается, что если будут использованы соответствующие материалы поршня и цилиндра),
• благодаря дизельному принципу, — максимальная эффективность и низкий уровень вредных выхлопов,
• низкий коэффициент трения и переменный коэффициент сжатия (видимо, подразумевается, что так как отсутствует жёсткая связь поршня с кривошипно-шатунным механизмом (его вообще нет), — поршень жмёт смесь до тех пор, пока она не взорвётся; что даёт возможность работать с различными видами топлив, т.е. — двигатель «всеядный»).

В конструкции, показанной в видео выше, использована пара трения из графитового поршня и стеклянного цилиндра.

Проектируем самодельный линейный двигатель!

Попробуем прикинуть, как мы могли бы собрать двигатель подобного типа? Как ни странно, это весьма легко!

Для этого всего лишь нужно использовать подходящую пару трения (поршень/цилиндр). В качестве которых могут легко выступить впускной или выпускной клапан любого легкового автомобиля, и чугунная втулка для этого же клапана:

Картинка Timeturbo

Картинка Rusautoopt

Почему так? Эта пара идеально подобрана инженерами для обеспечения многолетней и многочасовой работы, совершая в процессе миллионы циклов. Кроме того, таких пар трения по скромной цене полным-полно в магазинах (т.е., высокая ремонтопригодность и возможность собрать массив двигателей).

Кроме того, чугунная втулка внутри имеет спиральную канавку, которая может с лёгкостью выступить как лабиринтное уплотнение. Так как газы, пытаясь прорваться, завихряются в этой канавке — их скорость замедляется, что для высокоскоростного процесса (которым является отдельный рабочий цикл двигателя), равносильно полному перекрытию их от утекания, а также средства подачи смазки (собственно, в этой роли она и работает в двигателе автомобиля):

К слову сказать, подобный же принцип торможения газов с применением лабиринтного уплотнения используется и в головке газового поршня автомата Калашникова:

Картинка Livejournal Soldier-moskva

Я проверял: если с одной стороны зажать пальцем и даже потихоньку давить на шток клапана — зазор между штоком и клапаном практически не пропускает воздух. Если же резко ударить по тарелке клапана ладонью (имитируем процесс вспышки в цилиндре) — герметичность 100%-ная. А уж с малейшей смазкой (если, скажем, шток проходит сквозь ватку, смоченную маслом) — герметичность будет 101%.

Однако, мы ведь собираем этот двигатель не просто для того, «чтобы он был». Он должен совершать некую полезную работу. В нашем случае – для выработки электроэнергии.

Соответственно, необходимо установить на конце поршня некий электрогенератор. Наиболее целесообразным мне видится, изготовление электрогенератора следующего типа: когда массив кольцевых электромагнитов надет на обточенный шток поршня, и перемещается внутри катушки.

Кстати говоря, подобное устройство позволит выполнять две функции сразу: и роль электрогенератора и роль «магнитной пружины».

Дело тут вот в чём: после того как поршень был отброшен от верхней мёртвой точки и после возникновения вспышки — его необходимо каким-то образом вернуть обратно и сжать смесь.

Обычно в линейных двигателях для этих целей используется так называемая — «газовая пружина», которая представляет собой отдельный поршень, перемещающийся внутри цилиндра заполненного воздухом или газом определённого давления. Регулируя давление в этом цилиндре, мы можем регулировать ход основного поршня. Основной поршень и газовый поршень – представляют собой единое целое (как можно было видеть в анимированных картинках выше).

Так обычно это делается в «больших» линейных двигателях, в нашем же случае будет достаточно простого магнита, установленного тем же самым полюсом (кликабельно):

Подобное решение, кстати говоря, частенько используется для возврата сердечника у соленоидов.

С точки зрения физики, производимая работа обязательно должна привести к тепловыделению. Однако вопрос остаётся открытым и требует своего эксперимента…

Зачем это нужно вообще выяснять: так как у магнитов существует так называемая «точка Кюри», то есть температура, при которой они необратимо размагничиваются и сильный нагрев в процессе работы приведёт к выходу из строя электрогенератора.

Возвращаясь к тому маленькому электрогенератору, мощностью в 5 Вт, показанному ранее, следует сказать, что там, в качестве возвратного механизма используется обычная пружина, которая, однако, согнута из проволоки квадратного сечения. Это позволяет поршню перемещаться строго вертикально, без колебаний из стороны в сторону (как было бы в случае использования пружины, согнутой из проволоки круглого сечения).

Для упрощения конструкции, равно как и для увеличения мощности — двигатель лучше делать двухтактным. Но тут придётся малость покорпеть над газообменом: устроить всё так, чтобы новая порция смеси — вытесняла сгоревшие газы (эта процедура в двигателях обычно называется «продувка»). Схем продувки существует довольно много, но если не закапываться в дебри: главное, чтобы после того, как акт сгорания произошёл — цилиндр был максимально качественно (насколько это возможно в рамках той конструкции, на которой вы решите остановиться) очищен от продуктов сгорания и заполнен свежей смесью.

Итак, теперь, когда мы приняли решение по поводу того, что мы будем использовать в качестве пар трения, а также каким у нас будет возвратный механизм — именно на этом этапе мы можем применить технологии машинного обучения! Подобные технологии как раз и предназначены для осуществления (с высокой долей вероятности) прогнозов развития определённых событий и процессов. В нашем случае цель заключается в том, чтобы наш генератор постоянно работал с оптимальной эффективностью и не заглох в ненужный момент.

Благодаря этим технологиям, мы можем обучить нейросеть отслеживать постоянно ряд параметров работы двигателя, и, в отличие от обычных электрогенераторов, известных в быту, анализ функционирования будет происходить не как у них, «тупо и прямолинейно»: упали обороты — значит добавить газу (а то, что генератор вышел за пределы оптимального окна режима работы — за этим никто не следит, и он вполне может заглохнуть).

Вместо этого, в нашем случае отслеживание будет выглядеть следующим образом: «судя по динамике развития событий и показаниям ряда датчиков, ЗАРАНЕЕ ПРОГНОЗИРУЕТСЯ следующая кривая работы генератора».

Таким образом, интеллектуально «подруливая» генератором, когда та же самая катушка генератора может использоваться ещё и в качестве электродвигателя (упали обороты – «поддали газку» катушкой, т.е. — ускорили поршень), мы можем создать очень современное устройство (по технологиям).

Для этих целей вижу рациональным — использование подхода TinyML (машинное обучение на микроконтроллерах), — когда полноценная нейросеть запускается даже на маленьком чипе, вплоть до Attiny85, esp32.

Вкратце, в двух словах, как происходит работа: на микроконтроллер загружается библиотека с нейросетью, в процессе обучения корректируются коэффициенты между слоями нейросети, после чего она может уже полноценно предсказывать с высокой долей вероятности будущие события и их характеристики (скоро заглохнет или работает хорошо; что нужно, чтобы при заданном энергопотреблении — сохранить частоту работы поршня и т.д.).

Чтобы ознакомиться с применением нейросетей на базе esp32, вы можете пройти вот по этой ссылке, где собрано большое количество тщательно разобранных примеров.

Применение нейросетей для контроля двигателей внутреннего сгорания, в частности, линейных двигателей внутреннего сгорания, является весьма интересной инженерной задачей, примеров которой в мировой практике — мне не приходилось видеть (несмотря на довольно тщательные поиски). Так что вы вполне можете быть первыми в этой сфере!

Завершая свой рассказ, я надеюсь, что смог обзорно сформировать у вас понимание этой области, что позволит вам относиться к ней следующим образом: как нет раз и навсегда определённых авторитетов, так и нет идеальных «финальных» решений. Я специально не слишком углублялся в тонкости самодельного построения каждого типа двигателя, так как иначе статья увеличилась бы раз в 10 в размерах :-). Я полагаю, что если вас заинтересовала тема, вы можете для себя достаточно быстро выяснить все требующиеся моменты на профильных форумах и сайтах.

Вы вполне можете комбинировать рассмотренные в статье подходы, либо даже придумать какие-то свои, для достижения, на мой взгляд, главной цели — создания мощного и компактного источника энергии. Наиболее реализуемым для самодельщика мне видится — линейный двигатель внутреннего сгорания. Хотя, если вам было просто интересно почитать мою статью, и вы расширили свой кругозор, либо же задумали по итогам прочтения собрать свой собственный Ленуар — я тоже вполне буду доволен этим результатом.

Удачи вам в творчестве!

P.S. А чтобы вам легче думалось, — вот ссылка, с множеством реализованных линейных генераторов, по годам и кто сделал. Последний громкий проект — 2020 год. Может, ваш станет «проектом года 2022»? ;-). Ну и ещё раз — их главные преимущества.

Кстати, проект 2020 года — как раз разрабатывает подобные генераторы в качестве компактного источника питания для роботов, дронов, силовых экзоскелетов, гибридных мотоциклов и не только.

Как сделать простейший электродвигатель своими руками?

Многие радиолюбители всегда не прочь смастерить какой-нибудь декоративный прибор исключительно в демонстративных целях. Для этого используются простейшие схемы и подручные средства, особенно большим спросом пользуются подвижные механизмы, способные наглядно показать воздействие электрического тока. В качестве примера мы рассмотрим, как сделать простой электродвигатель в домашних условиях.

Что понадобится для простейшего электродвигателя?

Учтите, что изготовить рабочую электрическую машину, предназначенную для совершения какой либо полезной работы от вращения вала в домашних условиях довольно сложно. Поэтому мы рассмотрим простую модель, демонстрирующую принцип работы электрического двигателя. С его помощью вы можете продемонстрировать взаимодействие магнитных полей в обмотке якоря и статоре. Такая модель будет полезной в качестве наглядного пособия для школы или приятного и познавательного времяпрепровождения с детьми.

Для изготовления простейшего самодельного электродвигателя вам понадобится обычная пальчиковая батарейка, кусочек медной проволоки с лаковой изоляцией, кусочек постоянного магнита, по размерам не больше батарейки, пара скрепок. Из инструмента хватит кусачек или пассатижей, кусочка наждачной бумаги или другой абразивный инструмент, скотч.

Процесс изготовления электродвигателя состоит из таких этапов:

• Намотайте на пальчиковую батарейку от 10 до 15 витков медной проволоки – это и будет ротор мотора. Можно использовать не только батарейку, но и любое круглое основание.
• Снимите намотку с батарейки, постарайтесь не сильно нарушать диаметр витков. Зафиксируйте всю катушку двумя диаметрально противоположными витками, как показано на рисунке ниже. Рис. 1: зафиксируйте обмотку витками
• При помощи мелкого наждака зачистите концы якоря электродвигателя. Ваша задача – удалить слой изоляции, так как через эти концы будет осуществляться токосъем.
• При помощи пассатижей согните две скрепки таким образом, чтобы получились круглые петли посредине скрепки. В качестве основания для перегиба петли можно использовать любой твердый предмет, к примеру, спичку. Рис. 2: согните скрепку
• Зафиксируйте скотчем обе скрепки на выводах пальчиковой батарейки, важно добиться плотного прилегания. Если нужно, намотайте несколько слоев скотча.
• Поместите в петли концы ротора, он же будет выступать и валом электродвигателя. Зачищенные концы провода должны располагаться на скрепках. Рис. 3: поместите ротор в петли
• Зафиксируйте под катушкой на поверхности пальчиковой батарейки постоянный магнит.

Простой электродвигатель готов – достаточно толкнуть пальцем катушку и она начнет вращательное движение, которое будет продолжаться до тех пор, пока вы не остановите вал мотора или не сядет батарейка.

Рис. 4: запустите катушку

Если вращение не происходит, проверьте качество токосъема и состояние контактов, насколько свободно ходит вал в направляющих и расстояние от катушки до магнита. Чем меньше расстояние от магнита до катушки, тем лучше магнитное взаимодействие, поэтому улучшить работу электродвигателя можно за счет уменьшения длины стоек.

Одноцилиндровый электродвигатель

Если предыдущий вариант никакой полезной работы не выполнял в силу его конструктивных особенностей, то эта модель будет немного сложнее, зато найдет практическое применение у вас дома. Для изготовления вам понадобится одноразовый шприц на 20мл, медная проволока для намотки катушки (в данном примере используется диаметром 0,45мм­), проволока из меди большего диаметра для коленвала и шатуна (2,5 мм), постоянные магниты, деревянные планки для каркаса и конструктивных элементов, источник питания постоянного тока.

Из дополнительных инструментов понадобится клеевой пистолет, ножовка, канцелярский нож, пассатижи.

Процесс изготовления электродвигателя заключается в следующем:

• При помощи ножовки или канцелярского ножа обрежьте шприц, чтобы получить пластиковую трубку.
• Намотайте на пластиковую трубку тонкую медную проволоку и зафиксируйте ее концы клеем, это будет обмотка статора. Рис. 5: намотайте проволоку на шприц
• С толстой проволоки удалите изоляцию при помощи канцелярского ножа. Отрежьте два куска проволоки.
• Согните из этих кусков проволоки коленчатый вал и шатун для электродвигателя, как показано на рисунке ниже. Рис. 6: согните коленвал и шатун
• Наденьте кольцо шатуна на коленчатый вал, чтобы обеспечить его плотную фиксацию, можно надеть кусок изоляции под кольцо. Рис. 7: наденьте шатун на коленвал
• Из деревянных плашек изготовьте две стойки для вала, деревянное основание и ушко для неодимовых магнитов.
• Склейте неодимовые магниты вместе и приклейте к ним ушко при помощи клеевого пистолета.
• Зафиксируйте второе кольцо шатуна в ушке при помощи шплинта из медной проволоки. Рис. 8: зафиксируйте второе кольцо шатуна
• Вставьте вал в деревянные стойки и наденьте втулки для ограничения перемещения, сделайте их из кусочков родной изоляции провода.
• Приклейте статор с обмоткой, стойки с шатуном на деревянное основание, кроме дерева можете использовать и другой диэлектрический материал. Рис. 9: приклейте стойки и статор
• При помощи саморезов с плоской шляпкой зафиксируйте выводы на деревянном основании. Два контакта должны иметь достаточную длину, чтобы касаться вала электродвигателя – один выгнутой части, другой прямой. Рис. 10: точки касания вала
• Наденьте на вал с одной стороны маховик для стабилизации вращения, а с другой крыльчатку для вентилятора.
• Припаяйте один вывод обмотки электродвигателя к контакту колена, а второй к отдельному выводу. Рис. 11: припаяйте выводы обмотки
• Подключите электродвигатель к батарейке при помощи крокодилов.

Одноцилиндровый электродвигатель готов к эксплуатации – достаточно подключить питание к его выводам для работы и прокрутить маховик, если он находится в том положении, с которого сам стартовать не может.

Рис. 12: подключите питание

Чтобы прекратить вращение вентилятора, отключите электродвигатель посредством снятия крокодила хотя бы с одного из контактов.

Электродвигатель из пробки и спицы

Также представляет собой относительно простой вариант самоделки, для его изготовления вам понадобится пробка от шампанского, медная проволока в изоляции для намотки якоря, вязальная спица, медная проволока для изготовления контактов, изолента, деревянные заготовки, магниты, источник питания. Из инструментов вам пригодятся пассатижи, клеевой пистолет, мелкий натфиль, дрель, канцелярский нож.

Процесс изготовления электродвигателя будет состоять из таких этапов:

• Обрежьте края пробки, чтобы получить две плоских поверхности, на которых будет располагаться провод.
• Просверлите сквозное отверстие в пробке и проденьте в него спицу. С одной стороны намотайте изоленту. Рис. 13: вставьте спицу и намотайте изоленту
• В торце пробки вставьте два отрезка проволоки и приклейте их.
• Намотайте обмотку ротора из тонкой проволоки в одном направлении. Сделайте перемотку якоря изолентой, чтобы витки в электродвигателе не распустились во время работы.
• Зачистите надфилем концы обмотки электродвигателя и выводы на пробке и соедините их.

Для лучшего контакта можно припаять. Выводы следует согнуть так, чтобы они буквально лежали на спице.

• Сделайте деревянное основание, две опоры для вала и две стойки для магнитов. Высверлите в опорах отверстия под спицу.
• Приклейте опоры на основание и вставьте в них ротор электродвигателя. Зафиксируйте подвижный элемент ограничителями, наиболее просто сделать их из изоленты. Рис. 16: установите вал на стойки
• Из двух концов проволоки изготовьте щетки для электродвигателя и зафиксируйте их саморезами на основании. Рис. 17: щетки для электродвигателя
• На стойки приклейте два магнита и разместите их с двух сторон от ротора с минимальным зазором.

Наденьте крыльчатку вентилятора на вал и подключите к источнику питания – при протекании электрического тока по катушке произойдет магнитное взаимодействие с полем постоянных магнитов, благодаря чему и возникнет вращательное движение. Простейший электродвигатель готов, запитать его можно и от переменного тока в сети, но вместо батарейки вам придется использовать блок питания.