Jak działa silnik elektryczny? Sekrety wydajności i przyszłości napędów

Silnik elektryczny to prawdziwy cud inżynierii, który w niewidoczny sposób napędza większość urządzeń w naszym otoczeniu od prostego wentylatora, przez pralkę, aż po zaawansowane pojazdy elektryczne. Zrozumienie jego fundamentalnej zasady działania, czyli sposobu, w jaki energia elektryczna zamieniana jest w ruch, jest kluczowe do docenienia jego wszechobecności i znaczenia w nowoczesnym świecie.

Jak prąd wprawia świat w ruch?

Podstawowa zasada działania silnika elektrycznego jest zaskakująco prosta, choć opiera się na fascynującym zjawisku fizycznym. Wszystko zaczyna się od indukcji elektromagnetycznej. Wyobraźmy sobie przewodnik, na przykład kawałek drutu, przez który płynie prąd elektryczny. Jeśli umieścimy ten przewodnik w polu magnetycznym, zadziała na niego siła. To właśnie siła elektrodynamiczna, znana również jako siła Lorentza, jest kluczem do sukcesu. W silniku elektrycznym, dzięki odpowiedniemu ułożeniu przewodników (uzwojeń) i magnesów, ta siła nie tylko wprawia element w ruch, ale co najważniejsze powoduje jego ciągły ruch obrotowy. To właśnie ta zamiana energii elektrycznej na mechaniczną, czyli ruch, jest esencją pracy każdego silnika elektrycznego.

Z czego składa się serce napędu?

Każdy silnik elektryczny, niezależnie od jego typu czy przeznaczenia, składa się z dwóch głównych, współpracujących ze sobą części. Pierwszą z nich jest stojan, czyli stator. To nieruchoma część silnika, która stanowi jego obudowę i fundament. W stojanie znajdują się albo magnesy stałe, które generują stałe pole magnetyczne, albo uzwojenia (cewki), które po zasileniu prądem stają się elektromagnesami, również wytwarzającymi pole magnetyczne. Rola stojana jest kluczowa, ponieważ to on tworzy "scenę" dla interakcji magnetycznych, które ostatecznie prowadzą do ruchu.

Drugim, równie ważnym elementem jest wirnik, czyli rotor. Jak sama nazwa wskazuje, jest to ruchoma, obracająca się część silnika. Na wirniku również znajdują się uzwojenia lub magnesy, które wchodzą w interakcję z polem magnetycznym generowanym przez stojan. Kiedy prąd przepływa przez uzwojenia wirnika (lub gdy wirnik zawiera magnesy, które oddziałują z polem stojana), powstaje siła, która wprawia go w ruch obrotowy. To właśnie wirnik jest elementem, który dostarcza użyteczną energię mechaniczną, napędzając maszyny i urządzenia.

W przypadku silników prądu stałego (DC) pojawiają się dodatkowe, niezwykle ważne komponenty: komutator i szczotki. Komutator to mechaniczny przełącznik, który znajduje się na wirniku. Jego zadaniem jest cykliczna zmiana kierunku przepływu prądu w uzwojeniach wirnika w odpowiednim momencie. Dzięki temu, mimo że wirnik się obraca, kierunek siły działającej na jego uzwojenia jest zawsze taki, który podtrzymuje ruch obrotowy. Szczotki natomiast to elementy przewodzące, które stykają się z komutatorem i doprowadzają do niego prąd z zewnętrznego źródła. Bez tego duetu, silnik DC nie byłby w stanie utrzymać ciągłego, jednokierunkowego ruchu.

Czym różni się silnik na prąd stały od zmiennego?

Świat silników elektrycznych dzieli się zasadniczo na dwie główne kategorie: silniki prądu stałego (DC) i silniki prądu zmiennego (AC). Silniki prądu stałego (DC) charakteryzują się zazwyczaj prostszą budową, zwłaszcza w swoich podstawowych wersjach szczotkowych. Ich działanie opiera się na stałym polu magnetycznym stojana i zmieniającym się kierunku prądu w wirniku, co jest realizowane przez wspomniany już komutator i szczotki. Znajdziemy je w wielu małych urządzeniach gospodarstwa domowego, zabawkach, elektronarzędziach, a także w mechanizmach samochodowych, takich jak podnośniki szyb czy wycieraczki. Warto wspomnieć, że obok tradycyjnych silników szczotkowych, coraz popularniejsze stają się nowocześniejsze i trwalsze silniki bezszczotkowe (BLDC), które eliminują potrzebę stosowania szczotek, co znacznie zwiększa ich żywotność i efektywność.

Z kolei silniki prądu zmiennego (AC) są prawdziwymi "końmi roboczymi" przemysłu i fundamentem nowoczesnych pojazdów elektrycznych. Ich konstrukcja i zasada działania są nieco bardziej złożone niż w przypadku silników DC, ale oferują one wiele zalet, takich jak wyższa moc, lepsza wydajność i mniejsza potrzeba konserwacji (szczególnie w typach bezszczotkowych). Wśród silników AC wyróżniamy dwa główne typy: silniki synchroniczne, w których wirnik obraca się dokładnie z prędkością pola magnetycznego stojana, oraz silniki asynchroniczne (indukcyjne), gdzie wirnik obraca się z prędkością nieco mniejszą niż pole magnetyczne. Każdy z nich ma swoje specyficzne zastosowania i zalety, które decydują o ich wyborze w konkretnych aplikacjach.

Silnik elektryczny pod maską samochodu

W kontekście nowoczesnych samochodów elektrycznych, dyskusja o silnikach AC często sprowadza się do porównania dwóch głównych typów: silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PSM) i silników asynchronicznych (ASM). Silniki PSM są obecnie uważane za bardziej wydajne i kompaktowe, co czyni je popularnym wyborem w wielu modelach aut elektrycznych, takich jak na przykład Jaguar I-PACE. Ich wirnik obraca się dokładnie z prędkością pola magnetycznego stojana, co przekłada się na doskonałą efektywność. Silniki asynchroniczne, choć nieco mniej wydajne przy pełnym obciążeniu, są prostsze w budowie, niezawodne i tańsze w produkcji. Często stosuje się je tam, gdzie priorytetem jest koszt i trwałość, a także jako uzupełnienie PSM w układach napędowych, gdzie jeden z silników może być asynchroniczny, a drugi synchroniczny, optymalizując w ten sposób zużycie energii w różnych warunkach jazdy.

Kluczowym elementem w samochodzie elektrycznym, bez którego silnik AC nie mógłby działać, jest falownik, nazywany również inwerterem. Akumulator w samochodzie dostarcza prąd stały (DC), natomiast większość nowoczesnych silników elektrycznych w autach to silniki prądu zmiennego (AC). Falownik pełni rolę tłumacza i dyrygenta. Zamienia on prąd stały z baterii na prąd zmienny, który zasila silnik, a co najważniejsze precyzyjnie kontroluje jego parametry, takie jak częstotliwość i napięcie. Dzięki temu falownik jest w stanie regulować prędkość obrotową i moc silnika, dostosowując ją do aktualnych potrzeb kierowcy, od płynnego ruszania po dynamiczne przyspieszanie.

Jedną z najbardziej innowacyjnych i ekonomicznych cech samochodów elektrycznych jest rekuperacja energii. To zjawisko, w którym silnik elektryczny, zamiast tylko napędzać koła, potrafi również działać jako prądnica. Dzieje się tak podczas hamowania lub zwalniania (np. gdy zdejmujemy nogę z pedału przyspieszenia). Zamiast marnować energię kinetyczną pojazdu w postaci ciepła (jak w tradycyjnych hamulcach), silnik przekształca ją z powrotem na energię elektryczną. Ta odzyskana energia jest następnie magazynowana w akumulatorze, co znacząco zwiększa zasięg pojazdu i efektywność energetyczną. To genialne rozwiązanie, które pokazuje, jak inteligentnie można zarządzać energią w pojazdach elektrycznych.

Dlaczego silnik elektryczny deklasuje spalinowego rywala?

• Wysoka sprawność: To jeden z najważniejszych argumentów. Silniki elektryczne osiągają sprawność na poziomie ponad 90%, a nawet do 97%. Oznacza to, że zdecydowana większość energii pobranej z akumulatora jest zamieniana na użyteczny ruch, a tylko niewielka część jest tracona w postaci ciepła. Dla porównania, silniki spalinowe, mimo lat rozwoju, osiągają sprawność zaledwie 30-45%. Ta kolosalna różnica przekłada się na znacznie mniejsze zużycie energii i większą efektywność pojazdów elektrycznych.
• Natychmiastowy moment obrotowy: Każdy, kto miał okazję prowadzić samochód elektryczny, doskonale wie, o czym mówię. Maksymalny moment obrotowy w silniku elektrycznym jest dostępny od samego startu, czyli od zera obrotów. To właśnie dlatego samochody elektryczne oferują tak imponujące przyspieszenie i dynamikę jazdy, która potrafi zaskoczyć nawet doświadczonych kierowców. Nie ma tu potrzeby budowania obrotów, jak w silniku spalinowym moc jest dostępna od razu.
• Prostota konstrukcji: Kiedy spojrzymy na budowę silnika elektrycznego i porównamy ją z silnikiem spalinowym, różnica jest uderzająca. Silnik elektryczny ma znacznie mniej ruchomych części w zasadzie jeden główny element, czyli wirnik. Silnik spalinowy to setki skomplikowanych komponentów, takich jak tłoki, korbowody, wał korbowy, zawory, układ rozrządu, układ zapłonowy, układ paliwowy i wiele innych. Ta prostota konstrukcji silnika elektrycznego przekłada się na jego mniejszą awaryjność, dłuższą żywotność i znacznie niższe koszty serwisowania. Mniej elementów to mniej rzeczy, które mogą się zepsuć, co jest ogromną zaletą dla użytkownika.

Czy każdy silnik elektryczny jest taki sam?

W świecie silników elektrycznych, zwłaszcza tych mniejszych, często spotykamy się z rozróżnieniem na silniki szczotkowe i bezszczotkowe (BLDC). Główna różnica konstrukcyjna leży w sposobie doprowadzania prądu do wirnika. W silnikach szczotkowych, jak już wspomniałem, prąd jest dostarczany przez grafitowe szczotki, które ślizgają się po komutatorze. To rozwiązanie jest proste i tanie, ale szczotki ulegają zużyciu i wymagają wymiany, a tarcie generuje ciepło i iskrzenie. Z kolei silniki bezszczotkowe (BLDC) eliminują te problemy. W nich wirnik zazwyczaj zawiera magnesy stałe, a uzwojenia są umieszczone w stojanie. Sterowanie odbywa się elektronicznie, co eliminuje potrzebę stosowania szczotek i komutatora. Dzięki temu silniki BLDC są znacznie trwalsze, bardziej precyzyjne w sterowaniu, cichsze i wydajniejsze. Znajdują zastosowanie w dronach, modelarstwie, nowoczesnych elektronarzędziach, a także w wielu zaawansowanych urządzeniach, gdzie liczy się niezawodność i precyzja.

Patrząc w przyszłość napędów elektrycznych, widzę wyraźne trendy, które będą kształtować rozwój tej technologii. Dążenie do tworzenia lżejszych, mocniejszych i jeszcze bardziej wydajnych silników jest nieustanne. Inżynierowie intensywnie poszukują nowych materiałów, które pozwolą na osiągnięcie tych celów od zaawansowanych stopów metali po innowacyjne kompozyty. Coraz większą popularność zyskują wspomniane już silniki bezszczotkowe (BLDC), które dzięki swojej trwałości, precyzji sterowania i wysokiej sprawności stają się standardem w wielu zastosowaniach, od małej elektroniki po zaawansowane układy napędowe. Jestem przekonany, że w nadchodzących latach będziemy świadkami dalszych, przełomowych innowacji, które uczynią silniki elektryczne jeszcze bardziej wszechobecnymi i niezastąpionymi w naszym codziennym życiu.