Silnik elektryczny przekształca energię elektryczną na mechaniczną w wyniku oddziaływania pól magnetycznych. Dzięki tej właściwości znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, motoryzacji, AGD i wielu innych dziedzinach. Zrozumienie działania takiego urządzenia wymaga poznania jego podstawowych elementów oraz zasad fizycznych, jakim podlega. W kolejnych rozdziałach zostaną omówione kluczowe zagadnienia związane z budową, działaniem i przyszłością technologii silników elektrycznych.
Podstawy działania silnika elektrycznego
Źródła siły napędowej
Podstawą pracy silnika elektrycznego jest zjawisko siły elektrodynamicznej, wynikające z oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem. Główne pojęcia to:
- strumień magnetyczny – wielkość opisująca intensywność pola magnetycznego;
- prąd – przepływ ładunków elektrycznych w obwodzie;
- moment obrotowy – siła wywołująca ruch obrotowy.
Pole magnetyczne
Kiedy przez cewkę płynie prąd, wokół niej powstaje pole magnetyczne. Jego kształt i kierunek zależą od natężenia prądu oraz liczby zwojów cewki. W silniku pole wytwarzane jest przez:
- uzwojenie stojana lub magnesy;
- uzwojenie wirnika (w niektórych typach silników).
Siła elektrodynamiczna
Zgodnie z zasadą siły Laplace’a, na przewodnik o długości L, przez który płynie prąd I w polu o indukcji B, działa siła F = B · I · L. To oddziaływanie jest źródłem momentu obrotowego, który wprawia wirnik w ruch.
Elementy konstrukcyjne
- Stojan – nieruchoma część silnika, w której umieszczono uzwojenia lub magnesy trwałe;
- Wirnik – obracająca się część, na której wytwarzany jest moment obrotowy;
- Szczotki i komutator (w silnikach DC) – umożliwiają przekazywanie prądu do wirnika;
- Łożyska – zapewniają płynny ruch obrotowy.
Rodzaje i budowa silników elektrycznych
Klasyfikacja według rodzaju prądu
Silniki elektryczne dzielą się na podstawie zasilania na:
- silniki prądu stałego (DC);
- silniki prądu przemiennego (AC).
Silniki prądu stałego
W silnikach DC prąd płynie zawsze w tym samym kierunku. Ich zalety i wady:
- łatwe sterowanie prędkością i momentem obrotowym;
- komutator i szczotki wymagają regularnej konserwacji;
- stosunkowo duża sprawność przy niewielkich mocach.
Silniki prądu przemiennego
Wyróżniamy dwa główne typy silników AC:
- Silniki asynchroniczne (indukcyjne) – wirnik napędzany jest poprzez indukowane w nim prądy wirowe;
- Silniki synchroniczne – wirnik obraca się z prędkością ściśle związaną z częstotliwością zasilania.
Do ich sterowania często wykorzystuje się inwerter, który przetwarza prąd stały na prąd o regulowanej częstotliwości i napięciu.
Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne
- silniki z magnesami trwałymi – charakteryzują się wysoką efektywnością i małymi wymiarami;
- silniki bezszczotkowe (BLDC) – eliminują usterkowe szczotki, co zwiększa niezawodność;
- silniki reluktancyjne – wykorzystują zmienną reluktancję magnetyczną dla wytworzenia momentu.
Zastosowania i perspektywy rozwoju
Przemysł i automatyka
Silniki elektryczne napędzają linie produkcyjne, pompy, wentylatory i roboty przemysłowe. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu możliwe jest osiągnięcie wysokiej powtarzalności i dynamiki ruchu.
Zastosowania w motoryzacji
Pojazdy elektryczne, hybrydowe i napędy trakcyjne bazują na silnikach o wysokiej gęstości mocy. Najczęściej stosowane są:
- silniki synchroniczne z magnesami trwałymi;
- silniki asynchroniczne o zoptymalizowanych pod kątem strat rdzenia.
Rozwój technologii i wyzwania
- optymalizacja materiałów magnetycznych dla zwiększenia efektywności i redukcji masy;
- zaawansowane systemy zarządzania termicznego, poprawiające trwałość;
- rozwój układów mocy i inwerterów o wyższej gęstości energii;
- integracja z technologiami Internetu Rzeczy (IoT) dla predykcyjnego utrzymania ruchu;
- ekologiczne aspekty recyklingu materiałów i odzysku energii podczas hamowania.
Perspektywy przyszłości
Rosnące wymagania dotyczące generowania energii oraz potrzeba ograniczenia emisji spalin napędzają dalszy rozwój napędów elektrycznych. W najbliższych latach możemy oczekiwać:
- wzrostu udziału silników o bardzo wysokiej gęstości mocy w motoryzacji;
- upowszechnienia mikrosilników w urządzeniach przenośnych i medycznych;
- rozwinięcia technologii półprzewodnikowych (np. SiC, GaN) w układach napędowych.
