Silniki elektryczne

Miedź jest doskonałym przewodnikiem elektryczności. To dlatego znajduje zastosowanie w tak wielu rozwiązaniach, także w silnikach elektrycznych. Silniki elektryczne używamy w domu, w ogrodzie i w pracy.

Gdzie używane są silniki elektryczne?

Windy i schody ruchome
Potężne silniki elektryczne napędzają miliony tych urządzeń na całym świecie, zobacz rysunek 1.

(Dzięki uprzejmości Otis)

Rysunek 1: znajdź silnik elektryczny u szczytu ruchomych schodów.

Samochody
1. Silnik rozrusznika uruchamia silnik spalinowy.
2. Inne silniki elektryczne poruszają wycieraczki, szyby i lusterka.

Pociągi
Pociąg elektryczny jest napędzany przez potężne silniki elektryczne. Pociągi dużych szybkości, jak Eurostar na rysunku 2, posiadają silniki elektryczne w każdym zestawie kołowym.

Miedziane uzwojenia i wirniki silników elektrycznych są siłą napędową globalnej rewolucji w transporcie w erze przechodzenia z silników spalinowych na napęd hybrydowy i czystą energię elektryczną. Miedziane uzwojenia generatorów wytwarzających energię elektryczną i silników elektrycznych umożliwiają elektryfikację świata.

(Dzięki uprzejmości firmy Siemens)

Rysunek 2: Silniki indukcyjne z miedzianymi uzwojeniami napędzają pociąg Velaro Eurostar, który w dwie godziny pokonuje trasę z Londynu do Paryża.

(Dzięki uprzejmości firmy Siemens)

Rysunek 3: Elektryczny hybrydowego napędu samolotu.

Silnik elektryczny dostarcza dużą moc podczas startu i krótkich lotów bez użycia paliwa. Silnik benzynowy jest używany na dłuższych trasach oraz napędza generator dla celów zasilania rezerwowego i wydłużenia zasięgu. Miedziane kable doprowadzają pąd o dużym natężeniu do silnika elektrycznego.

(Dzięki uprzejmości firmy Siemens)

Rysunek 4: Inżynierowie prowadzą obecnie badania nad zastosowanie napędu hybrydowego w samolotach mieszczących 50 pasażerów.

(Dzięki uprzejmości firmy Tesla)

Rysunek 5: Silniki elektryczne mają zwartą budowę, są lekkie i odznaczają się dużą mocą. Ten układ z dwoma silnikami elektrycznymi pochodzi z samochodu Tesla.

Co znajduje się wewnątrz silnika elektrycznego?

Uzwojenie wirnika
Uzwojenie jest wykonane z drutu miedzianego, ponieważ miedź jest doskonałym przewodnikiem elektryczności. Uzwojenie jest nawinięte na tworniku i gdy prąd przepływa przez uzwojenie, staje się ono elektromagnesem.

Twornik
Twornik jest rdzeniem dla uzwojenia i powoduje, że elektromagnes jest silniejszy. Dzięki temu silnik ma większą sprawność.

Magnesy trwałe
W silniku są dwa magnesy trwałe. Wytwarzają one stałe pole magnetyczne, co powoduje, że cewka będzie wirować, gdy popłynie przez nią prąd.

Niektóre silniki, zamiast stałych magnesów posiadają elektromagnesy (Rysunek 9). Są one wykonane w postaci uzwojeń z drutu miedzianego.

Komutator
Każdy koniec uzwojenia jest przyłączony do dwóch połówek komutatora. Komutator przełącza styki co pół obrotu. Wirnik na rysunku 8 posiada dwie cewki, potrzebne są więc cztery segmenty komutatora.

Szczotki:
Szczotki są dociskane do komutatora. Utrzymują one połączenie z komutatorem pomimo jego wirowania. Prąd dopływa do silnika i wypływa z silnika przez szczotki. W rzeczywistych silnikach szczotki są wykonane z węgla.

Stalowe jarzmo
Jarzmo wykonane z materiału ferromagnetycznego łączy ze sobą dwa magnesy stałe, tworząc w ten sposób magnes podkowiasty.

Rysunek 6: Części modelu silnika prądu stałego. Silniki prądu stałego, zasilane z niskonapięciowej baterii,  są stosowane w zabawkach z napędem elektrycznym. Silnik taki można łatwo rozebrać. Możesz zobaczyć, że posiada on wiele cewek i dostosowany do tego, wielostykowy komutator.

Rysunek 7: Prosty dwubiegunowy (jeden biegun N i jeden S) silnik prądu stałego

Dlaczego silnik się obraca?

Strona poświęcona elektromagnesom opisuje w jaki sposób cewka staje się magnesem gdy przepływa przez nią prąd elektryczny. Cewka silnika elektrycznego nawinięta na tworniku staje się elektromagnesem, ale elektromagnes ten znajduje się w polu magnetycznym magnesu trwałego. Pola te oddziałują wzajemnie ze sobą, tak jak dwa magnesy sztabkowe. Rezultatem jest przyciąganie lub odpychanie, zależnie od kierunku prądu Prąd płynie w jednym kierunku w prawym boku cewki, a w lewym boku w kierunku przeciwnym.

Siła działająca na przewód jest prostopadła do kierunku pola magnetycznego oraz jest skierowana prostopadle do kierunku przepływu prądu. Efekt ten jest nazywany siłą elektrodynamiczną. Posługując się regułą Fleminga lewej dłoni możesz przewidzieć kierunek siły działającej na przewód w polu magnetycznym, ustawiając palce lewej dłoni wzajemnie pod kątem prostym. W przypadku silników użyj prawej dłoni.

Prześledź to na rysunku 7. Przy zamkniętym wyłączniku prąd płynie zgodnie z kierunkiem zielonej strzałki i wywołuje siłę skierowaną w górę. Spróbuj ustawić lewą dłoń w położeniu zgodnym z rysunkiem. Ponieważ po drugiej stronie prąd płynie w przeciwnym kierunku, wywołuje on siłę skierowaną w dół. Zmień pozycję dłoni, tak aby dostosować ją do tego kierunku. Współdziałanie tych dwóch sił powoduje obrót cewki.

Silnik może tak działać tylko przez połowę obrotu. Pierścieniowy łącznik złożony z oddzielnych segmentów, zwany komutatorem, przełącza styki umożliwiając rozpoczęcie następnego półobrotu. Przełączenie powtarza się w każdym półobrocie, dzięki czemu silnik może wirować.

W ten sposób działa silnik prądu stałego. Silniki prądu przemiennego są bardziej skomplikowane, ale ich działanie także zgodne z regułą Fleminga.

(Wikimedia)

Rysunek 8: Wirnik silnika prądu stałego z cewkami uzwojenia i komutatorem. Większa liczba cewek i działek komutatora zapewnia większą równomierność ruchu obrotowego.

(Dzięki uprzejmości PelletierPhysics)

Rysunek 9: Istnieją animacje ukazujące online działanie siły elektrodynamicznej. Poszukaj animacji ukazującej działanie siły elektrodynamicznej i działania silnika prądu stałego. Obserwuj wideo na YouTube i sprawdź regułę Fleminga lewej dłoni na tym rysunku. Czy działa?

(Dzięki uprzejmości AVL)

Rysunek 10: Widok rozebranego zespołu typowego silnika napędu hybrydowego (grafika komputerowa i rzeczywisty obiekt). Uzwojenie stojana są ciasno nawinięte miedzianym drutem w celu wytworzenia silnego pola magnetycznego.

(Dzięki uprzejmości firmy Siemens)

Rysunek 11: Silnik elektryczny i akumulatory zastępują silnik spalinowy w samochodzie osobowym marki Porsche.

Wykres Sankeya przepływu energii

Do silnika elektrycznego dostarczamy energię elektryczną. Wydajny silnik przekazuje większość tej energii w postaci energii kinetycznej (pracy użytecznej). Tylko mały ułamek dostarczonej energii jest tracony w postaci ciepła nagrzewającego otoczenie. Możemy zobrazować to za pomocą wykresu Sankeya (Rysunek 12). Szerokość strzałek reprezentuje ilość każdego rodzaju energii, powstałej w wyniku przetworzenia energii elektrycznej.

Straty energii występują gdy prąd przepływa przez uzwojenia silnika. Uzwojenia są nawinięte drutem i posiadają rezystancję; im większa rezystancja, tym przepływ prądu jest bardziej utrudniony i więcej energii jest traconej w postaci ciepła.

Miedź jest metalem, który szczególnie dobrze nadaje się na uzwojenia silników, ponieważ:

  • jej rezystancja jest mniejszą niż prawie wszystkich innych metali
  • z miedzi łatwo można formować uzwojenia
  • jej cena nie jest zbyt wysoka
  • wytrzymuje wysokie temperatury
  • może być łatwo powtórnie przetworzona po wycofaniu silnika z eksploatacji.

Rysunek 12: wykres Sankeya przepływów energii

Pytania

1. Porównaj silniki na rysunkach 7 i 10. Prosty model ma dwa bieguny. Ile biegunów ma silnik zastosowany w napędzie hybrydowym?

2. Jakie są zalety elektrycznego napędu dla samolotu z rysunku 3?

3. Jakiego rodzaju energią powinny być ładowane akumulatory samochodu elektrycznego, aby jego emisja CO2 była zerowa?

Czy wiedziałeś, że:
Zawartość miedzi w zainstalowanych turbinach wynosi 2.5–6.4 ton na megawat, w tym:

Generator: 0,7–4,0 ton miedzi
Okablowanie: 0,7–1,0 ton miedzi
Transformatory: 0,7–1,4 ton miedzi.

Odpowiedzi

1. Porównaj silniki na rysunkach 7 i 10. Prosty model ma dwa bieguny. Ile biegunów ma silnik zastosowany w napędzie hybrydowym?
Silnik napędu hybrydowego ma 18 biegunów.

2. Jakie są zalety elektrycznego napędu dla samolotu z rysunku 3?
Jest ich wiele, w tym mniejsze obciążenie paliwem, mniejsze i lżejsze silniki, cichsza praca silników i niższy koszt.

3. Jakiego rodzaju energią powinny być ładowane akumulatory samochodu elektrycznego, aby jego emisja CO2 była zerowa?
Energia elektryczna powinna pochodzić ze źródeł odnawialnych, takich jak elektrownie wodne lub wiatrowe.