W pierwszej części serii artykułów omówiona została historii silników elektrycznych, wymieniono ich główne typy i przedstawione zostały najważniejsze komponenty. Druga część traktowała o trójfazowym silniku asynchronicznym. Jak już wspomniano, producenci nie są zgodni co do tego, który typ silnika elektrycznego jest najbardziej odpowiedni. Poniższy artykuł przedstawia cechy największego konkurenta trójfazowej wersji asynchronicznej – silnik synchroniczny.

Czym jest elektryczny silnik synchroniczny?

Silnik synchroniczny jest podstawowym typem maszyny elektrycznej, która przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną, jednocześnie konwertując energię mechaniczną w energię elektryczną (w trybie pracy generatora). Jego wirnik jest wzbudzany przez uzwojenia zasilane prądem stałym lub magnesy trwałe, a stojan posiada wielofazowe uzwojenie prądu przemiennego. Ten typ silnika pierwotnie stosowany był w sektorze energetycznym jako generator, ale w ostatnich czasach stał się również popularny jako element serwonapędów i w motoryzacji. Zazwyczaj nazywany jest silnikiem synchronicznym lub generatorem synchronicznym w zależności od zastosowania. Pole magnetyczne wirników jest wytwarzane przez elektromagnesy lub magnesy trwałe. Na tej podstawie możemy mówić o silniku synchronicznym wzbudzanym prądem stałym lub z magnesami trwałymi. W pierwszym przypadku na wirniku znajdują się cewki, przez które przepływa prąd stały. Prąd wzbudzenia jest doprowadzany do wirnika maszyny za pomocą pierścienia ślizgowego ze szczotkami. Szczotki są częściami eksploatacyjnymi, które podlegają okresowej wymianie, więc maszyna wymaga okresowej konserwacji.
W przypadku rozwiązania z magnesem trwałym, magnesy te są zazwyczaj wykonane ze stopu aluminium, niklu i kobaltu (AlNiCo) lub neodymu (NdFeB). W przypadku magnesu stałego nie jest konieczne doprowadzanie prądu do wirnika, nie jest również wymagana wzbudnica. Wadą jest jednak to, że wzbudzenie wirnika nie może być modyfikowane. Ogólnie rzecz biorąc, ten typ jest używany tam, gdzie konserwacja silnika nie jest konieczna. Dzięki niewielkim rozmiarom jednostkę tę można zainstalować w wielu miejscach.

Kształt pola magnetycznego

Zgodnie z kształtem funkcji rozkładu wzdłuż obwodu indukcji magnetycznej, silnik synchroniczny może mieć pole kwadratowe lub sinusoidalne. Rozkład indukcji maszyn o polu kwadratowym zmienia się zgodnie z funkcją kwadratową, jej dodatni półokres reprezentuje biegun północny, a ujemny półokres biegun południowy. Ponieważ istnieje korelacja między rozkładem indukcji a funkcją czasową indukowanego napięcia, maszyny synchroniczne o polu kwadratowym nie są przeznaczone do wytwarzania energii elektrycznej. Jeśli rozkład indukcji jest sinusoidalny, wówczas funkcja czasu napięcia indukowanego w uzwojeniach stojana maszyny będzie również sinusoidalna. W związku z tym wytwarzane napięcie będzie sinusoidalne w ten sam sposób, idealnie pasując do profilu wyjściowego generatorów elektrowni. Silniki synchroniczne tego typu muszą być zasilane sinusoidalnym prądem przemiennym, aby zapewnić moment obrotowy bez pulsacji.

Jak działa silnik synchroniczny?

Najbardziej oczywistą różnicą między silnikami synchronicznymi i asynchronicznymi są warunki ich pracy. Podczas gdy podstawowym warunkiem przenoszenia momentu obrotowego w maszynach asynchronicznych jest to, że pole stojana i wirnik nie mogą obracać się z tą samą prędkością, w przypadku wersji synchronicznej można rozważyć tylko wspólny obrót z tą samą prędkością. W przypadku maszyn synchronicznych, wielofazowe, symetryczne, stale obracające się pole stojana jest tworzone przez zasilanie stojana – jego prędkość nazywana jest prędkością synchroniczną. Prędkość ta jest taka sama jak prędkość wirnika maszyny synchronicznej względem stojana w spoczynku.
Sama współbieżność występuje tylko wtedy, gdy wirnik maszyny obraca się z prędkością synchroniczną. Ogólnie można zatem powiedzieć, że maszyna synchroniczna może działać tylko przy określonej prędkości, a mianowicie prędkości synchronicznej. Współbieżny obrót to jednak nie wszystko. Istnieje kąt fazowy między polem magnetycznym generowanym przez stojan i wirnik, co oznacza, że wirnik obraca się z pewnym opóźnieniem fazowym w stosunku do pola. Wielkość kąta fazowego jest proporcjonalna do dostarczanego momentu obrotowego maszyny. Jeśli kąt fazowy wynosi zero, tj. nie ma różnicy między wirującym polem magnetycznym a wirnikiem, wówczas moment obrotowy wytwarzany przez maszynę również wynosi zero. Kąt fazowy ze znakiem ujemnym oznacza pracę generatora, tj. w tym przypadku maszyna pochłania moment obrotowy na swojej osi i dostarcza prąd.

Samochody z elektrycznymi silnikami synchronicznymi

Popularność silników synchronicznych z magnesami trwałymi w przemyśle motoryzacyjnym była możliwa przede wszystkim dzięki zapotrzebowaniu na lepszą wydajność i rozpowszechnieniu niezwykle silnych magnesów wykonanych z metali ziem rzadkich.
Niezwykłą zaletą takich silników jest to, że zwiększenie liczby biegunów w ogóle nie pogarsza współczynnika mocy, ani sprawności silnika (która nawiasem mówiąc wynosi ponad 94%), a tego samego nie można powiedzieć o silnikach asynchronicznych. Waga silnika jest mniejsza. Zapewnia on wysoki moment obrotowy nawet przy niskich obrotach, a jego sprawność pozostaje doskonała. Przy zwiększeniu liczby biegunów można zastosować mniejsze i lżejsze magnesy, a jeśli nie zależy nam na wysokim momencie obrotowym, również żelazny korpus może być cieńszy.

W praktyce zwiększenie liczby biegunów skutkuje niższą prędkością i wyższym momentem obrotowym, co umożliwia rezygnację z przekładni mechanicznych w wielu zastosowaniach przemysłowych. Jest to jednak również wada z punktu widzenia pojazdów: silnik musi być w stanie pracować bez biegów lub z jednym stałym biegiem, w bardzo szerokim zakresie prędkości. Aby temu zaradzić, silnik synchroniczny zostaje wyposażony w przełączalne przekładnie mechaniczne, albo stosuje się tzw. osłabienie pola. To ostatnie polega na zrównoważeniu wzbudzenia magnesów przy pomocy przeciwnej składowej prądu. Obecnie silnik synchroniczny można znaleźć w pojazdach takich jak Volkswagen e-up!, BMW i3, Porsche Taycan czy Nissan Leaf. Jednak wykorzystanie metali ziem rzadkich nie przewiduje długoterminowego sukcesu tego typu maszyny, a producenci pracują nad jak najszybszym znalezieniem rozwiązania ze względu na zależność od zasobów mineralnych.