W związku z rozwojem zasilanych bateryjnie samochodów elektrycznych, skokowo wzrósł również wolumen ich produkcji. Szczególnego rozwoju nie doświadcza jednak konstrukcja silnika, która od wielu lat pozostaje w ogólnych zarysach niezmieniona. Co prawda, od czasu do czasu spotykamy się z jakimiś innowacjami, ale istota konstrukcji nie ulega zasadniczym zmianom.

W dzisiejszym artykule przedstawimy bardziej szczegółowo urządzenia, które są odpowiedzialne za ruch pojazdów elektrycznych.

Silniki elektryczne – rys historyczny

Przodków silnika elektrycznego należy upatrywać w prostych urządzeniach elektrostatycznych wykorzystywanych w eksperymentach przez Benjamina Franklina i Andrew Gordona w latach czterdziestych XVII w.

Ponieważ wynalazcy ci mieli jedynie podstawowe pojęcie na temat działania elektryczności, nie mogli zbyt wiele zrobić z tymi maszynami. Pierwszego kompleksowego opracowania tematyki elektryczności dokonał dopiero w 1771 r. angielski chemik i fizyk Henry Cavendish, słynny wynalazca, członek Royal Society, który odkrył również wodór i wyznaczył stałą grawitacji. To on odkrył reguły, które następnie nazwano prawami Coulomba, Cavendish bowiem w porę nie opublikował swoich prac i został wyprzedzony przez francuskiego kolegę.

W dzienniku Philosophical Transactions opublikował jednak swój wcześniejszy model, zgodnie z którym elektryczność miała być pewnego rodzaju cieczą. Praca ta została całkowicie zignorowana przez współczesny świat naukowy, więc mimo prowadzenia dalszych badań naukowiec zaprzestał dalszych publikacji w tym zakresie.

Zasady działania elektryczności zostały po raz pierwszy opublikowane 14 lat później, w 1785 r., a należny mir przypadł w udziale Charlesowi-Augustinowi de Coulomb.

Nie wystarczyło to jednak do stworzenia silników elektrycznych. Bateria elektrochemiczna Alessandra Volty z 1799 r. umożliwiła generowanie stałego prądu, a w 1820 r. pojawiło się odkrycie Hansa Christiana Ørsteda, który twierdził, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne oddziałujące na magnes. Kilka tygodni później André-Marie Ampère opracował definicję oddziaływania elektromagnetycznego i przedstawił prawo siły Ampère’a.

Mając to wszystko na uwadze, w 1821 r. Michael Faraday zilustrował mechanizm działania z ruchem obrotowym. Oprócz publikacji, Faraday wysłał również modele urządzenia w małej skali do swoich kolegów, aby nowość mogła rozprzestrzenić się tak szybko, jak to możliwe.

Prawdziwy, w pełni funkcjonalny silnik elektryczny zawdzięczamy węgierskiemu fizykowi i wynalazcy, Ányosowi Jedlikowi. W 1827 r. rozpoczął on eksperymenty z cewkami elektromagnetycznymi. Dzięki wynalezieniu komutatora wyeliminował początkowe problemy techniczne związane z ciągłą rotacją – nazwał te wczesne urządzenia „elektromagnetycznymi samonapędzającymi się wirnikami”.

W 1828 r. zaprezentował on pierwsze urządzenie, które zawierało już trzy główne elementy silnika elektrycznego prądu stałego, jakie znamy dzisiaj: stojan, wirnik i komutator. Urządzenie to nie posiada magnesu trwałego, ponieważ pole magnetyczne zarówno nieruchomych, jak i obracających się części jest wytwarzane przez prąd przepływający przez ich cewki.

Klasyfikacja, struktura ogólna

Klasyfikacja silników elektrycznych może być bardzo zróżnicowana. Jednym z najłatwiejszych sposobów ich rozróżnienia jest rodzaj ruchu, jaki wywołują podczas pracy. Zgodnie z tą zasadą istnieją silniki, które wytwarzają ruch liniowy i obrotowy. Można stwierdzić, że – w zasadzie – wszystkie typy silników mogą być zaprojektowane zarówno do wytwarzania ruchu liniowego, jak i obrotowego, jest to zazwyczaj tylko kwestia konstrukcji.

Klasyfikacji można również dokonać na podstawie medium przenoszącego energię silników elektrycznych. Medium tym może być powierzchnia cierna, pole elektryczne lub pole elektromagnetyczne. Dlatego rozróżniamy silniki piezoelektryczne i ultradźwiękowe, elektrostatyczne i klasyczne silniki elektryczne.

W XX w. silnik elektryczny był nadal identyczny z silnikiem elektromagnetycznym, ponieważ elektrostatyczna zasada działania nie mogła być skutecznie stosowana na ówczesnym poziomie technologicznym – urządzenie to było używane bardziej jako narzędzie niż jako konwerter energii.

W ostatnich latach jednak i ten obszar wszedł w fazę rozwoju; obecnie istnieje eksperymentalny silnik elektrostatyczny o mocy 100 kW, którego waga jest znacznie mniejsza niż jego elektromagnetycznych odpowiedników o tej samej mocy.

Silniki piezoelektryczne lub ultradźwiękowe podbijają niektóre nisze, takie jak poruszanie elementami optycznymi kamer.

Silniki pojazdów drogowych to najczęściej elektromagnetyczne silniki rotacyjne. Wśród nich wyróżniamy osiowe i promieniowe ścieżki strumienia – te drugie są bardziej powszechne.

Przemysł motoryzacyjny preferuje jedno- i trójfazowe silniki prądu zmiennego odmiany promieniowej – zarówno w wersji synchronicznej jak i asynchronicznej. Oprócz tego dostępne są silniki prądu stałego ze wzbudzeniem szeregowym, równoległym i mieszanym, silniki bezszczotkowe prądu stałego i zmiennego oraz silniki krokowe, ale to wciąż tylko garstka podstawowych wersji.

Trudno jest podać ogólny opis części silnika elektrycznego, ponieważ są one bardzo zróżnicowane pod względem budowy, dlatego ograniczamy się do podsumowania rozwiązań stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym.

Elektromagnetyczne silniki chwytakowe charakteryzują się tym, że składają się z części stacjonarnej i obrotowej. Ta ostatnia jest odpowiedzialna za przekazywanie energii wytwarzanej przez silnik, która jest wywierana przez pole magnetyczne stojana.

Sam obrót może być realizowany dzięki szczelinie powietrznej między stojanem a wirnikiem. Rozmiar szczeliny powietrznej ma decydujący wpływ na parametry elektryczne silnika. Wraz z jej wzrostem spada wydajność silnika, dlatego podczas projektowania należy dobrać jak najmniejszy rozmiar. Zadanie to nie jest łatwe, ponieważ zbyt mała szczelina powietrzna może generować silny hałas i niepożądany kontakt mechaniczny wewnątrz silnika, co może prowadzić do szybkiego zniszczenia silnika.

Stojan otacza wirnik. Zawiera on elektromagnesy lub magnesy trwałe składające się z drutów wokół ferromagnetycznego żelaznego rdzenia, które wytwarzają pole magnetyczne wokół wirnika – dzięki temu powstaje obrót.

Komutator jest odpowiedzialny za eliminację problemów elektrycznych wynikających z ruchu obrotowego. Jest to zasadniczo przełącznik elektryczny, który dostarcza prąd do wirnika i odwraca kierunek prądu w cewkach wirnika podczas ich obrotu.

Ruch obrotowy jest naturalnie wspomagany, ponieważ obrót może być bardzo szybki w zależności od zastosowania. Pozwala to wirnikowi obracać się wokół własnej osi. Łożysko zazwyczaj pochłania zarówno siły osiowe, jak i promieniowe.