Silnik elektryczny zamienia energię elektryczną na mechaniczną, wykorzystując oddziaływanie prądu i pola magnetycznego. Powstała siła wprawia wirnik w ruch względem nieruchomego stojana, a obrót wału może napędzać na przykład wentylator, mikser, pompę albo koła samochodu.
Na jakiej zasadzie działa silnik elektryczny?
Podstawą pracy silnika jest siła elektrodynamiczna, nazywana też siłą Ampère’a. Działa ona na przewodnik, przez który płynie prąd, gdy przewodnik znajduje się w polu magnetycznym. Kierunek tej siły zależy od kierunku przepływu prądu oraz ułożenia pola magnetycznego.
Można wyobrazić to sobie za pomocą dwóch magnesów. Ich przeciwne bieguny przyciągają się, a takie same odpychają. W silniku jedno pole pochodzi od magnesów trwałych lub elektromagnesów, a drugie powstaje dzięki prądowi płynącemu w uzwojeniach. Ich wzajemne oddziaływanie tworzy siłę, która nie tylko przesuwa element, lecz w odpowiednim układzie powoduje jego obrót.
Prąd płynący przez przewodnik wytwarza własne pole magnetyczne. Gdy przewodnik znajduje się w polu stojana, działające na niego siły tworzą moment obrotowy. To właśnie on wprawia wirnik w ruch.
Jak prąd zamienia się w ruch?
W uproszczeniu cały proces można przedstawić w kilku następujących po sobie etapach:
- Do uzwojeń silnika dopływa prąd elektryczny.
- Przepływ prądu w przewodnikach wytwarza pole magnetyczne.
- Pole to oddziałuje z polem magnetycznym stojana.
- Powstają siły elektrodynamiczne działające na uzwojenia wirnika.
- Siły tworzą moment obrotowy, który obraca wirnik i wał silnika.
Sam jednorazowy impuls nie wystarczyłby do zapewnienia ciągłego obrotu. Po wykonaniu części obrotu położenie uzwojeń się zmienia, dlatego trzeba także zmieniać kierunek działania pola lub prądu. W klasycznym silniku prądu stałego robi to komutator. W wielu nowoczesnych konstrukcjach tę funkcję przejmuje układ elektroniczny.
Z czego składa się silnik elektryczny?
Dokładna budowa zależy od typu napędu, ale podstawowe elementy mają podobne zadania:
- Stojan – nieruchoma część silnika. Znajdują się w nim magnesy trwałe albo uzwojenia elektromagnesów, które wytwarzają pole magnetyczne.
- Wirnik – ruchoma część osadzona na wale. Oddziałuje z polem stojana i przekazuje powstały moment obrotowy na napędzane urządzenie.
- Komutator – mechaniczny przełącznik stosowany w silnikach szczotkowych. Zmienia kierunek prądu w uzwojeniach wirnika, dzięki czemu obrót może trwać bez przerwy.
- Szczotki – elementy doprowadzające prąd do obracającego się komutatora. W silnikach bezszczotkowych nie występują, ponieważ przepływem prądu steruje elektronika.
Warto rozróżnić stojan i wirnik bez względu na konkretną konstrukcję. Stojan pozostaje nieruchomy, a wirnik obraca się w jego polu magnetycznym. W niektórych silnikach uzwojenia znajdują się na stojanie, a w innych część uzwojeń może znajdować się na wirniku. Nie zmienia to podstawowej zasady działania.
Silnik prądu stałego i przemiennego – czym się różnią?
Jednym z podstawowych kryteriów podziału jest rodzaj zasilania. Silniki DC korzystają z prądu stałego, na przykład z baterii lub akumulatora. Silniki AC są zasilane prądem przemiennym, powszechnie stosowanym w instalacjach elektrycznych i wielu urządzeniach przemysłowych.
| Typ silnika | Rodzaj zasilania | Główne zastosowanie |
|---|---|---|
| DC | Prąd stały, na przykład z baterii lub akumulatora | Urządzenia bateryjne, elektronarzędzia, małe napędy i elektronika |
| AC | Prąd przemienny z sieci lub przekształtnika | Urządzenia domowe, pompy, wentylatory i maszyny przemysłowe |
| Bezszczotkowy | Najczęściej prąd sterowany elektronicznie | Wentylatory, drony, napędy precyzyjne i nowoczesne pojazdy |
W samochodzie elektrycznym akumulator dostarcza zwykle prąd stały. Falownik, czyli inwerter, przekształca go w prąd przemienny sterowany tak, aby silnik mógł uzyskiwać wymagany moment obrotowy i prędkość. W ten sposób elektronika zastępuje klasyczny komutator i precyzyjnie reguluje pracę uzwojeń.
Wśród silników AC spotyka się między innymi konstrukcje asynchroniczne i synchroniczne. W silniku asynchronicznym wirnik obraca się z prędkością nieco inną niż wirujące pole magnetyczne. W silniku synchronicznym prędkości te są ze sobą zsynchronizowane. Dla ogólnej zasady działania najważniejsze pozostaje jednak to samo zjawisko: pole magnetyczne oddziałuje z prądem i wytwarza ruch.
Dlaczego silniki elektryczne są tak powszechne?
Ich dużą zaletą jest prosta zasada pracy i niewielka liczba elementów ruchomych. Silnik nie musi spalać paliwa, aby wytworzyć ruch, więc w miejscu użytkowania nie emituje spalin. Może pracować w urządzeniach domowych, maszynach przemysłowych, windach, pompach, pojazdach i wielu innych zastosowaniach.
Sprawność silników elektrycznych często przekracza 90%, choć dokładna wartość zależy od konstrukcji, obciążenia i warunków pracy. Silnik może też działać odwrotnie. Gdy zewnętrzna siła obraca jego wirnik, urządzenie zaczyna pracować jak generator. W samochodach elektrycznych wykorzystuje się to podczas hamowania, odzyskując część energii w procesie rekuperacji.
Najkrócej mówiąc, silnik elektryczny działa dlatego, że prąd w polu magnetycznym podlega działaniu siły. Odpowiednie sterowanie kierunkiem prądu sprawia, że siła ta stale podtrzymuje obrót wirnika, a energia elektryczna zostaje zamieniona na użyteczną pracę mechaniczną.
