Samochody elektryczne zajmują już nie tylko szumne miejsce w mediach, ale coraz częściej widujemy je na ulicach. Jasne, następcy samochodów spalinowych szczególnie licznie pojawiają się na trasach zagranicznych, ale i w Polsce powoli przestają zaskakiwać. Wraz z upowszechnieniem i oswojeniem podobnej technologii zaczynają się pojawiać coraz bardziej dociekliwe pytania na jej temat. Jednym z najpopularniejszych jest: jak działa samochód elektryczny. W tym artykule postaramy się to wyjaśnić w możliwie nieskomplikowanych słowach.
Jak działa samochód elektryczny?
Zasada działania samochodów elektrycznych nie jest skomplikowana. Najbardziej ogólnie to opisując: zmagazynowana w akumulatorach energia przekazywana jest do silnika elektrycznego, który napędza koła samochodu. Może to robić bezpośrednio lub pośrednio – przez zespół przekładni mechanicznych. Ze względu na specyfikę tego rozwiązania samochody elektryczne nie posiadają sprzęgła, a moment obrotowy osiągają od zerowej prędkości obrotowej.
Jak działa silnik elektryczny?
Kto po raz pierwszy wsiądzie do samochodu elektrycznego, ten z pewnością zdziwi się, jak dynamiczne są do pojazdy. Wszystko dzięki wspomnianemu momentowi obrotowemu silnika dostępnemu już od zerowej prędkości obrotowej. Wystarczy nacisnąć pedał gazu, by samochód elektryczny wcisnął kierowcę i pasażerów w fotel. Naprawdę trudno nie docenić przyjemności płynącej z podobnej dynamiki.
W klasycznym silniku spalinowym moment obrotowy bierze się ze spalania mieszanki paliwa i powietrza w cylindrze. W silniku elektrycznym to efekt oddziaływania pól magnetycznych wytworzonych przez stojan i wirnik. Przez wirnik przepływa prąd, dzięki czemu powstaje wokół niego pole magnetyczne. Następstwem tego zjawiska jest odpychanie się biegunów jednoimiennych (plus z plusem, minus z minusem) magnesu i przyciąganie różnoimiennych (plus z minusem), co prowadzi do wykreowania ruchu obrotowego.
Skrzynia biegów w samochodzie elektrycznym
Zero-jedynkowy system ruchu to nie jedyne zaskoczenie, jakie oferuje samochód elektryczny. Drugą niespodzianką dla kierowców jeżdżących autami z silnikiem spalinowym będzie z pewnością brak w elektrycznych samochodach skrzyni biegów. Tutaj wybierać można jedynie ruch do przodu lub do tyłu. Silnik połączony jest z kołami za pomocą nieskomplikowanej przekładni złożonej zwykle z jedynie trzech kół zębatych. Zmiana biegów odbywa się automatycznie. Ze względu na duży moment obrotowy od samego startu (wał silnika wiruje z szybkością nawet ponad 300 obrotów na sekundę) mechanizm skrzyni biegów musi być nieprawdopodobnie wytrzymały i szybki. Oczywiście pociąga to za sobą również nieprzeciętne koszty.
Baterie w samochodzie elektrycznym
Skrzynia biegów to jednak nie najdroższa część, jaką mogą pochwalić się samochody elektryczne. Ten tytuł zdecydowanie należy do baterii. Akumulatory, w które wyposażone są auta elektryczne, pełnią oczywiście funkcję klasycznego zbiornika paliwa. Tak jak w przypadku silnika spalinowego mamy w baku paliwo, tak w przypadku akumulatorów przechowujemy prąd. Jedno i drugie można zatankować na stacji – odpowiednio benzynowej oraz ładowania. Proces wygląda zresztą bardzo podobnie, bo w obu sytuacjach należy podłączyć do zbiornika przewód. Z tą różnicą, że samochody z silnikiem spalinowym zatankujemy w kilka minut, a elektryczne w minimum godzinę.
Baterie dla zasilenia silnika elektrycznego, dzięki któremu pojazd będzie mógł pokonać sensowną odległość, zajmują całe podwozie. By pokonać 100 kilometrów, potrzebnych jest około 15 kilowatogodzin energii, czyli tyle, ile przeciętne gospodarstwo domowe zużywa przez cały dzień. By wygenerować takie 15 kilowatogodzin, potrzebna jest bateria o wadze nawet 100 kilogramów (uwzględniając obudowę i system chłodząco-grzejący). Oczywiście producenci starają się, by ich samochody elektryczne mogły pokonać większe odległości niż tylko 100 kilometrów, więc montują takich baterii więcej. W niektórych modelach waga samych akumulatorów z osprzętem wynosi niemal pół tony. Niestety, wyraźnie przekłada się to na ładowność pojazdów.
Inne cechy samochodu elektrycznego, o których warto wiedzieć
Elektryczny samochód posiada więcej różnic względem klasycznych aut, które wynikają z braku silnika spalinowego. Niektóre z nich wpływają pozytywnie na koszty eksploatacji czy wygodę codziennego użytkowania, inne stanowią pewne wyzwanie. Wśród najważniejszych należałoby wymienić:
w silnikach elektrycznych nie wykorzystuje się oleju, bo są chłodzone powietrzem. To nie tylko bardziej ekologiczne, ale też zwyczajnie wygodniejsze;
silnik pojazdów elektrycznych jest tak cichy, że wciąż trwają dyskusje na temat niebezpieczeństw z tego wynikających dla uczestników ruchu drogowego. Niektóre firmy zapowiedziały wdrożenie do swoich samochodów dźwięku imitującego pracę silników spalinowych lub alternatywnych kompozycji;
auta zasilane energią elektryczną najprawdopodobniej nie wybuchną w przypadku poważnej kolizji, ponieważ baterie litowo-jonowe nie wykazują podobnych właściwości. Oczywiście wciąż mogą stanąć w płomieniach;
hamowanie regeneracyjne wdrożone w niektórych modelach aut EV pozwala na odzyskanie części energii elektrycznej (nawet 20% ogólnej wydajności pojazdu);
ogrzewanie lub klimatyzacja dramatycznie zmniejszają wydajność auta elektrycznego;
auto korzystające z napędu elektrycznego z czasem traci efektywność, jeżeli chodzi o zasięg, co wiąże się ze spadającą pojemnością akumulatorów.
Oczywiście nie można przemilczeć kwestii ekologicznych, na które jednak należałoby poświęcić dodatkowy artykuł. Warto jednak wspomnieć, że choć sam samochód EV jest bezemisyjny, to jego produkcja oraz utylizacja już niekoniecznie. Ponadto, w przypadku gdy auto nie jest zasilane prywatnie pozyskiwaną z OZE energią elektryczną, lecz korzysta z dostępnego prądu (w Polsce wciąż jest to przede wszystkim prąd pozyskiwany ze spalania węgla), to może przyczyniać się do konieczności zwiększenia produkcji energii nieekologicznej, co niweluje wartość bezemisyjności samego pojazdu.
Silniki elektryczne zastosowanie znajdują zarówno w sprzęcie codziennego użytku, jak i automatyce, robotyce i w zaawansowanych maszynach przemysłowych. Dowiedz się więcej o tym, kiedy powstały i w jaki sposób energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną.
Silniki elektryczne używane są w mechanizmach drzwi automatycznych, szlabanów, wind i schodów ruchomych. Znajdziesz je również w małych urządzeniach codziennego użytku: maszynkach, trymerach i elektrycznych szczoteczkach do zębów. Znajdują się w każdym pojeździe spalinowym – pełnią funkcję rozrusznika, który umożliwia uruchomienie silnika spalinowego. Dzięki coraz lepszym parametrom stosowanych baterii, od kilku lat na rynku pojawia się coraz więcej pojazdów drogowych zasilanych silnikiem elektrycznym – samochodów, motocykli, skuterów, a także hulajnóg i rowerów elektrycznych.
Silniki elektryczne od wielu lat stosowane są w przemyśle jako napęd specjalistycznych maszyn: wyciągarek, przenośników, podnośników, pomp lub wentylatorów. Aż ⅔ energii elektrycznej wykorzystywanej przez sektor przemysłu, jest zużywana właśnie na zasilanie silników elektrycznych.
Kto wynalazł silnik elektryczny?
Bezpośrednim początkiem powstania silników elektrycznych były doświadczenia Michaela Faradaya, który w 1831 roku zaprojektował urządzenie zamieniające elektryczność na ruch mechaniczny. Jeden koniec drutu zanurzył w naczyniu wypełnionym rtęcią, a pośrodku umieścił magnes sztabkowy. Po podłączeniu baterii drut był wprawiany w ruch obrotowy wokół magnesu. Na podstawie tych doświadczeń, w 1822 roku angielski fizyk i matematyk Peter Barlow stworzył pierwszy prototyp silnika elektrycznego, który później nazwano Kołem Barlowa. W 1837 roku Thomas Davenport skonstruował i jego pierwszy opatentował swój silnik elektryczny, który na początku został wykorzystany do zasilania zabawkowej kolejki elektrycznej, wiertarki i tokarki do drewna. Kilka lat później Davenport zaprojektował większy silnik elektryczny, który zasilił rotacyjną prasę drukarską. Pierwszy miniaturowy silnik elektryczny zbudował Thomas Alva Edison w 1880 roku. Został on wykorzystany w elektrycznym piórze, które służyło do powielania dokumentów.
Jak działa silnik elektryczny?
Rolą silnika elektrycznego jest zamiana energii elektrycznej na mechaniczną. Prąd dostarczany do silnika wprawia go w ruch. Podziału silników elektrycznych można dokonać ze względu na rodzaj napięcia zasilającego. Wyróżniamy silniki elektryczne prądu stałego, silniki elektryczne prądu zmiennego i silniki uniwersalne.
W skład najprostszego silnika prądu stałego wchodzą:
szczotki – dostarczają prąd do silnika,
– dostarczają prąd do silnika, komutatory – zmieniają kierunek prądu w ramce, dzięki czemu możliwy jest dalszy obrót ramki w jedną stronę.
– zmieniają kierunek prądu w ramce, dzięki czemu możliwy jest dalszy obrót ramki w jedną stronę. magnesy – wytwarzają pole magnetyczne, które wprawia ramkę w ruch,
– wytwarzają pole magnetyczne, które wprawia ramkę w ruch, wirnik (ramka) – to część silnika, która jest wprawiana w ruch.
Ponieważ magnesy zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami, między nimi wytwarza się pole magnetyczne. Między nimi znajduje się też wirnik, który może się swobodnie obracać. Jest on podłączony do źródła prądu przez komutator i szczotki. Siły oddziaływujące na ramkę sprawiają, że powstaje moment obrotowy. Zadaniem komutatorów jest m.in. zmiana kierunku przepływu prądu przez ramkę, dzięki czemu możliwy jest dalszy obrót w jedną stronę.
Podstawowymi parametrami silników elektrycznych jest prędkość obrotowa i moment obrotowy. Są one zależne od odpowiednio dobranego uzwojenia, zastosowanych sterowników elektronicznych lub przekładni mechanicznych.
Silniki komutatorowe (szczotkowe) mogą być zasilanie prądem stałym lub zmiennym.
Drugim rodzajem silników elektrycznych są silniki bezszczotkowe (BLDC), które nie posiadają szczotek i komutatora, a więc elementów, które zużywają się i generują hałas. Do podstawowych części takiego silnika należy wirnik i stojan. Moment obrotowy generowany jest przez współdziałanie pola magnetycznego wirnika i stojana. Rozwijany moment obrotowy wpływa na gabaryty i ciężar silnika bezszczotkowego – maszyny szybkoobrotowe są znacznie mniejsze, a także lżejsze od urządzeń wolnoobrotowych.
Do największych zalet silników BLDC należy:
prosta budowa,
niskie koszty eksploatacji, brak zużywających się części,
duża sprawność,
duży stosunek momentu do masy silnika,
prosty układ sterowania,
cicha praca,
wysoki moment rozruchowy,
dokładna regulacja prędkości.
Do wad silników bezszczotkowych zaliczane są przede wszystkim wyższe koszty zakupu.
Popularnym rodzajem napędów elektrycznych są też silniki krokowe (nazywane też silnikami skokowymi). W tym przypadku wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, za to wykonuje ruch obrotowy pod konkretnym kątem. Silniki krokowe sprawdzają się w zastosowania, w których konieczne jest precyzyjne sterowanie ruchem (sterowanie kątem, prędkością, pozycją lub synchronizmem), m.in. w automatyce, robotyce i sprzęcie elektronicznym (drukarki atramentowe, napędy CD/DVD). Aktualnie stosuje się je w wielu urządzeniach codziennego użytku.
Konkurencją dla silników krokowych są serwonapędy. Silniki krokowe sprawdzają się w zastosowaniach, w których wymagana jest praca z prędkością maksymalnie do 1000 obrotów na minutę. Przy wyższych prędkościach gwałtownie spada moment obrotowy takich konstrukcji. W przypadku zastosowań, gdzie wymagane są znacznie większe prędkości, najczęściej stosuje się silniki serwo.
Ultra Robotics od ponad 15 lat dostarcza rozwiązania napędowe do robotyki, intralogistyki, automatyki magazynowej, obrabiarek sterowanych numerycznie i innych precyzyjnych układów, które wykorzystują bezluzową technikę napędową.
Masz pytania? Skorzystaj z zakładki kontakt – nasi specjaliści pomogą Ci wybrać rozwiązanie najlepiej dopasowane do Twoich potrzeb.
Za ojca pierwszych prototypów silników elektrycznych uważa się Michaela Faradeya, który w 1821 roku opracował zasadę działania ruchu przewodnika w polu magnetycznym.
Jednak dopiero w 1880 roku powstał pierwszy silnik przypominający współczesne konstrukcje. Zbudował go Thomas Edison. Był to mikro silnik osiągający około 4 tysięcy obr/min, który napędzał pióro elektryczne, wykorzystywane do produkcji kropkowanych matryc powielaczowych. Chociaż od eksperymentów Faradaya minęło 200 lat, dziś wiele gałęzi przemysłu nie działałaby tak prężnie, gdyby nie jego spostrzeżenia.
Jak działa silnik elektryczny?
Najprościej mówiąc, silniki elektryczne zamieniają energię elektryczną w energię mechaniczną – odwrotnie niż prądnica. Silniki elektryczne mogą mieć różną budowę. Najprostszy silnik prądu stałego składa się ze szczotek, komutatora, magnesów i wirnika. Magnesy są zwrócone do siebie biegunami różnoimiennymi tak, że pomiędzy nimi znajduje się pole magnetyczne. Między magnesami umieszczony jest przewodnik w kształcie ramki (który może się swobodnie obracać) podłączony do źródła prądu przez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Działające na ramkę siły powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z położenia poziomego, w wyniku bezwładności mija położenie pionowe (wtedy szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki szczotki znów dotykają styków na komutatorze, lecz odwrotnie – prąd płynie w przeciwnym kierunku, a ramka może obracać się dalej w tym samym kierunku.
Gdzie silniki elektryczne znajdują zastosowanie?
W wielu różnych dziedzinach życia. W samochodzie pełni funkcję rozrusznika, dzięki niemu jeździ też skuter, trolejbus, tramwaj czy pociąg. Silnik elektryczny jest sercem wielu maszyn przemysłowych, takich jak frezarki czy szlifierki, oraz całych linii produkcyjnych. Na co dzień z silnikami elektrycznymi mamy do czynienia w domowych sprzętach AGD, małe silniki znajdują się nawet w elektrycznych szczoteczkach do zębów. Zasilają też one ruchome schody, windy, mechanizmy otwierające drzwi czy szlabany. Są powszechne w nowoczesnej wentylacji mechanicznej. Silniki elektryczne są niezastąpione jako napęd wielu specjalistycznych maszyn przemysłowych: wyciągarek, pomp, wentylatorów i wielu innych urządzeń. Szacuje się, że nawet 2/3 energii elektrycznej zużywanej przez światowy przemysł wykorzystywane jest właśnie do napędzania silników elektrycznych.