Jak działają silniki elektryczne, gdzie mają swe zastosowanie?

Silnik elektryczny to urządzenie, które przekształca energię elektryczną w mechaniczną, na przykład w ruch obrotowy swojego wału. Liczba możliwości ich wykonania jest olbrzymia a zastosowań jeszcze większa!

Jak działa silnik elektryczny?

Każdy silnik, który działa po doprowadzeniu do niego energii elektrycznej, bazuje na przekształcaniu jej w pole magnetyczne. To pole może wchodzić w interakcję z innymi elementami wytwarzającymi to pole: magnesami stałymi bądź innymi uzwojeniami, które są zasilane prądem elektrycznym. W jaki sposób to robić, aby uzyskać zamierzone efekty - nad tym od dziesięcioleci łamią sobie głowy inżynierowie oraz fizycy.

Każdy silnik składa się z nieruchomego stojana oraz wirnika, do którego przymocowany jest obracający się wał. W silniku znajdują się wspomniane już uzwojenia, przez które płynie prąd - mogą znajdować się zarówno na wirniku, jaki stojanie. Przy obudowie silnika, zwanej też kadłubem, są zaciski do podłączenia przewodów lub - w przypadku małych silników - przewody zasilające są wyprowadzone wprost ze stojana.

Silniki elektryczne można pogrupować na wiele sposobów, ale jednym z najpowszechniejszych jest rodzaj prądu użytego do zasilania. I tak mamy:

• silniki prądu stałego (DC),
• silniki prądu zmiennego (AC),
• silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC i krokowe).

Silniki prądu stałego (DC)

Do tych silników doprowadzony jest prąd stały, na przykład z baterii. Aby mogły się obracać, muszą same przełączać co chwilę kierunek prądu płynącego przez ich uzwojenie. Bez tego, pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenia w wirniku spowodowałyby ich trwałe ustawienie względem magnesów na stojanie.

Tym przełączaniem zajmuje się komutator. W powyższym przykładzie, co pół obrotu metalowej ramki końcówki doprowadzające do niej prąd z baterii zamieniają się, więc zmienia się również kierunek jego przepływu. Część ramki, która dotychczas była wypychana przez pole magnetyczne stojana, nagle staje się przez niego przyciągana i odwrotnie.

Tego typu silniki są produkowane w różnych wariantach. Mogą mieć malutką masę oraz rozmiary, a mogą być bardzo duże i mieć znaczną moc. Znane są również inne silniki prądu stałego, w których magnesy trwałe stojana zostały zastąpione przez drugie uzwojenie. W zależności od tego, jak zostały połączone, mówimy o silniku szeregowym lub bocznikowym.

Silniki prądu zmiennego (AC)

Tego typu silniki nie muszą mieć komutatora, ponieważ prąd zmienny (a dokładniej: przemienny, przechodzący cyklicznie przez zero) sam zmienia swój kierunek. Mamy tutaj dwa rodzaje silników: synchroniczny i asynchroniczny.

W silniku synchronicznym, szybkość wirowania wirnika jest taka sama, jak szybkość wirowania pola magnetycznego wytworzonego przez stojan. Na wirniku znajduje się uzwojenie, do którego jest doprowadzony prąd poprzez szczotki, podobnie jak w silniku prądu stałego. W dużym uproszczeniu, pole magnetyczne wirnika podąża za polem magnetycznym stojana i dlatego jego wał się kręci.

Ciekawostka: tego typu silniki, pomimo nawet bardzo dużej mocy, nie są w stanie same ruszyć z miejsca. Po włączeniu szybkozmiennego napięcia zasilającego, prędkość obrotowa wirnika jest zerowa i nie nadąża za zmieniającym się polem magnetycznym pochodzącym od stojana. Trzeba taki silnik rozpędzić przy użyciu innej maszyny aby mógł działać. Inna metoda to regulacja częstotliwości napięcia zasilającego od zera do wartości nominalnej, co potrafią nowoczesne falowniki.

Nieco inaczej wygląda silnik asynchroniczny. W jego wirniku zostało zalane uzwojenie, ale nie jest do niego doprowadzone zasilanie. Zazwyczaj ma kształt przypominający klatkę, stąd nazwa jednego z najpowszechniejszych odmian: silnik klatkowy. To cienkie pręciki z aluminium, miedzi lub mosiądzu. Kiedy w uzwojeniu stojana indukuje się zmienne pole magnetyczne, w tych pręcikach wytwarza się prąd elektryczny. Ten prąd generuje pole magnetyczne, które oddziałuje z polem magnetycznym stojana. W ten sposób silnik zaczyna się kręcić.

Tego typu silniki muszą pracować z tzw. poślizgiem, czyli muszą obracać się wolniej niż gdyby to wynikało z szybkości wirowania pola magnetycznego stojana. Dzięki temu opóźnieniu, w wirniku powstaje prąd, który wytwarza pole magnetyczne. Gdyby tego opóźnienia nie było (poślizg = 0), ruch wirnika względem pola byłby zerowy i nie byłoby również prądu.

I tu również ciekawostka: ten typ silnika może służyć jako generator. Wystarczy doprowadzić zasilanie do stojana, po czym obracać wał szybciej niż wynikałoby to z szybkości wirowania przy pracy synchronicznej. Wtedy taki silnik na uzwojeniach stojana zacznie oddawać moc czynną do źródła zasilania, a pobierze z niego jedynie moc bierną, która jest konieczna do wytworzenia zmiennego pola magnetycznego

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC i krokowe)

Ten typ silników nie poradziłby sobie bez elektroniki, w przeciwieństwie do wspomnianych wyżej “starszych” kolegów. To są silniki prądu stałego, ale… nie do końca. Otóż prąd stały jest dostarczany do płytki sterującej. Ona przełącza odpowiednie uzwojenia w silniku, aby prąd płynął przez nie w odpowiednich momentach i w określoną stronę. Satem same uzwojenia są już traktowane prądem zmiennym a nawet przemiennym. Ot, taka nieścisłość.

Silniki BLDC (BrushLess DC Motor) posiadają zazwyczaj magnesy stałe umieszczone na wirniku oraz uzwojenia sztywno przymocowane do stojana. Układ elektroniczny wykrywa aktualne położenie wirnika i na tej podstawie załącza odpowiednie uzwojenia.

Detekcja zachodzi poprzez tzw. czujniki Halla, które wykrywają pole magnetyczne, albo na podstawie napięcia indukującego się w aktualnie nieużywanych uzwojeniach. Ich wielką zaletą jest możliwość regulacji prędkości obrotowej w bardzo szerokim zakresie, czego nie potrafią zwykłe silniki prądu stałego.

Budowa silników krokowych jest niemal identyczna jak BLDC z jedną różnicą - kąt obrotu wału jest ściśle ustalony. Na tyle, że silnik porusza się niewielkimi “skokami”, które nazywamy krokami. Między krokami może nastąpić dowolnie długi czas, nawet rzędu wielu godzin czy dni.

W odróżnieniu od silników BLDC, w tych nie ma konieczności kontroli położenia wału. Sterownik wysyła kolejne impulsy, a sprzężenie zwrotne może jedynie informować jedynie o tym, że wał obraca się bez przeszkód - ale nie jest to konieczne do poprawnego działania tego rodzaju silnika. Stosuje się je tam, gdzie trzeba bardzo precyzyjnie ustalić położenie wału, na przykład w drukarkach.

Gdzie je znajdziemy?

Silniki elektryczne są dosłownie wszędzie. Poszukajmy ich w naszym otoczeniu.

Sprzęty gospodarstwa domowego (AGD)

Miksery, blendery, maszynki do mielenia mięsa - tam znajdziemy silniki prądu zmiennego. Wentylatory sufitowe i stołowe, odkurzacze, polerki, froterki też nie mogłyby działać bez odpowiednich silników, również zasilanych prądem zmiennym, jeżeli są zasilane z sieci..

W nowoczesnych pralkach i suszarkach do ubrań coraz częściej znajdziemy silniki tzw. inwerterowe lub z napędem bezpośrednim. Ten pierwszy typ kryje w nazwie zazwyczaj zwykły silnik prądu zmiennego sterowany przed odpowiedni falownik, który zmienia częstotliwość napięcia zasilającego ów silnik. Drugi rodzaj to pewna odmiana silnika BLDC.

Motoryzacja

Rozrusznik, napęd wycieraczek, pompa paliwa, wentylator chłodnicy, spryskiwacze - wszystkie te podzespoły zawierają odpowiedni silnik prądu stałego. Im więcej udogodnień ma samochód - na przykład, elektryczną regulację położenia reflektorów lub kąt pochylenia foteli - tym więcej silników zawiera.

Nowoczesne samochody elektryczne i hybrydowe mają napęd zazwyczaj wbudowany w koła. Jest nim silnik bezszczotkowy prądu stałego (BLDC). Wielką zaletą takiego silnika jest możliwość pracy w szerokim zakresie obrotów, więc może stanowić napęd zarówno podczas powolnych manewrów na parkingu, jak i dodatkowe źródło mocy podczas przyspieszania.

Medycyna, higiena i uroda

Szczoteczki elektryczne, irygatory do czyszczenia zębów, maszynki do golenia, trymery do zarostu, depilatory. Lista jest znacznie, znacznie dłuższa, a każde z tych urządzeń zawiera niewielki silnik elektryczny.

Nawet pompki powietrza w automatycznych ciśnieniomierzach są napędzane zwykłym, niewielkim silniczkiem prądu stałego!

Elektronarzędzia

Nazwa mówi sama za siebie… Wiertarki, szlifierki, wyrzynarki, wkrętarki, piły nie miałyby obecnej formy, gdyby nie były napędzane silnikami elektrycznymi. Ich akumulatorowe odpowiedniki również zawierają odpowiednie silniki prądu stałego: komutatorowe (tradycyjne) lub bezszczotkowe (BLDC).

Podsumowanie

Bez silników elektrycznych nasz świat wyglądałby zupełnie inaczej. Przedstawiona wyżej listwa naprawdę jest bardzo skrócona, poniewaz silniki znajdziemy zarówno w potężnych wentylatorach i pompach stosowanych w kopalniach, jak i w napędach wind i schodów ruchomych oraz w niewielkich wentylatorkach służących chłodzeniu sprzętu elektronicznego.