Z czego zbudowany jest silnik elektryczny? Budowa krok po kroku

Typowy silnik elektryczny składa się z kilku głównych części: stojana z uzwojeniami, wirnika, układu zasilania i sterowania oraz prostego systemu chłodzenia. To właśnie współpraca pola magnetycznego i prądu w uzwojeniach tworzy moment obrotowy, który zamienia energię elektryczną w ruch mechaniczny. Jeśli chcesz krok po kroku zrozumieć, z czego zbudowany jest silnik elektryczny i co dokładnie dzieje się w środku podczas pracy, czytaj dalej.

Jak działa silnik elektryczny w uproszczeniu?

W każdym silniku elektrycznym dzieje się ta sama historia: prąd płynący przez przewodnik trafia do pola magnetycznego i pojawia się siła, która próbuje ten przewodnik przesunąć. W fizyce opisuje to siła elektrodynamiczna – czasem nazywana też siłą Lorentza – działająca prostopadle do kierunku prądu i linii pola magnetycznego.

Gdy przewodnik z prądem zamienimy na uzwojoną ramkę, osadzimy ją na osi i otoczymy magnesami albo elektromagnesami, powstaje wirnik. Siły elektrodynamiczne działające na przeciwległe boki ramki obracają ją w jedną stronę i właśnie ten ruch wykorzystujemy jako napęd. W silniku samochodu elektrycznego dokładnie ten sam mechanizm powoduje, że obroty wirnika przechodzą przez przekładnię redukcyjną na koła.

Silnik elektryczny zawsze wykonuje tę samą pracę: zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną dzięki oddziaływaniu pola magnetycznego na przewodnik z prądem.

Z jakich elementów zbudowany jest silnik elektryczny?

Niezależnie od tego, czy patrzymy na miniaturowy napęd w szczoteczce do zębów, czy na silnik trakcyjny w samochodzie elektrycznym, podstawowy zestaw części jest bardzo podobny. Różnią się rozmiarem, sposobem chłodzenia i zaawansowaniem elektroniki, ale schemat budowy pozostaje ten sam.

Stojan

Stojan (stator) to nieruchoma część silnika. Tworzy go kadłub oraz rdzeń z pakietów cienkich blach ferromagnetycznych, w których znajdują się żłobki na uzwojenia. Blachy są izolowane – zwykle warstwą lakieru – aby ograniczyć straty energii w postaci prądów wirowych.

W żłobkach stojana umieszczone są uzwojenia fazowe, czyli cewki z drutu miedzianego. Prąd płynący przez uzwojenia wytwarza pole magnetyczne, które – w zależności od typu silnika – może być stałe, pulsujące lub wirujące. W silnikach prądu przemiennego (AC) trójfazowe uzwojenia stojana tworzą wirujące pole magnetyczne, które „ciągnie” za sobą wirnik.

Wirnik

Wirnik (rotor) jest jedyną ruchomą częścią silnika elektrycznego. Podobnie jak stojan ma rdzeń z cienkich blach ferromagnetycznych, ale inaczej rozmieszczone przewodniki. W zależności od konstrukcji możemy spotkać:

• wirnik klatkowy w silnikach indukcyjnych (ALBO tzw. „klatkę” z prętów aluminiowych lub miedzianych),
• wirnik z magnesami trwałymi w silnikach synchronicznych PMSM stosowanych w autach elektrycznych,
• wirnik z uzwojeniami połączonymi z pierścieniami ślizgowymi w silnikach pierścieniowych,
• uzwojony wirnik z komutatorem w silnikach prądu stałego DC.

To właśnie na wale wirnika montuje się koło pasowe, zębatkę, albo tarczę przekładni – czyli element, który przekazuje moment obrotowy na napędzaną maszynę lub koła pojazdu.

Komutator i szczotki

W klasycznych silnikach prądu stałego funkcję „przełącznika” kierunku prądu w uzwojeniach wirnika pełni komutator. To walec z miedzianych segmentów, osadzony na wale i odizolowany od wirnika. Do komutatora dociskają się sprężyste szczotki – obecnie zwykle grafitowe – połączone z zasilaniem.

Podczas obrotu wirnika szczotki kolejno dotykają różnych segmentów komutatora. Dzięki temu w odpowiednim momencie zmienia się kierunek prądu w uzwojeniach, a siła elektrodynamiczna nadal obraca wirnik w tę samą stronę. W nowoczesnych silnikach bezszczotkowych BLDC mechaniczny komutator zastąpiony jest elektroniką sterującą, która przełącza prądy w uzwojeniach za pomocą tranzystorów.

Obudowa i chłodzenie

Kadłub silnika, wykonywany z żeliwa lub stali, pełni funkcję konstrukcyjną – utrzymuje stojan, łożyska, osłony i elementy mocujące. W dużych napędach obudowa ma żebra zwiększające powierzchnię odprowadzania ciepła, a w silnikach trakcyjnych często stosuje się chłodzenie cieczą.

Do poprawy warunków pracy służą przewietrzniki – najczęściej małe wentylatory zamontowane na wale wirnika. Wymuszają przepływ powietrza przez wnętrze silnika i chronią uzwojenia przed przegrzaniem. W pojazdach elektrycznych układ chłodzenia silnika bywa zintegrowany z chłodzeniem falownika i akumulatora wysokonapięciowego.

Czujniki i elektronika sterująca

Dawne małe silniki komutatorowe działały praktycznie „na wprost z gniazdka”. W nowoczesnych napędach – szczególnie w samochodach elektrycznych – pracę motoru kontroluje zaawansowana elektronika. Kluczowe elementy to:

• falownik (inwerter), który zamienia prąd stały DC z akumulatora na prąd przemienny AC dla uzwojeń silnika,
• sterownik (kontroler) regulujący częstotliwość i amplitudę prądu, a więc prędkość obrotową i moment,
• czujniki położenia wału, temperatury uzwojeń i prędkości obrotowej,
• elementy zabezpieczeń – m.in. czujniki przeciążenia i zabezpieczenia termiczne.

W aucie elektrycznym sterownik współpracuje z pedałem przyspieszenia. Im mocniej go wciśniesz, tym więcej energii falownik przekazuje do silnika, a koła obracają się szybciej.

Jak przebiega praca silnika krok po kroku?

Od włączenia zasilania do obrotu wału zachodzi seria prostych, ale niezwykle szybkich zjawisk fizycznych. Cały proces powtarza się tysiące razy na sekundę, tworząc płynny, stabilny ruch obrotowy.

Powstawanie pola magnetycznego

W pierwszym kroku prąd dopływa do uzwojeń stojana albo wirnika. W silniku zasilanym z sieci trójfazowej prąd AC w trzech fazach przesuniętych w czasie tworzy w stojanie wirujące pole magnetyczne. Jego prędkość zależy od częstotliwości sieci i liczby par biegunów silnika.

W prostym silniku prądu stałego z magnesami stałymi to magnesy w stojanie wytwarzają stałe pole, a prąd płynie przez ramkę wirnika. W obydwu przypadkach pole magnetyczne jest warunkiem powstania siły elektrodynamicznej – bez pola silnik nie wykona żadnej pracy.

Siła elektrodynamiczna zawsze jest prostopadła jednocześnie do kierunku prądu i do linii pola magnetycznego, co najlepiej pokazuje reguła trzech palców lewej dłoni.

Oddziaływanie na wirnik

Gdy przewodnik z prądem znajdzie się w polu magnetycznym, pole zaczyna „pchać” go w bok. W ramce wirnika siły działają na oba przeciwległe boki – na jeden w górę, na drugi w dół – tworząc moment obrotowy. To właśnie ten moment powoduje, że wirnik zaczyna się obracać.

W silnikach indukcyjnych prąd w wirniku nie jest doprowadzany przewodami, lecz indukuje się sam, bo zmienne pole stojana przecina przewodniki klatki wirnika. Różnica prędkości między polem stojana a wirnikiem to tzw. poślizg, bez którego nie powstałby moment obrotowy.

Komutacja i ciągły ruch obrotowy

Sam jednorazowy impuls siły nie wystarczy, by silnik pracował ciągle. Potrzebna jest komutacja, czyli cykliczna zmiana kierunku prądu tak, by moment obrotowy zawsze działał w tę samą stronę. W zależności od konstrukcji odbywa się to różnie:

• w silniku DC – przez mechaniczny komutator i szczotki,
• w silniku BLDC – przez tranzystory przełączane przez sterownik,
• w silniku indukcyjnym – naturalnie, dzięki wirującemu polu stojana i poślizgowi,
• w silniku synchronicznym PMSM – przez precyzyjne sterowanie prądami fazowymi zgodnie z położeniem magnesów na wirniku.

Dzięki temu uzwojenia, na które działa siła elektrodynamiczna, są stale „pod prądem” w takim kierunku, by wirnik obracał się nieprzerwanie, a na wale pojawiał się stabilny moment obrotowy.

Hamowanie i rekuperacja

Ten sam silnik, który napędza samochód, może w ułamku sekundy zamienić się w generator. Gdy zdejmujesz nogę z pedału gazu w aucie elektrycznym, elektronika zmienia sposób pracy falownika, a silnik zaczyna oddawać energię do akumulatora.

Koła napędzają wtedy wirnik, a ruch obrotowy w polu magnetycznym generuje prąd. Zjawisko to nazywa się rekuperacją i pozwala odzyskać część energii kinetycznej pojazdu. Im wyższe napięcie instalacji (np. 800 V w samochodach klasy Kia EV6 czy EV9), tym wyższa moc ładowania i większa efektywność odzysku energii.

W czasie rekuperacji silnik elektryczny pracuje odwrotnie: zamienia energię mechaniczną w elektryczną i ładuje akumulator trakcyjny.

Jakie są rodzaje silników elektrycznych?

Pod wspólną nazwą „silnik elektryczny” kryje się kilka grup konstrukcji, różniących się zasilaniem, budową wirnika i sposobem sterowania. Z punktu widzenia użytkownika ważne są przede wszystkim rodzaj prądu, obecność szczotek oraz sprawność.

W motoryzacji dominują obecnie dwa typy: PSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) z magnesami trwałymi oraz ASM (Asynchronous Motor), czyli silniki asynchroniczne. PSM oferują wyższą sprawność i lepszą reakcję na pedał przyspieszenia, ASM łatwo „odłączyć” od napędu, dzięki czemu nie stawiają oporu, gdy dana oś akurat nie pracuje.

Obok nich funkcjonują silniki krokowe, stosowane tam, gdzie liczy się bardzo precyzyjny kąt obrotu – na przykład w drukarkach 3D czy ploterach – oraz silniki liniowe, w których ruch odbywa się w linii prostej, a nie obrotowo.

Czym różni się silnik elektryczny od spalinowego?

Silnik spalinowy z wieloma tłokami, zaworami, wtryskiwaczami i rozbudowanym układem wydechowym to w praktyce kilkaset–ponad tysiąc elementów. W typowym napędzie elektrycznym jedyną ruchomą częścią pozostaje wirnik, a liczba mechanicznych komponentów jest minimalna. To przekłada się na trwałość, prostszą obsługę i mniejsze ryzyko awarii.

Różnice widać także w sprawności. Sprawność współczesnych silników spalinowych rzadko przekracza 40%, reszta energii paliwa zamienia się w ciepło lub jest zużywana na ruch własnych elementów jednostki. Dla porównania sprawność nowoczesnych silników elektrycznych przekracza 90%, a rekordowe konstrukcje osiągają nawet 98–99%. Większa część energii dociera bezpośrednio na koła.

Silnik elektryczny ma prostą budowę, bardzo mało części ruchomych i sprawność przekraczającą 90%, dlatego idealnie nadaje się jako źródło napędu w nowoczesnych pojazdach.

Do tego dochodzą kompaktowe wymiary. Silnik w samochodzie elektrycznym można umieścić bezpośrednio przy osi – z przodu, z tyłu albo przy obu osiach jednocześnie. Zyskujesz wtedy więcej przestrzeni w kabinie, prostszą konstrukcję napędu i natychmiastowy dostęp do pełnego momentu obrotowego już od zerowych obrotów. W praktyce oznacza to dynamiczne przyspieszenie przy bardzo cichej, gładkiej pracy napędu.