Jak działa silnik elektryczny
Różnego rodzaju napędy elektryczne otaczają nas dosłownie wszędzie – w domu, pracy, szkole czy przestrzeni publicznej. Nawet jeśli nie jesteśmy tego świadomi, większość z nas codziennie używa jakichś urządzeń z silnikiem na prąd, np. w suszarce do włosów, pralce, odkurzaczu, wentylatorze czy coraz popularniejszych samochodach na baterie. Istnieje wiele typów silników elektrycznych, jednak podstawowe zasady ich działania są podobne dla wszystkich kategorii. W niniejszym artykule postaramy się je omówić i wytłumaczyć w sposób możliwie prosty i zrozumiały.
Jak działa silnik elektryczny? Siła elektrodynamiczna to podstawa
Zadaniem silników zasilanych prądem jest uzyskanie energii mechanicznej z elektrycznej, której źródło stanowi np. zewnętrzna instalacja, generator, bateria czy akumulator umieszczony wewnątrz danego urządzenia. Dostarczany do silnika prąd jest zamieniany na ruch elementów obrotowych konstrukcji, dzięki czemu może ona napędzać działanie różnego rodzaju maszyn. Pojawia się jednak pytanie, w jaki sposób energia elektryczna ulega konwersji w mechaniczną?
Wytworzenie ruchu z prądu jest możliwe dzięki sile elektrodynamicznej, która działa w polu magnetycznym powstałym poprzez zwrócone do siebie przeciwnymi biegunami elektromagnesy (albo inne elementy generujące pole, np. specjalne blachy ferromagnetyczne), które przyciągają i odpychają przewodniki (uzwojenie wirnika) znajdujące się pomiędzy nimi. Elektromagnesy bądź materiały ferromagnetyczne znajdują się w obudowie silnika i tworzą pole magnetyczne, które wraz z energią elektryczną wprawia w ruch uzwojenie wirnika, co powoduje jego obrót. W rezultacie generowana jest energia mechaniczna, a więc silniki elektryczne działają.
Dlaczego wirnik silnika elektrycznego się obraca
Za bezpośrednie dostarczenie prądu odpowiadają szczotki, które są podłączone do jego źródła i ślizgają się po komutatorze. Ciągły obrót wirnika jest możliwy właśnie poprzez zastosowanie komutatora, który współpracuje ze szczotkami. Jego rola polega na zmianie kierunku przepływu prądu w uzwojeniu – gdyby nie on, wirnik poruszyłby się raz i na tym zakończyłoby się jego działanie, ponieważ energia byłaby ukierunkowana w jedną stronę, a więc ciągły obrót wirnika byłby niemożliwy.
Komutator sprawia, że kierunek przepływu prądu ulega zmianie w sposób zgodny z wektorem obrotu wirnika, co sprawia, że silnik elektryczny działa nieprzerwanie przez cały czas, gdy ma dostęp do źródła energii. Należy jednak zaznaczyć, że występują również napędy pozbawione szczotek oraz komutatora, w których zmiana przepływu energii i ruch wirnika są wymuszane w inny sposób, np. poprzez umieszczenie cewek na wirniku, tak jak robi się to w silnikach elektrycznych bezszczotkowych.
W przypadku napędów szczotkowych zmiana kierunku prądu płynącego w obwodzie jest zsynchronizowana z obrotem wirnika w taki sposób, aby po osiągnięciu określonej prędkości jego pęd był utrzymany. Tym samym silnik działa w sposób ciągły, co pozwala na wykorzystanie go w budowie różnego rodzaju urządzeń i maszyn na prąd.
Różne rodzaje silników elektrycznych, podobne działanie
Siły magnetyczne powodujące ruch przewodnika połączonego z wirnikiem generują moment obrotowy, którego wartość zależy m.in. od typu i ilości uzwojenia czy wykorzystanych w konstrukcji przekładni mechanicznych. Istnieją jednak również napędy innego rodzaju, np. krokowe, w przypadku których występuje ruch nie ciągły, lecz obrotowy pod wskazanym kątem. Sięga się nie m.in. tam, gdzie pojawia się konieczność dokładnego sterowania generowanym ruchem, np. w automatyce, robotyce czy elektronice.
Podsumowując, podstawową zasadą określającą to, jak działa silnik elektryczny, jest przetworzenie powstającej w nim energii magnetycznej na mechaniczną, która polega na wprawieniu w ruch wirnika lub innego elementu obrotowego. Różnice w pracy napędów zasilanych prądem zależą natomiast od ich rodzaju i dotyczą takich aspektów jak np. sposób wymuszania zmiany kierunku przepływu energii elektrycznej (np. silniki e komutatorowe, bezszczotkowe) czy ruch wirnika (np. silniki krokowe i serwo napędy).
