Silnik elektryczny w samochodzie – jak działa?

Samochody napędzane silnikiem elektrycznym są w Polsce coraz częstszym widokiem, a niemal wszyscy producenci mają obecnie w swojej ofercie elektryczne modele. Nie jest to jednak nowość wśród napędów, ponieważ w przeszłości pierwsze pojazdy były napędzane właśnie energią elektryczną. Jak działa silnik elektryczny? Jakie są jego rodzaje?

Silnik elektryczny a spalinowy – czym się różnią?

Podstawowa różnica między silnikiem spalinowym a elektrycznym to źródło energii. Jednostka spalinowa napędzana jest energią mechaniczną powstałą wskutek eksplozji paliwa w cylindrach, czego wynikiem jest ruch tłoków i praca przekazywana dalej przez korbowody i inne elementy do kół.

Zasada działania silnika elektrycznego jest znacznie prostsza i pomija wiele elementów pośredniczących w przekazywaniu mocy na koła. Jest to widoczne przede wszystkim w rozmieszczeniu jednostki napędowej, która znajduje się najczęściej bezpośrednio w połączeniu z napędzaną osią pojazdu. Prosta konstrukcja silnika elektrycznego daje także producentom większą elastyczność w kwestii projektowania nadwozia. Skutkuje to często większym rozstawem osi, a co za tym idzie większą przestronnością w środku kabiny.

Rodzaje silników elektrycznych w autach

W samochodach elektrycznych stosuje się obecnie 2 rodzaje silników elektrycznych:

• indukcyjne asynchroniczne (zazwyczaj trójfazowe),
• synchroniczne z magnesami trwałymi.

Elektryczny silnik asynchroniczny charakteryzuje się niezwykle prostą budową. Kluczowe są w nim 2 elementy – nieruchomy stojan z uzwojeniem, który wykonuje się z ferromagnetycznych blach ze żłobkami oraz ruchomy wirnik wykonany również z blach z cewkami. Dzięki płynięciu przemiennego prądu wielofazowego przez układ zwojenia, tworzy się wypadkowe pole wirujące wokół stojana i wokół wirnika. W efekcie powstaje moment elektromagnetyczny, który działa na wirnik (ruchoma część silnika) i w konsekwencji skutkuje pojawieniem się momentu obrotowego przekazywanego na układ napędowy pojazdu.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi nie jest bardziej skomplikowany w budowie. W jego przypadku również zasadnicze elementy to wirnik i stojan. W silnikach tego typu wirnik może być wykonanym z metalu magnetycznego litym elementem. Zasadnicza różnica w stosunku do silnika asynchronicznego to obecność trwałych magnesów oraz fakt, że prędkość wirowania wirnika jest taka sama jak prędkość wirowania pola magnetycznego. Silniki synchroniczne wyposażone w magnesy posiadają więc większą gęstość mocy (oraz moment obrotowy) w porównaniu do silników asynchronicznych, a także charakteryzują się mniejszymi stratami na rdzeniu.

Jak działa silnik elektryczny?

Moment obrotowy oraz siła napędowa w obu typach silnika elektrycznego powstają na skutek oddziaływań elektromagnetycznych. Silniki spalinowe pracują dla porównania w oparciu o przemiany chemiczne (spalanie paliwa) oraz termodynamiczne.

O ile moment obrotowy i moc zalezą w silniku spalinowym od jego prędkości obrotowej, o tyle w silniku elektrycznym maksymalny moment obrotowy uzyskuje się praktycznie od zera, dzięki czemu uzyskujemy znacznie lepszą dynamikę oraz przyspieszenie. Dzięki szerokiemu zakresowi prędkości obrotowej silnika elektrycznego, zrezygnować można także ze skrzyni biegów.

Wydajność silnika elektrycznego

Jedną z głównych zalet silnika elektrycznego, względem spalinowej jednostki, jest jego wysoka wydajność, czyli sprawność energetyczna. Najbardziej wydajne silniki spalinowe poszczycić się mogą sprawnością na poziomie nieco ponad 40%, co oznacza, że ponad połowa energii powstałej wskutek spalenia paliwa w cylindrach jest wytracana pod postacią ciepła. Najwyższa sprawność silników spalinowych towarzyszy jednostkom pracującym w cyklu Atkinsona, spotykanym głównie w hybrydach. Silniki elektryczne charakteryzują się znacznie większą sprawnością energetyczną, wynoszącą nawet 90%.

Źródła:

https://www.renaultgroup.com/en/news-on-air/news/how-does-an-electric-car-motor-work/

https://www.digitaltrends.com/cars/how-electric-cars-work-ev-motors-batteries/

https://electricmotorengineering.com/an-electric-motor-works-car/