Silniki elektryczne – budowa i zasada działania
Silniki elektryczne znajdują bardzo szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, usług oraz w codziennym życiu. Jednostki napędowe zasilane prądem różnią się budową, zasadą działania i mocą. Dzięki temu mogą być wykorzystywane w różnych urządzeniach – od małych robotów kuchennych czy zabawek dla dzieci, przez maszyny i urządzenia przemysłowe, po napędy samochodów i lokomotyw.
Wśród wielu zalet, jakimi wyróżniają się elektryczne jednostki napędowe, jest ich czysta praca. Nie korzystają one bowiem z żadnego paliwa, a więc nie emitują spalin i innych produktów ubocznych. Dlatego mogą pracować w zamkniętych halach, garażach, a nawet w bardzo małych, ograniczonych przestrzeniach. Poza tym, ponieważ są produkowane w szczelnych obudowach i nie generują iskier, są niezastąpione w strefach zagrożonych wybuchem.
Inną zaletą silników elektrycznych jest możliwość korzystania z różnych źródeł energii – od sieci energetycznej o napięciu 230 i 400 V, przez generatory, baterie i akumulatory, po domową elektrownię fotowoltaiczną.
Jednostki są też zasilane prądem stałym i zmiennym. Tak duża różnorodność cech i parametrów technicznych sprawia, że można je dopasować niemal do każdej maszyny czy urządzenia.
Historia silnika elektrycznego
Przed wynalezieniem silnika elektrycznego należy zwrócić uwagę na trzy odkrycia lub wynalazki, bez których silniki te nie mogłyby powstać. Pierwszym z nich było wynalezienie baterii, czyli ogniwa galwanicznego, generującego prąd przez Alessandro Volta w 1800 roku. Drugim istotnym odkryciem było generowanie pola magnetycznego przez prąd elektryczny, dokonane przez Hansa Christiana Oersteda w 1820 roku. Trzecim kluczowym wynalazkiem było stworzenie elektromagnesu w 1825 roku przez Williama Sturgeona.
Natomiast pierwszy prototyp silnika elektrycznego udało się stworzyć angielskiemu fizykowi i chemikowi, nazwanego do dzisiaj dyskiem Faradaya. Michael Faraday odkrył wtedy zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Urządzenie składało się z dysku wykonanego z przewodnika prądu elektrycznego umieszczonego w stałym polu magnetycznym prostopadłym do płaszczyzny dysku. Dysk Faradaya był pierwszą prądnicą prądu stałego, mogącą również pracować jako silnik elektryczny prądu stałego.
Jednak pierwszy silnik elektryczny (komutatorowy) zbudował w maju 1834 roku niemiecki fizyk i elektrotechnik Moritz Herman Jacobi. W tym samym okresie inny amerykański konstruktor, Thomas Davenport, stworzył obrotowy silnik elektryczny, który opatentował w roku 1837. Pomimo wszelkich starań, te wczesne silniki różniły się od dzisiejszych.
Z kolei trójfazowe silniki prądu przemiennego zostały wynalezione w latach 1885-1889. Trudno jest jednoznacznie określić, kto pierwszy zbudował tego rodzaju silnik. Pracowali nad nimi tacy naukowcy jak Nikola Tesla, Galileo Ferraris, Charles Schenk Bradley, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky i Jonas Wenström. Od tego czasu trójfazowe silniki, zarówno w wersji synchronicznej jak i asynchronicznej, zaczęły się szeroko rozpowszechniać na całym świecie.
Obecnie popularne są również silniki prądu stałego ze wzbudzeniem szeregowym, równoległym i mieszanym, a także silniki bezszczotkowe oraz silniki krokowe.
Budowa silników elektrycznych
Silnik elektryczny ma stosunkowo prostą budowę. Można w nim wyróżnić dwa zasadnicze elementy:
- stojan – nieruchomą część złożoną z kadłuba i umieszczonego w nim wyłożenia (rdzenia). Jest ono zbudowane z trzech pakietów odizolowanych od siebie blach ze stali transformatorowej (z dużą zawartością krzemu) o grubości 0,5 mm. Na pakietach blach są nawinięte uzwojenia – po jednym dla każdej z trzech faz,
- wirnik – ruchomą część silnika, zbudowaną z rdzenia osadzonego na wale, na którym jest też zamontowany przewietrznik zapewniający chłodzenie. Rdzeń wirnika ma podobną budowę do rdzenia stojana i również zawiera nawoje uzwojenia. W silnikach indukcyjnych wirnik jest umieszczony w klatce wykonanej z nieizolowanych prętów i zakończonej dwoma pierścieniami.
Kadłub silnika najczęściej jest wykonany z żeliwa lub stali. Stanowi jedynie osłonę mechanizmu, nie uczestnicząc w pracy.
Działanie silnika elektrycznego polega na przyłożeniu napięcia do rdzenia stojana, w wyniku czego powstaje wirujące pole magnetyczne. Przechodząc przez pręty klatki wirnika, indukuje w nich napięcie.
Na skutek przepływu prądu i siły elektrodynamicznej wirnik obraca się, początkowo zwiększając obroty, a następnie stabilizując je na stałym poziomie. Różnica pomiędzy prędkością obrotów wirnika a pola magnetycznego stojana zwiększa się wraz z obciążeniem silnika. Ostatecznie z energii elektrycznej powstaje energia mechaniczna.
Rodzaje silników elektrycznych
Elektryczne silniki można sklasyfikować z uwzględnieniem wielu kryteriów. Najpopularniejszy jest podział ze względu na sposób zasilania. Pod tym względem wyróżnia się:
- silniki jednofazowe (szeregowe i klatkowe),
- silniki trójfazowe (pierścieniowe, liniowe i klatkowe),
a także:
- silniki zasilane prądem stałym (DC),
- silniki zasilane prądem zmiennym (AC),
- silniki uniwersalne.
Inna klasyfikacja za kryterium przyjmuje sposób działania. Pod tym względem wyróżnia się silnik synchroniczny i asynchroniczny, indukcyjny i komutatorowy. W sprzedaży dostępne są też modele specjalne, z wyposażeniem dodatkowym takim jak obce chłodzenie, które pozwala na większe obciążenie jednostki napędowej, chroniąc ją przed przegrzaniem.
Do modeli specjalnych zaliczają się silniki z hamulcem. Są niezastąpione wszędzie tam, gdzie niezbędna jest precyzyjna kontrola zatrzymywania maszyny. Funkcjonalnym rozwiązaniem jest też model kołnierzowy, wyposażony w specjalny element konstrukcyjny ułatwiający stabilny montaż.
Sposoby mocowania silnika elektrycznego
Silnik prądu stałego lub przemiennego może być mocowany na pięć głównych sposobów:
- tylko przy użyciu łap,
- za pomocą kołnierza zewnętrznego,
- za pomocą kołnierza wewnętrznego,
- przy użyciu kombinacji łap i kołnierza zewnętrznego,
- przy użyciu kombinacji łap i kołnierza wewnętrznego.
Zastosowanie silników elektrycznych
Ogromny wybór silników elektrycznych sprawia, że ich zastosowanie jest bardzo szerokie i praktycznie nie ma takiej dziedziny, w której nie można by było znaleźć podobnej jednostki napędowej.
Możliwości wykorzystania zwiększa też różnorodność modeli oraz parametrów technicznych takich jak prędkości obrotowe. Zastosowanie silnika w dużym stopniu zależy od tego, czy jest on jednofazowy, czy trójfazowy. Ten pierwszy ma nieco niższą moc, ale źródło do jego zasilenia znajdzie się w każdym domu.
Z kolei silnik trójfazowy wymaga dostępu do gniazda z prądem o napięciu 400 V, które rzadko jest dostępne w budynku mieszkalnym. Dlatego silniki elektryczne trójfazowe o mocy ponad 3,5 kW stosuje się w napędach maszyn przemysłowych, dźwigów i dźwignic, transporterów, urządzeń górniczych czy ciężkiego sprzętu budowlanego. Z kolei modele jednofazowe można znaleźć w urządzeniach AGD, elektronarzędziach, zabawkach dla dzieci czy elektrycznych szczoteczkach do zębów.
Różnorodność modeli, ich konstrukcji i mocy dotyczy też asortymentu Silpol. Oferujemy silniki różnego typu, o wysokiej sprawności, przeznaczone do zastosowań przemysłowych i warsztatowych. Są to zarówno modele jedno- i trójfazowe, jak i silniki jedno- i wielobiegowe, kołnierzowe, z obcym hamulcem czy przeznaczone do zadań specjalnych, na przykład do pracy w wyższych temperaturach.