Jeśli jesteś zainteresowany głębokim zanurzeniem się w technologię silników spalinowych, musisz być przygotowany na bombardowanie wieloma różnymi koncepcjami. Silniki wolnossące, silniki z turbodoładowaniem, wtrysk bezpośredni, wtrysk pośredni lub wtrysk bezpośredni i pośredni! Benzyna, olej napędowy, CNG, LPG, cykl Atkinsona, cykl Millera, cykl Budack, cykl Diesel i Otto (patrz silnik Mazda Skyactiv-X), turbosprężarka o stałej geometrii, turbosprężarka o zmiennej geometrii, turbosprężarka typu twin-scroll, zmienne fazy rozrządu… lista jest długa.
Pytanie, które pojawia się niemal automatycznie, brzmi: dlaczego mamy tak wiele projektów i koncepcji silników spalinowych? Odpowiedź jest prosta – ponieważ żaden z nich nie jest wystarczająco dobry z punktu widzenia wydajności. W dążeniu do poprawy wydajności inżynierowie wprowadzili w historii motoryzacji wiele projektów. Czy ta różnorodność konstrukcji dotyczy również silników elektrycznych? Ile rodzajów silników mamy w e-mobilności? Odpowiedź to tylko 3 główne. Zapoznajmy się z nimi.
Asynchroniczny silnik indukcyjny - Krótka lekcja historii
Asynchroniczny silnik indukcyjny nie jest niczym nowym. Zostało wynalezione przez dwóch niezależnych badaczy – jedynego w swoim rodzaju Nikoli Tesli i Galileo Ferraris. Chociaż najwyraźniej włoski wynalazca po raz pierwszy opracował ten silnik w 1885 r., Nikola Tesla jako pierwszy złożył patent w 1888 r.
Wynalezienie silnika indukcyjnego jest bez wątpienia jednym z największych osiągnięć w zakresie wykorzystania energii elektrycznej do zasilania naszego życia. Popularność tego typu silników jest obecnie tak powszechna, że trudno wyobrazić sobie bez nich codzienne życie. Wiele urządzeń elektrycznych wykorzystuje te silniki, a zdecydowana większość silników przemysłowych to silniki asynchroniczne typu indukcyjnego.
Jak działa asynchroniczny silnik indukcyjny?
Wszystkie silniki elektryczne składają się z dwóch głównych części. Część statyczna nazywana jest stojanem, a część wirująca nazywana jest wirnikiem. Zacznijmy od stojana – zwykle stalowego cylindra ze szczelinami i miedzianymi cewkami, które są tkane o określonej geometrii. Cewki te są zasilane trójfazowym prądem przemiennym, który został przetworzony z prądu stałego (dostarczanego przez akumulator) w elektronice mocy. Prąd ten wytwarza wirujące pole magnetyczne w stojanie, a prędkość tego wirującego pola magnetycznego nazywana jest prędkością synchroniczną.
W skrócie, jak działa ten typ silnika: napięcie prądu przemiennego jest doprowadzane do miedzianych cewek (lub uzwojeń), w wyniku czego otrzymujemy wirujące pole magnetyczne, które indukuje napięcie w wirniku, co z kolei powoduje przepływ prądu. Ten przepływ prądu wytwarza w wirniku własne wirujące pole magnetyczne, które jest opóźnione w stosunku do pola magnetycznego stojana. Siła między dwoma polami magnetycznymi, które powodują ruch wirnika, nazywana jest siłą Lorentza. Ruch wirnika przenoszony jest następnie na koła wózka poprzez odpowiednią redukcję.
Silnik ten nazywa się asynchronicznym, ponieważ wirujące pole magnetyczne wirnika i stojana nie jest zsynchronizowane. Część indukcyjna pochodzi z wirującego pola magnetycznego, napięcia i prądu indukowanego przez stojan. Kiedy wciśniemy pedał przyspieszenia, pole magnetyczne wirnika pozostaje nieco w tyle za stojanem. Kiedy zwalniamy, a silnik pracuje jako generator (hamowanie regeneracyjne), wówczas wirujące pole magnetyczne wirnika wyprzedza stojan. Ta różnica w wirujących polach magnetycznych nazywana jest „poślizgiem” i zazwyczaj wynosi do 5% w zależności od konstrukcji silnika.
Typowa sprawność 3-fazowego asynchronicznego silnika indukcyjnego stosowanego w przemyśle motoryzacyjnym wynosi około 90%. Ze względu na swoją solidność, prostotę, długowieczność i brak wymagań dotyczących materiałów egzotycznych, silnik ten jest używany prawie wyłącznie w procesach przemysłowych. Ponadto jego dobre właściwości przeciążeniowe sprawiają, że jest to doskonały silnik na żądanie i dlatego często jest używany jako silnik przedni w samochodach elektrycznych AWD.
Niektóre samochody wykorzystujące asynchroniczne silniki indukcyjne to: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, osie przednie XandYon oraz samochody VW Group MEB, które wykorzystują je również na osiach przednich.
Synchroniczny silnik z magnesami trwałymi
Podstawowa różnica między asynchronicznymi silnikami indukcyjnymi a synchronicznymi silnikami z magnesami trwałymi polega na sposobie wytwarzania i interakcji wirujących pól magnetycznych w wirniku i stojanie. W synchronicznych silnikach z magnesami trwałymi w wirniku występuje wirujące pole magnetyczne, wytwarzane przez magnesy trwałe (stąd nazwa silnika). Wirujące pola magnetyczne wirnika i stojana w tych silnikach są zablokowane i nie występuje poślizg.
Magnesy trwałe w wirniku są jednym z kluczowych elementów zwiększających gęstość mocy i poprawiających sprawność silnika. Zwiększona gęstość mocy oznacza dużą moc przy małej objętości, dlatego też silniki z magnesami trwałymi są stosowane wyłącznie w pojazdach PHEV. Silnik elektryczny w tych pojazdach jest umieszczony w skrzyni biegów, a jego pojemność jest ograniczona.
Magnesy trwałe są wykonane z materiałów ziem rzadkich, a większość z nich kontrolują Chiny. Pojawiają się pytania dotyczące etycznych aspektów procesu wydobywczego i dlatego wielu producentów stara się ograniczać użycie tych materiałów w swoich silnikach. Niemniej jednak synchroniczny silnik z magnesami trwałymi jest królem wydajności - może sięgać nawet 94-95% i gdy w samochodzie jest tylko jeden silnik, to właśnie taki typ silnika jest zastosowany.
Silniki z magnesami trwałymi są stosowane w Hyundaiu Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X i na tylnych osiach. Samochody VW Group MEB wykorzystują je również na tylnych osiach, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT i Porsche Taycan, żeby wymienić tylko kilka.
Silnik synchroniczny wzbudzany elektrycznie
Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi zapewniają najwyższą sprawność, jednak ich zależność od pierwiastków ziem rzadkich budzi obawy. Aby rozwiązać ten problem, producenci tacy jak BMW, RenaultGroupe i Smart sięgnęli po architekturę silników hybrydowych – silników synchronicznych, które nie korzystają z magnesów ziem rzadkich.
Jak działają te maszyny? Zamiast wykorzystywać magnesy trwałe w wirniku do generowania strumienia, wykorzystują szczotki i pierścienie ślizgowe. Według BMW tego typu silniki zapewniają sprawność sięgającą 93%, czyli bardzo bliską sprawności silników z magnesami trwałymi. Chociaż koncepcja wygląda obiecująco, dodanie szczotek oznacza, że ostatecznie będą wymagały wymiany. Miejmy nadzieję, że producenci opracowujący ten typ silnika wybiorą szczotki o wystarczająco długiej żywotności.
Ta konstrukcja silnika jest stosowana w BMW iX3, iX i i4; Renault MeganeE-TECH; i inteligentny korektor.
