Jak działa silnik elektryczny?

Silniczki, takie jak te, które widzisz na zdjęciach powyżej i na filmie pracują pewnie także w jakichś Twoich zabawkach.

Silnik to urządzenie - maszyna służąca do zamiany jednej formy energii na inną. Silniki najczęściej wykorzystywane są do napędu innych maszyn.

Energia zasilająca silnik może mieć formę energii: 

• chemicznej (np. silnik dla nanorurki)
• cieplnej (np. silnik parowy, silnik Diesla, turbina parowa, turbina gazowa, silnik Stirlinga)
• elektrycznej (np. silnik elektryczny)
• kinetycznej (np. turbina wiatrowa, turbina wodna)
• potencjalnej (np. turbina wodna).

Wyróżniamy wiele rodzajów silników, ale do najczęściej wykorzystywanych należą silniki elektryczne oraz silniki cieplne spalania wewnętrznego - spalinowe i odrzutowe. 

Pierwszymi silnikami były koła wodne, zwane młyńskimi oraz wiatraki.

Pierwsze silniki parowe konstruowano na przełomie XVII i XVIII wieku. Silnik parowy zamienia energię cieplną pary wodnej (będącej pod ciśnieniem) na energię mechaniczną ruchu posuwisto-zwrotnego i na początku był wykorzystywany do wypompowywania wody z kopalń. Kolejne udoskonalenia polegały na wykorzystaniu mimośrodowego mechanizmu korbowego zamieniającego ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy koła zamachowego. 

Konstrukcję silnika parowego udoskonalił James Watt, wprowadzając m.in. stabilizator obrotów wykorzystujący siłę odśrodkową. Choć pierwszy parowóz poruszający się po torach skonstruował Richard Trevithick już w roku 1802, nie odniósł on jednak komercyjnego sukcesu i został zapomniany. I tak za wynalazcę kolei parowej uważa się powszechnie Georga Stephensona w 1829 wykorzystał silnik Watta w swoim parowozie Rakieta, a w 1830 roku uruchomił pierwszą linię kolejową.

Silnik parowy jest silnikiem cieplnym spalania zewnętrznego ponieważ maszynę parową napędza para wytwarzana w kotle poza silnikiem. Powszechne wykorzystanie silników parowych do napędu maszyn w fabrykach, statków i kolei wywołało rewolucję przemysłową.

Silnik elektryczny służy do zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną. Działanie silników elektrycznych polega na wykorzystaniu oddziaływań elektromagnetycznych. Bieguny jednoimienne się odpychają (N z N i S z S), a różnoimienne (N i S) przyciągają. Następujące po sobie zmiany biegunowości powodują ruch wirnika.

Spośród silników elektrycznych wyróżniamy dwie zasadnicze grupy: silniki zasilane prądem stałym i silniki prądu przemiennego. Oba tu omawiane należą do pierwszej grupy czyli są silnikami prądu stałego. 

Te, które widzisz na filmie i na zdjęciach są bardzo małe, obudowa mikro silniczka ma 6 mm średnicy i 10 mm wysokości, musiałem filmować go pod mikroskopem. Mini silniczek ma 24 mm średnicy i 28 mm wysokości.

Mikro silniczek ma mniej typową budowę, ma bowiem samonośny (sam tworzy swoją konstrukcję) wirnik, który tworzy cewka o kształcie pobocznicy walca. Wirnik jest nakładany na walcowaty stojan zamocowany centralnie w silniczku. 

Natomiast drugi silniczek ma budowę typową dla silników elektrycznych prądu stałego. Wirnik wykonany jest z magnetycznego rdzenia, na którego sekcjach (tutaj trzech) nawinięte są cewki, przez które płynie prąd elektryczny, co razem tworzy silne elektromagnesy. Wirnik obraca się wewnątrz cylindrycznej obudowy pomiędzy dwoma silnymi magnesami stałymi (N i S od wewnętrznej strony) tworzącymi stojan. Pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnesy wirnika oddziałuje z magnesami stałymi stojana.  

Silnik z samonośną cewką bez rdzenia   

Silnik z cewką na rdzeniu magnetycznym

Schematy budowy silników elektrycznych 

Schematy budowy dwóch rodzajów silników elektrycznych prądu stałego prezentują ilustracje powyżej, W obu przypadkach działanie silnika polega na oddziaływaniu sił elektromagnetycznych pomiędzy wirnikiem a stojanem silnika. Prąd płynący w przewodniku, tutaj w cewkach wirnika wywołuje powstaniem pola magnetycznego zależnego od wartości i kierunku płynącego prądu. Zmiana kierunku prądu powoduje zmianę biegunów magnetycznych i zmianę kierunku obrotów silnika. W obu przypadkach prąd do cewek wirnika doprowadzany jest przez komutator.

Wirnik w postaci samonośnej cewki ma ma bardzo małą masę w porównaniu z masą wirnika z cewkami nawiniętymi na rdzeniu magnetycznym. Wynika z tego dalej mniejsza bezwładność wirnika co powiduje, że taki silnik ma szybszy rozruch i bardziej dynamicznie reaguje na zmiany doprowadzanego prądu, tzn, szybciej przyspiesza i hamuje. Silnik taki ma również większy moment obrotowy (temat innego artykułu) w stosunku do swojej masy. 

Szczotki mikro silniczka na monecie 1 grosz

Szczotki mini silniczka

Doprowadzenie zasilania

W silniku prądu stałego zwykle prąd do uzwojenia doprowadzany jest za pomocą komutatora (na fotografiach poniżej) poprzez szczotki (powyżej). Komutator zamocowany jest na wirniku pełni rolę przełącznika, który obracając się doprowadza zasilanie do kolejnych sekcji uzwojenia wirnika.

Na zdjęciach widzimy przerwę pomiędzy sekcjami komutatora.

Komutator mikro silniczka  

Komutator mini silniczka

Podtytuł 3

Czlowiek i maszyna w XIX wieku.

Podsumowanie

W związku z ocieplaniem się klimatu, spowodowanym m.in. spalaniem paliw kopalnych w elektrowniach i pojazdach silniki elektryczne znajdują nowe zastosowania do napędu smochodów, rowerów i hulajnóg elektrycznych. Ma to sens wtedy gdy akumulatory w pojazdach zasilane są z odnawilanych źródeł energii. 

W Polsce, w 2023 roku, 73 % energii elektrycznej pochodziło ze spalania paliw kopalnych z wegla kamiennego i brunatnego (63%) i gazu (10%), a tylko 27 % ze źródeł odnawialnych, w tym elektrowni wodnych. 

Jeśli coś Cię szczególnie zainteresowało lub coś pozostaje niejasne to zapytaj - ja odpowiem. 

Zadanie:

Napisz jakich urządzeń z silnikami elektrycznymi używasz najczęściej i jak Ty starasz się oszczędzać energię elektryczną?  

tel.: 505 377 726     e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl

NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione