Jak działa silnik elektryczny w samochodzie. Schemat i budowa

Jak działa silnik elektryczny w samochodzie

Pewnie każdy z Was ma w domu suszarkę do włosów, w której można regulować moc nadmuchu. Albo odkurzacz z regulacją siły ssania. Ewentualnie mikser, w którym można ustawiać obroty – od najwolniejszych po tryb Turbo. Wszystkie te urządzenia podłączacie do gniazda z prądem, ustawiacie żądany parametr i… po prostu działają. Energia elektryczna, jaka płynie z gniazda jest zamieniana w energię mechaniczną – czy to obroty końcówek w mikserze, czy części odpowiedzialnych za to, że suszarka dmucha, a odkurzacz wciąga brud.

Silnik elektryczny w samochodzie działa na identycznej zasadzie – zamienia energię elektryczną w mechaniczną. Mówiąc krótko, prąd z akumulatora przekazywany jest do silnika, który wprawia w ruch koła. Im więcej energii elektrycznej trafia do motoru, tym ruch kół jest szybszy. A kto decyduje o tym, ile energii ma trafić do silnika? Oczywiście Wy, naciskając pedał gazu! Więcej gazu to więcej mocy na kołach i np. lepsze przyspieszenie. Ale jednocześnie też więcej pobranej energii z akumulatora. Tak, jak mikser czy suszarka zużywają więcej prądu pracując na najwyższych obrotach, tak samo silnik elektryczny w samochodzie zużywa więcej energii, gdy mocniej wciskacie pedał gazu.

Różnica pomiędzy energią płynącą w domowej sieci a tą zgromadzoną w akumulatorze jest taka, że w przypadku pierwszej mówimy o prądzie przemiennym (AC), a w drugim – o prądzie stałym (DC). Silniki elektryczne są tymczasem zasilane prądem przemiennym. To oznacza, że zanim w aucie elektrycznym prąd trafi z akumulatora do silnika, musi jeszcze przepłynąć przez inwerter (inaczej falownik), który zamienia DC na AC. Odbywa się to oczywiście w sposób kompletnie niezauważalny dla kierowcy.

To, co odróżnia silnik elektryczny w aucie od silnika np. w odkurzacza to… możliwość produkowania energii. Gdy zdejmiemy nogę z gazu w samochodzie elektrycznym, silnik zaczyna pracować jako generator – koła stawiają opór i wytwarza się energia kinetyczna, która zamieniana jest w elektryczną, a następnie magazynowana w akumulatorze. Zjawisko to nazywamy rekuperacją, czyli odzyskiwaniem energii. Im mocniejszy motor elektryczny i większe napięcie, tym odzysk energii jest większy i skuteczniejszy. Dlatego Kia EV6 czy EV9, które mają architekturę 800V, mogą doładowywać akumulator trakcyjny z mocą nawet 250 kW, nieosiągalną dla samochodów z instalacją 400V.

Budowa silnika elektrycznego – schemat

Silnik elektryczny w samochodzie składa się z kilku podstawowych elementów:

Stojan – inaczej stator, to nieruchoma część silnika, na którą nawinięte są cewki (najczęściej w postaci drutów), przez które przepływa prąd elektryczny z akumulatora. A przepływając, wytwarza pole magnetyczne.

Wirnik – inaczej rotor, to jedyna ruchoma, obracająca się część w silniku elektrycznym. Wyposażony jest w magnesy, które reagują na pole magnetyczne wytwarzane przez stojan i cewki. Jeżeli kiedyś bawiliście się zwykłymi magnesami, to wiecie, że mogą się one przyciągać albo odpychać. Trochę podobnie działa to tutaj. W ten sposób powstaje energia mechaniczna, która wprawia w ruch koła.

Kontroler –zarządza przepływem prądu przez cewki na stojanie. W ten sposób nadzoruje prędkość i kierunek obrotu silnika.

Inne – czujniki nadzorujące pracę silnika, inwerter zamieniający prąd stały w przemienny, przekładnia, elementy układu bezpieczeństwa czy system chłodzenia, który dba o to, aby nie doszło do przegrzania motoru.

Czym różni się silnik elektryczny od spalinowego

Jak widać, konstrukcja silnika elektrycznego jest bardzo prosta, a jedyną jego ruchomą częścią jest wirnik (rotor). Dla porównania, przeciętny silnik spalinowy składa się z… ponad tysiąca części w tym przynajmniej kilkudziesięciu ruchomych!

Różnica bierze się stąd, że silnik elektryczny otrzymuje energię bezpośrednio z akumulatora, natomiast silnik spalinowy musi ją sam wytworzyć. Oczywiście z paliwa. Dlatego potrzebuje choćby tłoków, zaworów, korbowodów, komory spalania, a do tego mnóstwo osprzętu, jak choćby turbosprężarka, przepustnica, skomplikowany układ chłodzenia etc. Do tego dochodzi skrzynia biegów (automatyczna lub manualna), układ wydechowy, katalizatory, filtry cząstek stałych, wał napędowy. To wszystko sprawia, że układ napędowy w aucie spalinowym jest znacznie bardziej skomplikowany, zajmuje więcej miejsca i jest cięższy.

Przykład? Silnik w Kia EV6 RWD o mocy 229 KM waży około 80 kg. Porównywalna pod względem mocy czterocylindrowa jednostka benzynowa ma masę przynajmniej 180-200 kg, nie wliczając do tego układu wydechowego czy skrzyni biegów.

Ponadto silniki elektryczne mają nieporównywalnie większą sprawność od spalinowych. W tym drugim przypadku to zaledwie około 40 proc. i to po dziesięcioleciach badań, doświadczeń – tylko tyle energii wytworzonej przy spalaniu paliwa zamienianych jest w energię mechaniczną trafiającą na koła. Reszta jest marnotrawiona, choćby na wprawienie w ruch mnóstwa elementów silnika, czy po prostu zamieniana w ciepło. Dla porównania sprawność silników elektrycznych wynosi ponad 90 proc., a najnowsze jednostki mogą pochwalić się sprawnością 98-99 proc. To oznacza, że niemal cała energia elektryczna zgromadzona w akumulatorze zamieniana jest w energię mechaniczną.

Inną zaletą silników elektryczny jest to, że dzięki kompaktowym rozmiarom mogą być instalowane bezpośrednio na osiach pojazdu (przedniej, tylnej lub na obu, gdy mamy do czynienia z elektrykami z napędem na cztery koła). To daje projektantom zdecydowanie więcej swobody w projektowaniu elektryków, w szczególności ich wnętrz. Widać to doskonale na przykładzie EV6 i EV9, które mają znacznie przestronniejsze kabiny niż auta spalinowe podobnych gabarytów. EV6 przy długości 468 cm ma rozstaw osi wynoszący aż 290 cm – o niemal 10 cm większy niż Sorento. Dodatkowo w EV6 udało się jeszcze wygospodarować niewielki bagażnik pod przednią maską (tzw. frunk).

Rodzaje silników elektrycznych

W samochodach elektrycznych zastosowanie znajdują dwa rodzaje silników elektrycznych:

ASM (Asynchronous Motor), czyli asynchroniczne

Działają na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Prędkości wirowania pola magnetycznego oraz wirnika są różne. Różnica ta nazywana jest poślizgiem silnika. Oznacza to, że w takich silnikach może następować drobne opóźnienie pomiędzy dodaniem gazu a reakcją kół. Z drugiej strony, silnik taki można całkowicie odłączyć, dzięki czemu nie stawia nawet najmniejszego oporu. Dlatego część producentów instaluje takie motory na drugiej osi w autach z napędem AWD. Wówczas za napęd głównej osi odpowiada silnik PSM, a „dodatkowej” – właśnie ASM.

PSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), czyli synchroniczne z magnesami trwałymi

Zasadniczą różnicą w stosunku do silnika asynchronicznego jest nie tylko obecność magnesów trwałych, ale też fakt, że prędkość wirowania wirnika jest tu równa prędkości wirowania pola magnetycznego. Czyli obie prędkości są zsynchronizowane (stąd nazwa). Nie ma efektu poślizgu, auto lepiej reaguje na dodanie gazu. Generalnie silniki takie mają też większą gęstością mocy i mniejsze straty na rdzeniu, a tym samym nieco większą sprawność niż silniki asynchroniczne. To dlatego Kia EV6 i EV9 mają silniki synchroniczne z magnesami trwałymi zarówno na tylnej, jak i na przedniej osi (w wersjach AWD).

Podsumowanie na temat silnika elekrycznego

Silnik elektryczny ma znacznie prostszą budowę i minimalną liczbę części ruchomych, co zdecydowanie wpływa na jego większą trwałość. Do tego jest bardziej kompaktowy, dzięki czemu we wnętrzu zyskujemy więcej miejsca. Jest bezgłośny i ma efektywność bliską 100 proc., co oznacza, że nie marnujemy energii potrzebnej do wprawienia kół w ruch. Do działania nie wymaga klasycznej skrzyni biegów, a pełen moment obrotowy dostępny jest tutaj od chwili wbicia pedału gazu w podłogę – to zapewnia wrażenia z przyspieszenia niespotykane w samochodach na benzynę. Dodajmy do tego wszystkiego bezawaryjność, brak konieczności wymiany oleju, płynów, filtrów powietrza, świec, rozrządu, rozrusznika, czyszczenia przepustnicy, dbania o filtr DPF czy GPF, a zyskujemy po prostu napęd idealny. Tak z punktu widzenia technicznego, jak i ekologicznego.