Sprawność silnika elektrycznego można zwiększyć na kilka sposobów. Niektóre z nich polegają na subtelnych ulepszeniach w zaprojektowaniu i precyzji wykonania podzespołów silnika. Natomiast duży wpływ ma stosowanie większej ilości miedzi w silnikach.
Wysoka przewodność miedzi umożliwia zmniejszenie wymiarów podzespołów i bardziej ścisłe upakowanie. Sprawność silników można także zwiększyć przez zastosowanie wirników ciśnieniowo odlewanych z miedzi – powód jest ten sam: miedź ułatwia przepływ prądu.
Sprawność silników elektrycznych w przekazywaniu energii do obciążenia wynosi typowo 85–95%. Jednak różnica między 85% a 95% jest ogromna. Oszczędność 5% energii pobieranej przez silnik, może obniżyć koszty eksploatacji 11 kW silnika o 2 200 GBP w ciągu dziesięciu lat, oraz zmniejszyć emisję CO2 o około 25 ton.
Jak działa silnik elektryczny?
Silnik elektryczny można, pod względem jego działania, traktować jako:
- wirujący elektromagnes
- dwie równolegle siły wytwarzające moment obrotowy
1. Wirujący elektromagnes
Kiedy cewka wirnika jest przyłączona do baterii, przepływa przez nią prąd. Staje się wtedy elektromagnesem. Górna część cewki jest biegunem północnym, jest więc przyciągana przez południowy biegun magnesu trwałego po lewej. Zatem silnik zaczyna wirować przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
Gdy wirnik jest położeniu pionowym, ustaje działanie powodujące obrót (elektromagnes wirnika znajduje się w jednej linii z magnesami trwałymi). W tym punkcie następuje odwrócenie kierunku prądu (za pomocą komutatora) i wirnik musi obrócić się 180° aby znowu ustawić się jednej linii z magnesami trwałymi.
Czytaj: Sprawność silników elektrycznych i napędów o zmiennej prędkości
Kierunek prądu jest odwracany co 180°, dzięki czemu wirnik wiruje. Jednak gdy wirnik zbliża się do punktu przełączenia, siła działająca na wirnik jest mała. Zobaczmy dlaczego, podchodząc do tego w inny sposób.
2. Siły równoległe
Prąd I przepływa wzdłuż boków cewki. Długość każdego boku jest L. Ponieważ prąd płynie w polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B, zatem działa na niego siła F.
Wartość tej siły wynosi: F = B I L
Prąd i pole magnetyczne są wzajemnie prostopadłe. Siła będzie prostopadła do obydwu tych wielkości. Możemy posłużyć się regułą Fleminga lewej dłoni, żeby zobaczyć, że siła po prawej stronie jest skierowana w górę, a siła z lewej strony jest skierowana w dół. Dwie równoległe siły, równe co do wartości i przeciwnie skierowane, nazywamy parą sił. Wytwarzają one moment obrotowy działający na cewkę.
Wartość momentu wynosi: T = F d, gdzie d jest odległością między liniami działania sił.
Maksymalny moment obrotowy
Moment obrotowy można zwiększyć przez:
- zwiększenie natężenie pola magnetycznego
- zwiększenie natężenie prądu
- zwiększenie długości L
- zwiększenie liczby zwojów w cewce.
Zobacz też: Badanie jakości działania silników elektrycznych i ocena niezawodności
Moment obrotowy osiąga także swoją maksymalną wartość, gdy odległość między liniami działania sił jest największa, tj. wtedy gdy cewka znajduje się w położeniu poziomym.
Wpływ położenia cewki
Wraz z obrotem cewki, odległość między liniami działania sił maleje. Zmniejsza się zatem moment pary sił.
Gdy cewka obróci się o 90⁰, moment pary sił jest równy zeru ponieważ siły działają wzdłuż tej samej prostej, tzn. odległość między nimi jest zerowa. Jest to jeden z powodów, dlaczego w rzeczywistych silnikach nie stosuje się pojedynczej cewki w wirniku, jak w tym przykładzie.
Pojedyncza cewka napędza wirnik przez 180⁰, zanim nastąpi zamiana styków. Moment obrotowy ulega znacznemu zmniejszeniu już przy odchyleniu płaszczyzny cewki o 30⁰ względem pola magnetycznego. Aby uniknąć wynikającego stąd ubytku momentu obrotowego, w większości silników stosuje się więcej niż jedną cewkę wirnika.
Przykładowo, silnik w elektrycznej zabawce, jak samochód lub pociąg, ma trzy cewki. Każda cewka napędza zatem wirnik nie przez 90⁰, lecz przez 60⁰ (30⁰ po każdej stronie od położenia poziomego). W ten sposób, na cewkę zawsze działa moment obrotowy bliski maksymalnemu.
Oszczędzanie
Często lepiej jest kupić droższy silnik, ale o wyższej sprawności, gdyż zużywa on mniej energii niż tańszy. Sprawdza się to szczególnie wtedy, gdy silnik pracuje 24 godziny na dobę. Jeżeli cykl pracy silnika jest krótszy (np. pracuje on tylko godzinę na dobę, lub w podobnym cyklu), to zastąpienie istniejącego silnika silnikiem wysokosprawnym może nie przynieść tak wysokich oszczędności.
