Rodzaje silników elektrycznych

SILNIK ELEKTRYCZNY, maszyna przetwarzająca energię elektr. na energię mech., zwykle w postaci energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniku oddziaływania pola magnet. i prądu elektr. (siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym.

Zależnie od prądu zasilającego rozróżnia się silnik elektryczny prądu stałego oraz silniki elektryczny prądu przemiennego. Silnik elektryczny prądu stałego ma na osi wirnika pierścień złożony z izolowanych działek (tzw. komutator) łączonych z zaciskami uzwojeń twornika; po komutatorze ślizgają się doprowadzające prąd nieruchomo osadzone szczotki elektr. (z drobnoziarnistych tworzyw z węgla uszlachetnionego) dociskane do powierzchni komutatora przez sprężynki. Działanie pola magnet., wytworzonego przez elektromagnesy stojana, na prąd elektr. w obwodzie: para szczotek, działki komutatora i uzwojenie twornika, powoduje ruch obrotowy wirnika; kierunek obrotów zależy od kierunku prądu w uzwojeniu twornika. Zależnie od sposobu połączenia uzwojenia twornika z uzwojeniem elektromagnesu wzbudzającego pole magnet., silniki elektryczne prądu stałego dzieli się na szeregowe, równoległe i szeregowo-równoległe. W silnikach elektrycznych szeregowych prędkość obrotowa zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia; mają skłonność do rozbiegania się po odłączeniu obciążenia; są stosowane w trakcji elektr. i dźwignicach. W silnikach elektrycznych równol. prędkość obrotowa jest niezależna od obciążenia; są stosowane np. do napędzania obrabiarek. Silniki elektryczne szeregowo-równoległe są stosowane do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej i dużych momentach obrotowych.

Silniki prądu przemiennego dzielą się na 1- i 3-fazowe, a zależnie od zasady działania na indukcyjne (indukcyjna maszyna), synchroniczne (synchroniczna maszyna) i komutatorowe (komutatorowa maszyna). W silnikach elektrycznych 3-fazowych indukcyjnych prąd 3-fazowy płynący przez uzwojenia stojana wytwarza pole wirujące; pole to przecina przewody uzwojenia wirnika, indukując w nich prądy zgodnie z regułą Lenza, a w rezultacie powoduje ruch obrotowy wirnika; wirnik obraca się wolniej niż pole wirujące, gdyż w uzwojeniach wirnika indukuje się napięcie tylko wtedy, kiedy istnieje ruch pola wirującego względem tych uzwojeń; różnica prędkości nazywa się poślizgiem; silnikach elektrycznych indukcyjne stosowane są do napędzania maszyn o nie regulowanej prędkości obrotowej.

Najtańsze i najczęściej stosowane w przemyśle są odznaczające się najprostszą budową silniki indukcyjne klatkowe (zwarte); wirnik tych silników ma uzwojenie w kształcie klatki, wykonanej jako odlew aluminiowy lub zespół prętów zwartych na swych czołach pierścieniami.

Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od silników elektrycznych indukcyjnych budową wirnika, który jest wyposażony dodatkowo w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze wzbudnicy osadzonej na wale wirnika; liczba biegunów elektromagnesów odpowiada liczbie biegunów pola wirującego stojana; ponieważ moment obrotowy jest wynikiem wzajemnego oddziaływania na siebie biegunów magnet. elektromagnesów i pola wirującego, obroty wirnika są synchroniczne z obrotami pola i mają stałą prędkość; stosowane do napędzania maszyn szybkoobrotowych o stałej prędkości obrotowej, np. sprężarek.

Silniki elektryczne synchroniczne mogą być stosowane jako silniki skokowe (krokowe, impulsowe); impulsowe zasilanie powoduje nieciągły, skokowy ruch wirnika (obrót) silnika o określony kąt (zwykle kilka do kilkudziesięciu stopni); silnik taki wykonuje do kilku tysięcy skoków na sekundę; jest stosowany w układach regulacji automatycznej z cyfrowym sygnałem sterującym, w zegarach (jako siłownik precyzyjny), do ustawiania głowic w pamięciach dyskowych komputerów itp.

Silniki elektryczne komutatorowe (szeregowe i równoległe), podobnie jak silniki elektryczne prądu stałego, mają wirnik z komutatorem, do którego doprowadza się prąd przemienny za pomocą szczotek. Osobną grupę stanowią silniki elektryczne uniwersalne, które mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym; stosowane do napędzania sprzętu gospodarstwa domowego, maszyn biurowych itp.

Odrębnym rodzajem silnika elektrycznego jest silnik liniowy, przetwarzający energię elektr. bezpośrednio na energię ruchu postępowego. Silnik liniowy składa się z induktora i bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika zwykłego silnika elektrycznego, lecz rozwiniętymi w linię prostą; częścią ruchomą silnika może być zarówno induktor, jak i bieżnik. Głównymi zaletami tego rodzaju silnika są: brak styczności mech. między induktorem a bieżnikiem, idealnie cicha praca, dobre chłodzenie, brak ślizgowych zestyków doprowadzających prąd, łatwość sterowania, możliwość uzyskiwania różnych przebiegów zależności siły od prędkości, możliwość prostego łączenia kilku silników liniowych w jeden zespół o większej mocy. Rozróżnia się silniki elektryczne liniowe prądu stałego, prądu przemiennego, synchroniczne, asynchroniczne, oscylacyjne itp.; do najnowszych konstrukcji należą silniki o poprzecznym strumieniu magnet. (tzw. transverse-flux motor) nadające się zwł. do napędzania szybkich pojazdów poruszających się na poduszce powietrznej lub magnetycznej. Silniki elektryczne liniowe stosuje się gł. w automatyce, w napędach specjalnych oraz w trakcji elektrycznej.

Współczesne silniki elektryczne budowane są na moce od części wata do kilkudziesięciu megawatów, przy sprawności od 60 do 95%, współczynnik mocy silnika elektrycznego prądu przemiennego wynosi 0,65 0,95. Pierwszy model silnika elektrycznego zbudował 1831 M. Faraday (tarcza Faradaya), zaś pierwszy silnik elektryczny (z komutatorem) o praktycznym zastosowaniu do napędu łódki 1834 M.H. Jacobi; decydującym krokiem w rozwoju silnika elektrycznego było zbudowanie 1887 przez J.N. Teslę (wykorzystującego prace inż. i fizyka G. Ferrarisa) 2-fazowego silnika indukcyjnego; 1889 90 silnik 3-fazowy z wirnikiem klatkowym zbudował M. Doliwo-Dobrowolski; 1902 E. Danielson zbudował silnik synchroniczny, którego prędkość obrotowa ściśle zależała od częstotliwości prądu zasilającego; w tym samym roku A. Zahden uzyskał patent na silnik liniowy, działający wg zasady stosowanej obecnie.

SILNIK PRĄDU STAŁEGO

Silnik elektr. przystosowany do zasilania prądem stałym; maszyna przetwarzająca energię elektr. prądu stałego na energię mechaniczną na zasadzie indukcji elektromagnet., polegającej na wytwarzaniu siły elektromotorycznej w przewodnikach znajdujących się w zmiennym polu magnet. Pole magnet. wytwarzane jest w nieruchomej części s.p.s. zw. stojanem; wewnątrz stojana umieszczony jest wirnik (twornik), na powierzchni którego, równolegle do osi, umieszczone jest w specjalnych żłobkach uzwojenie z izolowanych przewodów miedzianych. Zarówno stojan jak i wirnik zasilane są z sieci prądem elektr.; przewody obracającego się wirnika przecinają linie sił pola magnet. biegunów stojana, w wyniku czego w tych przewodach indukuje się siła elektromotoryczna skierowana przeciwnie do przyłożonego doń napięcia (stąd zw. siłą przeciwelektromotoryczną). Ze względu na sposób wzbudzenia s.p.s. dzieli się na: s. szeregowe, o uzwojeniach cewek wzbudzających stojana połączonych szeregowo z uzwojeniem twornika - stosowane gł. w trakcji elektr. (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów itp.; s. bocznikowe, o uzwojeniu cewek wzbudzających stojana przyłączonym do sieci równolegle do obwodu twornika - o najszerszym praktycznie zastosowaniu spośród s.p.s., gł. w napędach obrabiarek; s. szeregowo-bocznikowe, o wzbudzeniu mieszanym uzyskiwanym poprzez dwa różnie podłączone uzwojenia wzbudzające - stosowane zazwyczaj jako silniki dużych mocy do napędu walcarek, pras itp. oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych; s. obcowzbudne o oddzielnych źródłach zasilania obwodu wzbudzenia i obwodu twornika - stosowane gł. w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów; silnik szeregowy może, jako jedyny s.p.s., być zasilany również prądem przemiennym jednofazowym; silniki takie zw. są silnikami uniwersalnymi, a możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania twornika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia; stosowane w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, wiertarkach ręcznych.