Co to jest silnik i jak działa? Rodzaje i zasady

Czym jest silnik: podstawowa definicja

Silnik to urządzenie, które przekształca jedną formę energii w ruch mechaniczny – w szczególności ruch obrotowy lub liniowy. W najszerszym znaczeniu termin ten obejmuje silniki spalinowe, silniki hydrauliczne i siłowniki pneumatyczne, ale w nowoczesnej inżynierii i codziennym użyciu „silnik” prawie zawsze odnosi się do silnik elektryczny : maszyna przekształcająca energię elektryczną w pracę mechaniczną poprzez oddziaływanie pól magnetycznych.

Silniki elektryczne są dominującym napędem mechanicznym na świecie. Napędzają pompy, sprężarki, wentylatory, przenośniki taśmowe, obrabiarki, pojazdy elektryczne, sprzęt AGD i praktycznie każdy element zautomatyzowanego sprzętu przemysłowego. Szacuje się, że silniki elektryczne odpowiadają za około 45–50% całkowitego światowego zużycia energii elektrycznej — liczba odzwierciedlająca stopień, w jakim silniki stanowią podstawę współczesnego życia przemysłowego i domowego. Zrozumienie, czym jest silnik i jak działa, jest podstawową wiedzą dla każdego, kto pracuje w inżynierii, produkcji lub usługach budowlanych.

Zasada fizyczna każdego silnika elektrycznego

Wszystkie silniki elektryczne — niezależnie od typu, rozmiaru i mocy — działają w oparciu o jedną podstawową zasadę fizyczną: na przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny, umieszczony w polu magnetycznym, działa siła mechaniczna . Opisuje to prawo siły Lorentza, które stwierdza, że ​​siła działająca na przewodnik z prądem jest proporcjonalna do wielkości prądu, natężenia pola magnetycznego i długości przewodnika w polu.

W praktycznym silniku zasada ta jest stosowana w sposób ciągły i przy kontrolowanej geometrii, aby zapewnić ciągły obrót. Przewodniki są ułożone w cewce na elemencie obrotowym (wirniku), otoczonym polem magnetycznym wytwarzanym przez magnesy trwałe lub elektromagnesy w elemencie nieruchomym (stojanie). Kiedy prąd przepływa przez przewody wirnika, siła Lorentza popycha je stycznie – to znaczy pod kątem prostym zarówno do kierunku prądu, jak i kierunku pola magnetycznego – wytwarzając moment obrotowy wokół osi obrotu silnika.

Wyzwaniem w konstrukcji silnika jest ciągłe utrzymywanie tego momentu obrotowego podczas obracania się wirnika. Jeżeli kierunek prądu w przewodach pozostał stały podczas obrotu wirnika, kierunek siły odwróciłby się po połowie obrotu i wirnik zacząłby zwalniać z powrotem do pozycji wyjściowej. Wszystkie konstrukcje silników rozwiązują ten problem w różny sposób – a te różne rozwiązania definiują różne typy silników stosowane w całej branży.

Główne części silnika elektrycznego

Pomimo dużej różnorodności konstrukcji silników, praktycznie wszystkie silniki elektryczne mają te same podstawowe elementy konstrukcyjne:

• Stojan: Stacjonarna konstrukcja zewnętrzna silnika. Zawiera uzwojenia wzbudzenia lub magnesy trwałe, które wytwarzają pole magnetyczne, w którym pracuje wirnik. W silnikach indukcyjnych prądu przemiennego uzwojenia stojana wytwarzają również wirujące pole magnetyczne, które napędza wirnik.
• Wirnik (twornik): Obrotowy element wewnętrzny. Przenosi przewodniki lub magnesy trwałe, które oddziałują z polem stojana, wytwarzając moment obrotowy. Wirnik jest zamontowany na wale centralnym, który przenosi moc mechaniczną na napędzane obciążenie.
• Wał: Stalowy pręt przechodzący przez środek wirnika, który przenosi mechaniczną moc obrotową na napędzaną maszynę – wirnik pompy, łopatkę wentylatora, skrzynię biegów, koło lub inne obciążenie.
• Łożyska: Podeprzyj wał wirnika i pozwól mu się obracać przy minimalnym tarciu wewnątrz stojana. Łożyska kulkowe są standardem w większości zastosowań; łożyska ślizgowe stosowane są w małych silnikach o niskim obciążeniu; Łożyska toczne i stożkowe wytrzymują duże obciążenia osiowe w ciężkich silnikach przemysłowych.
• Obudowa (rama, obudowa): Zewnętrzna obudowa podtrzymująca stojan chroni elementy wewnętrzne przed otoczeniem, a w większości silników odprowadza ciepło poprzez żeberka na powierzchni zewnętrznej. Stopień ochrony obudowy (stopień IP) określa poziom ochrony przed wnikaniem pyłu i wody.
• Komutator i szczotki (tylko silniki prądu stałego): Mechanizm przełączający, który odwraca kierunek prądu w uzwojeniach wirnika w celu utrzymania stałego momentu obrotowego. Nieobecne w konstrukcjach silników prądu przemiennego i bezszczotkowych, gdzie funkcja komutacji jest obsługiwana elektrycznie przez kształt fali zasilania lub przez sterownik elektroniczny.

Jak działa silnik: krok po kroku

1. Doprowadzona jest energia elektryczna do zacisków silnika, jako prąd stały (DC) lub prąd przemienny (AC), w zależności od typu silnika.
2. Prąd przepływa przez uzwojenia stojana (lub uzwojenia wirnika w niektórych konstrukcjach), tworząc pole magnetyczne. W silnikach z magnesami trwałymi pole stojana jest zawsze obecne bez wzbudzenia elektrycznego.
3. Przewody lub magnesy wirnika oddziałują z polem magnetycznym stojana. Siła Lorentza działa na przewodniki wirnika przewodzące prąd lub przyciąganie i odpychanie magnetyczne działa pomiędzy magnesami wirnika i stojana, wytwarzając siłę styczną – moment obrotowy – na wirniku.
4. Wirnik przyspiesza i osiąga prędkość roboczą, w którym momencie moment napędowy jest równy momentowi obciążenia (tarcie, bezwładność i opór mechaniczny napędzanej maszyny). W tej równowadze silnik pracuje ze stabilną prędkością.
5. Mechanizm komutacyjny utrzymuje ciągły moment obrotowy w miarę obracania się wirnika. W silnikach szczotkowych prądu stałego komutator odwraca prąd w uzwojeniach wirnika dokładnie w odpowiednim położeniu obrotowym. W silnikach prądu przemiennego przemienny prąd zasilania w sposób naturalny odwraca się, tworząc wirujące pole magnetyczne, za którym podąża wirnik. W bezszczotkowych silnikach prądu stałego i silnikach synchronicznych sterownik elektroniczny przełącza prąd przez uzwojenia stojana po kolei, aby utrzymać orientację pola wytwarzającego moment obrotowy.
6. Moc mechaniczna przekazywana jest na wał wyjściowy, zdefiniowany jako iloczyn momentu obrotowego i prędkości obrotowej (Moc = moment obrotowy × prędkość kątowa). Sprawność silnika — stosunek mechanicznej mocy wyjściowej do elektrycznej mocy wejściowej — określa, jaka część energii elektrycznej jest efektywnie przekształcana w porównaniu z ilością traconą w postaci ciepła w uzwojeniach i rdzeniu.

Główne typy silników i zasady ich działania

Kluczowe parametry wydajności silnika

Podczas określania lub oceny silnika następujące parametry definiują jego zakres wydajności:

• Moc znamionowa (kW lub KM): Ciągła moc mechaniczna, jaką silnik może zapewnić bez przekraczania jego wartości znamionowej cieplnej. Stała eksploatacja silnika powyżej jego mocy znamionowej powoduje degradację izolacji uzwojeń i skraca żywotność.
• Prędkość znamionowa (obr/min): Prędkość obrotowa, przy której silnik dostarcza moc znamionową. Silniki indukcyjne prądu przemiennego mają prędkość synchroniczną określoną przez częstotliwość zasilania i liczbę biegunów — 4-biegunowy silnik zasilany częstotliwością 50 Hz pracuje z prędkością około 1450–1480 obr./min pod obciążeniem (prędkość synchroniczna 1500 obr./min minus poślizg).
• Moment obrotowy (Nm): Siła obrotowa wytwarzana przez silnik. Moment rozruchowy (moment zablokowanego wirnika) to moment obrotowy dostępny przy prędkości zerowej — krytyczny w przypadku obciążeń wymagających dużej siły do ​​zainicjowania ruchu. Moment obrotowy przy pełnym obciążeniu to moment obrotowy przy znamionowej prędkości i mocy.
• Wydajność (%): Stosunek mechanicznej mocy wyjściowej do elektrycznej mocy wejściowej. Nowoczesne silniki indukcyjne prądu przemiennego o najwyższej sprawności (IE3 i IE4) osiągają Sprawność 93–97%. przy pełnym obciążeniu; starsze standardowe silniki mogą pracować z wydajnością 85–90%. Różnica ma znaczny wpływ na koszty operacyjne w całym okresie użytkowania silnika wynoszącym 15–20 lat.
• Cykl pracy: Określa, czy silnik jest przeznaczony do pracy ciągłej (S1), pracy krótkotrwałej (S2) czy przerywanej pracy okresowej (S3–S9). Silnik przystosowany do pracy przerywanej ulegnie szybkiemu przegrzaniu, jeśli będzie pracował stale przy pełnym obciążeniu.