Choć nasza strona nazywa się tak jak się nazywa, nie zamykamy się na alternatywne źródła napędu w motoryzacji. Tematem mojego dzisiejszego tekstu jest napęd elektryczny.
Odrobina branżowego slangu na wjazd. Słowem „napęd” określa się falownik czy ściślej przemiennik częstotliwości, taką skrzynkę sterującą pracą silnika. To zresztą kalka z angielskiego słowa „drive”, które w tym kontekście też oznacza ową skrzynkę, skrótowo nazywaną VFD – Variable Frequency Drive – napęd zmiennej częstotliwości.
Sam silnik elektryczny podłączony bezpośrednio do prądu może się tylko kręcić ze stałą prędkością, zależną od jego budowy oraz napięcia i częstotliwości zasilania. W wielu zastosowaniach to w zupełności wystarcza – pompy, wentylatory i temu podobne, ale czasami zachodzi potrzeba regulacji chociażby prędkości. Niniejszy tekst nie ma ambicji stanowić konkurencji dla wykładów na politechnice, zresztą trudno ścieśnić całą dziedzinę wiedzy do rozmiarów jednego felietonu. Czy zatem napęd elektryczny jest beznadziejny i dlaczego nie?
Zalety silnika elektrycznego
1. Prostota konstrukcji
Jeden z popularniejszych typów – silnik klatkowy, tu w przekroju.
W silniku elektrycznym jest jeden element ruchomy – wirnik. Okresowo lub na skutek uszkodzenia trzeba w nim wymienić łożyska (zazwyczaj dwie sztuki), jeśli są typu otwartego, to jeszcze dbać o nasmarowanie przez kalamitki i to wszystko. Żadnych zaworów, rozrządów, dolotów, wałków wyrównoważających, misek olejowych, filtrów cieczy ciekliwych, nic z tych rzeczy – podajesz prąd na zaciski i kręci.
Silniki szczotkowe prądu stałego to już archaizm, mają zastosowanie w tanich elektronarzędziach i zabawkach, ewentualnie w rzadkich zastosowaniach specjalistycznych (silnik prądu stałego ma wyższy moment niż silnik prądu przemiennego). Silniki bezszczotkowe prądu stałego nie są już tak proste w budowie, ale również mają jeden element ruchomy.
2. Uniwersalność
Tyle różnych, a to i tak zaledwie wąski wycinek całości.
Zależnie od zapotrzebowania silnik elektryczny może mieć moc od miliwatów do megawatów. Może też bez ingerencji w konstrukcję działać jak generator, jeśli zakręcić jego wirnikiem za pomocą silnika spalinowego lub turbiny wiatrowej czy wodnej. Silnik elektryczny może pracować w próżni, w zapyleniu, pod wodą (pompy głębinowe), w atmosferach toksycznych i wybuchowych, nie wymagając przy tym zbyt wiele od życia. To sprawia, że stosuje się je praktycznie wszędzie. Wystarczy się rozejrzeć po najbliższym otoczeniu lub sięgnąć do kieszeni – telefony komórkowe też mają silniki (czy ściślej – mikrosilniczki) elektryczne, napędzające wibracje. W rozmaitych gałęziach przemysłu, w którym od ponad 20 lat pracuje piszący te słowa, zastosowań silników elektrycznych są tysiące, zaś kombinacja przedsiębiorczości, pomysłowości i lenistwa ciągle przynosi nowe.
3. Cicha praca
Jest takie trochę zapomniane słowo „cichobieżny” i ono dobrze oddaje istotną cechę silnika elektrycznego – cichą pracę. To, co jest przymocowane do wirnika i co tenże silnik ma napędzać to już zupełnie inna kwestia. Przy całej mojej sympatii do napędu spalinowego i bulgoczących wydechów widlastych ósemek, obiektywnie i bezdusznie patrząc wyłącznie od strony technicznej, owo bulgotanie jest wadą, znamionującą nierówną pracę. Na szczęście nie jesteśmy oschłymi robotami pozbawionymi subiektywnego postrzegania świata, bo byłoby śmiertelnie nudno.
Napęd elektryczny ma np. taki Chevrolet eCOPO Camaro Concept, ale mam podejrzenia, że cichobieżność nie była tu priorytetem.
4. Sprawność energetyczna
Ponad 90 proc. energii dostarczanej do silnika elektrycznego jest zamieniane na pracę tegoż. Nie na ciepło, hałas czy produkowanie wyziewów, ale na konkretne osiągi na wale wirnika. 40 do 45 proc. sprawności napędu spalinowego (w tych najbardziej dopracowanych przypadkach) wypada tu najwyżej przeciętnie. Dodatkowo silnik elektryczny napędzany przez siłę działającą na wał może generować energię, a więc przekazywać ją do sieci zasilającej. W czasie hamowania silnikiem spalinowym najlepszym rezultatem jest po prostu zerowe zużycie paliwa w danej chwili. O żadnym rozmnażaniu soku z dinozaurów w baku nie ma mowy, niezależnie od tego jakie banialuki wygłasza na weselu pijany wujek o swoim turbodieslu.
5. Charakterystyka mocy i momentu obrotowego
Znów porównanie do dowolnego silnika spalinowego wypada na jego niekorzyść. Poniższe wykresy są nie do uzyskania na hamowni, testującej dowolny samochód spalinowy. Warto jednak zwrócić uwagę na końcowy przebieg wykresów – silnik elektryczny zbliżając się do swojej prędkości maksymalnej traci moc i moment bardzo raptownie i do zera, co wynika z jego konstrukcji. Silnik spalinowy to przy tym kompletny wariat – będzie pędził do nieskończoności aż się rozleci na atomy, na atomy, na atomy!, gdyby nie ustawić mu odcięcia paliwa przy określonej prędkości obrotowej. To dość istotna cecha, która w pojazdach ma niebagatelne znaczenie.
Silnik prądu przemiennego – przebieg momentu jak stół. / fot. http://www.into.pl
Silnik szczotkowy prądu stałego – maksymalny moment dostępny od samego początku skali. / fot. http://www.into.pl
To tylko najważniejsze i najbardziej oczywiste zalety, przedstawione z uproszczeniami ocierającymi się o prostactwo. Co zatem powstrzymuje tak wspaniały typ napędu przed zdominowaniem branży motoryzacyjnej?
Zasilanie
Tak po prostu. Silnik elektryczny potrzebuje prądu do działania, dziękujemy Kapitanie Oczywisty. We wspomnianym wyżej przemyśle zestaw napęd+silnik bywa mobilny, ale znacznie częściej wystarcza mu doprowadzenie przewodów trasami kablowymi, bo silnik nigdzie się w daleką podróż nie wybiera.
To jest mobilne dwa razy – przy montażu i demontażu całej szafy sterowniczej.
Baterie, pakiety ogniw, akumulatory – jakkolwiek to nazywać – rozwijają się od prawie dwustu lat i dokonały w tym czasie dużego postępu. Niemniej co do zasady działania to nadal duże, ciężkie i drogie pudło, które potrafi stanowić nieprzyzwoicie duży procent masy całego pojazdu z napędem elektrycznym.
Teksty o rewolucyjnych bateriach, które już za chwileczkę już za momencik będą wspaniałe wyniki kręcić, pojawiały się w „Młodym Techniku” w latach 60. XX w. Gęstość energetyczna paliw kopalnych jest zwyczajnie o wiele większa niż najbardziej zaawansowanej baterii i od lat ma się to zmienić lada chwila, ale jakoś się nie zmienia. Proszę, oto darmowa ściągawka dla stażystów i botów AI piszących clickbaitowe artykuły o przełomowych akumulatorach. Ekhm, khm.
Naukowcy z [wstaw nazwę ośrodka badawczego lub akademickiego] w [wstaw nazwę kraju znanego z wysokiej kultury technicznej] pracują nad nowym typem akumulatora, skonstruowanego w oparciu o [wstaw nazwę pierwiastka lub związku chemicznego]. Nowy typ baterii ma charakteryzować się pojemnością większą o [wstaw procent] oraz umożliwić ładowanie szybsze o [wstaw liczbę procent] od znanych dotychczas typów ogniw. Na razie nie wiadomo jeszcze, kiedy baterie z [wstaw nazwę pierwiastka lub związku chemicznego] pojawią się na rynku w zastosowaniach komercyjnych.
Łatwizna, nawet bot AI tak potrafi (ani słowa o niedzielach handlowych, cud).
I to nie jest bynajmniej koniec tej historii, wszak skoro już zeszło na samochody z napędem elektrycznym, to wypadałoby wspomnieć, dlaczego nie można nimi zastąpić wszystkich spalinowych zawsze i wszędzie. Tak jak nie bardzo widzę szczoteczkę do zębów z napędem spalinowym poza wąską niszą modelarzy-fetyszystów. Ale o tym w następnym odcinku.
