Silnik elektryczny

Silnik elektryczny to maszyna elektryczna, która służy do zamiany energii elektrycznej w mechaniczną, działa on w sposób odwrotny do prądnicy. W tym artykule zajmiemy się budową silnika i sposobem jego działania oraz historią powstania silników elektrycznych.

Budowa i działanie silnika elektrycznego

W zależności od rodzaju silniki elektryczne różnią się między sobą budową. Dlatego, jako przykładowym, posłużymy się silnikiem prądu stałego. Jest on zbudowany z dwóch magnesów, zwróconych do siebie różnoimiennymi biegunami, w taki sposób, że powstaje między nimi pole magnetyczne. W przestrzeni między magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki, który jest podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik jest umieszczony na osi, tak aby mógł się swobodnie obracać. Obecność pola magnetycznego powoduje, że siły elektrodynamiczne oddziałują na ramkę, przez którą przepływa prąd elektryczny. Wychyla się ona z położenia poziomego i obraca wokół własnej osi. Ze względu na swoją bezwładność mija położenie pionowe, w którym moment obrotowy jest równy zeru, a szczotki nie zasilają ramki. Gdy ramka przejdzie położenie pionowe, szczotki ponownie dotykają styków na komutatorze, lecz odwrotnie, a prąd płynie w przeciwnym kierunku. Dzięki temu możliwy jest dalszy obrót ramki w tym samym kierunku.

Budowa ta to oczywiście model teoretyczny, posiadający wady. W sytuacji, gdy ramka zatrzyma się w położeniu pionowym, silnik nie ruszy. Dlatego też w praktyce stosuje się większą ilość ramek, połączonych szeregowo, które są przyłączone do komutatora za pomocą szczotek. W rzeczywistych silnikach, zamiast ramki z pojedynczego przewodu, stosuje się zwojnice. Gdy przełączamy kolejną zwojnicę, dochodzi do jej zwarcia, które powoduje iskrzenie na komutatorze oraz utratę energii, jaka jest zgromadzona w polu magnetycznym. Aby zniwelować te zjawiska, stosuje się podział wirnika nawet na kilkadziesiąt zwojnic. W momencie, gdy wirnik silnika obraca się, ramka z prądem porusza się w polu magnetycznym. Na skutek tego ruchu indukuje się siła elektromotoryczna, która zmniejsza natężenie prądu płynącego w wirniku i spada moment obrotowy wytwarzany przez silnik.

Silnik elektryczny - historia

Pierwsze znane konstrukcje wirujących silników elektrycznych pochodzą z pierwszej połowy XIX wieku. W 1821r. Michael Faraday zaprezentował swoją maszynę, składającą się ze swobodnie zawieszonego przewodu, który był zanurzony w rtęci, umieszczonej w okrągłym, otaczającym magnes rowku. W tamtym okresie eksperymentowano z różnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi. Jednym z przykładów tych odważnych doświadczeń był silnik elektryczny, który korzystał z rdzenia wewnątrz solenoidu. Thomas Daveport zbudował taki silnik w 1834r. Był on zbliżony w budowie do dwusuwowego silnika spalinowego. Silnik ten, zasilany prądem stałym, został wykorzystany do napędzania kolejki elektrycznej.

Na konstrukcję zbliżoną do współczesnych silników prądu stałego należało zaczekać kilkadziesiąt lat. W 1873r. Zenobie Gramme połączył uzwojenie dynama z oddzielnym źródłem prądu, co pozwoliło na stworzenie prekursora obecnie produkowanych maszyn. Jednym ze szczególnych wykonań takiego silnika było także dzieła Thomasa Edisona, który w 1880 roku zbudował pierwszy silnik o kompaktowych wymiarach. Jego mikrosilnik był malutką maszyną o wymiarach 2,5cm x 4cm i osiągając około 4 tysięcy obr/min. posłużył do napędzenia pióra elektrycznego, wykorzystywanego do produkcji kropkowanych matryc powielaczowych.