Motoarele electrice - tehnologia care va propulsa mobilitatea prezentului și viitorului apropiat

În ultimii ani, motoarele electrice, cel puțin în domeniul mobilității auto, au evoluat în mod extensiv, iar estimările sunt că rolul lor cheie în industria viitorului va crește progresiv. Gradul de poluare tot mai ridicat, din care o bună parte este cauzată de traficul tot mai mare de autovehicule pe șoselele de pe întreaga planetă, crește tot din ce în ce mai mult presiunea pe satisfacerea unei nevoi de reducere masivă a emisiilor care au dus deja la încălzirea globală.

Efectele încălzirii globale se fac simțite peste tot, iar de data aceasta, cauza este activitatea societății umane începând cu a doua jumătatea a secolului XX. Poluarea produsă în această perioadă întrece cu mult orice alte măsurători din alte perioade și este fără precedent. Dacă nu sunt luate măsuri urgente pentru diminuarea rapidă a emisiilor cu efect de seră, probabilitatea producerii unor catastrofe climatice crește accelerat pe zi ce trece.

În această cursă contra-cronometru, industria auto face eforturi mari pentru trecerea mijloacelor de propulsie de la motoarele cu ardere internă la cele electrice. Ca orice revoluție, transferul tehnologic va mai dura o perioadă, însă presiunea pusă de guverne, tratate internaționale și organizații militante pentru protecția mediului sunt un catalizator pentru accelerarea cercetării și găsirii de soluții eficiente pentru o mobilitate nepoluantă.

Din acest punct de vedere, motorul electric pare să fie o soluție câștigătoare.

Cuprins

1. Motorul electric - o istorie îndelungată pierdută și regăsită la nevoie

2. Afla totul despre motoarele electrice folosite în industrie, automotive sau aplicații casnice

2.1 Principiul de funcționare al motorului electric

2.2 Tipurile de motoare electrice existente

2.3 Componentele motoarelor electrice

3. Avantajele și dezavantajele motorului electric în cazul propulsiei autovehiculelor

#

1. Motorul electric - o istorie îndelungată pierdută și regăsită la nevoie

La câteva secole distanță de la descoperirea existenței electricității, motoarele electrice au devenit elementele cheie care efectiv propulsează societatea umană într-o gamă largă de domenii, de la producerea curentului electric, transport și până la electrocasnice.

În combinație cu tehnologiile avansate din microelectronică și device-urile și aplicațiile semiconductorilor, începând cu anii 1980, s-au făcut progrese mari în domeniul invertoarelor - ca forme de conversie electrică - și al motoarelor electrice ce includ astfel de concepte.

Dorința obținerii unei mai mari eficiențe energetice, acest lucru a dus la implementarea de funcții de control, lucru care a făcut posibilă dotarea motoarelor cu caracteristici funcționale modelate pe specificul diverselor întrebuințări. Aproape toate sursele de putere electrică includ folosirea generatoarelor, iar motoarele electrice sunt azi folosite pe scară largă ca propulsoare sau ca sursă de lucru mecanic în fabrici, căi ferate, locuințe și, nu în ultimul rând, pentru propulsarea autovehiculelor.

În prezent, este general recunoscut că motoarele electrice consumă aproximativ 40% din toata cantitatea de electricitate produsă. Împreună cu rolul major pe care îl joacă în progresul industrial, nu este o exagerare afirmația conform căreia aceste dispozitive sunt o parte consistentă a societății moderne.

Mergând înapoi pe firul timpului istoric, originile motoarelor electrice pot fi urmărite începând din a doua jumătate a secolului al XVIII-lea când apăreau primele descrieri ale unor primitive dispozitive electrostatice experimentate la acea vreme de către Benjamin Franklin și Andrew Gordon. Cam în aceeași perioadă, prin experimentare, este dedusă forța electrostatică, ce mai poartă și denumirea de Legea lui Coulomb și care, simplificată, statuează că forța de atracție sau respingere între două puncte încărcate electric este direct proporțională cu produsul mărimilor sarcinilor acestora și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Un alt element important în evoluția către descoperirea principiilor de funcționare ale motoarelor electrice a fost inventarea bateriei electrochimice - pe atunci, denumită pilă - de către Alessandro Volta în anul 1799, lucru care a permis producerea unui curent electric constant pe o perioadă mai lungă de timp.

Următorul pas a fost descoperirea interacțiunilor dintre curentul electric și câmpurile magnetice - primele formule ale electromagnetismului fiind aduse în lumina cunoașterii în prima jumătate a secolului al XIX-lea de către André-Marie Ampère, care a demonstrat producerea unui lucru mecanic ca rezultat al acestor întrepătrunderi de forțe.

În sfârșit, Michael Faraday a conceput ceea ce poate fi numit „strămoșul” motorului electric - mai degrabă, o schema funcțională a acestuia - în 1821. Ulterior, fizicianul maghiar Anyos Jedlik a perfecționat conceptele antecesorilor săi inventând comutatorul și, astfel, reușind perfecționarea unui așa numit „autorotor electromagnetic”, care nu mai avea nevoie de magneți ca în experimentele anterioare, deoarece câmpurile magnetice ale ambelor părți implicate în mișcare erau produse doar de trecerea curentului electric prin bobine.

Practic, acum este momentul în care s-au definit cele trei componente principale ale unui motor electric: statorul, rotorul și comutatorul. După acest moment istoric, s-au succedat relativ rapid până la finele secolului al XIX-lea mai multe invenții și inovații. Astfel:

• Primul motor electric cu cu utilitate practică în afara laboratoarelor de fizică

În 1834, Thomas Davenport pune la punct ceea ce s-ar putea denumi primul motor electric alimentat cu baterii. Acest model dezvolta suficientă putere pentru a putea fi folosit în domenii practice, iar prima lui aplicația a fost în domeniul tipografiei, unde asigura funcționarea unei prese de tipar.

• Inventarea motorului alimentat cu curent continuu (DC)

Motoarele cu alimentare DC fuseseră inventate de ceva timp când, în 1886, Frank Julian Sprague a pus la punct primul model de acest tip, care putea funcționa la o viteză constantă de lucru și sub sarcină variabilă. Era primul pas spre adoptarea pe scară largă a motoarelor electrice în domeniile industriei.

• Motoarele electrice încep să fie folosite pe scară largă și în domeniul comercial

Deși trecuseră mai bine de 60 de ani de la primele modele experimentale, motoarele electrice încep cu adevărat să penetreze piața bunurilor de larg consum abia după anii 1880. Oamenii de știință, fizicieni și ingineri, au căutat și găsit metode de a adapta și crea noi modele care să poată fi aplicate în diverse scenarii de lucru, atât în uzine, ateliere, cât și în domeniul casnic. Era timpul în care electrificarea făcea pași importanți, iar sursele de curent electric erau tot mai accesibile.

• Apare primul motor electric alimentat la curent alternativ (AC) care putea fi folosit la propulsia autovehiculelor

Marele inventator și fizician Nikola Tesla a proiectat și construit primul motor cu inducție, care a primit și un patent în 1888. Nu era încă un dispozitiv capabil să pună în mișcare vehicule, dar a constituit punctul de plecare pentru perfecționări ulterioare făcute de inginerii de la firma Westinghouse.

Primul model ce putea fi folosit în domeniul auto a apărut în 1892.

• Apariția motorului trifazic

În 1891, firma General Electric din SUA a început construirea și dezvoltarea unui motor trifazic, semnând un acord cu Westinghouse pentru a se putea folosi de inovațiile acestora. Din acest moment, motoarele electrice au intrat în toate domeniile industriei și vieții cotidiene și cunosc, începând cu secolul XXI, o nouă etapă de progres datorită cererii enorme pentru industria automotive.

#

2. Află totul despre motoarele electrice folosite în industrie, automotive sau aplicații casnice

Deoarece motoarele electrice continuă să domine mai toate aspectele vieții cotidiene, iar numărul aplicațiilor sale în industrie, în special în cea constructoare de automobile, continuă să crească și să se diversifice, este util să afli tot ceea ce este important despre tipurile, componentele și principiul de funcționare al acestora.

#

2.1 Principiul de funcționare al motorului electric

Funcția de bază a unui motor electric, adică mișcarea de rotație, se bazează pe cele mai elementare legi ale magnetismului: polii cu aceeași sarcină se resping și polii cu sarcini opuse se atrag. Această dihotomie creează forța necesară pentru crearea mișcării.

În forma sa cea mai de bază, un motor convertește un curent electric (fie AC - alternativ -, fie DC - continuu) în mișcare de rotație. Curentul este aplicat unei bobine electromagnetice, care creează un câmp magnetic temporar cu o anumită direcție de magnetism creând un pol nord și sud la fiecare capăt al electromagnetului, care poate fi inversat, schimbând direcția curentului în bobină.

Acest câmp magnetic interacționează cu cel produs de o serie de magneți permanenți aliniați cu polaritățile alternative. Câmpurile care interacționează se atrag sau se resping reciproc, pentru a crea mișcare de rotație pe arborele sau axul de ieșire.

#

2.2 Tipurile de motoare electrice existente

Motoarele electrice sunt împărțite în două mari categorii. Criteriul de clasificare este, desigur, tipul de curent electric care le străbate și care poate fi continuu sau alternativ.

Astfel, există motoare electrice de curent continuu și modele pe curent alternativ.

La rândul lor, curentul electric de la care se alimentează poate avea una sau mai multe faze, iar din acest punct de vedere, există device-uri monofazate sau trifazate.

• Motorul electric de curent continuu (DC)

Un motor electric de curent continuu transformă energia curentului electric de acest fel în lucru mecanic bazându-se, în principal, pe forțele produse de de câmpurile magnetice. Ele pot fi electromecanice sau pur electrice.

Fiind primele motoare electrice dezvoltate (deoarece nu puteau fi alimentate decât de la sursele de curent electric continuu, singurele existente la acea vreme), ele sunt utilizate și azi, mai ales în domeniul uneltelor, jucăriilor sau electrocasnicelor. Viteza lor poate fi controlată prin variația voltajului alimentării sau prin modificarea puterii electricității care trece prin bobinele sale.

Modelele mai mari sunt folosite azi în propulsia vehiculelor electrice, elevatoarelor, vinciurilor sau în industria siderurgică, pentru acționarea benzilor transportoare a laminoarelor.

• Motorul electric pe curent alternativ (AC)

Un motor AC este alimentat de curent electric alternativ.

Acest tip de motor electric este compus adesea din două elemente principale: un stator dispus în partea exterioară, prin ale cărui bobine trece curent alternativ, care produce, astfel, un câmp magnetic care se rotește, și un stator dispus la interior, de care este fixat un ax și care produce, la rândul lui, un al doilea câmp magnetic rotitor, dezvoltând un lucru mecanic.

Există și motoare de curent alternativ liniare, care, prin dispunerea părților componente care sunt aranjate în linie dreaptă, produc un lucru mecanic printr-o mișcare de du-te-vino în loc de rotații.

Deși sursa de alimentare este una din cele mai semnificative diferențe între cele două tipuri principale de motoare electrice, fiecare categorie are diverse funcționalități și aplicații. Modelele pe curent alternativ pot fi folosite la dotarea unor echipamente mai complexe, și, în același timp, mai fragile, în timp ce acelea ce folosesc curent continuu furnizează lucru mecanic unor dispozitive mai grele, ce au nevoie de întreținere ușoară și un control sporit al operării.

Motoarele pe curent alternativ pot furniza mai mult cuplu. De aceea, ele sunt considerate mai puternice decât cele pe curent continuu.

#

2.3 Componentele motoarelor electrice

Principalele componente ale unui motor electric sunt, atât la modelele AC, cât și la cele DC, următoarele:

• Rotorul

Rotorul este componenta mobilă din componența motoarelor electrice. Este cea care imprima mișcarea de rotație axului la care este conectat ansamblul, pentru a livra lucrul mecanic produs. De regulă, are în compunerea sa inductori, care interacționează cu câmpul magnetic produs de stator, generând forța care pune în mișcare angrenajul.

• Statorul

Statorul este partea fixă a unui motor electric și un element care asigură crearea circuitului electromagnetic. De regulă, este alcătuit din magneți permanenți sau din bobine prin care circulă curent electric. Partea centrală, sau miezul, este compus din lamele metalice subțiri, cu rol de a reduce pierderea de energie.

• Rulmenții

Aceștia intră în componența rotorului și îi permit mișcarea în jurul axei. Rulmenții sunt fixați pe carcasa motorului electric.

• Spațiul gol

Distanța dintre rotor și stator este un spațiu gol. Aceasta este, pe cât posibil, foarte mică, având grijă, totuși, ca cele două elemente principale enumerate să nu se atingă reciproc. Un gol cât mai mic se traduce într-o eficiență invers proporțională. Dacă spațierea este mai mare, dimpotrivă, performanța motorului va fi mai mică.

Deoarece în acest spațiu se formează curentul electromagnetic pe baza căruia funcționează motorul electric, este de la sine înțeles că intensitatea acestuia crește cu atât mai mult cu cât locul este mai mic. Totuși dimensiunile reduse pot duce la unele probleme mecanice și la zgomot mai mare.

• Bobinele

Bobinele sunt, de fapt, niște sârme care sunt dispuse pe un model tip ghem, de regulă, înfășurate în jurul unui miez magnetic și care formează, astfel, poli atunci când sunt supuse trecerii unui curent electric.

#

3. Avantajele și dezavantajele motorului electric în cazul propulsiei autovehiculelor

Aplicația de interes major în prezent pentru motoarele electrice este industria auto. Iată care sunt avantajele și dezavantajele unor vehicule motorizate cu acest mijloc de propulsie:

• Reducerea la 0 a emisiilor poluante

Pe termen mediu și lung, înlocuirea motoarelor termice cu cele electrice în asigurarea propulsiei autovehiculelor va duce la o reducere consistentă a poluării, în special în marile aglomerări urbane.

• Curentul electric este mai ieftin decât combustibilii de origine fosilă

Autovehiculele electrice pot parcurge distanțe destul de mari cu o singură încărcare a bateriei. Dacă acestea sunt prevăzute și cu jante și anvelope de calitate, concepute pentru reducerea rezistenței la aer și a frecărilor la sol, kilometrajul parcurs în sistem electric poate fi prelungit simțitor.

Costul unei încărcări complete a bateriei este de aproximativ o treime față de cel pe care trebuie să-l achiți la un plin cu benzină sau motorină.

• Întreținerea mașinii este mai puțin frecventă și mai puțin costisitoare

Deoarece nu există schimburi de ulei, filtre și alte piese care pot ceda la frecări multiple, cum este cazul motoarelor termice, costurile cu service-ul și piesele auto sunt mult mai mici.

• Impozite și taxe mai mici

Mașinile electrice sunt scutite de impozite, iar la achiziționarea lor, nu vei plăti taxe ecologice. Dimpotrivă, politicile guvernamentale încurajează achiziția de autoturisme cu motoare electrice, acordând diverse bonusuri și prime.

Există, însă, și unele dezavantaje în ceea ce privește achiziția unei mașini electrice:

• Autonomia redusă

Majoritatea autoturismelor dotate cu motoare electrice au o autonomie relativ redusă. Cu excepția unor modele notabile, în prezent, majoritatea pot parcurge, cu o singură încărcare, o distanță de circa 200-300 km. Totuși, tehnologia și noile inovații ale viitorului vor face posibilă mărirea considerabilă a acestor cifre.

• Costul inițial mare

Datorită tehnologiei încorporate, a cererii de pe piață și a costurilor de producere a bateriilor, prețul unui vehicul electric este, unul foarte ridicat. Probabil că trecerea la noi metode mai ieftine de fabricație a acumulatorilor, precum și înmulțirea ofertei de autovehicule de acest tip, vor duce la o scădere treptată a costurilor de achiziție.

• Reîncărcarea acumulatorului durează destul de mult

Dacă nu ai acces rapid la o stație specială, încărcarea acumulatorului mașinii poate dura destul de mult. Mai mult, în prezent, punctele unde poți face acest lucru sunt destul de rare, deși se fac eforturi pentru instalarea lor în cât mai multe locuri, pe măsura creșterii popularității autovehiculelor cu motoare electrice.

Așadar, motorul electric pare a fi cartea câștigătoare a viitorului industriei auto, dacă se vor face pași mai decisivi și mai rapizi în impunerea unor politici de reducere rapidă a emisiilor poluante. Desigur, procesul nu va fi lipsit de obstacole, însă, la acest moment, electricitatea pare a fi singura alternativă pentru mobilitatea auto.

Sursa foto: shutterstock.com