Typy elektromotorov: Ktorý je najlepší?

Automobily na prepravu tovaru či osôb vo veľkom využívame už viac ako jedno storočie a hoci sme za ten čas vymysleli a vyskúšali viacero alternatív pohonu, najväčší úspech doposiaľ zaznamenali spaľovacie motory. Typy spaľovacích motorov, princíp ich fungovania či spôsob označovania (aspoň v základných rysoch vďaka ich masovej popularite) ovládajú aj laici.

Prinajmenšom každý človek s vodičským preukazom pozná základnú charakteristiku spaľovacieho motora v aute – druh paliva, zdvihový objem, počet valcov, výkon, najvyšší krútiaci moment a pod. Tí technickejšie zameraní vám z rukáva vysypú aj celý princíp spaľovania paliva a premeny tepelnej energie a tlaku na mechanickú energiu. Doba spaľovacích motorov sa však (aspoň v našom geopriestore) chýli ku koncu a štafetu postupne preberajú autá, ktoré na svoj pohon využívajú elektrickú energiu uloženú v batérii a elektromotor. Lenže aký? Existuje viacero druhov elektromotorov. V čom sa líšia a na akom princípe fungujú?

Základná myšlienka

Začnime tým, že elektromotor je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú prácu kolies. Túto základnú úlohu, pochopiteľne, plnia všetky dnes používané typy. Medzi vlastnosti, ktorými ďalej disponujú všetky dnešné elektromotory, patrí tichá prevádzka, okamžitý nástup výkonu, nulové emisie a v princípe jediná pohyblivá súčiastka. Avšak okrem spoločnej základnej myšlienky je tu aj veľa možných odlišností. Najskôr by sme mohli elektromotory rozdeliť na dva druhy – prvý využíva na svoj chod jednosmerný prúd (DC), druhý striedavý (AC).

Elektromotor na jednosmerný prúd je konštrukčne zložitejší, má nižšiu efektivitu a je tiež náročnejší na údržbu. Asi aj preto výrobcovia upustili od jeho používania a v moderných elektromobiloch nájdete výhradne elektromotory využívajúce striedavý prúd. Tu treba povedať, že trakčný akumulátor dodáva elektromotoru vždy jednosmerný prúd a ten treba za pomoci invertora/meniča upraviť na striedavý. Výhodou elektromotorov využívajúcich striedavý prúd je okrem iného vyššia účinnosť, kompaktnejšie rozmery a nižšia hmotnosť.

Synchrónny/asynchrónny

Tak ako sme doposiaľ delili spaľovacie motory na benzínové a naftové, budeme teraz pravdepodobne deliť elektromotory hlavne na synchrónne a asynchrónne. V elektromobiloch sa využívajú oba, omnoho častejšie však synchrónne. Dôvod je prozaický – synchrónne elektromotory majú v porovnaní s asynchrónnymi vyššiu účinnosť (v širšom rozsahu otáčok dokážu premeniť väčšiu časť energie z batérie na mechanickú energiu kolies a znižujú aj mieru produkcie odpadového tepla) a tiež dokážu intenzívnejšie rekuperovať – premieňať kinetickú energiu vozidla späť na elektrickú. Synchrónny motor má dynamickejšiu charakteristiku, rýchlejší nástup krútiaceho momentu a vďaka dobrým tepelným vlastnostiam je schopný opakovane dodávať väčšiu časť výkonu v širšom spektre otáčok.

Pracuje na základe synchronizácie medzi rotujúcim magnetickým poľom v statore (pevná časť motora) a rotorom (pohyblivá časť motora). V synchrónnom elektromotore sa otáčky rotora zhodujú so zmenami frekvencie striedavého prúdu privedeného do statora. Toto zabezpečuje presné synchronizované otáčanie rotora s magnetickým poľom statora. Asynchrónny elektromotor má oproti synchrónnemu inú konštrukciu. Otáčky rotora nikdy nedosiahnu otáčky točivého magnetického poľa – odtiaľ aj názov asynchrónny elektromotor. Skrátka v asynchrónnom elektromotore pracuje rotor s miernym oneskorením, kým v synchrónnom motore rotor pracuje synchrónne s určenou frekvenciou a v súlade s magnetickým poľom v statore.

Magnety/vinutie statora/reluktancia

Synchrónny elektromotor s permanentným magnetom je aktuálne najpoužívanejší typ synchrónneho elektromotora, na ktorý stavili takmer všetci výrobcovia. Jeho problémom je prítomnosť množstva drahých kovov v podobe magnetov na rotore, čo nielenže zvyšuje cenu, ale ťažbou magnetických kovov zároveň výrazne zhoršuje celkovú environmentálnu stopu elektromobilu. Materiály, z ktorých sa najčastejšie vyrábajú permanentné magnety, sú zliatiny NdFeB (neodym-železo-bór) alebo SmCo (samarium-kobalt), ktorých magnetická indukčnosť je až trojnásobná v porovnaní s bežne používanými feritovými magnetmi. Na záver si pripomeňme, čo je dôležité vedieť – základom každého elektromotora je stator a rotor.

Rotor je zároveň jediná pohyblivá súčiastka a predstavuje hlavný rozdiel pri jednotlivých typoch elektromotorov. Pri synchrónnych elektromotoroch s permanentným magnetom hovoríme o takých, ktoré majú magnety na povrchu alebo umiestnené vo vnútri rotora. Na zníženie ceny a environmentálnej stopy elektromotora začali konštruktéri používať namiesto budenia magnetom budenie elektrickým prúdom. Vtedy sa do vinutia smeruje elektrický prúd a tým vzniká krútiace magnetické pole. Nie sú tu síce prítomné drahé magnety, avšak niektoré súčiastky majú nižšiu životnosť. Medzi synchrónne elektromotory radíme aj tie s prívlastkom reluktančné, hoci v praxi sa využívajú minimálne. Rotor je v ich prípade kus kovu tvarovaný tak, aby vďaka vzduchovým bariéram vykazoval nízky magnetický odpor, zatiaľ čo v druhej osi bol magnetický odpor veľký. Výsledkom je, že tak ako sa magnetické pole v statore otáča, tak sa otáča aj rotor.