STRATY ENERGII W SILNIKACH ELEKTRYCZNYCH

Kolejnym komponentem napędów, w którym można uzyskać oszczędność energii, są silniki elektryczne. W tym celu stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne.

Sprawność energetyczną silników zwiększa się przede wszystkim, ograniczając straty energii, która jest zamieniana na ciepło. Występują one w wirniku, stojanie i dodatkowych elementach. Dzieli się je na cztery grupy, wyróżniając straty: w uzwojeniu (w miedzi, obciążeniowe), w rdzeniu (w stali), na tarcie (mechaniczne) oraz dodatkowe.

Pierwsze z wymienionych występują w uzwojeniach wirnika i stojana. W wyniku przepływu prądu w postaci ciepła wydziela się moc strat proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu i rezystancji przewodnika. Straty w uzwojeniach zmieniają się w zależności od obciążenia silnika i w wyniku zmiany rezystancji. To ostatnie zachodzi m.in. na skutek wahań temperatury otoczenia.

W uzwojeniach miedzianych przyrost temperatury o każde 10°C powoduje zwiększenie rezystancji o 4%. Na wzrost rezystancji uzwojeń w maszynach indukcyjnych wpływ ma też zjawisko naskórkowości i efekt sąsiedztwa. Pierwszy polega na zagęszczaniu się prądu przy powierzchni przewodnika wraz ze wzrostem częstotliwości.

Efekt sąsiedztwa jest z kolei skutkiem wzajemnego oddziaływania na siebie pól w otoczeniu sąsiadujących ze sobą przewodników i też objawia się zmianami gęstości prądu. Szacuje się, że łącznie straty obciążeniowe w uzwojeniach wirnika i stojana stanowią około 50% wszystkich strat energii w silniku. W ramce przedstawiamy przyczyny strat w stali, na tarcie oraz strat dodatkowych.

Straty w stali

Straty w stali występują w obwodzie magnetycznym silnika, czyli w rdzeniach stojana oraz wirnika. Dzieli się je na straty: histerezy i na prądy wirowe. Pierwsze wynikają ze strat energii potrzebnej do zmieniania położenia domen w materiale magnetycznym zachodzących w czasie jego okresowego przemagnesowywania, co następuje zgodnie z krzywą pętli histerezy. Oprócz strat histerezowych występują straty cieplne powodowane prądami wirowymi indukowanymi w rdzeniach przez pole magnetyczne. Straty w stali mają około 15-procentowy udział w całkowitych stratach energii w silniku.

Straty na tarcie

Przyczyną strat mechanicznych jest z kolei tarcie, które występuje przede wszystkim w łożyskach. Energia tracona jest także na skutek oporu aerodynamicznego, który napotykają części wirujące silnika – wirnik i łopatki zintegrowanego z wirnikiem wentylatora chłodzącego silnik. Straty na tarcie stanowią około 15% wszystkich strat energii w silniku.

Straty dodatkowe

Straty dodatkowe powstają na skutek harmonicznych pola magnetycznego w obrębie szczeliny powietrznej pomiędzy stojanem a wirnikiem. Ich przyczyną jest nierównomierna grubość tej szczeliny wynikająca ze sposobu rozmieszczenia żłobków wirnika i stojana, rozbieżności w zakresie ich wymiarów i sposobu ułożenia uzwojeń w tych żłobkach. Niedokładności te są wynikiem zaniedbań na etapach projektowania i produkcji elementów stojana oraz wirnika. Dodatkowe straty stanowią z reguły 20% wszystkich strat energii w silniku.