Az elektromotorok bemutatása I.
Az akkumulátoros elektromos autók előretörése okán a villanymotorok iránti gyártási- és fejlesztési idény is ugrásszerűen megnőtt. Ez utóbbival jelentősen több probléma van, ugyanis az elektromotorok régi és bevált eszközök, kimondottan nehéz újabb fejlesztési potenciált találni bennünk. Noha alkalomadtán találkozunk néhány újítással, a konstrukciók lényege érdemben nem változik.
Ebben a cikkben elkezdjük részletesebben bemutatni azokat az erőforrásokat, melyek az elektromos hajtással rendelkező járművek mozgatásáért felelnek.
Történeti áttekintés
Az elektromotorok ősei kezdetben egyszerű elektrosztatikus eszközök voltak – az első próbálkozások, melyekről érdemleges feljegyzések maradtak meg az utókornak, az amerikai Benjamin Franklin és a skót Andrew Gordon tollából származnak az 1740-es évekből.
Kezdetben nem sokat tudtak kezdeni velük, hiszen a mögöttes fizikájáról is csak sejtéseik voltak. Az elméletét, azaz a Coulomb-törvényt csak 1771-ben fedezte fel az angol kémikus és fizikus Henry Cavendish. A Royal Society tagjaként elhíresült feltaláló többek között a hidrogén felfedezéséről és a gravitációs állandó meghatározásáról ismert, ám a Coulomb-törvényről szóló munkáját nem publikálta.
Korábban megjelent egy elméleti modellje a Philosophical Transactions című munkájában, melyben megállapítja, hogy az elektromosság is feltehetően valamilyen folyadék. Ezt a munkát azonban a kortárs tudományos világ teljes mértékben figyelmen kívül hagyta, így bár kutatott tovább a témában, semmit nem publikált belőle.
Így történhetett meg, hogy a hivatalos felfedezés 14 évvel későbbre, 1785-re datálódjon, mégpedig Charles-Augustin de Coulomb nevéhez, aki már közzétette a munkát.
Ez azonban nem volt elég a villanymotorok létrejöttéhez. Alessandro Volta 1799-es elektrokémiai akkumulátora már lehetővé tette a tartós áramgenerálást, majd 1820-ban jött Hans Christian Ørsted felfedezése arról, hogy az elektromos áram mágneses teret hoz létre, ami erőt fejt ki a mágnesre. Néhány hét múlva már André-Marie Ampère kidolgozta az elektromágneses kölcsönhatás definícióját, valamint bemutatta az Ampère-féle erőtörvényt.
Ezek összességével 1821-ben Michael Faraday illusztrálta a hatásmechanizmust forgómozgással. Faraday a publikáció mellett kollégáinak az eszköz kisméretű modelljeit is elküldte, hogy minél hamarabb elterjedjen az újdonság.
A valódi, teljesen működőképes elektromos motor egy magyar fizikus feltalálóhoz, Jedlik Ányoshoz köthető. 1827-ben kezdte el kísérleteit elektromágneses tekercsekkel. A kommutátor feltalálásával kiküszöbölte a folyamatos forgással járó kezdeti technikai problémákat – ezeket a korai eszközöket „elektromágneses önrotor”-nak nevezte.
1828-ban mutatta be az első olyan készüléket, mely már tartalmazta a ma ismert egyenáramú villanymotor három fő komponensét: az állórészt, a forgórészt és a kommutátort. Ez az eszköz nem rendelkezik állandó mágnessel, mert mind az álló, mind pedig a forgó alkatrészek mágneses terét a tekercsükön átfolyó áram hozza létre.
Osztályozás, általános felépítés
A villamos motorok osztályozása már a szempontrendszere alapján is igen sokrétű lehet. Az egyik legegyszerűbb módszer az alapján megkülönböztetni őket, hogy milyen mozgásformát hoznak létre a működésükkel. Ez alapján léteznek lineáris- és forgómozgást kiváltó motorok. Fontos alapelvként leszögezhető, hogy elvben minden motortípusnak létrehozható mind lineáris, mind pedig forgó mozgású kivitele, ez jellemzően csak konstrukciós kérdés.
Az osztályozás történhet a villamos motorok energiaközvetítő közege alapján is. A közeg lehet súrlódó felület, elektromos tér vagy elektromágneses tér. Ennélfogva megkülönböztetünk Piezo és ultraszonikus motorokat, elektrosztatikus, illetve klasszikus villamos motorokat.
A XX. században a villanymotor még egyenlő volt az elektromágneses motorral, mivel az elektrosztatikus működési elvet az akkori technológiai szinten nem tudták hatékonyan alkalmazni – inkább műszerként, mint energiaátalakítóként használták.
Az elmúlt években azonban ez a terület is fejlődő stádiumba került; ma már létezik olyan 100 kW teljesítményű elektrosztatikus kísérleti motor, melynek tömege közelítőleg egy nagyságrenddel kisebb, mint az azonos teljesítményű elektromágneses, piacon kapható társai.
A piezo- vagy ultraszonikus motorok speciális területeken hódítanak, mint például a fényképezőgépek optikáinak mozgatása.
A közúti járművek motorjai leggyakrabban elektromágneses forgómotorok. Ezek között megkülönböztetünk axiális- és radiális fluxusút – ez utóbbi a gyakoribb.
Az autóipar a radiális változatok közül a váltakozó áramú egy- és háromfázisú motorokat részesíti előnyben – a szinkron és aszinkron motorokat egyaránt. Ezeken kívül létezik egyenáramú soros, párhuzamos, illetve vegyes gerjesztésű, egyen- és váltakozó áramú kefe nélküli, valamint léptetőmotor is, és ezek még mindig csak a főbb változatok.
Az elektromotor részeiről nehéz általános leírást adni, hiszen konstrukció tekintetében igen változatosak, ezért az autóiparban használt megoldások összefoglalására szorítkozunk.
Az elektromágneses fogómotorokra jellemző, hogy álló- és forgórészből állnak. Ez utóbbi felelős a motor által előállított energia továbbításáért, erre fejt ki erőt az állórész mágneses tere.
Maga az elfordulás az állórész és a forgórész közötti légrés miatt valósulhat meg. A légrész mérete döntően befolyásolja a motor elektromos paramétereit. Növekedésével a motor teljesítménye csökken, így a tervezés során a lehető legkisebbre méretezik. Ez a feladat már csak azért sem könnyű, mert a túl kisméretű légrés erős zajt és nem kívánatos mechanikai érintkezést generálhat a motoron belül, melyek az erőforrás gyors tönkremeneteléhez vezethetnek.
Az állórész körülveszi a forgórészt. Ferromágneses vasmag körüli huzalokból álló elektromágneseket vagy állandó mágneseket tartalmaz, melyek mágneses mezőt hoznak létre a forgórész körül – ennek köszönhetően jön létre a forgás.
A már kommutátor a forgómozgásból eredő elektromos problémák kiiktatásáért felel. Lényegében egy elektromos kapcsoló, mely áramot biztosít a forgórésznek, és időnként megfordítja az áram irányát a rotortekercsekben forgás közben.
A forgómozgás természetesen csapágyazott, ugyanis a forgás felhasználástól függően rendkívül gyors is lehet. Ez teszi lehetővé a forgórész számára, hogy a saját tengelye körül forogjon. A csapágy jellemzően axiális és radiális erőket is felvesz.
