Pomimo tego, że branża motoryzacyjna oferuje coraz więcej modeli samochodów na prąd, to wciąż pojazdy takie traktowane są jako nowinka techniczna. Niesłusznie, bo napęd elektryczny konkurował ze spalinowym od zarania motoryzacji. Już pod koniec XIX w. klienci mogli nabywać pojazdy bezkonne wyposażone w silnik elektryczny lub protoplastę dzisiejszych benzyniaków. Barierę 100 km/h jako pierwszy złamał w 1899 r. pojazd na prąd właśnie – belgijski La Jamais Contente (Nienasycony). W tym samym czasie po Londynie i Nowym Jorku jeździły elektryczne taksówki.

Zarówno wtedy, jak i dziś podstawowym problemem „elektryków” były baterie, a konkretnie zbyt mała ich pojemność, a także wysoki koszt produkcji. Ponieważ na horyzoncie nie widać technologii, która pozwoliłaby na budowę lekkich, pojemnych i tanich akumulatorów, każda oszczędność w zużyciu energii elektrycznej przez samochód jest na wagę złota. – Nieprawdą jest, że maszyny elektryczne to nudny dział inżynierii, bo silniki niewiele się zmieniły od ponad stu lat. Co do zasady działania to prawda, ale wciąż zmieniają się materiały, z których urządzenia są wykonane. Zmieniają się sterujące nimi automatyka i elektronika. A do tego dochodzą wyzwania związane z miniaturyzacją – mówi prof. Ryszard Pałka z Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.

Wynalazek szczecińskich inżynierów można nazwać próbą walki z naturą, bo rozwiązuje jedną z bolączek trapiących silniki elektryczne z magnesami trwałymi, a która jest konsekwencją praw fizyki omawianych w liceum. Żeby zrozumieć, na czym polega, musimy jednak cofnąć się znacznie wcześniej – do dzieciństwa, w którym na pewno każdy bawił się magnesami.

To wtedy ze zdumieniem odkryliśmy, że w zależności od tego, jakim końcem zbliżymy jeden magnes do drugiego, to albo się gwałtownie ze sobą skleją, albo powstanie między nimi niewidzialna bariera uniemożliwiająca ich złączenie. Ta zasada – przeciwne bieguny się przyciągają, takie same odpychają – stanowi podstawę działania silnika elektrycznego. Jeśli w odpowiedni sposób ukształtować i ułożyć względem siebie magnesy, a także dać jednemu z nich możliwość obracania się, to odpychanie tych samych i przyciąganie przeciwnych biegunów zadziała jak kopniaki, od których ruchomy magnes zacznie wirować. Teraz wystarczy tylko połączyć wirujący metal np. ze śmigiełkiem i – voila! – mamy biurowy wiatrak.

Niestety, w tej chwili zaczynają działać przeciwko nam te same, podstawowe prawa fizyki, które wykorzystaliśmy przed chwilą do budowy silnika. Kiedy tylko magnes (lub elektromagnes) we wnętrzu urządzenia zaczyna wykonywać obrót, powstaje siła elektromotoryczna w postaci napięcia indukowanego. Napięcie to rośnie wraz z prędkością obrotową silnika, aż w końcu osiąga wartość, która zrównując się z napięciem źródła zasilania, ogranicza lub całkowicie odcina prąd silnika. – Przypomina to trochę naczynia połączone: jeśli mamy dwa zbiorniki wypełnione wodą w różnym stopniu, to po odkręceniu kurka w łączącej je rurce poziomy po pewnym czasie się zrównoważą. W odniesieniu do silnika elektrycznego oznacza to, że jest taka prędkość obrotowa silnika z magnesami, przy której ww. napięcie indukowane zrównuje się z napięciem źródła zasilania. Oznacza to, że silnik nie rozwinie wyższych prędkości obrotowych bez kosztownego energetycznie sterowania. Nie jest to sytuacja, z którą chcielibyśmy mieć do czynienia, jadąc 140 km/h po autostradzie, gdy zauważylibyśmy nagle, iż szacowany na początku podróży zasięg leci nam w dół – mówi dr inż. Marcin Wardach.

Brzmi groźnie; a skoro tak, to dlaczego inżynierowie dotychczas nie poradzili sobie z tym problemem? Najprostsza odpowiedź brzmi: bo nie był to problem. Po pierwsze, silniki elektryczne z magnesami trwałymi na masową skalę wykorzystywane są dopiero od kilkunastu lat, chociaż konstruowano je już w pierwszej połowie XX w. Ówczesne magnesy nie dawały jednak oczekiwanych osiągów i idea trafiła na półkę, dopóki do ich wytwarzania nie wykorzystano m.in. stopów neodymu (który jest używany m.in. w słuchawkach; co ciekawe, silnik wykorzystany w samochodach marki Tesla nie wykorzystuje w silniku napędowym magnesów trwałych). – Po drugie, problem ten występuje głównie w napędach elektrycznych o regulowanej, w szerokim zakresie, prędkości obrotowej. W samochodach elektrycznych silniki pracują przy dużych prędkościach obrotowych dochodzących do 13 tys. obrotów na minutę i muszą wytwarzać ogromny moment obrotowy już na starcie. Natomiast w układach napędowych, w których stosowało się i wciąż stosuje głównie silniki niskoobrotowe, opisywany problem nie występuje. Inaczej to jednak wygląda w przypadku pojazdu elektrycznego. Tutaj silnik nie dość, że powinien pracować z największą sprawnością w całym zakresie pracy, to musi spełniać normy bezpieczeństwa. A duża prędkość to duże napięcie – tłumaczy dr inż. Piotr Paplicki.

Sekret rozwiązania szczecińskich naukowców tkwi w specjalnej konstrukcji obwodu magnetycznego silnika. Dzięki temu mogą oni kontrolować zjawiska zachodzące w urządzeniu. Kluczem jest osłabianie pola magnetycznego magnesów trwałych, przy stałej kontroli napięcia indukowanego oraz strat w silniku, zwłaszcza przy dużych prędkościach obrotowych. – W efekcie powstał silnik, który gwarantuje dobrą dynamikę w momencie rozpędzania i rozwijanie dużych prędkości pojazdu. Cechy te powodują, że może on być z powodzeniem zastosowany jako ekonomiczny napęd samochodów elektrycznych – tłumaczy prof. Pałka.

Jeśli kiedyś powstanie polski samochód elektryczny, dobrze byłoby, żeby sięgał po takie właśnie innowacyjne rozwiązania – a nie był tylko luźnym złożeniem dostępnych na rynku elementów. 

Eureka! DGP

Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.