Paradoksem jest to, że silniki elektryczne pojawiły się znacznie wcześniej niż silniki spalinowe – ale przez długi czas nie odgrywały istotnej roli w samochodach. Od wielu dziesięcioleci wózki widłowe, pociągi itp. są napędzane elektrycznie. Ponadto od XIX w. silniki elektryczne obsługują wiele różnych zadań w sektorze przemysłowym. Ich zalety są w rzeczywistości przytłaczające: silniki elektryczne wykazują doskonałą sprawność, nie wytwarzają zanieczyszczeń, nie zużywają energii, gdy są nieruchome, a do tego są ciche i niskowibracyjne, zaś ich wymagania w zakresie konserwacji są ograniczone lub żadne. Fakt, że nadal odgrywają one niewielką rolę jako napęd samochodowy, nie wynika z wad silnika elektrycznego, ale ze słabej charakterystyki źródła energii: ponieważ moc nie jest dostarczana podczas jazdy na liniach napowietrznych lub podobnych, wymagana energia musi być „wożona” w postaci akumulatorów. Wysoka sprawność silnika elektrycznego wynosząca co najmniej 90% – najlepsze silniki spalinowe osiągają nieco ponad 40% – jest niwelowana przez bardzo niekorzystną gęstość energii akumulatora. Porównując stosunek zawartości energii do wagi, paliwo jest około 30 razy lepsze od zwykłego akumulatora litowo-jonowego.

Napęd VW e-up! z chłodzonym cieczą silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi i wirnikiem wewnętrznym. © Volkswagen

Napęd VW e-up! z chłodzonym cieczą silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi i wirnikiem wewnętrznym.

Silniki trójfazowe dominują na rynku

Konstruktorzy zwracają uwagę na fakt, że silniki elektryczne służą nie tylko do napędzania samochodów. Napędy hybrydowe nie miałyby sensu, gdyby silnik elektryczny nie był zdolny do odzyskiwania energii, tzn. do wytwarzania prądu podczas toczenia auta lub hamowania. To samo dotyczy samochodów czysto elektrycznych. Bo dlaczego nie wykorzystać takiej sposobności? Silnik elektryczny jest więc tutaj albo konwerterem elektromechanicznym, który przekształca energię elektryczną w ruch, albo generatorem przetwarzającym energię kinetyczną na energię elektryczną. W zasadzie każdy silnik elektryczny zbudowany jest ze stojana i wirnika, przy czym stojan jest zawsze wyposażony w cewki. Właściwości magnetyczne wirnika są generowane na bardzo różne sposoby. Typowe dla samochodów osobowych są silniki trójfazowe synchroniczne i asynchroniczne. Jak sama nazwa wskazuje, pracują one z prądem trójfazowym. Trzy przewody, rozłożone co 120 stopni, prowadzą napięcie przemienne. Jeśli doprowadzi się to napięcie co najmniej do trzech cewek, powstają pola magnetyczne w liczbie odpowiadającej liczbie cewek, które również są przesunięte o jedną trzecią okresu drgań. Te trzy pola magnetyczne tworzą pole, które obraca się z prędkością podyktowaną częstotliwością.

Silnik synchroniczny z wirnikiem zewnętrznym zainstalowany w Audi Q7. © Audi AG

Silnik synchroniczny z wirnikiem zewnętrznym zainstalowany w Audi Q7.

Za tym „naturalnym” wirowaniem prądu przemiennego podąża magnetyczny wirnik, który analogicznie do wału korbowego przenosi ruch obrotowy na skrzynię biegów lub bezpośrednio na układ napędowy. Poszczególne konstrukcje silników synchronicznych i asynchronicznych różnią się głównie strukturą wirnika. Silnik synchroniczny ma wirnik z elektrycznym lub trwałym wzbudzeniem magnetycznym, który synchronicznie podąża za polem magnetycznym stojana. Natomiast wirnik silnika asynchronicznego posiada tzw. uzwojenie zwarciowe, które jest tak nazywane, ponieważ początek i koniec uzwojenia są ze sobą połączone. Pole elektryczne stojana wzbudza pole elektryczne na wirniku. Jeśli wirnik pracuje wolniej niż pole elektryczne stojana, generowany jest żądany moment obrotowy. To asynchroniczne przesunięcie, tak zwany poślizg, jest warunkiem wstępnym działania silnika asynchronicznego.

Prawie wszystkie silniki mają magnes

Silnik synchroniczny jest dostępny w wariancie wzbudzanym prądowo lub wyposażonym w magnesy trwałe. W wariancie wzbudzonym prądem wirnik ma uzwojenia wzbudzane prądem stałym. Taka konstrukcja jest tańsza, ponieważ nie wymaga zastosowania magnesów trwałych. Jednakże do zasilania wirnika potrzebne są styki ślizgowe. Zdecydowanie najbardziej powszechnym rodzajem silników elektrycznych w pojazdach hybrydowych i elektrycznych są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, w których wirnik jest wyposażony w magnesy umieszczone na powierzchni lub w jego wnętrzu. Ten wariant jest korzystny w przypadku silników o dużej prędkości, ponieważ siły odśrodkowe nie mogą złamać magnesów. Istnieją również różnice w materiale wykonania magnesów: najlepszy stosunek masy i objętości do sprawności osiągają magnesy ziem rzadkich, na przykład neodymowe.

Mniejszą wydajność, wciąż jednak lepszą sprawność niż silniki asynchroniczne, mają magnesy ferrytowe. W przypadku silników synchronicznych z magnesami trwałymi można wyróżnić dwa warianty: z wirnikiem wewnętrznym lub zewnętrznym. W mniej popularnej konstrukcji z wirnikiem zewnętrznym wirnik jest zaprojektowany w formie dzwonu otaczającego stojan. Nawiasem mówiąc, nie są tu wymagane żadne wbudowane magnesy, ponieważ siła odśrodkowa naturalnie dociska je do dzwonu. Mówiąc prościej: zewnętrzny wirnik jest korzystny, gdy potrzebny jest wysoki moment obrotowy, zaś wewnętrzny wirnik lepiej nadaje się do większych prędkości obrotowych. Typowym przykładem zastosowania zewnętrznego wirnika jest Mercedes S400 H z 2009 r. Jego silnik elektryczny zintegrowany z dzwonem skrzyni biegów miał początkowo tylko 15 kW, ale wysoki moment obrotowy pomagający w rozruchu i przyspieszeniu. Silnik „Dynastart” firmy ZF był również używany w BMW 750 iH. Jednak najbardziej rozpowszechnioną obecnie konstrukcją jest silnik z magnesami trwałymi i wewnętrznym wirnikiem – ze względu na to, że nadaje się on również do znacznie wyższych prędkości.

Zalety i wady różnych typów silników

Ogólnie rzecz biorąc, różne typy silników mają różnorakie zalety i wady. Silnik asynchroniczny jest stosunkowo niedrogi i nie zawiera styków ślizgowych, dlatego nie wymaga konserwacji. Jednak w przypadku silników asynchronicznych warunkiem ich uruchomienia jest wytworzenie pola magnetycznego. Szczególnie przy niskich prędkościach ich sprawność jest niższa niż u „konkurencji”. Ich ogromnymi atutami są za to niski koszt i wysoka solidność. Obecnie producent samochodów sportowych – Tesla korzysta z silnika asynchronicznego. Być może dlatego, że ten typ silnika jest niewrażliwy termicznie nawet przy dużych obciążeniach i problemach z chłodzeniem.
Silnik synchroniczny wzbudzany prądem ma wyższą sprawność w porównaniu z silnikiem asynchronicznym, ale niższą gęstość mocy. Jak już wspomniano, wymaga zestyków przesuwnych i dlatego nie jest całkowicie bezobsługowy. Ponadto zajmuje stosunkowo dużo miejsca. Silnik synchroniczny i asynchroniczny mają jedną wspólną cechę: oba wymagają – aczkolwiek na różne sposoby – prądu do wzbudzenia pola magnetycznego: nie ma prądu, nie ma pola magnetycznego. Jest to korzystne na przykład w przypadku napędu na tylną oś, ponieważ wykluczone są magnetyczne straty oporu, które nie są tam pożądane. To, że silnik synchroniczny z magnesami trwałymi jest najczęściej stosowanym typem, wynika prawdopodobnie z faktu, że ma on zarówno większą gęstość mocy, jak i wyższą sprawność.