Vehiculele electrice se bazează exclusiv pe motoare electrice pentru propulsie, iar cele hibride folosesc motoare electrice pentru a asista motoarele cu ardere internă în mișcare. Dar asta nu e tot. Aceste motoare pot fi, și sunt, utilizate pentru a genera electricitate (prin procesul de frânare regenerativă) pentru încărcarea bateriilor de la bordul acestor vehicule.
Cea mai frecventă întrebare este: „Cum este posibil… cum funcționează asta?” Majoritatea oamenilor înțeleg că un motor este alimentat cu electricitate pentru a efectua lucru mecanic — văd asta zilnic în aparatele electrocasnice (mașini de spălat, aspiratoare, roboți de bucătărie).
Dar ideea că un motor poate „funcționa în sens invers”, generând de fapt electricitate în loc să o consume, pare aproape magică. Totuși, odată ce relația dintre magneți și electricitate (electromagnetismul) și conceptul conservării energiei sunt înțelese, misterul dispare.
Electromagnetismul
Puterea motorului și generarea de electricitate încep cu proprietatea electromagnetismului — relația fizică dintre un magnet și electricitate. Un electromagnet este un dispozitiv care se comportă ca un magnet, dar forța sa magnetică este manifestată și controlată de electricitate.
Atunci când un fir dintr-un material conductor (cupru, de exemplu) se mișcă printr-un câmp magnetic, în fir se creează un curent electric (un generator rudimentar). Invers, atunci când electricitatea trece printr-un fir înfășurat în jurul unui miez de fier, iar acest miez se află în prezența unui câmp magnetic, acesta se va mișca și se va roti (un motor foarte simplu).
Motoare/generatoare
Motoarele/generatoarele sunt de fapt un singur dispozitiv care poate funcționa în două moduri opuse. Contrar a ceea ce cred unii, asta nu înseamnă că cele două moduri ale motorului/generatorului funcționează „în sens invers” unul față de celălalt (adică, ca motor, dispozitivul se rotește într-o direcție, iar ca generator, se rotește în direcția opusă).
Arborele se rotește întotdeauna în același fel. „Schimbarea de direcție” este în fluxul de electricitate. Ca motor, consumă electricitate (curentul intră) pentru a produce putere mecanică, iar ca generator, consumă putere mecanică pentru a produce electricitate (curentul iese).
Rotația electromecanică
Motoarele/generatoarele electrice sunt, în general, de două tipuri: AC (Curent Alternativ) sau DC (Curent Continuu), iar aceste denumiri indică tipul de electricitate pe care îl consumă și îl generează.
Fără a intra în prea multe detalii și a complica lucrurile, aceasta este diferența: curentul alternativ (CA) își schimbă direcția (alternează) pe măsură ce curge printr-un circuit. Curenții continui (CC) curg unidirecțional (rămân la fel) pe măsură ce trec printr-un circuit.
Tipul de curent utilizat este legat în principal de costul unității și de eficiența acesteia (un motor/generator de curent alternativ este, în general, mai scump, dar este și mult mai eficient). Este suficient de spus că majoritatea vehiculelor hibride și multe vehicule complet electrice mai mari folosesc motoare/generatoare de curent alternativ — deci acesta este tipul pe care ne vom concentra în această explicație.
Un motor/generator de curent alternativ (ca) este format din 4 părți principale:
- O armătură (rotor) înfășurată cu sârmă, montată pe arbore
- Un câmp de magneți care induc energie electrică, aranjați alăturat într-o carcasă (stator)
- Inele colectoare care transportă curentul alternativ către/de la armătură
- Perii care intră în contact cu inelele colectoare și transferă curentul către/de la circuitul electric
Generatorul de curent alternativ (ca) în acțiune
Armătura este antrenată de o sursă mecanică de putere (de exemplu, în producția comercială de energie electrică ar fi o turbină cu abur). Pe măsură ce acest rotor înfășurat se rotește, bobina sa de sârmă trece peste magneții permanenți din stator și în firele armăturii se creează un curent electric.
Dar pentru că fiecare buclă individuală din bobină trece secvențial mai întâi prin polul nord, apoi prin polul sud al fiecărui magnet pe măsură ce se rotește în jurul axei sale, curentul indus își schimbă continuu și rapid direcția. Fiecare schimbare de direcție se numește ciclu și se măsoară în cicluri pe secundă sau hertz (Hz).
În Statele Unite, frecvența ciclurilor este de 60 Hz (60 de ori pe secundă), în timp ce în majoritatea celorlalte părți dezvoltate ale lumii este de 50 Hz. Inele colectoare individuale sunt montate la fiecare dintre cele două capete ale buclei de sârmă a rotorului pentru a oferi o cale de ieșire a curentului din armătură. Periile (care sunt de fapt contacte din carbon) alunecă pe inelele colectoare și completează calea pentru curent către circuitul la care este atașat generatorul.
Motorul de curent alternativ (ca) în acțiune
Acțiunea motorului (furnizarea de putere mecanică) este, în esență, inversul acțiunii generatorului. În loc să se rotească armătura pentru a genera electricitate, curentul este furnizat de un circuit, prin perii și inelele colectoare, și ajunge în armătură. Acest curent care curge prin rotorul înfășurat (armătura) îl transformă într-un electromagnet. Magneții permanenți din stator resping această forță electromagnetică, determinând armătura să se rotească. Atâta timp cât electricitatea curge prin circuit, motorul va funcționa.
