Dlaczego silnik elektryczny się nagrzewa i jak bardzo może się nagrzać?

Moc silnika elektrycznego jest przede wszystkim ograniczona przez jego temperaturę. Silnik może wytrzymać bardzo duży prąd przez kilka sekund, ale następnie musi zostać obniżony, aby nie uległ uszkodzeniu. Zrozumienie, skąd pochodzi ciepło i jakie zagrożenia stwarza, pomaga w optymalizacji działania urządzenia, wyborze odpowiedniego silnika oraz w interpretacji spadku mocy podczas jazdy.

Straty w miedzi

Cewki mają niewielką oporność elektryczną. Prąd przepływający przez nie powoduje wydzielania ciepła, które jest proporcjonalne do kwadratu prądu: podwojenie prądu powoduje czterokrotne zwiększenie ciepła. To są tzw. straty miedziane, i dominują one, gdy wymagane jest duże moment obrotowy: podczas ruszania, wjazdów pod górę i przyspieszania.

Zjawisko to samo się podtrzymuje: opór miedziany wzrasta o około 0,4% na każdy stopień Celsjusza. Oznacza to, że silnik, który jest już ciepły, nagrzewa się jeszcze szybciej, przy takim samym natężeniu prądu.

Dlatego też wybór uzwojenia jest bardzo ważny: silnik High Speed, który generuje mniej momentu obrotowego na amper, wymaga większego prądu, aby osiągnąć ten sam efekt. Zapraszamy do zapoznania się z naszym przewodnikiem na temat Kv, Kt i liczby biegunów silnika elektrycznego.

Straty w żelazie

Stator jest wykonany z cienkich blach ze stali magnetycznej. Podczas każdego cyklu elektrycznego, pole magnetyczne zmienia swoją polaryzację, co powoduje dwa rodzaje strat:

• Histereza: niewielka energia tracona przy każdej zmianie kierunku pola magnetycznego w metalu;
• Prądy Foucaulta: są to prądy indukowane, które krążą w blachach i powodują ich nagrzewanie. Właśnie po to żelazo jest laminowane na izolowane blachy, aby ograniczyć te prądy.

Te straty wzrastają wraz z częstotliwością elektryczną, a więc z prędkością i liczbą biegunów. Są one szczególnie istotne przy wysokich prędkościach i dodatkowo wzrastają podczas osłabiania pola magnetycznego.

Co grozi w związku z przegrzewaniem się

Izolacja uzwojeń

Miedziany przewód jest pokryty izolacją, zaprojektowaną z myślą o określonej maksymalnej temperaturze, wynikającej z jego klasy izolacji. Przy przekroczeniu tej temperatury, izolacja szybko się starzeje, a następnie pęka: uzwojenia zaczynają się stykać, silnik traci na wydajności, jeszcze bardziej się nagrzewa i ostatecznie może ulec uszkodzeniu.

Magnesy

Magnesy neodymowe tracą nieco swojej siły, gdy się nagrzewają: silnik generuje mniej momentu obrotowego na amper, co można odwrócić poprzez schłodzenie. Jednak powyżej pewnej temperatury, zależnej od ich klasy, część namagnesowania zostaje trwale utracona: to zjawisko nazywane demagnetyzacją. Wówczas silnik trwale traci moc. Klasy magnesów są oznaczane literami (np. H, SH, UH), które wskazują ich odporność na temperaturę.

Ryzyko jest największe, gdy wysoka temperatura łączy się z silnym prądem działającym przeciwnie do działania magnesów, na przykład podczas intensywnego hamowania.

Jak silnik zintegrowany z piastą odprowadza ciepło?

Silnik wbudowany w koło hulajnogi to zamknięta obudowa. Ciepło generowane przez uzwojenia, znajdujące się w centrum, musi najpierw przedostać się przez powietrze wewnątrz obudowy, aby dotrzeć do obręczy, a następnie do powietrza zewnętrznego; część ciepła również przechodzi przez oś do ramy hulajnogi. Ta droga jest długa, co wyjaśnia, dlaczego silnik wbudowany w koło szybko się nagrzewa podczas intensywnej pracy.

Istnieje kilka rozwiązań, które mogą poprawić ten proces:

• umożliwiający lepszą wentylację, jak nasz system wentylacji dla silników;
• specjalny płyn (ferofluid) umieszczony w szczelinie między elementami, który przewodzi ciepło lepiej niż powietrze;
• silnik o większej mocy, który generuje taki sam moment obrotowy przy mniejszym natężeniu prądu i oferuje większą powierzchnię wymiany ciepła.

Monitorowanie temperatury

Wiele silników w hulajnogach elektrycznych posiada czujnik temperatury zintegrowany z uzwojeniem. Podłączony do kontrolera, pozwala on stopniowo zmniejszać prąd przed osiągnięciem niebezpiecznego progu. To właśnie powoduje wrażenie utraty mocy po długiej wspinaczce – jest to mechanizm ochronny, a nie awaria.