Elektromotor je dnes stredobodom debát o budúcnosti dopravy, a predsa väčšina ľudí len málo vie o tom, ako vlastne funguje. Nejde pritom o ktovieako záhadnú technológiu. Málokto vie, že princíp elektromotora bol objavený ešte v 19. storočí, pričom jeho fyzikálny základ zostáva rovnaký dodnes. Čo sa zmenilo, je efektívnosť, miniaturizácia a rozsah použitia. Ten dnes siaha od domácich spotrebičov cez priemyselné stroje až po samotné automobily, respektíve elektromobily.
Fyzika za pohybom
Elektromotor premieňa elektrickú energiu na mechanickú, teda na pohyb. Celý princíp stojí na elektromagnetizme, konkrétne na Lorentzovej sile, čiže na jave, pri ktorom na elektricky nabitý vodič prechádzajúci magnetickým poľom pôsobí sila kolmá na smer prúdu aj na smer magnetického poľa.
Práve táto sila spôsobuje otáčanie rotora (pohyblivej časti motora) vo vnútri statora, čo je pevná vonkajšia časť obsahujúca magnety alebo elektromagnety, vysvetľuje server elektromotory.sk.
Každý elektromotor funguje v troch režimoch, a síce motorickom, keď spotrebúva elektrinu a vytvára pohyb; generátorickom, keď zo získaného pohybu produkuje elektrinu; a v režime brzdy, keď odoberá elektrinu, pričom zároveň brzdí mechanický pohyb.
Tento princíp má v automobilovom sektore praktický dosah. Pri brzdení elektromobilu pracuje motor ako generátor a vracia energiu (generovanú brzdením) späť do batérie. Tento proces sa nazýva rekuperácia a výrazne zvyšuje celkovú energetickú efektívnosť vozidla.
Strator, rotor a komunátor
Srdcom elektromotora sú de facto len dve hlavné časti, menvoite stator a rotor. Stator je pevná časť motora, ktorá vytvára magnetické pole pomocou elektromagnetov alebo permanentných magnetov. Rotor je otočná časť uložená vo vnútri statora. Keď ním prechádza elektrický prúd, vzniká magnetické pole, ktoré interaguje s poľom statora a spôsobuje otáčanie. Komutátor slúži na pravidelné prepínanie smeru prúdu tak, aby otáčky pokračovali nepretržite v rovnakom smere.
Treba zdôrazniť, že existuje viacero typov elektromotorových koncepcií. Jednosmerné (DC) motory boli historicky prvé a dnes sa využívajú napríklad v menších zariadeniach či elektrických nástrojoch. Striedavé (AC) motory, predovšetkým asynchrónne, sú dominantou priemyselného využitia. Ich rotor sa otáča pomalšie ako rotujúce magnetické pole statora, pričom práve táto asymetria generuje pohyb.
Moderné elektromobily čoraz viac využívajú bezkartáčové BLDC motory, kde komutáciu nahrádza elektronické riadenie, čo znižuje opotrebenie a predlžuje životnosť.
Elektromotor vs. spaľovací motor
Hoci obidva obsahujú jedno a to isté slovo (motor), rozdiel medzi elektromotorom a spaľovacím motorom je zásadný, a to nielen z ekologického, ale aj technického hľadiska.
Spaľovací motor premieňa chemickú energiu paliva na tepelnú a následne na mechanickú energiu prostredníctvom spaľovania zmesi paliva a vzduchu v piestoch, pričom sa pohyb piestov prenáša cez kľukový hriadeľ, spojku, prevodovku a diferenciál na kolesá. Ide teda o systém s desiatkami pohyblivých súčiastok, ktoré si vyžadujú pravidelnú údržbu.
Napriek tomu však je elektromotor z konštrukčného hľadiska výrazne jednoduchší. Odpadá totiž spojka, viacstupňová prevodovka aj výfuk. Reakcia na stlačenie plynu je takmer okamžitá, pretože nie je potrebné zvyšovať otáčky turbodúchadla ani priradiť stupeň prevodovky, vysvetľuje ElonX.cz. Zároveň je celý maximálny krútiaci moment dostupný od nulových otáčok, čo je presný opak spaľovacích motorov, kde sa plný výkon dostaví až pri vyšších otáčkach.
Neprehliadnite
Efektívnosť a prevádzkové náklady
Asi ani netreba hovoriť, že z hľadiska energetickej efektívnosti je elektromotor jasným víťazom. Elektromotory sú schopné premeniť viac ako 60 percent prijatej elektrickej energie na pohonný výkon, kým spaľovací motor dosahuje len okolo 20 percent (zvyšok energie sa stratí vo forme tepla).
Táto výrazná prevaha sa premieta aj do nižších prevádzkových nákladov. Podľa porovnania portálu AutoŽivě, ktorý sa odvoláva na Verivox, vychádza jazda elektromobilom priemerne na 7,13 eura na 100 km, kým pri benzínovom motore je to 13,39 eura na 100 km. Treba ale upozorniť, že tieto dáta vychádzajú zo stavu ešte pred začiatkom vojny v Iráne, ktorá výrazne vyhnala ceny pohonných látok smerom nahor.
Ďalšou výhodou je menšia náročnosť servisu. Na rozdiel od spaľovacích motorov elektromotor nevyžaduje výmenu oleja, vzduchového filtra, zapaľovacích sviečok ani rozvodového remeňa. Priemerné ročné náklady na údržbu benzínového auta sa pohybujú okolo 400 až 500 eur, kým pri elektromobile sú podstatne nižšie.
Výroba a ekonomická náročnosť
Napriek technickej jednoduchosti elektromotora je výroba elektrického vozidla celkovo nákladnejšia, a to predovšetkým kvôli batérii. Batériové balíky pre elektromobily obsahujú vzácne kovy ako kobalt, nikel, mangán a lítium, ktorých ťažba je nákladná a geopoliticky citlivá.
Samotná výroba elektromotora pritom nie je lacná ani z dôvodu použitia neodymových magnetov, ktoré sa vyrábajú z vzácnych zemín a zabezpečujú vysoký výkon v kompaktných rozmeroch, upozorňuje akademická práca publikovaná na webe VŠTE.
Výsledkom je, že elektromobil môže byť v obstarávacej cene až o 30 percent drahší ako porovnateľné vozidlo so spaľovacím motorom.
V čom elektromotor zaostáva?
Napriek všetkým výhodám má elektromotor, respektíve elektromobil ako celok, stále niekoľko výrazných slabín.
Dojazd a čas nabíjania zostávajú hlavnými bariérami pre bežných používateľov. Zatiaľ čo plná nádrž benzínu sa doplní za pár minút, nabíjanie batérie trvá na domácej nabíjačke 6 až 10 hodín a pri rýchlonabíjačke na 80 percent kapacity okolo 30 minút.
Navyše, sieť verejných nabíjačiek na Slovensku stále zaostáva za hustotou čerpacích staníc. Taktiež nemožno opomenúť, že batéria si pri intenzívnom využívaní postupne znižuje svoju kapacitu a po 8 až 10 rokoch si môže vyžiadať výmenu, ktorá predstavuje výrazný jednorazový (finančný) náklad.
