Akumulátorové náradie: od uhlíkových kief k BLDC

Začnime od základov. Elektromotor premieňa elektrickú energiu na mechanickú. Pri elektrickom náradí to znamená uvedenie hriadeľa poháňaného zariadenia do pohybu. Zatiaľ čo elektrická zásuvka dodáva striedavý prúd, akumulátor je zdrojom jednosmerného prúdu.

Či už ide o striedavé alebo jednosmerné motory, princíp je rovnaký – elektrický prúd vytvára rotujúce magnetické pole, ktoré roztáča rotor motora. Všetky motory teda fungujú na báze otáčajúceho sa magnetického poľa, rozdiel je iba v tom, akým spôsobom to konštrukcia motora zabezpečí.

Existuje veľké množstvo typov elektromotorov a väčšina z nich uhlíkové kefy vôbec nepoužíva. Vymieňali ste niekedy kefy v pračke, umývačke riadu, digestore či chladničke? Motory tam predsa sú!

Prečo je teda okolo bezuhlíkových motorov v elektrickom ručnom náradí také „haló“? Treba hneď na úvod povedať, že oprávnene – ide o významný technický pokrok. Zároveň však platí, že sa (zatiaľ) týka predovšetkým jednosmerných motorov. Poďme si to vysvetliť postupne.

Aké požiadavky musia spĺňať motory elektrického ručného náradia?

V prvom rade ide o dostatočný výkon, nízku hmotnosť, kompaktné rozmery či bezpečnosť. Používateľ si často ani neuvedomuje, že tieto (alebo aj iné) požiadavky bývajú navzájom protichodné.

Práve z tohto dôvodu sa v elektrickom ručnom náradí doteraz najčastejšie uplatnili dva typy pohonných jednotiek:

• univerzálne komutátorové motory pre náradia napájané zo siete
• jednosmerné motory pre náradia napájané z akumulátora

Oba typy využívajú uhlíkové kefy – a oba majú komutátor. V mnohých zariadeniach sú používané dodnes a ešte dlho budú nachádzať uplatnenie. Majú svoje výhody, no aj nedostatky – o viacerých z nich píšeme aj v článku „Zoznámte sa s bezuhlíkovým motorom".

Spoločným znakom týchto motorov je rotor s vinutím. Hlavný konštrukčný rozdiel nájdeme v statore:

• pri univerzálnom motore na sieťové napájanie (obr. 1 A) má stator vlastné vinutie
• pri jednosmernom motore na napájanie z akumulátora (obr. 1 B) tvorí stator permanentný magnet

Obr. 1. Univerzálny (A) a jednosmerný (B) motor s komutátorom a uhlíkovými kefami

Motory v elektrických ručných náradiach boli vždy osobitnou kapitolou

Komutátorové motory – inak veľmi spoľahlivé a desaťročiami zdokonalené – sa bežne uvádzali s životnosťou 1500 až 3000 hodín. Takmer vždy však nasledoval dodatok: s výnimkou motorov pracujúcich v sťažených podmienkach. V takom prípade sa ich životnosť odhadovala len na približne 100 hodín, niekedy dokonca ešte menej.

A práve takéto sťažené, často až extrémne podmienky sú typické pre elektrické ručné náradie: náhle teplotné zmeny, nekontrolované preťaženie, prašné či vlhké prostredie a neraz aj nedostatočná údržba.

Prečo už motory s uhlíkovými kefami nie sú dosť dobré pre akumulátorové náradie?

V prvom rade je to rastúci tlak na vyššiu produktivitu práce. A v druhom rade – povedzme si úprimne – aj na naše pohodlie pri práci. Možno je to aj opačne… každopádne, vývoj ide nezadržateľne dopredu. Chceme mať predsa na stavbe (takmer) všetky náradia akumulátorové! Motory s uhlíkovými kefami to však neumožňovali – energeticky náročné stroje, ako napríklad uhlové brúsky či okružné píly, dokázali z akumulátoru „vysať“ energiu už za pár minút.

Ťahať za sebou sieťový kábel pri práci určite nie je pohodlné. A predsa – nezabúdajme, že ešte pred niekoľkými desaťročiami ručné náradie zďaleka nedosahovalo dnešnú úroveň. A ak sa pozrieme ešte hlbšie do histórie, stavby z dávnych čias stoja dodnes – hoci často ani presne nevieme, akými postupmi ich stavitelia dokázali postaviť bez akéhokoľvek elektrického náradia.

Pravda je však taká, že kábel na stavbe jednoducho prekáža. Skutočný rozmach akumulátorového náradia umožnili dva kľúčové technické míľniky:

• zavedenie Li-ion akumulátorov
• príchod bezkefových motorov (BLDC – Brushless Direct Current) v akumulátorovom náradí

Li-ion akumulátory priniesli všeobecne známe výhody oproti starším nikel-kadmiovým (NiCd) a nikel-metalhybridovým (NiMH): vyššiu kapacitu pri rozumných rozmeroch, pomerne rýchle nabíjanie a relatívne vysoký počet nabíjacích cyklov.

BLDC motory k tomu pridali vlastné prednosti. Najvýraznejšou z nich je vyššia účinnosť – pri rovnakej veľkosti ako jednosmerný komutátorový motor poskytujú vyšší výkon a pritom spotrebujú menej energie.

V praxi to znamená: viac práce na jedno nabitie.

Aký je rozdiel medzi jednosmerným „uhlíkovým“ motorom a BLDC motorom?

Rozdiel je často viditeľný už na prvý pohľad. Ak pri práci – najmä pri štarte motora – uvidíte pri vetracích otvoroch iskrenie (video), ide o motor s uhlíkovými kefami.

Bezkefové (BLDC) motory neiskria, keďže nemajú kefy. Viac detailov nájdete v článku: Aký motor je vo Vašom náradí?

Video: Iskrenie komutátora

„Pod kapotou“ sa však skrývajú zásadné konštrukčné rozdiely (obr. 2).

Základná zjednodušená „predikcia“ znie:

• jednosmerný motor s uhlíkovými kefami má rotor z cievok a stator tvorí permanentný magnet
• pri BLDC motoroch je to naopak – rotor je permanentný magnet a stator tvoria cievky s vinutím

Jednosmerný motor s uhlíkovými kefami (obr. 2 A) má komutátor, ku ktorému sú pružinami pritláčané uhlíkové kefy. Stator je permanentný magnet a rotor má cievky s vinutiami.

Motor BLDC (obr. 2 B) – teda jednosmerný motor bez uhlíkových kief – má rotor z permanentného magnetu a stator sú cievky s vinutím. Všimnime si aj naznačené Hallove sondy - snímajú polohu rotora a odosielajú kontrolné signály do riadiacej jednotky elektronickej komutácie. Tá sa bežne označuje ako elektronický modul alebo jednoducho elektronika.

Obr. 2. Elektrický motor s uhlíkovými kefami (A) a motor BLDC (B)

Ako vidno, odlíšiť BLDC motor od uhlíkového nie je až také náročné. Oveľa náročnejšie je porozumieť rozdielom v princípe ich fungovania. A práve to sa teraz pokúsime vysvetliť zjednodušene.

Aký je rozdiel v princípe činnosti uhlíkového a BLDC motora?

Jednosmerný komutátorový motor (obr. 3 A)

Prúd je privádzaný do uhlíkových kief, ktoré sú v priamom kontakte s rotujúcim mechanickým komutátorom. Práve tento klzný kontakt je najslabším článkom motora – opotrebováva sa a znižuje životnosť motora.

Komutátorom vytvorené magnetické pole v spolupráci s magnetmi statora zabezpečuje rotačný pohyb rotora. Rotor tvorí sústava cievok navinutých na železnom jadre.

Obr. 3. Komutátorový (A) a bezkefový (B) motor

Bezkefový motor BLDC (obr. 3 B)

Princíp jeho činnosti je odlišný. Komutátor a kefy sú nahradené cievkami navinutými na nehybnom statore. V cievkach statora sa vytvára magnetické pole, ktoré v spolupráci s rotorom – permanentným magnetom – roztočí samotný rotor.

Prúd je teda privádzaný priamo do statorových cievok – medzi rotujúcimi a pevnými časťami motora už nie je žiadny priamy kontakt. To je kľúčová odlišnosť, ktorá výrazne zvyšuje účinnosť motora.

Všetko má však svoju cenu: BLDC motor síce nemá uhlíkové kefy, ale na druhej strane pribudli Hallove sondy a elektronická riadiaca jednotka.

Záver

Svet sa čoraz viac uberá smerom k pohodliu – niekedy až zbytočne prehnanému. V akumulátorovom náradí sú komutátorové motory často automaticky nahrádzané motormi BLDC, hoci to nie je vždy nevyhnutné. Len málo náradí sa totiž využíva tak intenzívne, aby sa batéria vybila skôr, než sa stihne nabiť náhradná. Aj opotrebovanie uhlíkových kief či komutátora predstavuje problém iba pri strojoch s extrémnou spotrebou energie. Trend je však jednoznačný.

Skratka BLDC – Brushless Direct Current – označuje jednosmerné bezkefové motory, ktoré výraznou mierou prispeli k rozmachu akumulátorového náradia. Priniesli užívateľom slobodu pohybu a odstránili obmedzenia spôsobené prívodnými káblami na stavbách.

Odštartovali skutočnú revolúciu v oblasti elektrických pohonov. Presadili sa vďaka vyššej účinnosti, nižšej hmotnosti a kompaktnejším rozmerom. BLDC motory sa stali pevnou súčasťou nášho života a hoci majú svoje limity, v kombinácii s akumulátorovým napájaním jednoznačne prevažujú ich výhody.

V poslednom období sa však objavujú aj bezkefové motory určené na sieťové napájanie. Nie sú to však motory BLDC, ale PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor. Čo majú spoločné a čím sa líšia od BLDC, si povieme tu.

Kľúčové slová: BLDC motor, uhlíkové kefy, elektromotor, komutátor, elektrické náradie, akumulátorové náradie, ručné náradie

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN

Ing. Herman Nagypál

Vyštudoval som leteckú elektrotechniku na vojenskej škole. S náradím a nástrojmi som sa naučil pracovať už v detstve s otcom pri stavbe rodinného domu. Každý náš nový produkt osobne testujem – vlastnými rukami a do detailov. Vo voľnom čase rád brázdim rumunské horské priesmyky na motorke. Okrem toho sledujem novinky a trendy v odbore a často skúšam aj konkurenčné produkty. Niektoré ma pobavia, pri iných len nechápavo krútim hlavou (že sa niekto dal nachytať a kúpil to) a občas sa nájde aj vydarený kúsok. Takmer taký dobrý ako ten náš 😊.