Aký motor je vo Vašom náradí?

V poslednom desaťročí nastali významné zmeny v elektromotoroch montovaných do elektrických náradí. Čo nám priniesli?

O svojom automobile zrejme vieme, aký má motor, aké palivo (alebo iný druh energie) potrebujeme dopĺňať, kde a ako často kontrolujeme olej, kvapalinu do ostrekovača alebo nemrznúcu zmes.

Tak ako nemusíme byť automechanikmi, keď vlastníme automobil, nemusíme byť ani elektrotechnikmi, keď pracujeme s náradím. Základné vedomosti o elektromotore, ako najdrahšej časti elektrického náradia, nám však môžu ušetriť veľa peňazí. Preto je dobré vedieť aj o svojom náradí, aký motor ho poháňa a čo môžeme pre jeho dlhú životnosť urobiť.

Elektromotory montované do elektrických náradí využívajú silové účinky magnetického poľa a fungujú ako točivé elektrické stroje. To znamená, že všetko to, čo je „za“ motorom, je vlastne „úprava“ otáčavého pohybu rotora na ďalšie „úkony“ prostredníctvom rôznych prídavných mechanizmov. Väčšinou sa jedná o prevodovku, kľukový mechanizmus a podobne.

Stator a rotor

Motory elektrických náradí majú nepohyblivý stator, ktorý je vonkajšou časťou motora. Rotor (niekedy nazývaný kotva) tvorí vnútornú časť motora, je pohyblivý (otáča sa) a je uložený na ložiskách. Medzi nimi je vzduchová medzera.

Stator aj rotor môžu (ale nemusia) mať vinutia. V niektorých prípadoch sa namiesto vinutí - pólov s cievkami - používajú permanentné magnety. Na obr. 1 vidíme všetky možnosti, s ktorými sa dnes môžeme v súvislosti s motormi elektrických ručných náradí stretnúť - zľava - stator z cievok, stator ako permanentný magnet, rotor z cievok a rotor ako permanentný magnet.

Obr. 1. Statory a rotory v motoroch elektrických ručných náradí

Druhy motorov elektrických náradí

Štandardne sa elektromotory delia v prvom rade podľa typu napájania na jednosmerné a striedavé. Tieto sa ďalej delia podľa konštrukcie, princípu práce alebo aj účelu použitia. Je ich dosť, ale v súvislosti s elektrickým ručným náradím toto delenie ani nie je potrebné.

Pri dnešnom trende, akým sa uberá vývoj malých motorov elektrických náradí, je najpraktickejším ich rozdelenie na uhlíkové (kefové) a bezuhlíkové (bezkefové). Tieto si potom môžeme rozdeliť podľa typu napájania na jednosmerné (z akumulátoru) a striedavé (zo sieťovej zásuvky).

Obr. 2. Druhy motorov elektrických náradí

Komutátorové motory

Uhlíkový (kefový) motor využíva mechanickú komutáciu – keď motor pracuje, magnetický pól sa nepohybuje a otáča sa cievka.

Obr. 3. Komutátor (1), klzný kontakt (2) a uhlíková kefa (3) v komutátorovom motore

Nutnou podmienkou pre bezchybnú činnosť komutátorového motora je precízny proces komutácie – zmeny smeru prúdu komutujúcej cievky. Táto zmena prebieha na klznom kontakte medzi kefou a komutátorom (obr.3.).

Práve mechanická komutácia, klzný kontakt a uhlíkové kefy sú najproblematickejším článkom komutátorových motorov.

Keď sú teda v motore náradia uhlíkové kefy, ide o komutátorový motor. Nachádzame sa „v tej ľahšej“ - ľavej polovici tabuľky na obr. 2. Uhlíkové kefy nájdeme v striedavých aj jednosmerných motoroch.

Rotor tvorí kotva (rotor s komutátorom) zapojená v sérii so statorom, preto sa niekedy nazýva sériový komutátorový motor. Často je označovaný aj ako univerzálny motor, pretože vinutia sú v zásade rovnaké pre striedavé aj jednosmerné napájanie.

Pri komutátorových motoroch na striedavý prúd je stator zložený z navzájom odizolovaných statorových plechov a vinutia, statory motorov na jednosmerný prúd sú tvorené permanentným magnetom (obr. 4).

Názvy komutátorový, sériový komutátorový, univerzálny motor v súvislosti s elektrickým ručným náradím vyjadrujú ten istý motor. No a pridajme k tomu ešte často používaný nepresný názov: uhlíkový alebo kefový motor. A stále sme u toho istého motora.

Komutátorový motor má svoju dlhú históriu a za desaťročia prispel tak veľkým podielom k motorizácii nášho okolia, že si to veľakrát ani neuvedomujeme. Za toto obdobie prešiel značnými vylepšeniami a môžeme o ňom smelo povedať, že je „vymakaný“.

Obr. 4. Stator striedavého (1) a jednosmerného (2) komutátorového motora

Je (zatiaľ) najbežnejším a najrozšírenejším motorom, používaným v elektrických ručných náradiach napájaných z elektrickej siete. Ide o vysokootáčkový motor. V režime bez zaťaženia je schopný generovať 25 až 30 tisíc ot/min.

Aj keď sa nad jeho budúcnosťou „zmráka“, v niektorých aplikáciách si bude ešte dlho držať svoju pozíciu, a to najmä vo verzii pre striedavé napájanie.

Najrozšírenejším bol donedávna aj pri napájaní z akumulátora, teda zo zdroja jednosmernej energie. Donedávna preto, lebo sa (najmä) pri jednosmerných motoroch v posledných rokoch zmenil trend.

Aký motor je v náradí, ktoré práve držíme v ruke?

Ešte pred niekoľkými rokmi ste si mohli byť absolútne istí, že Vaše náradie má „uhlíkový“ motor. Skrátka – komutátor, uhlíky a iskry – u elektrického ručného náradia sme si na to v uplynulých desaťročiach zvykli.

Dnes je situácia iná a možno niekedy nevieme, aký motor má naše náradie. Ľahko sa môže stať, že hľadáme iskry tam, kde nie sú – lebo nie sú ani uhlíky (kefy). Motor je pred nami dobre skrytý v plastovom kryte a podľa zvuku rozdiel medzi motormi nespoznáme.

Zistíte to však veľmi ľahko a to bez toho, aby ste museli niečo študovať, zisťovať či rozoberať. Náradie iba tak, bez záťaže, zapíname a vypíname – najlepšie v tmavej miestnosti. V oblasti ventilačných štrbín sledujeme, či iskrí. Keď iskrí, je to určite komutátorový motor. A zapíname a vypíname ho preto, lebo pri dobre „zosúladených a zabehnutých“ uhlíkoch počas chodu naprázdno nemusíme vidieť žiadne iskry. Určite ich však uvidíme pri spúšťaní a u motorov s dobehovou brzdou aj pri vypnutí. Farba iskier je dôležitá – krátke a svetlé (takmer biele) iskry svedčia o dobrej kondícii motora. Náš motor vo videu je teda zrelý aspoň na prečistenie komutátora a kontrolu uhlíkov.

Video: iskry v motore

Bezuhlíkové (bezkefové) motory

Aj keď som vyššie uviedol, že názov uhlíkový (kefový) motor nie je celkom správny, u bezuhlíkových motorov je táto terminológia často používaná. Vývoj v oblasti BL (BrushLess - bezkefových) motorov je v tomto období tak prudký, že ani terminológia nie je (tu a teraz) jednotná.

Nachádzame sa v „tej ťažšej“ – pravej polovici tabuľky na obr. 2.

BL motory majú rotor z permanentného magnetu a stator z plechov. Na prvý pohľad jednoduché. A tak ako to v živote veľakrát býva – niečo, čo sa zdá jednoduché, je zložité a platí to aj opačne.

Veď sa pozrime na rotory – ako zložite vyzerá rotor komutátorového motora a ako jednoducho pôsobí rotor z permanentného magnetu.

Obr. 5. Rotor komutátorového motora (1) a rotor BL motora (2) z permanetného magnetu

V BL motoroch sú kefy a komutátor nahradené cievkami navinutými na nehybnom statore – na rozdiel od komutátorového motora, kde sú cievky na pohyblivom rotore. Tieto cievky vytvárajú prostredníctvom prietoku prúdu kruhové magnetické pole, ktoré otáča rotor – permanentný magnet.

Princíp činnosti BL motorov bežnej konštrukcie je založený práve na využití tohto kruhového magnetického poľa – niečo podobné ako pri trojfázovom motore. Magnety rotoru sú priťahované postupne spínanými cievkami a tým dochádza k jeho otáčaniu. Cievky však musia presne vedieť, kedy a v akej polohe rotora majú zopnúť. Toto nie je úplne jednoduchý technický problém, preto riadiaca elektronika je pomerne zložitá.

V súčasnosti sa bezuhlíkové motory najčastejšie používajú v akumulátorových náradiach. Poznáme ich podľa označenia BLDC (BrushLess Direct Current – bezkefový jednosmerný prúd). Na snímanie polohy magnetického pólu rotora sa používajú Hallove sondy. Tie vysielajú signál pre riadiacu elektroniku o polohe rotora a na základe tejto informácie elektronika prepína smer prúdu v správnom čase tak, aby dochádzalo k vytváraniu magnetickej sily vždy v správnom smere.

Obr. 6. Stator BLDC motora a Hallove sondy (1)

Menej známe sú bezuhlíkové motory v náradiach napájaných zo siete. Označujú sa ako PMSM motory (Permament Magnet Synchronous Motor – synchrónny motor s permanentným magnetom). Niekedy ich nájdeme aj pod označením BLAC (BrushLess Alternate Current – bezuhlíkový striedavý prúd).

Obr. 7. PMSM (BLAC) motor a ovládacia elektronika

Tieto motory majú perspektívu najmä v elektrických ručných náradiach, pracujúcich pod permanentnou záťažou a vyžadujúcich vysoké otáčky výstupného hriadeľa. Význam motorov PMSM si lepšie predstavíme, keď porovnáme napríklad 125mm uhlovú brúsku a vŕtacie kladivo SDS-plus. Bežne má rotor týchto náradí 30.000 ot/min. Výstupné otáčky brúsky sú cca 10.000 ot/min, takže prevod je 3:1. Vŕtacie kladivo má otáčky napr. 1000 ot/min, takže prevod je 30:1. Motor uhlovej brúsky je teda namáhaný 10x viac ako kladivo a preto je predpoklad, že práve pri uhlových brúskach nájde motor PMSM svoje hlavné uplatnenie a vylúči sa tak poruchovosť mechanickej komutácie súčasných komutátorových motorov.

Zhrnutie

Éra uhlíkových motorov nekončí, ale v mnohých oblastiach ich nahradí bezuhlíková konštrukcia. Tá má pri napájaní z akumulátora nesporné výhody, avšak dnešná tendencia – nahradiť všetko bezuhlíkovým motorom je extrém, ktorý tak trocha podľahol módnym tlakom. S komutátorovým motorom sa ešte dlho budeme stretávať, pretože aj ten má v niektorých aplikáciách svoje opodstatnenie. O výhodách a nevýhodách sa dočítate vo viacerých ďalších článkoch.

Kľúčové slová: elektromotor, elektrické náradie, rotor, stator, BLDC motor, komutátor, komutátorový motor, PMSM motor

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 😊.