Slovakia
Bezuhlíkové motory: BLDC vs. PMSM – v čom sa líšia?
Zvykli sme si, že sa propaguje to, čo produkt má – funkcie, doplnky či nové vlastnosti. O to zvláštnejšie pôsobí, keď výrobca zdôrazňuje, čo produkt nemá. A presne to sa deje pri náradí s označením Brushless - motor nemá uhlíkové kefy. V tomto prípade však ide o výnimku.
Bezuhlíkové motory predstavujú moderné riešenie s množstvom výhod. Práve pri akumulátorovom náradí platí, že „nemať kefy“ je lepšie než ich mať – znamená to napríklad žiadne iskrenie, vyššiu účinnosť či nižšie opotrebovanie. O rozdieloch oproti klasickým komutátorovým motorom sa viac dočítate v článku „Akumulátorové náradie: od uhlíkových kief k BLDC“.
Ak teda držíte v ruke akumulátorové náradie označené Brushless, ide o BLDC motor (Brushless Direct Current) – jednosmerný motor s rotorom z permanentného magnetu. Dnes je tak bežný, že iba málo akumulátorových strojov ho nepoužíva.
Pri náradí napájanom zo siete sa však pod označením Brushless často skrýva PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) – synchrónny motor, kde rotor tvorí takisto permanentný magnet. Ide však o novšiu technológiu, ktorá sa ešte vyvíja a čaká ju viacero vylepšení.
Dva motory, jedna spoločná črta – žiadne uhlíkové kefy. Obe riešenia sú moderné a vhodné pre elektrické ručné náradie, no každé má svoje špecifiká.
Čo majú spoločné?
Ak sa nebudeme púšťať do prílišných detailov, BLDC aj PMSM motory spája trojica zásadných čŕt: rotor je permanentným magnetom, založené sú na princípe synchrónneho motora a u oboch je nevyhnutná elektronická komutácia a s ňou súvisiaca kontrola polohy rotora.
1. Rotor z permanentného magnetu
Ide o neodýmové permanentné magnety (obr. 1). Tých je však mnoho druhov a majú rozdielne vlastnosti. V prípade elektrického ručného náradia je jednou z kľúčových vlastností teplotná odolnosť. Vysoké teploty totiž ohrozujú magnetické vlastnosti permanentných magnetov a prílišné prekročenie medzných hodnôt môže spôsobiť nevratný stav – trvalú stratu magnetických vlastností.
Permanentné magnety používané v našich náradiach sú odolné teplote do 150°C. Ich konštrukcia je však pre motory BLDC a PMSM odlišná.
Obr. 1. Rotor a stator BLDC a PMSM motora
2. Princíp synchrónneho motora
BLDC aj PMSM motory patria medzi synchrónne točivé elektrické stroje. To znamená, že magnetické polia statorových vinutí aj rotora sa otáčajú rovnakou uhlovou rýchlosťou – teda synchrónne.
Obr. 2. Preteky dostihových psov: návnada sa pohybuje rovnakou rýchlosťou ako prvý pes
V našom prípade sa otáčky rotora s permanentným magnetom (bez cievkového vinutia) zhodujú so zmenami frekvencie magnetického poľa vytvoreného vinutiami statora.
Zjednodušene: magnetické póly rotora sa snažia „chytiť“ otáčajúce sa magnetické pole statora – a tak sa motor po zapnutí začne otáčať. V momente, keď sa roztočí, nastane synchronizácia – rotor sa začne otáčať presne rovnakou rýchlosťou ako magnetické pole statora.
Na lepšie pochopenie si to môžeme predstaviť ako preteky chrtov. Psi vyštartujú za návnadou a snažia sa ju dobehnúť. Nedobehnú ju však nikdy – vždy je o malý kúsok vpredu. Nakoniec teda bežia rovnakou rýchlosťou ako návnada, čiže synchrónne.
Návnada je magnetické pole statora a pes je magnetické pole rotora (obr. 2).
3. Elektronická komutácia a kontrola polohy rotora
Tu prichádza tá časť, ktorá uberá motoru na jednoduchosti. Uhlíkové kefy ani komutátor síce nepotrebujeme, ale ich funkciu musí nahradiť elektronika. A nielen to – navyše je potrebné mať neustále pod kontrolou polohu rotora.
To znamená: získať informácie o aktuálnej polohe, spracovať ich v reálnom čase a okamžite vykonať korekciu. Tento proces zabezpečuje elektronická komutácia (EC – Electronic Commutation). V praxi sa využívajú tri prístupy:
- Hallove sondy – najlacnejšie, ale aj najmenej presné riešenie
- SCT (Sensorless Control Technology) – bezsenzorová technológia založená na výpočte polohy rotora bez fyzických snímačov
- Vektorová regulácia – najpokročilejšia a zároveň najnáročnejšia metóda
Nie je to žiadna „banalita“ – už samotný pohľad na riadiacu dosku vzbudzuje rešpekt aj u odborníkov – obr. 3 A zobrazuje riadiacu jednotku BLDC motora s Hallovými sondami. Riadiaca jednotka PMSM motora s bezsenzorovým systémom SCT je na obr. 3 B.
Obr. 3. Riadiaca jednotka motora BLDC s Hallovými sondami (A) a bezsenzorová riadiaca jednotka motora PMSM (B)
Obr. 4. Napájanie a priebeh prúdu v statore motora
BLDC a PMSM
V čom sa líšia?
Prvým zásadným rozdielom je spôsob napájania (obr. 4):
- BLDC motor je napájaný jednosmerným prúdom (obr. 4 A)
- PMSM motor pracuje na striedavý prúd (obr. 4 B)
Druhým rozdielom je samotný priebeh prúdu vo vinutí statora (obr. 4), ktorý je riadený elektronickou komutáciou:
- pri BLDC má lichobežníkový (trapézový) tvar (obr. 4 C)
- pri PMSM má sínusový tvar (obr. 4 D)
Tento rozdiel je kľúčom k pochopeniu výhod a nevýhod oboch motorov:
Riadiaca elektronika BLDC motorov je vďaka lichobežníkovému priebehu prúdu podstatne jednoduchšia a tým aj lacnejšia. Navyše sa v nich zvyčajne využívajú Hallove sondy, ktoré predstavujú cenovo dostupné riešenie na kontrolu polohy rotora.
Pri PMSM motoroch je situácia odlišná. Riadenie sínusového priebehu prúdu je zložitejšie a zároveň nákladnejšie, avšak táto vyššia technická náročnosť prináša aj citeľné výhody. Motor pracuje hladšie a presnejšie, dosahuje lepšiu účinnosť a vyšší krútiaci moment. Ten je síce v oboch prípadoch konštantný, avšak PMSM ho udržiava úplne stabilný, zatiaľ čo pri BLDC nepatrne kolíše pri komutáciách.
Ako posledný stojí za to spomenúť ešte jeden benefit: nižšia hlučnosť. Sínusový priebeh totiž generuje výrazne menej harmonických než lichobežníkový, ktorý je typický pre BLDC motory.
Všetky spomínané totožné a rozdielne parametre sú zhrnuté v tab.1.
| Parameter | BLDC Motor | PMSM Motor |
| Rotor | permanentný magnet | permanentný magnet |
| Typ motora | synchrónny | synchrónny |
| Elektronická kontrola polohy rotora | áno | áno |
| Napájanie | jednosmerné (DC) | striedavé (AC) |
| Komutácia | lichobežníková | sínusová |
| Riadiaca elektronika | jednoduché riadiace algoritmy | zložité matematické modely |
| Nákladnosť elektroniky | menej ako PMSM | viac ako BLDC |
| Krútiaci moment | vysoký, ale nižší ako PMSM | vysoký, vyšší ako BLDC |
| Kolísanie krútiaceho momentu | áno, pri komutácii | žiadne (takmer žiadne) |
| Účinnosť | vysoká, ale nižšia ako PMSM | vysoká, vyššia ako BLDC |
| Hlučnosť | vyššia ako PMSM | nižšia ako BLDC |
| Celkové výrobné náklady | nižšie ako PMSM | vyššie ako BLDC |
Tab. 1. Prehľad spoločných a rozdielnych parametrov motorov BLDC a PMSM
Typickým predstaviteľom elektrického ručného náradia s motorom BLDC pre napájanie z akumulátora je uhlová brúska HERMAN AXAG-1800 (obr. 5 A). Riadiaca elektronika získava informácie o polohe rotora z troch Hallových sond. Na rovnakom princípe dnes funguje väčšina profesionálneho akumulátorového náradia konkurenčných výrobcov.
Do druhej skupiny – určenej na napájanie zo siete – patrí uhlová brúska HERMAN 125 LEVIRA (obr. 5 B) vybavená motorom PMSM s bezsenzorovým systémom SCT a príkonom až 1550W. Čo je však podstatné, umožňuje konštrukciu s mimoriadne komfortným a štíhlym úchopom. Motory tohto typu sú v uhlových brúskach zatiaľ skôr výnimočné, no ich vývoju venujeme intenzívnu pozornosť a prvé výsledky sa už úspešne dostávajú na trh.
Obr. 5. Uhlová brúska s motorom BLDC (A) a PMSM SCT (B)
Záver
Motory BLDC sú zložitejšie ako ich predchodca – jednosmerné komutátorové motory. Ich prínos k pohodliu pri práci najmä v spojení s akumulátorovým napájaním je však nepopierateľný – veď v podstate za niekoľko rokov zmenil odvetvie elektrického ručného náradia. Zložitosť do systému riadenia vnáša najmä elektronika – tá riadi komutáciu a kontroluje pohyb rotora.
Motory PMSM sú však z pohľadu elektroniky ešte komplikovanejšie. Napriek tomu sa nimi oplatí zaoberať, pretože najmä v strojárstve sa náradia, predovšetkým uhlové brúsky, budú ešte dlho používať. A dobrý motor – aj keď výrazne nákladnejší ako súčasný striedavý komutátorový motor, by výrazne zjednodušil prácu s týmto najrozšírenejším náradím. A čo keď máme v talóne ešte aj iné možnosti? Napíšeme o nich o niekoľko mesiacov...
Kľúčové slová: BLDC motor, PMSM motor, brushless, uhlíkové kefy, elektromotor, komutátor, stator, rotor, permanentný magnet, elektrické náradie, akumulátorové náradie, ručné náradie
Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
https://innoflighttechnology.com/
https://www.gian-transmission.com/
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 😊.
Článok zatiaľ nikto nekomentoval. Buďte prvý!