Akkumulátoros szerszámok: a szénkeféktől a BLDC-ig

Kezdjük az alapoktól. Az elektromotor az elektromos energiát mechanikai energiává alakítja. Elektromos kéziszerszám esetében ez azt jelenti, hogy mozgásba hozza a meghajtott berendezés tengelyét. Míg a konnektor váltakozó áramot szolgáltat, az akkumulátor egyenáramot ad.

Akár váltakozó, akár egyenáramú motorokról van szó, az elv ugyanaz – az elektromos áram forgó mágneses teret hoz létre, amely megforgatja a motor forgórészét. Minden motor tehát a forgó mágneses tér elvén működik, a különbség csupán abban van, hogy a motor konstrukciója milyen módon biztosítja ezt.

Számos elektromotortípus létezik, és többségük egyáltalán nem használ szénkeféket. Cserélt Ön valaha szénkefét mosógépben, mosogatógépben, páraelszívóban vagy hűtőszekrényben? Pedig motorok ott is vannak!

Miért van tehát ekkora „felhajtás” a szénkefe nélküli motorok körül az elektromos kéziszerszámokban? Rögtön az elején le kell szögezni, hogy jogosan – ez jelentős műszaki előrelépést jelent. Ugyanakkor igaz az is, hogy (egyelőre) elsősorban az egyenáramú motorokra vonatkozik. Nézzük meg sorban.

Milyen követelményeknek kell megfelelniük az elektromos kéziszerszámok motorjainak?

Elsősorban elegendő teljesítményről, alacsony tömegről, kompakt méretekről és biztonságról van szó. A felhasználó gyakran nem is veszi észre, hogy ezek (vagy más) követelmények sokszor egymással ellentétesek.

Éppen ezért az elektromos kéziszerszámokban eddig leggyakrabban kétféle hajtásegység vált be:

• univerzális kommutátoros motorok a hálózatról táplált szerszámokhoz
• egyenáramú motorok az akkumulátorról táplált szerszámokhoz

Mindkét típus szénkeféket használ – és mindkettőben van kommutátor. Sok berendezésben a mai napig használják őket, és még sokáig lesz szerepük. Megvannak az előnyeik, de a hátrányaik is – több közülük az „Ismerje meg a szénkefe nélküli elektromotort" című cikkben is olvasható.

A közös jellemző ezeknél a motoroknál a tekercseléssel rendelkező forgórész. A fő szerkezeti különbség az állórészben található:

• a hálózati táplálású univerzális motor esetében (1. ábra A) az állórésznek saját tekercselése van
• az akkumulátorról táplált egyenáramú motor esetében (1. ábra B) az állórészt állandó mágnes alkotja

1. ábra. Univerzális (A) és egyenáramú (B) motor kommutátorral és szénkefékkel

Az elektromos kéziszerszámok motorjai mindig külön fejezetet jelentettek

A kommutátoros motorokat – egyébként nagyon megbízható és évtizedeken át tökéletesített szerkezeteket – általában 1500-tól 3000 óráig terjedő élettartammal adták meg. Szinte mindig azonban egy záradék következett: kivéve azokat a motorokat, amelyek nehezített körülmények között működnek. Ilyen esetben élettartamukat csupán körülbelül 100 órára becsülték, néha még ennél is kevesebbre.

És éppen ezek a nehezített, gyakran már-már extrém körülmények jellemzőek az elektromos kéziszerszámokra: hirtelen hőmérséklet-változások, ellenőrizetlen túlterhelés, poros vagy nedves környezet, valamint sokszor a nem megfelelő karbantartás.

Miért nem elég jók már a szénkefés motorok az akkumulátoros szerszámokhoz?

Elsősorban a munkatermelékenység növelésére irányuló nyomás miatt. Másodsorban – mondjuk ki őszintén – a munkánk kényelmének növekvő igénye miatt. Lehet, hogy ez fordítva is érvénnyes… mindenesetre a fejlődés megállíthatatlanul halad előre. Hiszen azt szeretnénk, hogy az építkezésen (szinte) minden elektromos kéziszerszám akkumulátoros legyen! A szénkefés motorok azonban ezt nem tették lehetővé – az energiaigényes gépek, például a sarokcsiszolók vagy a körfűrészek, képesek voltak néhány perc alatt „kiszívni” az akkumulátorból az energiát.

Hálózati kábelt húzni magunk után munka közben bizony nem kényelmes. És mégis – ne feledjük, hogy néhány évtizeddel ezelőtt a kéziszerszámok messze nem érték el a mai szintet. Ha pedig még mélyebbre tekintünk a történelemben, a régi idők épületei ma is állnak – pedig sokszor még pontosan azt sem tudjuk, milyen eljárásokkal tudták megépíteni őket bármiféle elektromos szerszám nélkül.

Az igazság azonban az, hogy a kábel az építkezésen egyszerűen útban van. Az akkumulátoros szerszámok valódi elterjedését két kulcsfontosságú műszaki mérföldkő tette lehetővé:

• a Li-ion akkumulátorok bevezetése
• a szénkefe nélküli motorok (BLDC – Brushless Direct Current) megjelenése az akkumulátoros kéziszerszámokban

A Li-ion akkumulátorok köztudott előnyöket hoztak a régebbi nikkel-kadmiumos (NiCd) és nikkel-metálhidrides (NiMH) akkumulátorokhoz képest: nagyobb kapacitást ésszerű méretek mellett, viszonylag gyors töltést és relatíve magas töltési ciklusszámot.

A BLDC motorok ehhez hozzátették a saját előnyeiket. Ezek közül a legszembetűnőbb a nagyobb hatásfok – azonos méret mellett nagyobb teljesítményt nyújtanak, miközben kevesebb energiát fogyasztanak.

A gyakorlatban ez azt jelenti: több munka egyetlen töltéssel.

Mi a különbség az egyenáramú „szénkefés” motor és a BLDC motor között?

A különbség gyakran már első pillantásra is látható. Ha munka közben – különösen a motor indításakor – a szellőzőnyílásoknál szikrázást lát (videó), akkor szénkefés motorral van dolga.

A szénkefe nélküli (BLDC) motorok nem szikráznak, mivel nincsenek bennük kefék. További részleteket a Milyen motor van az Ön kéziszerszámában? című cikkben talál.

Videó: A kommutátor szikrázása

A „motorháztető alatt” azonban alapvető szerkezeti különbségek rejlenek (2. ábra).

Az alapvető leegyszerűsített „előrejelzés” így hangzik:

• az egyenáramú szénkefés motornak a forgórésze tekercsekből áll, és az állórészt állandó mágnes alkotja
• a BLDC motoroknál ez fordítva van – a forgórész állandó mágnes, az állórészt pedig tekercsek alkotják

Az egyenáramú szénkefés motor (2. ábra A) kommutátorral rendelkezik, amelyhez rugók szorítják a szénkeféket. Az állórész állandó mágnes, a forgórészen pedig tekercsek találhatók.

A BLDC motor (2. ábra B) – vagyis az egyenáramú szénkefe nélküli motor – forgórésze állandó mágnesből áll, míg az állórész a tekercsekből. Figyeljük meg a jelzett Hall-érzékelőket is – ezek érzékelik a forgórész helyzetét, és vezérlőjeleket küldenek az elektronikus kommutációs vezérlőegységhez. Ezt általában elektronikus modulnak vagy egyszerűen elektronikának nevezik.

2. ábra. Szénkefés villanymotor (A) és BLDC motor (B)

Amint látható, a BLDC motort megkülönböztetni a szénkeféstől nem is olyan bonyolult. Sokkal nehezebb megérteni a működési elvük közötti különbségeket. És éppen ezt fogjuk most leegyszerűsítve megmagyarázni.

Mi a különbség a szénkefés és a BLDC motor működési elvében?

Egyenáramú kommutátoros motor (3. ábra A)

Az áram a szénkefékbe van vezetve, amelyek közvetlen kapcsolatban állnak a forgó mechanikus kommutátorral. Éppen ez a csúszó érintkezés a motor leggyengébb láncszeme – elhasználódik, és csökkenti a motor élettartamát.

A kommutátor által létrehozott mágneses tér az állórész mágneseivell együtt biztosítja a forgórész forgómozgását. A forgórészt tekercsek rendszere alkotja, amelyek vas magra vannak feltekerve.

3. ábra. Kommutátoros (A) és szénkefe nélküli (B) motor

Szénkefe nélküli BLDC motor (3. ábra B)

Működési elve eltérő. A kommutátort és a keféket a rögzített állórészre tekert tekercsek váltják fel. Az állórész tekercseiben létrejövő mágneses tér a forgórésszel – az állandó mágnessel – együtt magát a forgórészt forgásba hozza.

Az áram tehát közvetlenül az állórész tekercseibe jut – a motor forgó és álló részei között már nincs semmiféle közvetlen elektromos érintkező. Ez a kulcsfontosságú különbség, amely jelentősen növeli a motor hatásfokát.

Mindennek azonban ára van: a BLDC motornak ugyan nincsenek szénkeféi, de ezzel szemben megjelentek a Hall-érzékelők és az elektronikus vezérlőegység.

Zárszó

A világ egyre inkább a kényelem felé halad – néha feleslegesen túlzott mértékben is. Az akkumulátoros szerszámokban a kommutátoros motorokat gyakran automatikusan BLDC motorok váltják fel, noha ez nem mindig szükséges. Kevés kéziszerszámot használnak ugyanis olyan intenzíven, hogy az akkumulátor hamarabb lemerüljön, mint ahogy a tartalék akku feltöltődne. A szénkefék vagy a kommutátor elhasználódása is csak a rendkívül energiaigényes gépeknél jelent problémát. A trend azonban egyértelmű.

A BLDC – Brushless Direct Current – rövidítés az egyenáramú szénkefe nélküli motorokat jelöli, amelyek jelentős mértékben hozzájárultak az akkumulátoros szerszámok elterjedéséhez. Szabadságot adtak a felhasználóknak a mozgásban, és megszüntették az építkezéseken a hálózati kábelek okozta korlátokat.

Valódi forradalmat indítottak el az elektromos hajtások területén. Nagyobb hatásfokuknak, kisebb tömegüknek és kompaktabb méretüknek köszönhetően terjedtek el. A BLDC motorok életünk szerves részévé váltak, és bár megvannak a korlátaik, akkumulátoros táplálással kombinálva egyértelműen az előnyök kerülnek túlsúlyba.

Az utóbbi időben azonban megjelentek hálózati táplálásra szánt szénkefe nélküli motorok is. Ezek azonban nem BLDC motorok, hanem PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor. Hogy mi a közös bennük, és miben különböznek a BLDC motoroktól, azt itt fogjuk elmondani.

Kulcsszavak: BLDC motor, szénkefék, villanymotor, kommutátor, elektromos kéziszerszám, akkumulátoros kéziszerszám, kéziszerszám

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi

Ing. Herman Nagypál

Katonai iskolát végeztem, repülőgépipari villamosmérnöki tanszéken. Már gyerekkoromban megtanultam szerszámokkal, szerszámgépekkel dolgozni édesapámmal egy családi ház építésénél. Minden új termékünket személyesen is tesztelem - saját kezemmel, jól felszerelt műhelyemben. Szabadidőmben szeretek motorozni a román hágókon. Ezen felül a szakterület trendjeit tanulmányozom, és szívesen kipróbálom a konkurens termékeket is. Némelyiken mosolygok, van amire rácsodálkozom (hogy valaki hagyta magát rászedni és megvette), és van, ami nagyon jó. Majdnem olyan jó, mint a miénk😊.