Milyen motor van az Ön kéziszerszámában?

Az elmúlt évtizedben jelentős változások történtek az elektromos kéziszerszámokba szerelt villanymotorok terén. Mi a változások hozadéka?

Valószínűleg ismerjük az autónkat, tudjuk, hogy milyen motorja van, milyen üzemanyagot (vagy más energiát) kell tankolnunk, hol és milyen gyakran ellenőrizzük az olajat, az ablakmosó vagy a fagyálló folyadékot.

Ahogyan nem kell autószerelőnek lennünk ahhoz, hogy autónk legyen, úgy nem kell villanyszerelőnek lennünk ahhoz, hogy kéziszerszámokkal dolgozzunk. Az elektromotor, mint az elektromos kéziszerszámok legdrágább alkatrészeinek alapszintű ismerete azonban sok pénzt takaríthat meg számunkra. Ezért is jó, ha tisztában vagyunk azzal hogy a szerszámunkat milyen motor hajtja, és mit tehetünk annak hosszú élettartamáért.

Az kéziszerszámokba szerelt villanymotorok a mágneses mező erőhatásait használják ki, és forgó villamos gépként működnek. Vagyis mindaz, ami a motor "mögött" van, valójában a rotor forgó mozgását "módosítja", hogy különböző kiegészítő mechanizmusokon keresztül más "feladatokat" hajtson végre. Ezek többnyire sebességváltók, forgattyús mechanizmusok, kulisszák és hasonlók.

Sztátor és forgórész

A kéziszerszámok motorjainak sztátorja nem mozog, ez a motor külső része. A forgórész (rotornak is nevezik) a motor belső részét alkotja, forog és csapágyazott. Közöttük egy légrés van.

Mind az sztátor, mind a forgórész tartalmazhat (de nem muszáj tartalmaznia) tekercselést. Egyes esetekben tekercsek helyett állandó mágneseket használnak. Az 1. ábra mutatja az összes lehetőséget, amelyekkel ma az elektromos kéziszerszám motorokkal kapcsolatban találkozhatunk - balról - tekercsekből készült sztátor, sztátor állandó mágnesből, tekercsekből készült rotor és állandó mágnes rotor.

1. ábra. Az elektromos kéziszerszámok motorjainak álló- és forgórészei

Az elektromos kéziszerszámok motortípusai

A szabványos villanymotorokat elsősorban a tápfeszültség szerint egyenáramú és váltakozó áramú motorokra osztják. Ezeket tovább osztják a konstrukció, a működési elv vagy akár a felhasználási cél szerint. Ezekből elég sok van, de az elektromos kéziszerszámok esetében erre a felosztásra nincs is szükség.

A kis kéziszerszám motorok fejlődésének mai trendje alapján a legpraktikusabb felosztás: szénkefés és szénkefe nélküli motorok. Ezeket aztán az áramellátás típusa szerint egyenáramú (akkumulátorról) és váltakozó áramú (hálózati aljzatról működtethető) motorokra lehet osztani.

2. ábra. Az kéziszerszám motorok típusai

Kommutátoros motorok

A szénkefés motor mechanikus kommutációt használ - amikor a motor működik, a mágneses pólus nem mozog, de a tekercs (forgórész) forog.

3. ábra. Kommutátor (1), csúszó érintkező (2), és szénkefe (3) a kommutátoros motorban

A kommutátoros motor hibátlan működésének szükséges feltétele a pontos kommutációs folyamat - a tekercsáram irányának megváltoztatása. Ez a változás a szénkefe és a kommutátor közötti csúszó érintkezésnél történik (3. ábra).

A mechanikus kommutálás, a csúszó érintkező és a szénkefék jelentik a kommutátoros motorok legproblémásabb láncszemét.

Tehát ha a kéziszerszám motorban szénkefe van, akkor az egy kommutátoros motor. A 2. ábrán a táblázat "könnyebb" - bal oldali felében vagyunk. Mind a váltóáramú, mind az egyenáramú motorokban találunk szénkeféket.

A forgórész az állórésszel sorba kapcsolt tekercselésből és kommutátoból áll, ezért néha soros kommutátoros motornak nevezik. Gyakran univerzális motornak is nevezik, mivel a tekercsek lényegében ugyanazok mind a váltakozó-, mind az egyenáramú áram esetében.

A váltakozó áramú kommutátoros motoroknál az sztátor egymástól elszigetelt dinamólapokból és tekercsekből áll, míg az egyenáramú motorok sztátorját állandó mágnes alkotja (4. ábra).

A kommutátoros, soros kommutátoros, univerzális motor elnevezések az elektromos kéziszerszámokkal kapcsolatban ugyanazt a motort fejezik ki. És tegyük hozzá a gyakran használt pontatlan elnevezést: szénkefés motor. És még mindig ugyanannál a motornál vagyunk.

A kommutátoros motor nagy múltra tekint vissza, és az évtizedek során oly sokat tett hozzá környezetünk motorizációjához, hogy sokszor észre sem vesszük. Ez idő alatt jelentős fejlesztéseken ment keresztül, és nyugodtan mondhatjuk, hogy "jól kifejlesztett".

4. ábra. Váltóáramú (1) és egyenáramú (2) kommutátoros motorok sztátorja

Ez (eddig) a leggyakoribb és legelterjedtebb motor, amelyet a hálózatról táplált elektromos kéziszerszámokban használnak. Ez egy magas fordulatszámú motor. Terheletlen üzemmódban 25-30 ezer fordulat/perc fordulatszámra képes.

Bár jövője kétséges, bizonyos alkalmazásokban még sokáig meg fogja tartani a helyét, különösen a váltakozó áramú változatban.

A közelmúltig szintén az akkumulátoros, azaz egyenáramú áramforrásból táplálva is a legelterjedtebb volt. Egészen a közelmúltig, mert az utóbbi években (különösen) az egyenáramú motorok esetében megváltozott a trend - ennek okait egy későbbi cikkben tárgyaljuk.

Milyen motor van abban a kéziszerszámban, amit éppen a kezünkben tartunk?

Néhány évvel ezelőtt még teljesen biztosak lehettünk abban, hogy a szerszámunkban "szénkefés" motor van. Röviden - kommutátor, szénkefe és szikra - ezt szoktuk meg az elmúlt évtizedekben az elektromos kéziszerszámoknál.

Ma már más a helyzet, és előfordulhat, hogy néha nem is tudjuk, milyen motorral rendelkezik a szerszámunk. Könnyen előfordulhat, hogy szikrákat keresünk ott, ahol nincsenek - mert nincsenek szénkefék sem. A motor jól el van rejtve előlünk a műanyag házban, és a motorok között a hangjuk alapján nem tudunk különbséget tenni.

Könnyen kideríthetjük milyen motorral van dolgunk anélkül, hogy bármit is tanulmányozni, kutatnia vagy szétszedni kellene. Csak kapcsolja be és ki a szerszámot, terhelés nélkül - lehetőleg egy sötét szobában. A szellőzőnyílások környékén figyeljen a szikrákra. Ha szikrázik, akkor biztosan a kommutátoros motorról van szó. És azért kapcsoljuk be és ki, mert a jól "illesztett és befutott" szénkeféknél előfordulhat, hogy üresjáratban nem látunk szikrákat. Indításkor azonban biztosan látni fogjuk, és az időzítőfékkel ellátott motorok esetében leállításkor is. A szikrák színe fontos - a rövid és fényes (majdnem fehér) szikrák jó motorállapotot jeleznek. A videón látható motorunk tehát megérett legalább egy kommutátortisztításra és szénkefeellenőrzésre.

Videó: szikrák a motorban

Szénkefe nélküli motorok

Bár fentebb már említettem, hogy a szénkefés motor elnevezés nem egészen helyes, ezt a terminológiát gyakran használják a szénkefe nélküli motorokra. A BL (BrushLess) motorok terén a fejlődés jelenleg olyan gyors, hogy még a terminológia sem egységes (itt és most).

A "nehezebbik" - a 2. ábrán látható táblázat jobb oldali felében vagyunk.

A BL-motorok permanens mágneses rotorral és fémlemez sztátorokkal rendelkeznek. Első ránézésre egyszerű. És mint oly gyakran az életben - ami egyszerűnek tűnik, az bonyolult, és ennek a fordítottja is igaz.

Nézzük meg a rotorokat - milyen bonyolultnak tűnik egy kommutátoros motor rotorja, és milyen egyszerűnek tűnik egy állandó mágneses rotor.

5. ábra. A kommutátoros motor (1) és a BL-motor (2) állandó mágneses rotorja

A BL-motorokban a keféket és a kommutátort az sztátorra tekert tekercsek helyettesítik - ellentétben a kommutátoros motorokkal, ahol a tekercsek egy mozgó forgórészen vannak. Ezek a tekercsek a villanyáram áramlása révén körkörös mágneses mezőt hoznak létre, amely forgatja a forgórészt - egy állandó mágnest.

A hagyományos kialakítású BL-motorok működési elve ennek a körkörös mágneses térnek a felhasználásán alapul - hasonlóan a háromfázisú motorokéhoz. A forgórész mágneseit az egymás után kapcsolt tekercsek vonzzák, és így a forgórész forog. A tekercseknek azonban pontosan tudniuk kell, hogy a mikor kell kapcsolniuk, hogy a forgórész milyen helyzetben van. Ez nem éppen egyszerű mérnöki probléma, ezért a vezérlőelektronika meglehetősen összetett.

Napjainkban a szénkefe nélküli motorokat leginkább az akkumulátoros szerszámokban használják. Ezek a BLDC (BrushLess Direct Current) elnevezéssel ismertek. A rotor mágneses pólusának helyzetét Hall-szondákkal érzékelik. Ezek jelet küldenek a vezérlő elektronikának a rotor helyzetéről, és az elektronika ezen információ alapján a megfelelő időben váltja az áram irányát, hogy a mágneses erő mindig a megfelelő irányba keletkezzen.

6. ábra. BLDC motor sztátor és Hall-szonda (1)

Kevésbé ismertek a hálózatra csatlakoztatható kéziszerszámok szénkefe nélküli motorjai. Ezeket PMSM-motoroknak (Permanent Magnet Synchronous Motor – permanens mágneses szinkron motor) nevezik. Néha BLAC (BrushLess Alternate Current – szénkefe nélküli váltóáram) néven is ismertek.

7. ábra. PMSM (BLAC) motor és vezérlőelektronika

Ezek a motorok különösen ígéretesek az állandó terhelés alatt működő, nagy kimeneti tengelyfordulatszámot igénylő elektromos kéziszerszámoknál. A PMSM-motorok jelentőségét jobban megérthetjük, ha összehasonlítunk például egy 125 mm-es sarokcsiszolót és egy SDS-plusz fúrókalapácsot. Ezeknek a szerszámoknak a rotorja általában 30 000 fordulat/perc fordulatszámú. A csiszológép kimeneti fordulatszáma körülbelül 10 000 fordulat/perc, így a sebességváltó áttétel 3:1. A fúrókalapács kimeneti fordulatszáma pl. 1000 fordulat/perc, így a fogaskerék áttétel 30:1. A sarokcsiszoló motorja tehát 10-szer nagyobb terhelésnek van kitéve, mint a fúrókalapácsé, ezért várhatóan a PMSM-motor fő alkalmazási területe a sarokcsiszolókban lesz, így kiküszöbölve a jelenlegi kommutátoros motorok mechanikus kommutációs hibáit.

Összefoglaló

A szénkefés motorok kora még nem ért véget, de sok területen szénkefe nélküli motorok fogják felváltani őket. Ez utóbbinak tagadhatatlan előnyei vannak, ha akkumulátorról működik, de a mai tendencia - mindent szénkefe nélküli motorral helyettesíteni - egy szélsőség, amely némileg engedett a divat nyomásának. A kommutátoros motorokat még sokáig fogjuk látni, mivel bizonyos alkalmazásokban ezeknek is megvannak az előnyei. Az előnyökről és hátrányokról néhány későbbi cikkünkben bővebben fogunk beszélni.

Kulcsszavak: villanymotor, elektromos kéziszerszámok, rotor, sztátor, BLDC-motor, kommutátor, kommutátoros motor, PMSM-motor

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 😊.