Szénkefe nélküli motorok: BLDC vs. PMSM – miben különböznek?

Hozzászoktunk ahhoz, hogy azt reklámozzák, amije egy terméknek van – funkciók, kiegészítők vagy új tulajdonságok. Annál különösebbnek hat, amikor a gyártó azt hangsúlyozza, mije nincs a terméknek. Pontosan ez történik a „Brushless” megjelölésű szerszámok esetében – a motornak nincsenek szénkeféi. Ebben az esetben azonban kivételről van szó.

A szénkefe nélküli motorok modern megoldást jelentenek számos előnnyel. Éppen az akkumulátoros kéziszerszámoknál igaz, hogy „nem rendelkezni szénkefével” jobb, mint rendelkezni – ez például szikrázásmentességet, nagyobb hatásfokot vagy kisebb kopást jelent. A különbségekről a klasszikus kommutátoros motorokhoz képest bővebben olvashat a „Akkumulátoros szerszámok: a szénkeféktől a BLDC-ig“ című cikkben.

Ha tehát a kezében tart egy „Brushless”, jelzésű akkumulátoros kéziszerszámot, akkor az egy BLDC motor (Brushless Direct Current) tartalmaz – egyenáramú motort állandó mágneses rotorral. Ma már annyira elterjedt, hogy kevés akkumulátoros gép van, amely nem ezt használja.

A hálózatról táplált szerszámoknál azonban a „Brushless” megjelölés mögött gyakran PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) rejtőzik – szinkronmotor, amelynek rotorját szintén állandó mágnes alkotja. Ez azonban újabb technológia, amely még kibontakozóban van, és több fejlesztés vár még rá.

Két motor, egy közös jellemző – nincsenek szénkefék. Mindkét megoldás modern és alkalmas az elektromos kéziszerszámokhoz, de mindegyiknek megvannak a maga sajátosságai.

Mi a közös bennük?

Ha nem megyünk bele túlságosan a részletekbe, a BLDC és PMSM motorokat három alapvető tulajdonság kapcsolja össze: a rotor állandó mágnesből áll, a szinkronmotor elvén alapulnak, és mindkettőnél elengedhetetlen az elektronikus kommutáció és az ezzel összefüggő rotorhelyzet-érzékelés.

1. Az állandó mágnes rotor

Neodímium állandó mágnesekről van szó (1. ábra). Ezekből azonban sokféle létezik, eltérő tulajdonságokkal. Az elektromos kéziszerszámok esetében az egyik kulcsfontosságú tulajdonság a hőállóság. A magas hőmérséklet ugyanis veszélyezteti az állandó mágnesek mágneses tulajdonságait, és a határértékek túlzott túllépése visszafordíthatatlan állapotot okozhat – a mágneses tulajdonságok végleges elvesztését.

Az általunk használt szerszámokban alkalmazott állandó mágnesek 150°C-ig hőállóak. Konstrukciójuk azonban a BLDC és PMSM motorok esetében eltérő.

1. ábra. A BLDC és a PMSM motor forgórésze és állórésze

2. A szinkronmotor elve

A BLDC és a PMSM motorok a szinkron forgógépek közé tartoznak. Ez azt jelenti, hogy az állórész tekercseinek mágneses mezeje és a rotor mágneses mezeje azonos szögsebességgel forog – tehát szinkronban.

2. ábra. Agárverseny: a csali ugyanazzal a sebességgel mozog, mint az első kutya

A mi esetünkben a permanens mágnessel rendelkező rotor (tekercselés nélkül) fordulatszáma megegyezik az állórész tekercsei által létrehozott mágneses tér frekvenciájának változásával.

Egyszerűsítve: a rotor mágneses pólusai „megpróbálják elkapni” az állórész forgó mágneses terét – így a motor bekapcsolás után elkezd forogni. Amint felpörög, létrejön a szinkronizáció – a rotor pontosan ugyanolyan sebességgel kezd forogni, mint az állórész mágneses tere.

A jobb megértés érdekében elképzelhetjük, mint az agárversenyt. A kutyák elindulnak a csali után, és megpróbálják utolérni. Soha nem érik el, mindig egy kicsivel előttük van. Végül tehát ugyanazzal a sebességgel futnak, mint a csali, vagyis szinkronban.

A csali az állórész mágneses tere, a kutya pedig a rotor mágneses tere (2. ábra).

3. Elektronikus kommutáció és a rotor helyzetének ellenőrzése

Itt jön az a rész, amely elvesz a motor egyszerűségéből. Szénkefékre és kommutátorra ugyan nincs szükség, de funkciójukat elektronikának kell helyettesítenie. És nem csak ennyiről van szó – a rotor helyzetét folyamatosan ellenőrzés alatt kell tartani.

Ez azt jelenti: információt kell szerezni az aktuális helyzetről, azokat valós időben feldolgozni, és azonnali korrekciót végrehajtani. Ezt a folyamatot az elektronikus kommutáció (EC – ElectronicCommutation) biztosítja. A gyakorlatban három megközelítést alkalmaznak:

• Hall-szondák – a legolcsóbb, de egyben legkevésbé pontos megoldás
• SCT (SensorlessControlTechnology) – szenzor nélküli technológia, amely a rotor helyzetét fizikai érzékelők nélkül számítja ki
• Vektoros szabályozás – a legfejlettebb, ugyanakkor a legigényesebb módszer

Ez egyáltalán nem „gyerekjáték” – már egy pillantás a vezérlőlapra is tiszteletet vált ki még a szakértőkből is. A 3. ábra A része a Hall-szondás BLDC motor vezérlőegységét mutatja. A PMSM motor SCT szenzor nélküli rendszerű vezérlőegysége a 3. ábra B része.

3. ábra. BLDC motor Hall-szondás vezérlőegysége (A) és PMSM motor szenzor nélküli vezérlőegysége (B)

4. ábra. A BLDC és PMSM motor állórészének táplálása és az áram lefutása

Miben különböznek?

Az első alapvető különbség a táplálás módja (4. ábra):

• A BLDC motor egyenárammal működik (4. ábra A)
• A PMSM motor váltakozó árammal működik (4. ábra B)

A második különbség magában az állórész tekercseinek áramlefolyásában rejlik (4. ábra), amelyet az elektronikus kommutáció irányít:

• a BLDC esetében trapéz (4. ábra C)
• a PMSM esetében szinusz (4. ábra D)

Ez a különbség a kulcs a két motor előnyeinek és hátrányainak megértéséhez:

A BLDC motorok vezérlő elektronikája a trapéz alakú áramlefolyásnak köszönhetően lényegesen egyszerűbb, és így olcsóbb is. Ráadásul bennük általában Hall-szondákat alkalmaznak, amelyek költséghatékony megoldást jelentenek a rotor helyzetének ellenőrzésére.

A PMSM motoroknál a helyzet eltérő. A szinuszos áramlefolyás vezérlése bonyolultabb és költségesebb, azonban ez a nagyobb technikai igényesség kézzelfogható előnyöket hoz. A motor simábban és pontosabban működik, jobb hatásfokot és nagyobb nyomatékot ér el. A nyomaték ugyan mindkét esetben állandó, de a PMSM teljesen stabilan tartja, míg a BLDC esetében kismértékben ingadozik a kommutációknál.

Végezetül érdemes megemlíteni még egy előnyt: az alacsonyabb zajszintet. A szinuszos áramlefolyás ugyanis lényegesen kevesebb felharmonikust generál, mint a trapéz alakú, amely a BLDC motorokra jellemző.

Az összes említett azonos és eltérő paraméter a 1. táblázatban van összefoglalva.

A BLDC motorral, akkumulátoros táplálásra készült elektromos kéziszerszám tipikus képviselője a HERMAN AXAG-1800 sarokcsiszoló (5. ábra A). A vezérlő elektronika három Hall-szondából nyeri a rotor helyzetére vonatkozó információkat. Ugyanezen az elven működik ma a legtöbb konkurens gyártó professzionális akkumulátoros szerszáma is.

A második csoportba – amely a hálózati táplálásra készült – a HERMAN 125 LEVIRA sarokcsiszoló tartozik (5. ábra B), amely PMSM motorral, szenzor nélküli SCT rendszerrel van felszerelve, és teljesítménye akár 1550W. Ami azonban lényeges, lehetővé teszi a rendkívül kényelmes és karcsú fogással rendelkező konstrukciót. Az ilyen típusú motorok a sarokcsiszolókban egyelőre inkább kivételnek számítanak, de fejlesztésüknek intenzív figyelmet szentelünk, és az első eredmények már sikeresen jelennek meg a piacon.

5. ábra. Sarokcsiszoló BLDC motorral (A) és PMSM SCT-vel (B)

Zárszó

A BLDC motorok bonyolultabbak, mint elődeik – az egyenáramú kommutátoros motorok. Hozzájárulásuk a munkavégzés kényelméhez, különösen akkumulátoros táplálással összekapcsolva, azonban tagadhatatlan – hiszen néhány év alatt alapjaiban változtatták meg az elektromos kéziszerszámok iparágát. A rendszer bonyolultságát elsősorban az elektronika hozza – ez vezérli a kommutációt és ellenőrzi a rotor mozgását.

A PMSM motorok azonban az elektronika szempontjából még összetettebbek. Ennek ellenére érdemes foglalkozni velük, mivel különösen a gépiparban az elektromos kéziszerszámokat, mindenekelőtt a sarokcsiszolókat, még sokáig használni fogják. És egy jó motor – még ha lényegesen költségesebb is, mint a jelenlegi váltakozó áramú kommutátoros motor – nagymértékben egyszerűsítené ennek a legelterjedtebb szerszámnak a használatát. És mi van akkor, ha a tarsolyunkban más lehetőségek is vannak? Írni fogunk róluk néhány hónapon belül...

Kulcsszavak: BLDC motor, PMSM motor, brushless, szénkefék, villanymotor, kommutátor, állórész, forgórész, állandó mágnes, elektromos kéziszerszám, akkumulátoros szerszám, kéziszerszám

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi
https://innoflighttechnology.com/
https://www.gian-transmission.com/

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😊.