Poruchy bezkartáčových motorů elektrických nářadí

Teorie: všechno víme, ale nic nefunguje. Praxe: všechno funguje, ale nevíme proč. Úsměvné definice, ale hodí se pro tuto problematiku.

U bezkartáčových motorů nenajdeme složitě působící rotory, vyráběné z rotorových plechů a vinutí cívek, nemusíme zkoumat barvu nebo lesk komutátoru, ani hledat možné příčiny jeho povrchového poškození – rotor je permanentní magnet a nemá komutátor. A nemusíme ani kontrolovat uhlíky a trápit se s jejich výměnou či „sháněním“ vhodného typu – protože žádné nejsou.

I když se rotor a stator motoru BLDC (napájeného z akumulátoru) a rotor a stator motoru PMSM (napájeného ze síťové zásuvky) vizuálně i konstrukčně „malinko“ odlišují, vždy je rotorem permanentní magnet uložen v ložiskách a stator je ze statorových plechů a cívek (obr. 1).

Podobně jako u komutátorových motorů je počet poruch ložisek a statorů zanedbatelný. Vzhledem k tomu, že komutátor a uhlíky zde nejsou, dalo by se předpokládat, že s tímto typem motorů moc problémů nebude.

Přesto Vás nepotěším – starostí a problémů je sice výrazně méně, ale jsou podstatně nákladnější. Na vině je řídící elektronika. To je ta součástka, která řídí a kontroluje „magii“ – neviditelné elektromagnetické pole.

Obr. 1. Rotor a stator motoru BLDC (vlevo) a PMSM (vpravo)

Upřesním. Nazval jsem ji "součástka" - jednotným číslem, protože se většinou mění jako celek. Sestává však z několika desítek elektronických součástek – množiny odporů, kondenzátorů, cívek, integrovaných obvodů i elektronických čipů. Toto vše je umístěno na plošném spoji (nebo plošných spojích) a zalité v nárazuvzdorném polyuretanovém gelu.

V čem je problém?

Obr. 2. Přesné postupné spínání cívek ve statoru BLDC motoru. Rotor (1), stator (2,3)

Princip činnosti komutátorových motorů a bezuhlíkových motorů je odlišný.

Jak už víme, mechanická komutace – kluzný kontakt mezi komutátorem a uhlíkovými kartáči v těchto motorech neexistuje. Problém komutace však zůstal. V bezuhlíkových motorech je řešen elektronicky – komutátor a uhlíkové kartáče jsou nahrazeny cívkami navinutými na nehybném statoru.

Tyto cívky vytvářejí prostřednictvím průtoku proudu kruhové magnetické pole, které otáčí rotor – permanentní magnet.

Zatím to je v pořádku – vypadá to jednoduše.

Aby však toto otáčení bylo plynulé a efektivní, cívky musí spínat postupně. Přesněji: nejen postupně, ale „přesně postupně“ (obr. 2).

Znamená to, že musí existovat možnost kontroly polohy otáčejícího se permanentního magnetu - rotoru ve vztahu k časovému momentu sepnutí cívky. Například rotor úhlové brusky se točí rychlostí cca 30 000 ot/min, což je 500 otáček za sekundu. I při takové rychlosti musí cívky sepínat v naprosto přesné poloze vůči rotoru, protože jakákoli odchylka od „toho pravého časového momentu“ by měla vliv na rovnoměrnost chodu motoru, točivý moment a mnoho dalších „neduhů“.

Například pavučina má tloušťku cca 0,04mm, lidský vlas je 2,5x tlustší (asi 0,1mm). Pokud by odchylka polohy rotoru vůči statoru při jedné otáčce byla jen 0,04mm (vlákno pavučiny), při 500 otáčkách by odchylka narostla až na 20mm. A při velikosti odchylky jako je tloušťka lidského vlasu dokonce až na 50mm. Například, pokud má rotor průměru 24mm obvod 75mm, znamená to, že odchylka velikosti tloušťky pavučiny by „rozhodila“ vzájemnou polohu rotoru a statoru o cca ¼ otáčky a odchylka velikosti tloušťky lidského vlasu až o ⅔ otáčky. A to vše za jednu jedinou vteřinu!

Toto vše hlídá řídící elektronika – a aby to neměla jednoduché, musí umět zvládnout celý chod motoru při měnícím se zatížení. Vždyť jen zašroubování jednoho šroubu v principu znamená, že při jedné otáčce vřetena nářadí (tedy při jedné otáčce šroubu) se otočí rotor 30 až 60x – podle toho, jak jsou otáčky šroubováku zpřevodovány vůči otáčkám rotoru. Při šroubování postupně narůstá proudový odběr motoru – na začátku je malý. Čím je šroub hlouběji, tím je proudový odběr větší a samozřejmě největší je v konečné fázi – při dotahování. Jinými slovy – v každém časovém okamžiku je proudový odběr jiný.

Toto vše musí řídící elektronika zvládnout a možná si už umíme představit, že to nemá až tak jednoduché.

Žádný lidský vlas, žádná pavučina – žádná odchylka spínání cívek vůči poloze rotoru není přípustná.

Motory BLDC

Brushless Direct Current (BLDC) motory se montují do elektrických nářadí napájených z akumulátoru, tedy ze stejnosměrného zdroje energie. Jak už víme, stator jsou cívky a statorové plechy, rotor je permanentní magnet. V současnosti se kontrola spínání cívek v těchto motorech řeší většinou Hallovými sondami (obr. 3).

Hallovy sondy (nazývané také Hallovo čidlo, Hallův senzor nebo familiární „hallovka“) pracují na principu Hallova jevu (objevil jej Edwin Hall v roce 1879). Spočívá v možnosti snímání napětí, úměrného síle magnetického pole. U točivého magnetického pole jde tedy o měnící se napětí související s polohou permanentního magnetu rotoru, přičemž výstupní signál z Hallovy sondy je v elektronickém modulu zpracován tak, aby k sepnutí cívek došlo v přesně žádaný okamžik.

Obr. 3. Hallovy sondy v motoru BLDC

Jelikož tlak na cenu elektrického nářadí narůstá – myslím tím to, že trh tlačí cenu nářadí dolů a cena práce celosvětově stoupá, šetří se někdy i tam, kde to není zrovna nejvhodnější. Aby se ušetřilo několik vteřin na montážní lince, někdy se do nářadí montuje stator s elektronikou jako jeden celek a tedy i při poruchách a následné výměně se mění stator i elektronika současně – a často zcela zbytečně.

Obr. 4. BLDC motor a ovládací elektronika jako jeden celek

Obr. 5. Motor a elektronika jsou oddělitelné komponenty

Lepším řešením je modulová konstrukce (obr. 5), která umožní výměnu statoru, elektroniky ovládání motoru a elektroniky ovládání nářadí – každé samostatně. Přibudou sice konektory jako potenciální možnost poruchy, ale z hlediska frekvence poruchovosti nemají velký význam. Jelikož stator a elektronika mají z pohledu statistiky poruch zcela rozdílné „výsledky“, je takové řešení určitě efektivnější.

Motory PMSM

Permanent Magnet Synchronous Motor, někdy nazývaný také BLAC (Brushless Alternate Current) jsou motory napájené střídavým zdrojem elektrické energie ze zásuvky. Stator jsou cívky a statorové plechy, rotor je permanentní magnet – podobně jako u motorů BLDC.

Používají se zatím jen zřídka a víme o nich velmi málo. Jejich perspektiva je zejména v nářadích, která pracují s velkými zatíženími úhlové brusky. Jejich řízení je založeno na principu SCT (Sensorless Control Technology – bezsenzorová technologie) a povíme si o ní více v některém z dalších článků.

Řídící blok vzbuzuje respekt již na první pohled (obr. 6). Nahoře je pohled na spodní stranu plošného spoje a dole je pohled shora, kde je vidět výkonová část elektroniky a hliníkový žebrovaný chladič.

Obr. 6. Elektronika PMSM motoru

Obr. 7. Elektronika z obr. 6. zalitá v nárazuvzdorném polyuretanovém gelu

Závěr

O bezuhlíkových motorech se někdy říká, že jsou bezúdržbové. Já se toto slovo neodvážím použít - evokuje totiž pocit, že se nemusíme o své elektrické nářadí starat. Za bezúdržbový bychom jej mohli označit u takových aplikací, kde nehrozí přetěžování motoru, ani prach a nečistoty z nasávaného chladicího vzduchu – a aplikace v elektrických ručních nářadích do této kategorie rozhodně nepatří. I když jsou bezuhlíkové motory méně náročné na chlazení a údržbu než komutátorové motory, práce v rozsahu jmenovitých otáček a čistota je základem pro dlouhou životnost. Ovlivnit životnost elektrického nářadí umíme jen tak, že věnujeme patřičnou pozornost jeho výběru, čistotě a vedeme k tomu i své spolupracovníky.

Klíčová slova: BLDC motor, Hallův jev, poruchy motoru, motor PMSM, cívka motoru, rotor, stator

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
https://www.renesas.com/us/en/support/engineer-school/brushless-dc-motor-01-overview

Ing. Herman Nagypál

Vystudoval jsem vojenskou školu, obor letecká elektrotechnika. S nářadím a nástroji jsem se naučil pracovat už v dětství s tátou na stavbě rodinného domu. Každý náš nový produkt testuji i osobně - vlastníma rukama ve své dobře vybavené dílně. Ve volném čase se rád proháním na motorce po rumunských horských průsmycích. Kromě toho studuji trendy v oboru a rád si vyzkouším i konkurenční produkty. Nad některými se pousměju, nad některými se divím (že se někdo dal nachytat a koupil to) a některé jsou fakt dobré. Skoro jako naše 😊.