Poruchy bezuhlíkových motorov elektrických náradí

Teória: všetko vieme, ale nič nefunguje. Prax: všetko funguje, ale nevieme prečo. Úsmevné definície, ale hodia sa pre túto problematiku.

Pri bezuhlíkových motoroch nenájdeme zložito pôsobiace rotory, vyrábané z rotorových plechov a vinutí cievok, nemusíme skúmať farbu alebo lesk komutátora, ani hľadať možné príčiny jeho povrchového poškodenia – rotor je permanentný magnet a nemá komutátor. A nemusíme ani kontrolovať uhlíky a trápiť sa s ich výmenou či „zháňaním“ vhodného typu - pretože žiadne nie sú.

Aj keď sa rotor a stator motora BLDC (napájaného z akumulátora) a rotor a stator motora PMSM (napájaného zo sieťovej zásuvky) vizuálne aj konštrukčne „trocha“ odlišujú, vždy je rotorom permanentný magnet uložený v ložiskách a stator je zo statorových plechov a cievok (obr. 1).

Podobne ako pri komutátorových motoroch je počet porúch ložísk a statorov zanedbateľný. Vzhľadom na to, že komutátor a uhlíky tu nie sú, dalo by sa predpokladať, že s týmto typom motorov veľa problémov nebude.

Napriek tomu Vás nepoteším – starostí a problémov je síce výrazne menej, ale sú podstatne nákladnejšie. Na vine je riadiaca elektronika. To je tá súčiastka, ktorá riadi a kontroluje „mágiu“ – neviditeľné elektromagnetické pole.

Obr. 1. Rotor a stator motora BLDC (vľavo) a PMSM (vpravo)

Upresním. Nazval som ju „súčiastka“ - jednotným číslom, pretože sa väčšinou mení ako celok. Pozostáva však z niekoľkých desiatok elektronických súčiastok – množiny odporov, kondenzátorov, cievok, integrovaných obvodov aj elektronických čipov. Toto všetko je umiestnené na plošnom spoji (alebo plošných spojoch) a zaliate v nárazuvzdornom polyuretánovom géli.

V čom je problém?

Obr. 2. Presné postupné spínanie cievok v statore BLDC motora. Rotor (1), stator (2,3)

Princíp činnosti komutátorových motorov a bezuhlíkových motorov je odlišný.

Ako už vieme, mechanická komutácia - klzný kontakt medzi komutátorom a uhlíkovými kefami v týchto motoroch neexistuje. Problém komutácie však zostal. V bezuhlíkových motoroch je riešený elektronicky – komutátor a uhlíkové kefy sú nahradené cievkami navinutými na nehybnom statore.

Tieto cievky vytvárajú prostredníctvom prietoku prúdu kruhové magnetické pole, ktoré otáča rotor – permanentný magnet.

Potiaľ to je v poriadku – vyzerá to jednoducho.

Aby však toto otáčanie bolo plynulé a efektívne, cievky musia spínať postupne. Presnejšie: nielen postupne, ale „presne postupne“ (obr. 2).

Znamená to, že musí existovať možnosť kontroly polohy otáčajúceho sa permanentného magnetu - rotora vo vzťahu k časovému momentu zopnutia cievky. Napríklad rotor uhlovej brúsky sa točí rýchlosťou cca 30.000 ot/min, čo je 500 otáčok za sekundu. Aj pri takejto rýchlosti musia cievky zopínať v absolútne presnej polohe voči rotoru, pretože akákoľvek odchýlka od „toho pravého časového momentu“ by mala vplyv na rovnomernosť chodu motora, krútiaci moment a veľa ďalších „neduhov“.

Napríklad pavučina má hrúbku cca 0,04mm, ľudský vlas je 2,5x hrubší (asi 0,1mm). Ak by odchýlka polohy rotora voči statoru pri jednej otáčke bola čo len 0,04mm (vlákno pavučiny), pri 500 otáčkach by odchýlka narástla až na 20mm. A pri veľkosti odchýlky ako je hrúbka ľudského vlasu dokonca až na 50mm. Napríklad, ak má rotor priemeru 24mm obvod 75mm, znamená to, že odchýlka veľkosti hrúbky pavučiny by „rozhodila“ vzájomnú polohu rotora a statora o cca ¼ otáčky a odchýlka veľkosti hrúbky ľudského vlasu až o ⅔ otáčky. A to všetko za jednu jedinú sekundu!

Toto všetko stráži riadiaca elektronika – a aby to nemala jednoduché, musí vedieť zvládnuť celý chod motora pri meniacom sa zaťažení. Veď len zaskrutkovanie jednej skrutky v princípe znamená, že pri jednej otáčke vretena náradia (teda pri jednej otáčke skrutky) sa otočí rotor 30 až 60x – podľa toho, ako sú otáčky skrutkovača sprevodované voči otáčkam rotora. Pri skrutkovaní postupne narastá prúdový odber motora – na začiatku je malý. Čím je skrutka hlbšie, tým je prúdový odber väčší a samozrejme najväčší je v konečnej fáze – pri doťahovaní. Inými slovami – v každom časovom okamihu je prúdový odber iný.

Toto všetko musí riadiaca elektronika zvládnuť a možno si už vieme predstaviť, že to nemá až tak jednoduché.

Žiaden ľudský vlas, žiadna pavučina – žiadna odchýlka zopínania cievok voči polohe rotora nie je prípustná.

Motory BLDC

Brushless Direct Current (BLDC) motory sa montujú do elektrických náradí napájaných z akumulátora, teda z jednosmerného zdroja energie. Ako už vieme, stator sú cievky a statorové plechy, rotor je permanentný magnet. V súčasnosti sa kontrola spínania cievok v týchto motoroch rieši väčšinou Hallovými sondami (obr. 3).

Hallove sondy (nazývané aj Hallovo čidlo, Hallov senzor alebo familiárne „hallovka“) pracujú na princípe Hallovho javu (objavil ho Edwin Hall v roku 1879). Spočíva v možnosti snímania napätia, úmerného sile magnetického poľa. Pri točivom magnetickom poli ide teda o meniace sa napätie súvisiace s polohou permanentného magnetu rotora, pričom výstupný signál z Hallovej sondy je v elektronickom module spracovaný tak, aby k zopnutiu cievok došlo v presne žiadaný okamih.

Obr. 3. Hallove sondy v motore BLDC

Keďže tlak na cenu elektrického náradia narastá – myslím tým to, že trh tlačí cenu náradia dole a cena práce celosvetovo stúpa, šetrí sa niekedy aj tam, kde to nie je práve najvhodnejšie. Aby sa ušetrilo niekoľko sekúnd na montážnej linke, niekedy sa do náradí montuje stator s elektronikou ako jeden celok a teda aj pri poruchách a následnej výmene sa mení stator aj elektronika súčasne – a často úplne zbytočne.

Obr. 4. BLDC motor a ovládacia elektronika ako jeden celok

Obr. 5. Motor a elektronika sú oddeliteľné komponenty

Lepším riešením je modulová konštrukcia (obr. 5), ktorá umožní výmenu statora, elektroniky ovládania motora a elektroniky ovládania náradia – každé samostatne. Pribudnú síce konektory ako potenciálna možnosť poruchy, ale z hľadiska frekvencie poruchovosti nemajú veľký význam. Keďže stator a elektronika majú z pohľadu štatistiky porúch úplne rozdielne „výsledky“, je takéto riešenie určite efektívnejšie.

Motory PMSM

Permanent Magnet Synchronous Motor, niekedy nazývaný aj BLAC (Brushless Alternate Current) sú motory napájané striedavým zdrojom elektrickej energie zo zásuvky. Stator sú cievky a statorové plechy, rotor je permanentný magnet – podobne ako pri motoroch BLDC.

Používajú sa zatiaľ iba zriedkavo a vieme o nich veľmi málo. Ich perspektíva je najmä v náradiach, ktoré pracujú s veľkými zaťaženiami, napr. uhlové brúsky. Ich riadenie je založené na princípe SCT (Sensorless Control Technology – bezsenzorová technológia) a povieme si o nej viac v niektorom z ďalších článkov.

Riadiaci blok vzbudzuje rešpekt už na prvý pohľad (obr. 6). Hore je pohľad na spodnú stranu plošného spoja a dole je pohľad zhora, kde je vidieť výkonovú časť elektroniky a hliníkový rebrovaný chladič.

Obr. 6. Elektronika PMSM motora

Obr. 7. Elektronika z obr. 6. zaliata v nárazuvzdornom polyuretánovom géli

Záver

O bezuhlíkových motoroch sa niekedy hovorí, že sú bezúdržbové. Ja sa toto slovo neodvážim použiť – evokuje totiž pocit, že sa nemusíme o svoje elektrické náradie starať. Za bezúdržbový by sme ho mohli označiť pri takých aplikáciách, kde nehrozí preťažovanie motora, ani prach a nečistoty z nasávaného chladiaceho vzduchu – a aplikácie v elektrických ručných náradiach do tejto kategórie rozhodne nepatria. Aj keď sú bezuhlíkové motory menej náročné na chladenie a údržbu ako komutátorové motory, práca v rozsahu menovitých otáčok a čistota je základom pre dlhú životnosť. Ovplyvniť životnosť elektrického náradia vieme iba tak, že venujeme patričnú pozornosť jeho výberu, čistote a vedieme k tomu aj svojich spolupracovníkov.

Kľúčové slová: bezuhlíkové náradie, bezuhlíkové aku vrtačky, motor bez uhlíkov, bezkefový motor, brushless motor, BL motor, bez uhlíkov, bez uhlíkových kief, diagnostika elektromotorov, príčiny porúch elektromotorov, poruchy elektromotorov, chyby eletromotorov

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
https://www.renesas.com/us/en/support/engineer-school/brushless-dc-motor-01-overview

Ing. Herman Nagypál

Vyštudoval som vojenskú školu, odbor letecká elektrotechnika. S náradím a nástrojmi som sa naučil pracovať už v detstve s otcom na stavbe rodinného domu. Každý náš nový produkt testujem aj osobne - vlastnými rukami vo svojej dobre vybavenej dielni. Vo voľnom čase sa rád preháňam na motorke po rumunských horských priesmykoch. Okrem toho študujem trendy v odbore a rád si vyskúšam aj konkurenčné produkty. Nad niektorými sa pousmejem, nad niektorými sa čudujem (že sa niekto dal nachytať a kúpil to) a niektoré sú fakt dobré. Skoro ako naše 😊.