Akumulátorové nářadí: od uhlíkových kartáčů k BLDC

Začněme od základů. Elektromotor přeměňuje elektrickou energii na mechanickou. U elektrického nářadí to znamená uvedení hřídele poháněného zařízení do pohybu. Zatímco elektrická zásuvka dodává střídavý proud, akumulátor je zdrojem stejnosměrného proudu.

Ať už se jedná o střídavé nebo stejnosměrné motory, princip je stejný – elektrický proud vytváří rotující magnetické pole, které roztáčí rotor motoru. Všechny motory tedy fungují na bázi otáčejícího se magnetického pole, rozdíl je pouze v tom, jakým způsobem to konstrukce motoru zajistí.

Existuje velké množství typů elektromotorů a většina z nich uhlíkové kartáče vůbec nepoužívá. Vyměňovali jste někdy kartáče v pračce, myčce na nádobí, digestoři či lednici? Motory tam přece jsou!

Proč je tedy kolem bezkartáčových motorů v elektrickém ručním nářadí takové „haló“? Je třeba hned na úvod říci, že oprávněně – jde o významný technický pokrok. Zároveň však platí, že se (zatím) týká především stejnosměrných motorů. Pojďme si to vysvětlit postupně.

Jaké požadavky musí splňovat motory elektrického ručního nářadí?

V první řadě se jedná o dostatečný výkon, nízkou hmotnost, kompaktní rozměry či bezpečnost. Uživatel si často ani neuvědomuje, že tyto (nebo i jiné) požadavky bývají navzájem protichůdné.

Právě z tohoto důvodu se v elektrickém ručním nářadí dosud nejčastěji uplatnily dva typy pohonných jednotek:

• univerzální komutátorové motory pro nářadí napájené ze sítě
• stejnosměrné motory pro nářadí napájené z akumulátoru

Oba typy využívají uhlíkové kartáče – a oba mají komutátor. V mnoha zařízeních jsou používány dodnes a ještě dlouho budou nacházet uplatnění. Mají své výhody, ale i nedostatky - o více z nich píšeme i v článku „Seznamte se s bezuhlíkovým motorem".

Společným znakem těchto motorů je rotor s vinutím. Hlavní konstrukční rozdíl najdeme ve statoru:

• u univerzálního motoru pro síťové napájení (obr. 1 A) má stator vlastní vinutí
• u stejnosměrného motoru pro napájení z akumulátoru (obr. 1 B) tvoří stator permanentní magnet

Obr. 1. Univerzální (A) a stejnosměrný (B) motor s komutátorem a uhlíkovými kartáči

Motory v elektrických ručních nářadích byly vždy zvláštní kapitolou

Komutátorové motory – jinak velmi spolehlivé a desetiletími zdokonalené – se běžně uváděly s životností 1500 až 3000 hodin. Téměř vždy však následoval dodatek: s výjimkou motorů pracujících ve ztížených podmínkách. V takovém případě se jejich životnost odhadovala jen na přibližně 100 hodin, někdy dokonce ještě méně.

A právě takové ztížené, často až extrémní podmínky jsou typické pro elektrické ruční nářadí: náhlé teplotní změny, nekontrolované přetížení, prašné či vlhké prostředí a mnohdy i nedostatečná údržba.

Proč už motory s uhlíkovými kartáči nejsou dost dobré pro akumulátorové nářadí?

V první řadě je to rostoucí tlak na vyšší produktivitu práce. A zadruhé – řekněme si upřímně – i na naše pohodlí při práci. Možná je to i opačně… každopádně, vývoj jde nezadržitelně dopředu. Chceme mít přece na stavbě (téměř) všechna nářadí akumulátorová! Motory s uhlíkovými kartáči to však neumožňovaly – energeticky náročné stroje, jako například úhlové brusky či okružní pily, dokázaly z akumulátoru „vysát“ energii již za pár minut.

Tahat za sebou síťový kabel při práci určitě není pohodlné. A přece – nezapomínejme, že ještě před několika desetiletími ruční nářadí zdaleka nedosahovalo dnešní úrovně. A podíváme-li se ještě hlouběji do historie, stavby z dávných dob stojí dodnes – ačkoli často ani přesně nevíme, jakými postupy je stavitelé dokázali postavit bez jakéhokoli elektrického nářadí.

Pravda je však taková, že kabel na stavbě jednoduše překáží. Skutečný rozmach akumulátorového nářadí umožnily dva klíčové technické milníky:

• zavedení Li-ion akumulátorů
• příchod bezkartáčových motorů (BLDC – Brushless Direct Current) v akumulátorovém nářadí

Li-ion akumulátory přinesly všeobecně známé výhody oproti starším nikl-kadmiovým (NiCd) a nikl-metalhybridovým (NiMH): vyšší kapacitu při rozumných rozměrech, poměrně rychlé nabíjení a relativně vysoký počet nabíjecích cyklů.

BLDC motory k tomu přidaly vlastní přednosti. Nejvýraznější z nich je vyšší účinnost – při stejné velikosti jako stejnosměrný komutátorový motor poskytují vyšší výkon a přitom spotřebují méně energie.

V praxi to znamená: více práce na jedno nabití.

Jaký je rozdíl mezi stejnosměrným „kartáčovým“ motorem a BLDC motorem?

Rozdíl je často patrný už na první pohled. Pokud při práci – zejména při startu motoru – uvidíte u větracích otvorů jiskření (video), jedná se o motor s uhlíkovými kartáči.

Bezkartáčové (BLDC) motory nejiskří, protože nemají kartáče. Více detailů naleznete v článku: Jaký motor je ve vašem nářadí?

Video: Jiskření komutátoru

„Pod kapotou“ se však skrývají zásadní konstrukční rozdíly (obr. 2).

Základní zjednodušená „predikce“ zní:

• stejnosměrný motor s uhlíkovými kartáči má rotor z cívek a stator tvoří permanentní magnet
• u BLDC motorů je tomu naopak – rotor je permanentní magnet a stator tvoří cívky s vinutím

Stejnosměrný motor s uhlíkovými kartáči (obr. 2 A) má komutátor, ke kterému jsou pružinami přitlačovány uhlíkové kartáče. Stator je permanentní magnet a rotor má cívky s vinutími.

Motor BLDC (obr. 2 B) – tedy stejnosměrný motor bez uhlíkových kartáčů – má rotor z permanentního magnetu a stator jsou cívky s vinutím. Všimněme si i naznačené Hallovy sondy - snímají polohu rotoru a odesílají kontrolní signály do řídící jednotky elektronické komutace. Ta se běžně označuje jako elektronický modul nebo jednoduše elektronika.

Obr. 2. Elektrický motor s uhlíkovými kartáči (A) a motor BLDC (B)

Jak je vidět, odlišit BLDC motor od komutátorového není až tak náročné. Mnohem náročnější je porozumět rozdílům v principu jejich fungování. A právě to se nyní pokusíme vysvětlit zjednodušeně.

Jaký je rozdíl v principu činnosti komutátorového a BLDC motoru?

Stejnosměrný komutátorový motor (obr. 3 A)

Proud je přiváděn do uhlíkových kartáčů, které jsou v přímém kontaktu s rotujícím mechanickým komutátorem. Právě tento kluzný kontakt je nejslabším článkem motoru – opotřebovává se a snižuje životnost motoru.

Komutátorem vytvořené magnetické pole ve spolupráci s magnety statoru zajišťuje rotační pohyb rotoru. Rotor tvoří soustava cívek navinutých na železném jádru.

Obr. 3. Komutátorový (A) a bezkartáčový (B) motor

Bezkartáčový motor BLDC (obr. 3 B)

Princip jeho činnosti je odlišný. Komutátor a kartáče jsou nahrazeny cívkami navinutými na nehybném statoru. V cívkách statoru se vytváří magnetické pole, které ve spolupráci s rotorem – permanentním magnetem – roztočí samotný rotor.

Proud je tedy přiváděn přímo do statorových cívek – mezi rotujícími a pevnými částmi motoru již není žádný přímý kontakt. To je klíčová odlišnost, která výrazně zvyšuje účinnost motoru.

Vše má však svoji cenu: BLDC motor sice nemá uhlíkové kartáče, ale na druhé straně přibyly Hallovy sondy a elektronická řídicí jednotka.

Závěr

Svět se stále více ubírá směrem k pohodlí – někdy až zbytečně přehnanému. V akumulátorovém nářadí jsou komutátorové motory často automaticky nahrazovány motory BLDC, ačkoli to není vždy nezbytné. Jen málo nářadí se totiž využívá tak intenzivně, aby se baterie vybila dříve, než se stihne nabít náhradní. I opotřebování uhlíkových kartáčů či komutátoru představuje problém pouze u strojů s extrémní spotřebou energie. Trend je ovšem jednoznačný.

Zkratka BLDC – Brushless Direct Current – označuje stejnosměrné bezkartáčové motory, které výraznou měrou přispěly k rozmachu akumulátorového nářadí. Přinesli uživatelům svobodu pohybu a odstranili omezení způsobená přívodními kabely na stavbách.

Odstartovaly skutečnou revoluci v oblasti elektrických pohonů. Prosadily se díky vyšší účinnosti, nižší hmotnosti a kompaktnějším rozměrům. BLDC motory se staly pevnou součástí našeho života a přestože mají své limity, v kombinaci s akumulátorovým napájením jednoznačně převažují jejich výhody.

V posledním období se však objevují i bezkartáčové motory určené pro síťové napájení. Nejsou to však motory BLDC, ale PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor. Co mají společného a čím se liší od BLDC, si povíme zde.

Klíčová slova: BLDC motor, uhlíkové kartáče, elektromotor, komutátor, elektrické nářadí, akumulátorové nářadí, ruční nářadí

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN

Ing. Herman Nagypál

Vystudoval jsem leteckou elektrotechniku ​​na vojenské škole. S nářadím a nástroji jsem se naučil pracovat už v dětství s tátou při stavbě rodinného domu. Každý náš nový produkt osobně testuji – vlastníma rukama a do detailů. Ve volném čase rád brázdím rumunské horské průsmyky na motorce. Kromě toho sleduji novinky a trendy v oboru a často zkouším i konkurenční produkty. Některé mě pobaví, u jiných jen nechápavě kroutím hlavou (že se někdo dal nachytat a koupil to) a občas se najde i povedený kousek. Téměř tak dobrý jako ten náš 😊.