Česká republika
Bezkartáčové motory: BLDC vs. PMSM – v čem se liší?
Zvykli jsme si, že se propaguje to, co produkt má – funkce, doplňky či nové vlastnosti. O to zvláštněji působí, když výrobce zdůrazňuje, co produkt nemá. A přesně to se děje u nářadí s označením Brushless - motor nemá uhlíkové kartáče. V tomto případě se však jedná o výjimku.
Bezkartáčové motory představují moderní řešení se spoustou výhod. Právě u akumulátorového nářadí platí, že „nemít kartáče“ je lepší než je mít – znamená to například žádné jiskření, vyšší účinnost, či nižší opotřebení. O rozdílech oproti klasickým komutátorovým motorům se více dočtete v článku „Akumulátorové nářadí: od uhlíkových kartáčů k BLDC“.
Držíte-li tedy v ruce akumulátorové nářadí označené Brushless, jde o BLDC motor (Brushless Direct Current) – stejnosměrný motor s rotorem z permanentního magnetu. Dnes je tak běžný, že jen málo akumulátorových strojů jej nepoužívá.
U nářadí napájeného ze sítě se však pod označením Brushless často skrývá PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) – synchronní motor, kde rotor tvoří také permanentní magnet. Jedná se však o novější technologii, která se ještě vyvíjí a čeká ji několik vylepšení.
Dva motory, jeden společný rys – žádné uhlíkové kartáče. Obě řešení jsou moderní a vhodná pro elektrické ruční nářadí, ale každé má svá specifika.
Co mají společného?
Pokud se nebudeme pouštět do přílišných detailů, BLDC i PMSM motory spojuje trojice zásadních rysů: rotor je permanentním magnetem, založeny jsou na principu synchronního motoru a u obou je nezbytná elektronická komutace a s ní související kontrola polohy rotoru.
1. Rotor z permanentního magnetu
Jedná se o neodymové permanentní magnety (obr. 1). Těch je však mnoho druhů a mají rozdílné vlastnosti. V případě elektrického ručního nářadí je jednou z klíčových vlastností teplotní odolnost. Vysoké teploty totiž ohrožují magnetické vlastnosti permanentních magnetů a přílišné překročení mezních hodnot může způsobit nevratný stav – trvalou ztrátu magnetických vlastností.
Permanentní magnety používané v našich nářadích jsou odolné teplotě do 150°C. Jejich konstrukce je ovšem pro motory BLDC a PMSM odlišná.
Obr. 1. Rotor a stator BLDC a PMSM motoru
2. Princip synchronního motoru
BLDC i PMSM motory patří mezi synchronní točivé elektrické stroje. To znamená, že magnetická pole statorových vinutí i rotoru se otáčejí stejnou úhlovou rychlostí – tedy synchronně.
Obr. 2. Závod dostihových psů: návnada se pohybuje stejnou rychlostí jako první pes
V našem případě se otáčky rotoru s permanentním magnetem (bez cívkového vinutí) shodují se změnami frekvence magnetického pole vytvořeného vinutími statoru.
Zjednodušeně: magnetické póly rotoru se snaží „chytit“ otáčející se magnetické pole statoru – a tak se motor po zapnutí začne otáčet. V momentě, kdy se roztočí, nastane synchronizace – rotor se začne otáčet přesně stejnou rychlostí jako magnetické pole statoru.
K lepšímu pochopení si to můžeme představit jako závod chrtů. Psi vystartují za návnadou a snaží se ji dohnat. Nedoběhnou ji však nikdy - vždy je o malý kousek vepředu. Nakonec tedy běží stejnou rychlostí jako návnada, neboli synchronně.
Návnada je magnetické pole statoru a pes je magnetické pole rotoru (obr. 2).
3. Elektronická komutace a kontrola polohy rotoru
Tady přichází ta část, která ubírá motoru na jednoduchosti. Uhlíkové kartáče ani komutátor sice nepotřebujeme, ale jejich funkci musí nahradit elektronika. A nejen to – navíc je třeba mít neustále pod kontrolou polohu rotoru.
To znamená: získat informace o aktuální poloze, zpracovat je v reálném čase a okamžitě provést korekci. Tento proces zajišťuje elektronická komutace (EC – Electronic Commutation). V praxi se využívají tři přístupy:
- Hallovy sondy – nejlevnější, ale i nejméně přesné řešení
- SCT (Sensorless Control Technology) – bezsenzorová technologie založená na výpočtu polohy rotoru bez fyzických snímačů
- Vektorová regulácia – nejpokročilejší a zároveň nejnáročnější metoda
Není to žádná „banalita“ – už samotný pohled na řídící desku vzbuzuje respekt i u odborníků – obr. 3 A zobrazuje řídící jednotku BLDC motoru s Hallovými sondami. Řídící jednotka PMSM motoru s bezsenzorovým systémem SCT je na obr. 3 B.
Obr. 3. Řídící jednotka motoru BLDC s Hallovými sondami (A) a bezsenzorová řídící jednotka motoru PMSM (B)
Obr. 4. Napájení a průběh proudu ve statoru motoru
BLDC a PMSM
V čem se liší?
Prvním zásadním rozdílem je způsob napájení (obr. 4):
- BLDC motor je napájen stejnosměrným proudem (obr. 4 A)
- PMSM motor pracuje na střídavý proud (obr. 4 B)
Druhým rozdílem je samotný průběh proudu ve vinutí statoru (obr. 4), který je řízen elektronickou komutací:
- u BLDC má lichoběžníkový (trapézový) tvar (obr. 4 C)
- u PMSM má sinusový tvar (obr. 4 D)
Tento rozdíl je klíčem k pochopení výhod a nevýhod obou motorů:
Řídící elektronika BLDC motorů je díky lichoběžníkovému průběhu proudu podstatně jednodušší a tím i levnější. Navíc se v nich obvykle využívají Hallovy sondy, které představují cenově dostupné řešení pro kontrolu polohy rotoru.
U PMSM motorů je situace odlišná. Řízení sinusového průběhu proudu je složitější a zároveň nákladnější, avšak tato vyšší technická náročnost přináší i citelné výhody. Motor pracuje hladšeji a přesněji, dosahuje lepší účinnosti a vyššího točivého momentu. Ten je sice v obou případech konstantní, avšak PMSM jej udržuje naprosto stabilní, zatímco u BLDC nepatrně kolísá při komutacích.
Jako poslední stojí za to zmínit ještě jeden benefit: nižší hlučnost. Sinusový průběh totiž generuje výrazně méně harmonických než lichoběžníkový, který je typický pro BLDC motory.
Všechny zmíněné totožné a rozdílné parametry jsou shrnuty v tab.1.
| Parametr | BLDC Motor | PMSM Motor |
| Rotor | permanentní magnet | permanentní magnet |
| Typ motoru | synchronní | synchronní |
| Elektronická kontrola polohy rotoru | ano | ano |
| Napájení | jednosměrné (DC) | střídavé (AC) |
| Komutace | lichoběžníková | sinusová |
| Řídící elektronika | jednoduché řídící algoritmy | složité matematické modely |
| Nákladnost elektroniky | méně než PMSM | více než BLDC |
| Točivý moment | vysoký, ale nižší než PMSM | vysoký, vyšší než BLDC |
| Kolísání točivého momentu | ano, při komutaci | žádné (téměř žádné) |
| Účinnost | vysoká, ale nižší než PMSM | vysoká, vyšší než BLDC |
| Hlučnost | vyšší než PMSM | nižší než BLDC |
| Celkové výrobní náklady | nižší než PMSM | vyšší než BLDC |
Tab. 1. Prehľad spoločných a rozdielnych parametrov motorov BLDC a PMSM
Typickým představitelem elektrického ručního nářadí s motorem BLDC pro napájení z akumulátoru je úhlová bruska HERMAN AXAG-1800 (obr. 5 A). Řídící elektronika získává informace o poloze rotoru ze tří Hallových sond. Na stejném principu dnes funguje většina profesionálního akumulátorového nářadí konkurenčních výrobců.
Do druhé skupiny – určené k napájení ze sítě – patří úhlová bruska HERMAN 125 LEVIRA (obr. 5 B) vybavená motorem PMSM s bezsenzorovým systémem SCT a příkonem až 1550W. Co je ovšem podstatné, umožňuje konstrukci s mimořádně komfortním a štíhlým úchopem. Motory tohoto typu jsou v úhlových bruskách zatím spíše výjimečné, ale jejich vývoji věnujeme intenzivní pozornost a první výsledky se již úspěšně dostávají na trh.
Obr. 5. Úhlová bruska s motorem BLDC (A) a PMSM SCT (B)
Závěr
Motory BLDC jsou složitější než jejich předchůdce – stejnosměrné komutátorové motory. Jejich přínos k pohodlí při práci zejména ve spojení s akumulátorovým napájením je však nepopiratelný – vždyť v podstatě za několik let změnil odvětví elektrického ručního nářadí. Složitost do systému řízení vnáší zejména elektronika – ta řídí komutaci a kontroluje pohyb rotoru.
Motory PMSM jsou však z pohledu elektroniky ještě komplikovanější. Přesto se jimi vyplatí zabývat, protože zejména ve strojírenství se nářadí, především úhlové brusky, budou ještě dlouho používat. A dobrý motor – i když výrazně nákladnější než současný střídavý komutátorový motor, by výrazně zjednodušil práci s tímto nejrozšířenějším nářadím. A co když máme v talonu ještě jiné možnosti? Napíšeme o nich o několik měsíců...
Klíčová slova: BLDC motor, PMSM motor, brushless, uhlíkové kartáče, elektromotor, komutátor, stator, rotor, permanentní magnet, elektrické nářadí, akumulátorové nářadí, ruční nářadí
Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
https://innoflighttechnology.com/
https://www.gian-transmission.com/
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 😊.
Článek zatím nikdo nekomentoval. Buďte první!