Jaký motor je ve vašem nářadí?

V posledním desetiletí nastaly významné změny v elektromotorech montovaných do elektrických nářadí. Co nám přinesly?

O svém automobilu zřejmě víme, jaký má motor, jaké palivo (nebo jiný druh energie) potřebujeme doplňovat, kde a jak často kontrolujeme olej, kapalinu do ostřikovače nebo nemrznoucí směs.

Tak jako nemusíme být automechaniky, když vlastníme automobil, nemusíme být ani elektrotechniky, když pracujeme s nářadím. Základní vědomosti o elektromotoru, jako nejdražší části elektrického nářadí, nám však mohou ušetřit spoustu peněz. Proto je dobré vědět i o svém nářadí, jaký motor jej pohání a co můžeme pro jeho dlouhou životnost udělat.

Elektromotory montované do elektrických nářadí využívají silových účinků magnetického pole a fungují jako točivé elektrické stroje. To znamená, že všechno to, co je „za“ motorem, je vlastně „úprava“ otáčivého pohybu rotoru na další „úkony“ prostřednictvím různých přídavných mechanismů. Většinou se jedná o převodovku, klikový mechanismus a podobně.

Stator a rotor

Motory elektrických nářadí mají nepohyblivý stator, který je vnější částí motoru. Rotor (někdy nazývaný kotva) tvoří vnitřní část motoru, je pohyblivý (otáčí se) a je uložen na ložiscích. Mezi nimi je vzduchová mezera.

Stator i rotor mohou (ale nemusí) mít vinutí. V některých případech se namísto vinutí - pólů s cívkami - používají permanentní magnety. Na obr. 1. vidíme všechny možnosti, se kterými se dnes můžeme v souvislosti s motory elektrických ručních nářadí setkat - zleva - stator z cívek, stator jako permanentní magnet, rotor z cívek a rotor jako permanentní magnet.

Obr. 1. Statory a rotory v motorech elektrických ručních nářadí

Druhy motorů elektrických nářadí

Standardně se elektromotory dělí v první řadě podle typu napájení na stejnosměrné a střídavé. Tyto se dále dělí podle konstrukce, principu práce nebo i účelu použití. Je jich dost, ale v souvislosti s elektrickým ručním nářadím toto dělení ani není nutné.

Při dnešním trendu, jakým se ubírá vývoj malých motorů elektrických nářadí, je nejpraktičtějším jejich rozdělení na kartáčové (uhlíkové) a bezkartáčové (bezuhlíkové). Tyto si pak můžeme rozdělit podle typu napájení na stejnosměrné (z akumulátoru) a střídavé (ze síťové zásuvky).

Obr. 2. Druhy motorů elektrických nářadí

Komutátorové motory

Kartáčový (uhlíkový) motor využívá mechanickou komutaci – když motor pracuje, magnetický pól se nepohybuje a otáčí se cívka.

Obr. 3. Komutátor (1), kluzný kontakt (2) a uhlíkový kartáč (3) v komutátorovém motoru

Nutnou podmínkou pro bezvadnou činnost komutátorového motoru je precizní proces komutace – změny směru proudu komutující cívky. Tato změna probíhá na kluzném kontaktu mezi kartáčem a komutátorem (obr. 3).

Právě mechanická komutace, kluzný kontakt a uhlíkové kartáče jsou nejproblematičtějším článkem komutátorových motorů.

Když jsou tedy v motoru nářadí uhlíkové kartáče, jedná se o komutátorový motor. Nacházíme se „v té lehčí“ - levé polovině tabulky na obr. 2. Uhlíkové kartáče najdeme ve střídavých i stejnosměrných motorech.

Rotor tvoří kotva (rotor s komutátorem) zapojená v sérii se statorem, proto se někdy nazývá sériový komutátorový motor. Často je označován také jako univerzální motor, protože vinutí jsou v zásadě stejná pro střídavé i stejnosměrné napájení.

U komutátorových motorů na střídavý proud je stator složen z navzájem odizolovaných statorových plechů a vinutí, statory motorů na stejnosměrný proud jsou tvořeny permanentním magnetem (obr. 4).

Názvy komutátorový, sériový komutátorový, univerzální motor v souvislosti s elektrickým ručním nářadím vyjadřují tentýž motor. No a přidejme k tomu ještě často používaný nepřesný název: uhlíkový nebo kartáčový motor. A stále jsme u téhož motoru.

Komutátorový motor má svoji dlouhou historii a za desetiletí přispěl tak velkým podílem k motorizaci našeho okolí, že si to mnohdy ani neuvědomujeme. Za toto období prošel značnými vylepšeními a můžeme o něm směle říci, že je „vymakaný“.

Obr. 4. Stator střídavého (1) a stejnosměrného (2) komutátorového motoru

Je (zatím) nejběžnějším a nejrozšířenějším motorem, používaným v elektrických ručních nářadích napájených z elektrické sítě. Jedná se o vysokootáčkový motor. V režimu bez zatížení je schopen generovat 25 až 30 tisíc ot/min.

I když se nad jeho budoucností „smráká“, v některých aplikacích si bude ještě dlouho držet svoji pozici, a to zejména ve verzi pro střídavé napájení.

Nejrozšířenějším byl donedávna i při napájení z akumulátoru, tedy ze zdroje stejnosměrné energie. Donedávna proto, že se (zejména) u stejnosměrných motorů v posledních letech změnil trend – o příčinách si povíme v některém z dalších článků.

Jaký motor je v nářadí, které zrovna držíme v ruce?

Ještě před několika lety jste si mohli být naprosto jisti, že Vaše nářadí má „uhlíkový“ motor. Zkrátka – komutátor, uhlíky a jiskry – u elektrického ručního nářadí jsme si na to v uplynulých desetiletích zvykli.

Dnes je situace jiná a možná někdy nevíme, jaký motor má naše nářadí. Snadno se může stát, že hledáme jiskry tam, kde nejsou – neboť nejsou ani kartáče (uhlíky). Motor je před námi dobře skryt v plastovém krytu a podle zvuku rozdíl mezi motory nepoznáme.

Zjistíte to však velmi snadno a to, aniž byste museli něco studovat, zjišťovat či rozebírat. Nářadí pouze tak, bez zátěže, zapínáme a vypínáme – nejlépe v tmavé místnosti. V oblasti ventilačních štěrbin sledujeme, zda jiskří. Když jiskří, je to určitě komutátorový motor. A zapínáme a vypínáme ho proto, že při dobře „sladěných a zaběhnutých“ uhlících za chodu naprázdno nemusíme vidět žádné jiskry. Určitě je však uvidíme při spouštění a u motorů s doběhovou brzdou i při vypnutí. Barva jisker je důležitá – krátké a světlé (téměř bílé) jiskry svědčí o dobré kondici motoru. Náš motor ve videu je tedy zralý alespoň k pročištění komutátoru a kontrole uhlíků.

Video: jiskry v motoru

Bezkartáčové (bezuhlíkové) motory

I když jsem výše uvedl, že název kartáčový (uhlíkový) motor není zcela správný, u bezuhlíkových motorů je tato terminologie často používána. Vývoj v oblasti BL (BrushLess - bezkartáčových) motorů je v tomto období tak prudký, že ani terminologie není (zde a teď) jednotná.

Nacházíme se v „té těžší“ – pravé polovině tabulky na obr. 2.

BL motory mají rotor z permanentního magnetu a stator z plechů. Na první pohled jednoduché. A tak jak to v životě mnohdy bývá - něco, co se zdá jednoduché, je složité a platí to i opačně.

Vždyť se podívejme na rotory – jak složitě vypadá rotor komutátorového motoru a jak jednoduše působí rotor z permanentního magnetu.

Obr. 5. Rotor komutátorového motoru (1) a rotor BL motoru (2) z permanetního magnetu

V BL motorech jsou kartáče a komutátor nahrazeny cívkami navinutými na nehybném statoru – na rozdíl od komutátorového motoru, kde jsou cívky na pohyblivém rotoru. Tyto cívky vytvářejí prostřednictvím průtoku proudu kruhové magnetické pole, které otáčí rotor – permanentní magnet.

Princip činnosti BL motorů běžné konstrukce je založen právě na využití tohoto kruhového magnetického pole – něco podobného jako u třífázového motoru. Magnety rotoru jsou přitahovány postupně spínanými cívkami a tím dochází k jeho otáčení. Cívky však musí přesně vědět, kdy a v jaké poloze rotoru mají sepnout. Toto není úplně jednoduchý technický problém, proto řídící elektronika je poměrně složitá.

V současnosti se bezuhlíkové motory nejčastěji používají v akumulátorových nářadích. Známe je podle označení BLDC (BrushLess Direct Current – bezkartáčový stejnosměrný proud). Ke snímání polohy magnetického pólu rotoru se používají Hallovy sondy. Ty vysílají signál pro řídící elektroniku o poloze rotoru a na základě této informace elektronika přepíná směr proudu ve správnou dobu tak, aby docházelo k vytváření magnetické síly vždy ve správném směru.

Obr. 6. Stator BLDC motoru a Hallovy sondy (1)

Méně známé jsou bezkartáčové motory v nářadích napájených ze sítě. Označují se jako PMSM motory (Permament Magnet Synchronous Motor – synchronní motor s permanentním magnetem). Někdy je najdeme i pod označením BLAC (BrushLess Alternate Current – bezuhlíkový střídavý proud).

Obr. 7. PMSM (BLAC) motor a ovládací elektronika

Tyto motory mají perspektivu zejména v elektrických ručních nářadích, pracujících pod permanentní zátěží a vyžadujících vysoké otáčky výstupního hřídele. Význam motorů PMSM si lépe představíme, když srovnáme například 125mm úhlovou brusku a vrtací kladivo SDS-plus. Běžně má rotor těchto nářadí 30.000 ot/min. Výstupní otáčky brusky jsou cca 10.000 ot/min, takže převod je 3:1. Vrtací kladivo má např. 1000 ot/min, takže převod je 30:1. Motor úhlové brusky je tedy namáhán 10x více než kladivo a proto je předpoklad, že právě u úhlových brusek najde motor PMSM své hlavní uplatnění a vyloučí se tak poruchovost mechanické komutace současných komutátorových motorů.

Shrnutí

Éra uhlíkových motorů nekončí, ale v mnoha oblastech je nahradí bezuhlíková konstrukce. Ta má při napájení z akumulátoru nesporné výhody, avšak dnešní tendence – nahradit vše bezuhlíkovým motorem je extrém, který tak trochu podlehl módním tlakům. S komutátorovým motorem se ještě dlouho budeme setkávat, protože i ten má v některých aplikacích své opodstatnění. O výhodách a nevýhodách si povíme více v některých dalších článcích.

Klíčová slova: elektromotor, elektrické nářadí, rotor, stator, BLDC motor, komutátor, komutátorový motor, PMSM motor

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN

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 😊.