Elektromos kéziszerszámok szénkefe nélküli motorjainak meghibásodásai

Az elmélet: mindent tudunk, de semmi sem működik. A gyakorlat: minden működik, de nem tudjuk, miért. Vicces meghatározások, de illenek a témakörhöz.

A szénkefe nélküli motoroknál nem találunk bonyolultnak kinéző, rotorlemezekből és tekercsekből álló forgórészeket, nem kell vizsgálnunk a kommutátor színét vagy fényét, vagy a felületi sérülések lehetséges okait keresnünk - a rotor egy állandó mágnes, és nincs kommutátor. És még a szénkeféket sem kell ellenőriznünk, és nem kell aggódnunk a cseréjük vagy a megfelelő típus "beszerzése" miatt - mert nincsenek is.

Bár a BLDC-motorok (akkumulátorról üzemeltetettek) rotorja és sztátorja, valamint a PMSM-motorok (hálózatról üzemeltetettek) rotorja és sztátorja vizuálisan és szerkezetileg "kissé" különbözik, a rotor mindig egy csapágyazott állandó mágnes, a sztátor pedig lemezekből és tekercsekből áll (1. ábra).

A kommutátoros motorokhoz hasonlóan a csapágy- és sztátor-meghibásodások száma elhanyagolható. Tekintettel arra, hogy kommutátor és szénkefék nincsenek, feltételezhető, hogy ezzel a motortípussal nem sok probléma merül fel.

Ennek ellenére nem örvendeztetem meg Önt - a motorral kapcsolatos gondok és a problémák lényegesen ritkábbak, de jóval költségesebbek. A vezérlő elektronika a bűnös. Ez az a rész, amely a "varázslatot" - a láthatatlan elektromágneses mezőt - kezeli és irányítja.

1. ábra. BLDC motor rotor és sztátor (balra) és PMSM (jobbra)

Pontosítok. A vezérlő elektronikát "alkatrésznek" neveztem - egyes számban, mert általában egységként cseréljük. Azonban több tucat elektronikus alkatrészből áll - ellenállások, kondenzátorok, tekercsek, integrált áramkörök és elektronikus chipek halmazából. Mindez egy áramköri lapra (vagy lapokra) kerül, és ütésálló poliuretán öntözőanyagban van beöntve.

Miben van a probléma?

2. ábra. A BLDC-motor sztátorjában a tekercsek pontos szekvenciális kapcsolása. Rotor (1), sztátor (2,3)

A kommutátoros és a szénkefe nélküli motorok működési elve eltérő.

Mint már tudjuk, ezekben a motorokban nincs mechanikus kommutáció - csúszó érintkezés a kommutátor és a szénkefék között. A kommutációs probléma azonban megmaradt. A szén nélküli motorokban ez elektronikusan megoldott - a kommutátor és a szénkefék helyét egy álló sztátorra tekercselt tekercsek veszik át.

Ezek a tekercsek az áram áramlásával körkörös mágneses mezőt hoznak létre, amely forgatja a forgórészt - egy állandó mágnest.

Eddig minden rendben - könnyűnek tűnik.

Ahhoz azonban, hogy ez a forgás egyenletes és hatékony legyen, a tekercseknek fokozatosan kell váltaniuk. Pontosabban: nem csak egymás után, hanem "pontosan egymás után" (2. ábra).

Ez azt jelenti, hogy lehetővé kell tenni a forgó állandó mágnes - rotor helyzetének szabályozását a tekercs bekapcsolásának időpontjához képest. Például egy sarokcsiszoló rotorja körülbelül 30 000 fordulat/perc sebességgel forog, ami 500 fordulatot jelent másodpercenként. A tekercseket még ennél a sebességnél is abszolút pontos pozícióba kell szorítani a rotorhoz képest, mert a "megfelelő időbeli nyomatéktól" való bármilyen eltérés befolyásolná a motor futási egyenletességét, nyomatékát és sok más "betegséget".

Például egy pókháló körülbelül 0,04 mm vastag, egy emberi hajszál 2,5-szer vastagabb (körülbelül 0,1 mm). Ha a rotor helyzetének eltérése a sztátorhoz képest egy fordulatnál még 0,04 mm (egy szál pókháló), 500 fordulatnál az eltérés 20 mm-re nőne. Az eltérés nagysága pedig akkora, mint egy emberi hajszál vastagsága, akár 50mm-re is. Például, ha egy 24 mm átmérőjű rotor kerülete 75 mm, ez azt jelenti, hogy a pókháló vastagságának megfelelő nagyságú eltérés a rotor és a sztátor relatív helyzetét körülbelül ¼ fordulatnyira "dobná el", egy emberi hajszál vastagságának megfelelő nagyságú eltérés pedig akár ⅔ fordulatnyira. És mindezt egyetlen másodperc alatt!

Mindezt a vezérlőelektronika őrzi - és az egyszerűség kedvéért ennek képesnek kell lennie a teljes motorüzemet kezelni változó terhelés mellett. Hiszen egyetlen csavar becsavarása alapvetően azt jelenti, hogy a szerszámorsó egy fordulatával (azaz a csavar egy fordulatával) a rotor 30-60-szor fordul el - attól függően, hogy a csavarhúzó fordulatszáma hogyan van méretezve a rotor fordulatszámához képest. A motor áramfelvétele csavarozás közben fokozatosan növekszik - az elején kicsi. Minél mélyebb a csavar, annál nagyobb az áramfelvétel, és természetesen a végső fázisban - a meghúzásnál - a legnagyobb. Más szóval - minden egyes időpontban más az áramfelvétel.

A vezérlőelektronikának mindezzel meg kell birkóznia, és már most el tudjuk képzelni, hogy ez nem olyan egyszerű.

Nincs emberi hajszál, nincs pókháló - a tekercs befeszítése nem térhet el a rotor helyzetéhez képest.

BLDC motorok

A kefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorokat akkumulátorral, azaz egyenáramú áramforrásból táplált elektromos szerszámokba építik be. Mint már tudjuk, a sztátor a tekercsek és a sztátor lemezek, a rotor pedig az állandó mágnes. Jelenleg ezekben a motorokban a tekercsek kapcsolásának vezérlését többnyire Hall-szondákkal oldják meg (3. ábra).

A Hall-szondák (más néven Hall-érzékelő, Hall-érzékelő vagy közismerten "Hall") a Hall-jelenség elvén működnek (amelyet Edwin Hall fedezett fel 1879-ben). Ez abban áll, hogy a mágneses tér erősségével arányos feszültséget lehet érzékelni. Így a forgó mágneses térben a forgórész állandó mágnesének helyzetével összefüggő változó feszültséget, míg a Hall-szonda kimeneti jelét az elektronikus modulban úgy dolgozzák fel, hogy a tekercsek pontosan a kívánt pillanatban kapcsoljanak be.

3. ábra. Hall-szondák egy BLDC motorban

Mivel az elektromos szerszámok árára nehezedő nyomás növekszik - ami alatt azt értem, hogy a piac nyomja lefelé a szerszámok árát, a munkaerő költsége pedig világszerte emelkedik -, néha ott is spórolnak, ahol ez nem a legmegfelelőbb. Annak érdekében, hogy néhány másodpercet megtakarítsanak a szerelőszalagon, néha a sztátor és az elektronika egy egységként kerül beépítésre a szerszámokba, és így meghibásodás és későbbi csere esetén is a sztátort és az elektronikát egyszerre cserélik ki - és gyakran teljesen feleslegesen.

4. ábra. BLDC motor és a vezérlőelektronika egy egységként

5. ábra. A motor és az elektronika elválasztható alkatrészek

Jobb megoldás a moduláris felépítés (5. ábra), amely lehetővé teszi a sztátor, a motorvezérlő elektronika és a szerszámvezérlő elektronika cseréjét - mindegyiket külön-külön. Bár a csatlakozókat potenciális hibalehetőségként hozzáadjuk, a meghibásodási gyakoriság szempontjából nincs nagy jelentőségük. Mivel a sztátor és az elektronika a meghibásodási statisztikák szempontjából teljesen eltérő "eredményekkel" rendelkezik, egy ilyen megoldás minden bizonnyal hatékonyabb.

PMSM motorok

Az állandó mágneses szinkronmotorok, amelyeket néha BLAC-nak (Brushless Alternate Current, kefe nélküli váltakozó áramú) is neveznek, olyan motorok, amelyeket egy konnektorból származó váltakozó áramforrás táplál. A sztátor a tekercsek és a sztátor lemezek, a rotor az állandó mágnes - hasonlóan a BLDC motorokhoz.

Ezeket még ritkán használják, és nagyon keveset tudunk róluk. Perspektívájuk főként a nagy terheléssel dolgozó szerszámokban van, pl. sarokcsiszolókban. Vezérlésük az SCT (Sensorless Control Technology) elven alapul, és erről egy későbbi cikkben bővebben is szólunk.

A vezérlőegység első látásra tiszteletet parancsol (6. ábra). Fent látható a nyomtatott áramköri lap alulnézetből, alul pedig felülnézetből, ahol a teljesítményelektronika és az alumínium bordázott hűtőborda látható.

6. ábra. PMSM motor elektronika

7. ábra. A 6 ábrán látható elektronika ütésálló poliuretán öntözőanyagban burkolva

Összefoglaló

A szénmentes motorokról néha azt mondják, hogy karbantartásmentesek. Nem merem ezt a szót használni - azt az érzést kelti, hogy nem kell vigyáznunk az elektromos szerszámainkra. Karbantartásmentesnek azokban az alkalmazásokban nevezhető, ahol nem áll fenn a motor túlterhelésének, illetve a beszívott hűtőlevegőből származó por és szennyeződés veszélye - és az elektromos kéziszerszámokban való alkalmazások biztosan nem tartoznak ebbe a kategóriába. Bár a szénmentes motorok hűtése és karbantartása kevésbé igényes, mint a kommutátoros motoroké, a névleges fordulatszám-tartományon belüli munkavégzés és a tisztaság elengedhetetlen a hosszú élettartamhoz. Az elektromos kéziszerszámok élettartamát csak úgy tudjuk befolyásolni, ha megfelelő figyelmet fordítunk a kiválasztásukra, tisztaságukra, és munkatársainkat is erre irányítjuk.

Kulcsszavak: BLDC-motor, Hall-effektus, motorhibák, PMSM-motor, motortekercs, rotor, sztátor

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi
https://www.renesas.com/us/en/support/engineer-school/brushless-dc-motor-01-overview

Ing. Herman Nagypál

Katonai iskolát végeztem, repülőgépipari villamosmérnöki tanszéken. Már gyerekkoromban megtanultam szerszámokkal, szerszámgépekkel dolgozni édesapámmal egy családi ház építésénél. Minden új termékünket személyesen is tesztelem - saját kezemmel, jól felszerelt műhelyemben. Szabadidőmben szeretek motorozni a román hágókon. Ezen felül a szakterület trendjeit tanulmányozom, és szívesen kipróbálom a konkurens termékeket is. Némelyiken mosolygok, van amire rácsodálkozom (hogy valaki hagyta magát rászedni és megvette), és van, ami nagyon jó. Majdnem olyan jó, mint a miénk😊.