Что такое бесщеточные шуруповерты?

Их плюсы и минусы
Все чаще на электроинструменте можно встретить надпись «Brushless motor». Это значит, что девайс оснащен бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Действительно ли от этого есть толк или это очередная уловка маркетологов? Давайте разбираться на примере шуруповертов.
Мы будем говорить о шуруповертах как о наиболее востребованном электроинструменте в арсенале домашнего мастера (кто крутил саморезы отверткой, тот поймет). Но тезисы материала безоговорочно распространяются на весь электроинструмент, оснащенный бесщеточными двигателями.
Конструкция и принцип действия
«Brushless motor» в буквальном переводе означает бесщеточный двигатель, в конструкции которого отсутствует коллектор и щеточный узел. Также можно встретить сокращение BLDC, которым именуют бесщеточный электродвигатель постоянного тока.
Щеточный узел — это механическая контактная часть якоря электродвигателя. С помощью него через пластины коллектора подается напряжение на обмотку якоря. Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает электромагнитное поле. Магнитное поле обмотки якоря, взаимодействуя с постоянным магнитным полем статорных обмоток, приводит к возникновению крутящего момента на валу электродвигателя и его вращению. Чтобы вращение вала сохранялось постоянно, напряжение на отдельные проводники якорной обмотки нужно подавать в определенной последовательности. Электрический ток должен протекать по рамкам якорной обмотки в нужный момент, а электромагнитное поле, наводимое в проводниках, взаимодействовало с постоянным магнитным полем обмоток статора. В двигателе постоянного тока эту функцию выполняет коллекторный узел на якоре электродвигателя.
В бесщеточном электродвигателе коллектор и щетки отсутствуют, но принцип взаимодействия постоянного магнитного поля якоря с электромагнитным полем обмоток статора остается неизменным. Только в BLDC моторе нужно подавать постоянное напряжение на обмотки статора в определенные интервалы времени, имитируя работу коллектора.
Как правило, в конструкции статора бесщеточного мотора используются три пары обмоток, и напряжение на них подается поочередно. При подаче напряжения на первую пару обмоток якорь с постоянными магнитами поворачивается, выравнивая свое положение в соответствии с направлением силовых линий возникшего магнитного поля. В этот момент напряжение с первой пары обмоток снимается и подается на вторую пару. Поскольку якорь электродвигателя обладает определенным моментом инерции, он не останавливается моментально, а продолжает свое вращение, и его магниты начинают взаимодействовать со следующим магнитным полем. Так продолжается до тех пор, пока на обмотки статора поочередно подается напряжение.
Это упрощенная схема работы Brushless мотора. На самом деле, для усиления крутящего момента и исключения «провалов» его полки, в работе постоянно находятся две пары обмоток. Одна из них притягивает постоянные магниты якоря в моменты, когда они находятся до средней линии полюса катушки, а вторая подталкивает, как только полюс катушки пройден центральной частью постоянного магнита якоря. На первую пару катушек подается напряжение прямой полярности, а на вторую — обратной.
Для определения, на какие пары катушек нужно подать напряжение и какой полярности, в системе установлен датчик положения ротора. Он состоит из трех датчиков Холла, дающих контроллеру сигнал о необходимости формирования напряжения на каждой из пар катушек статора.
Плюсы и минусы бесщеточного шуруповерта
Производители пишут, что основная изюминка бесщеточного шуруповерта — не нужно менять щетки, которых нет. Это на самом деле так, но так ли сложно поменять щетки?
За этим «жирным» плюсом притаился довольно коварный минус. Дело в том, что более-менее нагруженный шуруповерт потребует замены щеток на второй, а то и третий год работы. Проводя их замену, бережливый владелец наверняка заглянет и в другие узлы инструмента. Обратит внимание на состояние подшипников, очистит внутренности от пыли, заложит порцию свежей смазки — в общем, проведет полное техобслуживание инструмента. В случае с бесколлекторным инструментом, о необходимости сервисного обслуживания можно просто забыть и вспомнить о нем, когда шуруповерт начнет конкретно барахлить.
Вот по-настоящему значимые преимущества бесщеточного инструмента:
Высокий КПД. У бесщеточного двигателя он составляет порядка 90 %, в то время как у коллекторного мотора — на уровне 60 %. Это обусловлено отсутствием потерь на трение и искрообразование, и, как следствие, повышением температуры коллекторного узла якоря мотора.
Быстрый выход на номинальную скорость вращения двигателя. В этом опять же заслуга высокого КПД BLDC мотора.
При тех же массогабаритных показателях, с вала бесщеточного электродвигателя снимается большая мощность, а это влечет получение большего крутящего момента.
Лучшая энергоэффективность. Благодаря отсутствию потерь в коллекторе и щеточном узле и более высокому КПД бесщеточный шуруповерт сделает больше полезной работы на одном заряде аккумулятора. Это важно профессионалам, для которых время — деньги. Эффективность бесщеточного шуруповерта в среднем выше на 25–40 % в сравнении с его коллекторным аналогом.
Возможность использования во взрыво- и пожароопасных средах ввиду отсутствия искр на щеточном узле.
Грамотная защита от перегрузки. Плата управления электродвигателем просто не позволит нагрузить инструмент сверх меры, а вот коллекторный шуруповерт при должном старании можно перегреть и получить дымок из вентиляционных отверстий.
Но бесщеточным инструментам присущи и некоторые недостатки:
Высокая цена. Наличие в конструкции дорогой силовой платы управления BLDC мотором ощутимо увеличивает стоимость шуруповерта.
Плохая ремонтопригодность. В бесщеточном шуруповерте плата управления, кнопка включения инструмента и статор электродвигателя обычно идут единым блоком. Стоимость запчасти — от 2/3 до 3/4 стоимости нового инструмента. Если поломка произойдет по истечении гарантийного срока, то ремонтировать такой шуруповерт вряд ли целесообразно. В отличие от коллекторных экземпляров, где можно заменить кнопку или электродвигатель отдельно, и стоить это будет на порядок дешевле.
Перспективы бесщеточных шуруповертов на рынке электроинструмента
Переход на бесщеточные инструменты неизбежен, поскольку они выгодны в первую очередь самим производителям ввиду унификации производственных процессов, уменьшению количества составных частей и улучшения технических характеристик выпускаемых моделей. Конечному пользователю такой переход абсолютно ничем не грозит. Шуруповерты как закручивали винты и саморезы, так и будут, исходя из своих технических возможностей.
Для профессиональной деятельности однозначно стоит смотреть в сторону бесщеточных моделей. Они экономичней, шустрее и надежней. Каждый рубль, вложенный в их покупку, окупится сторицей.
А вот домашнему мастеру стоит взвесить все «за» и «против», реально оценить возможную загруженность инструмента и свою готовность отдать больше денег за современные технологии.