Моторчик для шуруповерта без щеток

С появлением аккумуляторной дрели-шуруповерта выполнять работы по сборке мебели, установке панелей из гипсокартона, а особенно монтажу сайдинга на фасадах зданий, стало намного проще и безопаснее. Аккумуляторный инструмент не имеет мешающего работе электрического шнура питания, который при повреждении изоляции представляет для работающего серьезную опасность.

Бесщеточный шуруповерт

Привычные всем аккумуляторные шуруповерты оснащены коллекторными электродвигателями с переключением тока в обмотках якоря при помощи щеток. Бесщеточные шуруповерты, в отличие от них, комплектуются бесколлекторными электродвигателями. Функции коллекторно-щеточного узла (КШУ) выполняются электронным узлом управления. Разница состоит в том, что он переключает ток в обмотках статора, а не ротора. Якорь же не имеет катушек. Для исключения из конструкции скользящих контактов его магнитное поле создается постоянными магнитами. Момент подачи тока в статорные обмотки определяется при помощи датчиков положения ротора (ДПР), которые работают на основе эффекта Холла.

Импульсы ДПР совместно с сигналом регулятора скорости вращения обрабатываются микропроцессором. Результатом обработки является формирование электрических импульсов, модулированных по ширине. Это так называемый сигнал ШИМ. Результирующая последовательность импульсов подается на усилители тока (инверторы). Их выходы связаны с обмотками статора. Инверторы, в соответствии с выходным сигналами микропроцессорного узла, коммутируют ток в катушках статора. Переменное магнитное поле, вызванное импульсами этого тока, взаимодействуя с постоянным магнитным полем ротора, приводит к вращению якоря.

Достоинства и недостатки электроинструмента без щеток

Плюсами шуруповертов без щеток являются следующие качества:

1. Простота регулировки частоты вращения. Возможность изменения ее в широких пределах.
2. Отсутствие коллекторно-щеточного узла. Это исключило возникновение связанных с ним неисправностей и упростило техобслуживание инструмента.
3. Хорошая переносимость кратковременных перегрузок по крутящему моменту.
4. Экономный расход энергии. КПД бесщеточных двигателей около 90%.
5. Более длительная наработка на отказ, чем у инструмента с КШУ.
6. Отсутствие электрического искрения и, как следствие, безопасность работы во взрывоопасных смесях газов.
7. Небольшие размеры и вес.
8. У моделей с реверсом – одинаковая мощность в обоих направлениях вращения.
9. Отсутствие падения скорости вращения при увеличении нагрузки на патрон.

Из минусов этих инструментов замечен только один. Они несколько дороже своих коллекторных конкурентов.

Какой шуруповерт выбрать

Сравним основные характеристики бесщеточных и коллекторных аккумуляторных дрелей:

• КПД бесщеточных выше почти в 1,5 раза (90 против 60%). Значит, при одинаковой емкости аккумуляторных батарей бесщеточный будет работать без подзарядки значительно дольше.
• Среднее время безотказной работы бесщеточных двигателей больше, чем коллекторных.
• Масса и размеры первых меньше, чем вторых.

Проанализировав достоинства и недостатки аккумуляторных шуруповертов, можно с уверенностью сказать, что модели с бесщеточным двигателем – лучше. Если б стоимость сравниваемых шуруповертов была близка, выбирать следовало бы лучший.

Но преимущества бесщеточных довольно дорого стоят. Вопрос состоит в том, нужны ли они вам за эту разницу в цене.

Есть люди, которые работают исключительно дешевым китайским инструментом. Они объясняют это тем, что вечный инструмент еще не придумали. И любой, даже самый дорогой, когда-нибудь выйдет из строя, тогда нужно будет тратить время и деньги на его ремонт.

Недорогой инструмент до выхода из строя обычно успевает отработать деньги, потраченные на его покупку. Поэтому его не жалко выбросить, недорого купить такой же и опять работать новым. Как говорится, сколько людей – столько и мнений. Выбор за вами!

Автор ToolGIR. Опубликовано в Wiki

Я довольно долгое время интересуюсь инструментом Milwaukee, да и сам являюсь владельцем нескольких причиндалов их производства. Но меня всегда смущал факт, что на русскоязычном сайте информации об использованных технологиях кот наплакал, а на сторонних ресурсах сплошной маркетинговый пафос. Поэтому для общего блага решил изложить без лишнего маркетинга собранную мной за все время информацию по технологиям Fuel и не только.

В любом инструменте Milwaukee, выпускаемом под торговой маркой Fuel, применяется три основных технологии:

1. Бесщеточный двигатель PowerState
2. Аккумуляторная платформа RedLithium
3. Электронная система контроля и управления RedLink Plus

Соединенные воедино они нацелены на увеличение мощности, времени работы и срока эксплуатации, а так же снижения возможных негативных моментов при работе инструмента.

Оглавление:

Бесщеточный двигатель

Самая важная «фишка» современного инструмента любого производителя – это бесщеточные двигатели. С них и начнем. На самом деле, «бесщеточных двигателей», в смысле «не имеющих щеток» довольно много: асинхронные двигатели переменного тока (к слову, одно из изобретений Теслы), шаговые, вентильные (ВД), вентильные реактивные (ВРД) и др. Но речь пойдет о вентильных двигателях.

Принцип работы бесщеточного двигателя (справа) в сравнении со стандартным коллекторным двигателем (слева).

По сути, это вывернутый наизнанку знакомый каждому двигатель постоянного тока. Магниты перемещаются на ротор, а обмотки — на статор. Щеточно-коллекторный узел, отвечающий за коммутацию обмоток, заменяется электроникой – на ротор устанавливается один или несколько датчиков, отслеживающих его положение (обычно датчики Холла), а контроллер на основе этих данных подает напряжение на нужную в данный момент обмотку, создавая перемену полей и вращение. Отсюда и название «вентильный» – управляемый вентилями (электронными ключами = транзисторами).

Вверху – бескорпусный коллекторный двигатель, применяемый в инструменте предыдущей версии M18. Внизу – бесщеточный двигатель PowerState, разработанный Milwaukee для инструмента M18 Fuel. В обоих используются мощные и дорогие неодимовые магниты (Nd2Fe14B).

Отсутствие коллекторно-щеточного узла (тот самый, который искрит, шумит, снижает КПД и нуждается в регулярном обслуживании и замене) дает следующие плюсы:

• Срок службы двигателя в идеале ограничен только сроком службы подшипников.
• Выше показатели КПД за счет отсутствия потерь на скользящем контакте щеток и коллектора, соответственно больше мощность и меньше потребление.
• Меньше шумят, меньше греются, и практически не создают радиопомех.
• Более простая и компактная конструкция двигателя (как минимум короче на толщину коллекторного узла).
• Могут работать в агрессивных и взрывоопасных средах, при повышенной влажности.
• Переносят большую нагрузку по моменту.
• Широкий диапазон регулировки скорости вращения (при желании можно «превратить» буквально в шаговый двигатель).
• Одинаково мощные при любом направлении вращения.

Сравнение габаритов бесщеточного (слева) и обычного коллекторного двигателя постоянного тока.

Но есть и недостатки:

• Необходимо использовать дорогие мощные магниты, довольно сложную и дорогую управляющую электронику.
• Значительное увеличение ресурса двигателя требует, чтобы и остальные механические и электронные компоненты (редуктор, подшипники, ключи и т.п.) прибора имели соответствующий ресурс.

Все это долгое время препятствовало широкому применению бесщеточных двигателей в электроинструменте. Да и сейчас инструмент с такими двигателями является скорее уделом «премиум класса».

Технология сама по себе не нова, благодаря своим свойствам BLDC двигатели десятилетия используются в компьютерной и бытовой электронике (вентиляторы, floppy, CD/DVD, HDD и др.), в промышленности, радиомоделировании, медицинском оборудовании, авиационной и космической технике, одним словом, везде, где важны их уникальные свойства.

Фото разобранного компьютерного вентилятора, в которых применяются бесщеточные двигатели.

Не так давно данный тип двигателя начал приходить и на рынок электроинструмента. Первый бесщеточный инструмент был выпущен компанией Makita в 2003 году для военной и аэрокосмической промышленности. В 2006 году Panasonic выпустила первый импульсный шуруповерт с бесщеточным двигателем (EY7540LN2S). Milwaukee первые в мире, кто выпустил бесщеточный 12В инструмент (в 2012 году).

Первый промышленный бесщеточный инструмент, выпущенный компанией Makita в 2003 году и шуруповерт Panasonic (справа).

За прошедшие 12 лет каждый уважающий себя (и своих клиентов) производитель уже имеет в линейке целые серии инструмента, оснащенного бесщеточными двигателями. Многие производители уже даже не упоминают, что использован именно этот тип двигателя или ограничиваются скромненькой пометкой в характеристиках.

Работа бесщеточного двигателя (BLDC) напрямую зависит от управляющей электроники и, соответственно, требует источника питания постоянного тока. Это главная причина, по которой практически весь бесщеточный инструмент – аккумуляторный. Есть и сетевой, например, у Hilti – они используют вентильный реактивный электродвигатель (SRM, близкий «родственник» шагового двигателя), так же управляемый электроникой с предварительным преобразованием переменного тока в постоянный.

Отбойный молоток Hilti TE 1000-AVR в разерезе, где видно безобмоточный ротор из магнитомягкого материала.

Двигатель PowerState

PowerState – это бесщеточный двигатель, разработанный Milwaukee и выпущенный в начале 2012 года. По заявлениям компании это самый производительный и надежный бесщеточный мотор среди представленных на инструментальном рынке.

Двигатели PowerState для различного инструмента.

Внешне мотор как мотор. Для сравнения на фото внешний вид двигателей 18-вольтовых импульсных шуруповертов. К слову, в самом тесте победил Milwaukee, как и во многих других тестах, так что, возможно, это не пустые обещания производителя.

Слева-направо: Hilti SID 18A, Makita LXDT06, Milwaukee 2653-22.

Согласно тестированию в лабораториях Milwaukee, новый мотор обладает ресурсом, в 10 раз превышающим ресурс мотора, применяемого на моделях предыдущей версии M18 (500 часов у M18 Fuel и 50 часов у M18). Тут, правда, вкрался маркетинг, «50 часов» – до первой замены щеток, а не до полного выхода из строя. У двигателей M12 Fuel заявленный ресурс так же 500 часов. На счет ресурса простых M12 ничего не могу сказать, там даже мотор со встроенными несменными щетками.

Щетки на 4-полюсном коллекторном двигателе предыдущего поколения M18.

За счет использованных технологий, по сравнению с предыдущей линейкой M18, мощность у M18 Fuel выросла на 25% при том, что мотор стал более компактным и менее прожорливым (за счет повышения КПД).

Внешний вид и устройство двигателя инструмента Milwaukee M18 предыдущего поколения.

Двигатель PowerState в инструменте Milwaukee M18 Fuel (шуруповерт 2603 или 2604).

На практике, производитель обещает нам в 2 раза больше мощности и в 4 раза дольше время работы. Заявлено это для M18 Fuel (2604) относительно бесщеточной Makita LXPH05. Для нашего рынка это Makita DHP459 (на унылом официальном российском сайте ее попросту нет, поэтому без ссылки). Насчет мощности близко к правде (крутящий момент макиты – 45 Нм, а милки — 82 Нм). Насчет времени работы, кто его знает… У обоих производителей есть аккумуляторы 18В емкостью от 1.5 Ач до 5 Ач. Ну, вы поняли…

RedLink Plus

RedLink – электронная интеллектуальная система контроля и управления разработки Milwaukee. Подобные системы применяются во всех электроинструментах приличного уровня любых приличных производителей. До переименования в Redlink она называлась DPM (Digital Power Management – Электронное управление мощностью).

Взаимодействие компонентов Milwaukee Fuel под управлением RedLink Plus.

Функция RedLink, как и всех подобных систем, заключается в защите от перегрева, перегрузки (выключает двигатель при резком повышении потребления тока до 70 А на протяжении 0.5 сек.) и управлении всеми компонентами инструмента для эффективной работы и предотвращения поломки инструмента из-за человеческих ошибок и неправильного использования.

Трехфазная плата коммутации, через которую контроллер управляет двигателем.

RedLink Plus явилась дальнейшим развитием системы RedLink. Теперь, к защитным функциям прибавилась еще и оптимизация производительности, за счет регулировки мощности в зависимости от крутящего момента и текущей нагрузки. В процессе работы система отслеживает все основные узлы (батарею, двигатель, говорят, даже курок снабдили собственным микроконтроллером) и подстраивает мощность под нагрузку. Благодаря этому инструмент всегда работает в оптимальном режиме, что положительно влияет на производительность, общую надежность, время работы и срок службы.

Устройство шуруповертов Milwaukee Fuel: основной контроллер у M18 обычно расположен в рукоятке, а у M12 – вдоль корпуса у основания рукоятки.

С современным развитием программируемых микроконтроллеров уже никого не удивить подобными «высокоинтеллектуальными» системами. Взять тот же Ardiuno, каких там только «чудес» не собирают, и это на простеньком микроконтроллере многолетней давности. В общем, возможности тут действительно большие, и реализация RedLink Plus со всеми её озвученными плюсами Milwaukee вполне по силам.

One-Key

В сентябре вышла система One-Key, с помощью которой каждый может мониторить состояние инструмента, управлять его параметрами и вести инвентаризацию, через любое устройство под управлением Andriod или iOS с беспроводным соединением. Такого в мире инструмента еще не было! Вся информация хранится на облаке и доступна из любой точки, в том числе одновременно из разных. Другими словами, сидя в офисе можно иметь всю информацию о наличии и состоянии инструмента на разных объектах. Система совершенно бесплатна, однако инструмент, поддерживающий такую возможность, появится позже и постепенно; сколько он будет стоить пока не известно.

Интерфейс приложения Milwaukee One-Key на Android.

Аккумуляторы RedLithium

Последние годы все производители переводят линейки своих аккумуляторных продуктов с Ni-Cd на Li-Ion аккумуляторы. И все стараются добиться от этих батарей максимальной работоспособности и долговечности. На это и нацелена, представленная Milwukee в 2011 году, технология RedLithium (дословно – Красный Литий).

Заявленных свойств и характеристик для батарей RedLithium в компании Milwaukee добились за счет использования лучшей аккумуляторной «химии» (почти везде стоят Samsung’овские банки), интеллектуального блока контроля и управления элементами, а так же особой конструкции для уменьшения механических воздействий и защиты от попадания воды.

Взрыв-схемы предыдущего поколения аккумуляторов XC (слева) и их последней редакции (справа).

M18 имеют встроенную защиту от перегрузки, перегрева, чрезмерного разряда (M12 имеют лишь температурный датчик). Контролер и зарядное устройство могут контролировать состояние не только всей батареи в целом, но индивидуально каждого аккумуляторного элемента (в крупных батареях, похоже, блоками по 2-3 элемента).

Все это, по заявлению разработчика, должно дать их аккумуляторам ряд преимуществ, как над предыдущими поколениями батарей, так и над батареями конкурентов. Но, немного смущает, что информация даже из официальных источников (сайт, пресс релизы, каталог и т.п) различается, поэтому в скобках привожу другие встретившиеся мне значения:

• продолжительность работы увеличена на 40% (в 2 раза);
• обороты и крутящий момент выросли на 20%;
• количество циклов зарядки выросло на 50% (от 2 до 10 раз, 1400 циклов);
• могут работать при температуре окружающей среды до -20°C.

Сравнение мощности и времени работы различных поколений аккумуляторов Milwaukee.

По всей видимости, зависит от того, с чем сравнивать… Цифры, конечно маркетинговые, но по моему опыту и отзывам других, RedLithium очень достойные аккумуляторы. Заряд и разряд происходит достаточно щадяще, у своих M12 я ни разу не замечал, чтобы они заметно нагрелись. Вполне реально, что аккумуляторы прослужат достаточно долго. Кроме того батареи имеют неплохую гарантию: на Li-Ion 2 и 3 года для американского рынка и 2 для нашего (при условии регистрации, и то не для всех аккумуляторов… как обычно, нас обделили…).

M18 имеют довольно надежное и удобное крепление слайдерного типа. Индикатор заряда у M18 находится на батарее (у M12 – на инструменте). Главное, что все аккумуляторы RedLithium, как механически, так и электрически, полностью совместимы с оборудованием предыдущего поколения своей системы и наоборот.

Аккумуляторы M12

На фото три имеющихся у меня батареи M12, уже знакомые нашим читателям из обзоров шуруповерта Milwaukee M12 Fuel (2404) и мультирезака M12 (2426).

Слева направо:

1. 48-11-2402 – 12 В, 3 Ач (32 Втч), 400 грамм, 57 минут*(предыдущее поколение RedLithium)
2. 48-11-2440 – 12 В, 4 Ач (43 Втч), 405 грамм, 76 минут*
3. 48-11-2420 – 12 В, 2 Ач (22 Втч), 180 грамм, 40.5 минут*

* Время полного заряда, замеренного мной (вполне соответствует заявленному). По современным меркам это довольно долго, могли бы совершенно безболезненно уменьшить время минут на 10-20 за счет немного большего тока – аккумуляторы во время заряда еле теплые, сама зарядка и то больше греется.

Новое зарядное устройство для ускоренного заряда M12 и M18 (48-59-1808).

У обычных RedLithium (48-11-2401) внутри установлены банки Samsung INR18650-15M на 1500mAh, а RedLithium XC 2.0 собраны из банок INR18650-20R на 2000mAh. И те и другие – отличные аккумуляторы, рассчитанные на высокий ток нагрузки (у 15M даже немного больше). Емкость батарей с этими аккумуляторами соответствует заявленной. Большие батареи (RedLithium XC 4.0) разбирать мне жалко, но полагаю, что там должны быть те же INR18650-20R, как и в маленьких.

Схема оснащена термодатчиком и позволяет производить заряд и контроль каждой банки батареи по отдельности (как и было заявлено). Каких-либо «интеллектуальных» компонентов внутри аккумуляторов M12 нет.

Аккумуляторы M18

Аккумуляторов M18 выпускается значительно больше. На данный момент купить можно батареи емкостью от 1.5 Ач до 5 Ач. На январь 2016 анонсирован выход 18В аккумуляторов емкостью 6 Ач и 9 Ач. Вот уж будет, где разгуляться .

Аккумуляторы M18 различной емкости.

В самых первых акумах емкостью 1.5 Ач (48-11-1815) внутри стоят банки Samsung INR18650-15M (как и в M12 на 1.5 Ач). Напряжение у M18 указано «по-честному» – 3.6 x 5 = 18, хотя полностью заряженная батарея показывает чуть больше 20 вольт…

Каждый аккумулятор M18 уже имеет собственную плату электроники – часть той самой системы RedLink для мониторинга состояния элементов и контроля их заряда/разряда.

Можно предположить какие банки стоят в более емких моделях. Явно те же INR18650-20R в батареях на 2 Ач и 4 Ач. Скорей всего INR18650-25R в батареях емкостью 5 Ач (из высокотоковых банок Samsung – 2500 мАч это пока максимум).

Внутренности новых аккумуляторов RedLithium M18 емкостью 6 Ач и 9 Ач.

Сложно сказать, что используется в батареях на 6 и 9 Ампер-час. Согласно конструкции там должны стоять банки на 3000 мАч, а единственные известные банки такой емкости с током разряда 20 А это LG HG2. Очевидно, что эти батареи сейчас проходят этап рабочей «обкатки» (везет же кому-то ), по результатам которой к выходу в продажу их дизайн может претерпеть изменения.

В чем принципиальная разница электрических шуруповертов? Имя производителя на корпусе в расчет не берем. Все знают, что бывают сетевые (питание 220 вольт) и автономные (питание от бортового аккумулятора) инструменты.

Кроме того, редуктор вращения вала может быть оснащен ударным механизмом. За последние десятилетия никаких революционных технологий не придумали, кроме одной. Про неё и поговорим.

Что такое бесщеточный двигатель?

На подавляющем большинстве шуруповертов установлены коллекторные электромоторы. Принцип действия следующий: переключение обмоток происходит механическим путем и в якорной цепи. Контакты – это коллектор, а электроток передается с помощью подпружиненных щеток.

• Проверенная технология.
• Дешевизна комплектующих.
• Простота ремонта.

• Большие потери тока на коллекторе, как следствие – низкий КПД.
• Искрение, нагрев коллекторного узла.
• Зависимость крутящего момента от оборотов.
• Потеря мощности в режиме реверса.
• Высокая степень износа.
• Потеря оборотов при нагрузке.

При разработке бесколлекторного мотора стояла задача отказаться от механической коммутации электрического тока. В первую очередь, переключение обмоток перенесли с вращающегося якоря на неподвижный статор. Для этого на якоре обмотки заменили постоянными магнитами. Это немного не соответствует концепции электромотора, но никак не отражается на общей работоспособности.

После изменения конструкции, отпала необходимость в постоянной перекоммутации тока на коллекторе. Обмотки на статоре можно переключать с помощью электрической схемы.

В нужный момент, после определения углового положения ротора относительно статора, схема управления дает команду на включение необходимой группы обмоток. Для точного позиционирования якоря, на нем установлен датчик Холла (как на коленвале автомобильного мотора).

• Можно добиться идеально точного позиционирования якоря.
• Отсутствие механических потерь.
• КПД бесщеточного шуруповерта приближается к 90%.
• Ничего не искрит и не изнашивается механически.
• Отсутствие искрения дает возможность работать электроинструментом в условиях пожароопасной пыли и высокой влажности.
• Бесщеточный мотор более компактный и легкий, что важно для ручного инструмента.
• При работе реверса не теряется мощность.
• Перегрузки на предельной мощности не снижают ресурс двигателя.
• Контроль за скоростью вращения: при изменении нагрузки обороты стабильные.
• Прецизионная электронная регулировка оборотов.

• Более сложная конструкция.
• Высокая стоимость шуруповерта.

Если сравнивать преимущества и недостатки двух видов электродвигателей, в противовес высокой стоимости бесщеточного шуруповерта можно привести следующие аргументы:

• Экономия при эксплуатации: меньшее потребление электроэнергии за счет высокого КПД.
• Не потерь крутящего момента при регулировке оборотов.
• Инструмент легкий и компактный.
• Ресурс бесщеточных шуруповертов в разы выше.

Популярные бесщеточные шуруповерты

Дрель-шуруповерт Bosch GSR 18 V-EC – дорого, качественно, надежно

Компактный бесщеточный мотор позволил добиться у аккумуляторного шуруповерта характеристик, не хуже сетевого инструмента.

Именно за счет бесколлекторных технологий, эта модель позволяет работать на тяжелых поверхностях без опаски разрядить аккумулятор в течение смены. Корпус двигателя по размеру не превышает аккумулятор.

• Комплект из 2 аккумуляторов емкостью по 5,0 А*ч, вкупе с бесщеточным двигателем.
• Мощный крутящий момент (31 Нм) с возможностью мягкого изменения уровня.
• Механическое переключение двух ступеней редуктора.
• Компактные размеры позволяют работать в ограниченном пространстве.
• Установка сверл с хвостовиком 13 мм.
• Богатая комплектация: кейс, вкладыш в кейс для инструмента, магнитный держатель для бит.

• Высокая стоимость (есть подозрение, что за бренд) – 23000 рублей.
• Большой вес: 1,7 кг. Тяжеловато даже для аккумуляторного инструмента.

Дрель-шуруповерт Dewalt 18.0 В XR – средние характеристики по умеренной стоимости

Для того, чтобы уложиться в рамки приемлемой цены, производитель сэкономил на всем, кроме кейса для переноски. Характеристики достаточные, не более того. При попытке использовать дрель-шуруповерт «по максимуму», сразу чувствуется предел.

При этом инструмент бодро сверлит, крутит, шлифует. При выполнении домашних работ, недостатка в характеристиках не ощущается. Приемлемая альтернатива традиционному коллекторному шуруповерту.

• Умеренная цена (как для бесщеточного мотора), за такие деньги часто предлагаются коллекторные модели – 11800 рублей.
• Высокий крутящий момент, несмотря на ограничения по мощности.
• Продуманная эргономика: можно свободно оперировать в труднодоступных углах.
• Шуруповерт очень легкий: всего 1,15 кг с аккумулятором.
• Две механические ступени редуктора.

• Слабоваты аккумуляторы: 2 шт. по 1,5 А*ч.
• Неудачно расположена лампа подсветки.
• Некачественное крепление аккумулятора на рукояти.

Выводы

Как видим, высокая стоимость бесщеточных шуруповертов с легкостью перевешивается достоинствами, технологии. Чем выше требования к инструменту – тем больше доводов в пользу бесколлекторного инструмента. Может быть, для домашнего применения цена высоковата, но для профессионала выбор очевиден.