Вентильный электродвигатель: заглянем в будущее!

Статья публиковалась в журнале «Инструменты» №17’2007.

У электроинструмента много технических параметров, которые определяют его потребительские свойства. Если речь идет о профессиональном использовании, то не последнее место среди них занимают надежность, долговечность и способность к длительной непрерывной работе. Также существует ряд инструментов, для которых по большому счету только это и важно, например, «болгарки». Перечисленные качества определяются мотором, именно он становится слабым звеном в случае интенсивной, продолжительной эксплуатации. Разумеется, речь идет о привычном для нас коллекторном электродвигателе.

Вообще говоря, существует много типов электромоторов, более подходящих для длительной работы под нагрузкой. К примеру, на станках повсеместно используют асинхронные. Высокий КПД, закрытая конструкция. Из деталей, подверженных износу от трения, только подшипники и уплотнители. Увы, в силу ряда особенностей (в первую очередь массы и габаритов) такой мотор можно поставить только на маломощный и при этом не стесненный в размерах инструмент.

Так, в номере журнала «Инструменты» №22’2006  мы рассказывали о плоскошлифовальной машине Freud FLN 216 с асинхронным мотором: 200 Вт и 4,1 кг массы — сочетание, подходящие не для каждого типа инструмента. Впрочем, и этот мотор можно заставить работать с высокой удельной отдачей, но применительно к инструменту это сложно и дорого. А есть ли варианты более простые, способные полноценно заменить коллекторный двигатель, но при этом избавленные от его недостатков?

В данный момент наиболее удачной и реальной заменой может стать лишь вентильный двигатель.

ЧТО ТАКОЕ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ЗАЧЕМ ОН ИНСТРУМЕНТУ?
Этот мотор почти во всем аналогичен коллекторному мотору постоянного тока с магнитным статором, но не имеет собственно коллектора. Теоретически суть «переделки» такова: магниты помещаем на ротор, а обмотки — на статор. Устанавливаем датчик углового положения ротора и подключаем его к электронному коммутатору, который будет менять направление тока в обмотках. То есть одна задача коллектора и щеток — подключение тока нужного направления в нужные обмотки — решается. Вторая функция — скользящий контакт (передача тока) — оказывается невостребованной. Получаем мотор, поведение которого (нагрузочная характеристика, реакция на изменение питающего напряжения и т. д.) во всем подобно коллекторному, но более совершенный. Скользящего контакта нет, нет и сопутствующих ему механических и электрических потерь, выше надежность. Наконец, в идеале не требуется продувать воздух сквозь мотор, потому что обмоток внутри него нет. Здорово!

На деле все сложнее: хорошие магниты дороги, мощная силовая электроника, коммутирующая обмотки, тоже стоит денег, наконец, ток в розетке переменный, а не постоянный. До недавнего времени эти проблемы казались довольно серьезными, что и останавливало конструкторов от применения вентильного мотора на электроинструменте (в других областях техники его используют довольно часто).

Теперь перейдем от теории к практике. Наличие магнитов (повторим, они дороги) совсем не обязательно. Ротор можно сделать в виде магнитопровода из привычного материала. При этом выиграешь в цене, но проиграешь в удельных характеристиках. Сохранение допусков, разумных для коллекторного мотора (речь о магнитном зазоре ротор-статор), тоже ухудшает параметры, в частности, массу и КПД. Последнее особенно важно, причем не с точки зрения экономии электроэнергии, а с позиции необходимости рассеяния тепла, которое будет выделяться при работе мотора. Поэтому в некоторых случаях придется пожертвовать еще и закрытой конструкцией корпуса. Впрочем, пыль будет уже не так вредна, ведь коллектора и обмоток нет.

Тем не менее достоинства вентильного мотора свидетельствуют о качественно новых характеристиках инструмента, оснащенного приводом этого типа. Конструкторам есть к чему стремиться! Сейчас серийными моделями располагает Festool и DeWALT. О достижениях последнего производителя говорить не будем — мотор установлен на станке. Это тоже интересно, но речь все же об инструменте (на станок можно поставить и «асинхронник»).

FESTOOL C12
Интересно, что производитель не кричит о своих передовых достижениях. Если открыть описание инструмента на русскоязычном сайте, то в списке достоинств строка «износостойкий электродвигатель EC-TEC с долгим сроком службы» находится лишь на третьем месте, ниже строки «максимальная производительность завинчивания и небольшой вес с аккумуляторным блоком Standard S NiCd/S NiMH» и выше описания системы «FastFix»… Впрочем, немцев понять можно — нечего морочить потребителю голову, забивая ее информацией о технических особенностях инструмента.

Но нас-то интересует именно мотор. Отметим, что применение вентильного двигателя на аккумуляторном шуруповерте — логичное решение, ведь условия к этому располагают. Большая мощность (а значит, и дорогие полупроводниковые элементы) не требуется, питание от источника постоянного тока тоже как нельзя кстати — выпрямитель не нужен. Именно на шуруповерте мы получаем максимальный эффект по увеличению КПД и качественное изменение продукта за счет значительного уменьшения веса. Эффект по увеличению КПД достигается благодаря тому, что двигатель у аккумуляторных шуруповертов маломощный и удельные потери на трении в щеточном узле максимальны. С другой стороны, говорить о возможности «переноса» этих наработок в область сетевого инструмента вряд ли уместно: масштаб и условия работы мощного 220-вольтового инструмента совершенно иные.

Так или иначе, но Festool C12 — первый известный нам серийный инструмент с вентильным двигателем, и он очень хорош! Дрель побывала на наших испытаниях несколько лет назад и произвела сильное впечатление: легкая, мощная, бесшумная, с очень плавным вращением шпинделя и с большим «запасом хода» (энергия аккумулятора расходуется очень экономно).

Конструкция совершенная — вполне в духе Festool. Ротор двигателя набран из магнитов, что позволяет добиться наилучших результатов. Электронное управление рабочими процессами мотора уживается с привычным набором функций, которыми наделены и коллекторные машины. Можно сказать, что дополнительная электроника ничем не выдает своего присутствия: качественно изготовленная плата «интегрирована» в корпус и по внешнему виду не отличается от плат, управляющих работой обычного коллекторного инструмента.

Безусловно, шуруповерт Festool C12 примечателен: габариты, компоновка, силовые характеристики, ресурс автономной работы и вес — все это во многом обусловлено именно наличием экономичного, компактного и мощного вентильного двигателя.

В той или иной степени разработкой инструмента с бесколлекторным мотором сейчас заняты многие фирмы, не все из них готовы афишировать промежуточные результаты своих разработок. Не хотелось бы пересказывать слухи или тем более распускать сплетни, поэтому дальше будем говорить только о разработках компаний, официально давших согласие на публикацию информации. Пусть их небольшое количество не вводит читателя в заблуждение: еще неизвестно, с какой стороны грянет гром, предвещающий бурю технологической революции.

ИЖЕВСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАВОД
О том, что на этом предприятии ведутся разработки по вентильному мотору для электроинструмента, мы узнали совсем недавно и даже сначала не поверили, посчитав, что произошла какая-то ошибка. Написали письмо с вопросом и получили скупой ответ: да, действительно ведутся. Разузнать подробности, общаясь на расстоянии, нам не удалось.

К счастью, представилась возможность посетить завод (репортаж о поездке читайте здесь). И только в личной беседе с конструкторами мы смогли получить информацию о наработках в данном направлении и о взгляде лидера отечественного производства электроинструментов на проблему. Познакомим с ним и читателя.

Вентильным двигателем сейчас занимаются все серьезные фирмы. Зачем он понадобился нам? Сейчас «вымывается» ниша полупрофессионального инструмента, остается бытовой и профессиональный. Конкурировать с КНР в бытовом сегменте рынка бесполезно. С другой стороны, ниша дорогого профессионального инструмента прочно оккупирована известными брендами с мировым именем. Какой бы сложной ни казалась конкуренция с этими производителями, но нам нужно вступать в борьбу именно с ними, только так возможно отстоять свою долю рынка. А ведь наш бренд не так уж и силен, единственное, что мы можем противопоставить, — это оригинальные разработки. Иными словами, предложить что-то новенькое, чего нет у других.

Как известно, ресурс любого инструмента определяется в основном надежностью его электродвигателя. Взять хотя бы УШМ: две шестеренки и двигатель, причем современные шестеренки, которые сейчас делают методом порошковой металлургии, имеют очень большой ресурс. А вот двигатель… Слабые звенья мотора: щеточно-коллекторный узел, подшипники, обмотки, электрическая прочность изоляции которых со временем изменяется. Многие пытаются решить эти проблемы по отдельности (мы не исключение), но почему бы не предложить электродвигатель с качественно новыми характеристиками по ресурсу? Такой мотор существенно поднимет надежность электроинструмента в целом.

Сейчас у нас уже есть образцы таких инструментов: цепная электропила и углошлифовальная машина, оснащенные вентильным двигателем.

Самый большой недостаток обычного двигателя — обмотка на роторе. Вентильный мотор ее не имеет. Первая наша удачная разработка — мотор с пакетом ротора, набранным из листов электротехнической стали. Якорь почти такой же, как и у обычного коллекторного двигателя, но без обмоток. Крупные зубцы ротора притягиваются к электромагнитам статора, за счет чего и совершается механическая работа. Сейчас в конструкции ротора многие стараются использовать магнит, мы же начали с варианта использования ротора без магнитов, как с более предсказуемого (надежного) и дешевого варианта.

Этот мотор мы установили на цепную пилу, где он вращает звездочку напрямую без редуктора. Сейчас мы пришли к выводу, что, используя магнитный ротор, сможем получить аналогичные характеристики, но заметно снизить вес и размеры. К тому же двигатель с магнитным ротором имеет более высокий КПД. Еще один путь увеличить его — уменьшить магнитный зазор, но это требует усложнения технологии, на наш взгляд, неуместного. Да и нет особого смысла: даже с ротором без магнитов и стандартным зазором мы получили КПД инструмента более 75 процентов (имеется в виду соотношение выхода мощности на валу инструмента и потребляемой из сети). Как уже упоминалось, достоинство нашего большого в диаметре мотора без магнита еще и в том, что он может работать без редуктора за счет высокого момента на выходе. Полезная мощность этого двигателя 1,3 кВт.

Разрабатывая макет, мы не ставили целью сделать электронику встроенной: опытный образец работает с выносным управляющим электронным блоком. К тому же тот обладает запасом по мощности, чтобы выдерживать всевозможные перегрузки, неизбежные на этапе испытаний. Но в принципе мы уже освоили компактный вариант электроники, уменьшенный до размеров, позволяющих расположить его непосредственно в корпусе инструмента.

В любом случае мы не считаем эти результаты существенным достижением на пути к серийному выпуску бесколлекторного мотора. Дело в том, что цепная пила — не тот инструмент, который остро нуждается в нем.

На наш взгляд, она популярна в быту, и люди не готовы переплачивать значительные деньги за ее надежность. Поэтому сейчас мы вплотную занимаемся углошлифовальной машиной, в большей степени используемой профессионалами (УШМ часто служит расходным материалом — отработала год, покупай новую!). Этот вариант мы разрабатываем в исполнении с редуктором и с магнитным ротором. Отчего такой крутой поворот? До недавнего времени мы стремились, как и все, обойтись без магнитов, теперь ситуация несколько изменилась. Впрочем, от этого мы только выиграли, потому что теперь имеем разработки обоих вариантов исполнения!

Сейчас появились подходящие по качеству китайские магниты, по цене раз в пять дешевле российских аналогов. С установкой таких магнитов характеристики двигателя значительно улучшаются: растет КПД и удельная мощность (из тех же габаритов можно выжать существенно больше). Кстати, на той же пиле наш мотор с магнитами тоже сможет работать без редуктора. Как «экзотический» вариант — разрабатываем УШМ без редуктора, но там возникают серьезные проблемы с компоновкой. Диаметр двигателя больше диаметра стандартной редукторной головки, из-за чего возникают сложности с глубиной реза и недостаточным использованием ресурса круга.

Конечно, если у нас появится бесколлекторный двигатель, готовый к производству, мы постараемся поставить его на ряд изделий. Первая на очереди — УШМ.

В общем-то мы серьезно занимаемся этими разработками всего год, до этого около двух лет лишь прорабатывали вопрос целесообразности ведения работ в этом направлении: изучали стоимость, просчитывали экономику. Раньше коллекторный двигатель стоил намного дешевле вентильного, сейчас же за счет роста цен на медь и удешевления электроники ситуация сильно изменилась. Наступил тот момент, когда цены стали соизмеримыми. В дальнейшем эта тенденция наверняка будет сохраняться. Сейчас многие, «спохватившись», занялись этими разработками. Наша разработка ведется непосредственно на заводе, где мы собираемся делать этот мотор, что позволяет изначально учитывать технологические возможности нашего производства. Так, принятая нами величина магнитного зазора позволяет обойтись без дополнительных операций по обработке (все, как на обычном электромоторе).

С электроникой тоже проблем не видим: большинство наших инструментов уже сейчас имеют встроенный блок электроники, производимый нашим предприятием. В зависимости от необходимости он обеспечивает плавный пуск, стабилизацию оборотов под нагрузкой, ограничение оборотов холостого хода, термозащиту, защиту от токовой перегрузки — все это мы умеем делать сами и накопили большой опыт по разработке и производству электронных схем для управления работой электроинструмента.

В ближайшее время мы проведем испытания макетных образцов машин с редуктором и будем принимать решение о запуске в производство. С машинами без редуктора этот же процесс, наверное, затянется до конца года. В итоге мы планируем получить инструмент, изготовленный по технологии того же уровня, что мы используем при производстве нашего обычного электроинструмента, и с ценой, сопоставимой с ценой обычного «брендового» электроинструмента.

ТОРГОВЫЙ ДОМ «КОНАКОВО»
Компания ТД «Конаково» — крупный дистрибьютор разных торговых марок и в первую очередь отечественных производителей. То есть, собственно, производителем инструмента ТД «Конаково» не является. Однако несколько лет назад эта фирма затеяла и теперь ведет проект по разработке и внедрению в производство отечественного электроинструмента с вентильным двигателем. Со слов руководства ТД «Конаково», был сформирован союз науки, производства и торговли. Разработчиком является Московский авиационный институт, конкретно ООО «РЭЛМА», чья специализация разработка вентильных двигателей. Серийным производителем инструмента и одновременно заказчиком разработки выступает завод Rebir. Роль продавца, «способного продавить рынок новым инструментом», берет на себя ТД «Конаково».

Впервые широкой общественности инструмент представили на выставке «Интертул-2005», точнее, опытные разработки: целая серия действующих прототипов, созданных на базе моделей Rebir с приводом от вентильного двигателя собственной разработки мощностью 2000 Вт.

С самого начала ТД «Конаково» сделал ставку на достижение самого высокого результата, негласно называя проект «проектом вечного двигателя». Изначальные посылки выглядят логично и убедительно: от ненадежности коллекторного инструмента больше всего страдают профессионалы, поэтому инструмент должен быть профессиональным. Повторно-кратковременный цикл работы коллекторного двигателя больше всего мешает в случае использования мощного инструмента, который работает с полной отдачей, а это в первую очередь «болгарки» и дисковые пилы. Значит, мотор должен быть мощным — около 2000 Вт. При этом достичь действительно высокой надежности реально лишь при высоком КПД мотора: он не должен сильно нагреваться, чтобы можно было сделать конструкцию герметичной.

Если выполнить все эти условия, получится инструмент, готовый работать с высокой нагрузкой вообще без перерывов, при этом конструктивно надежный и долговечный, способный служить долгие годы, даже в случае очень интенсивной эксплуатации. Многие мастера согласятся дорого заплатить, например, за «болгарку» с таким мотором, поэтому ограничение по цене было сразу же отметено, как фактор несущественный в данном случае. Позиция руководства проекта: «Сначала нужно сделать инструмент, а потом уже снижать его цену. Инструмент имеет право быть дорогим хотя бы потому, что он новый…». При этом желательно было решить ряд «второстепенных» задач: понизить массу мощных инструментов и сделать нагрузочную характеристику двигателя более жесткой.

Из этих требований вырисовывается конструкция мотора и его особенности: высокая частота вращения (малый вес), магнитный ротор и высокая технологичность изготовления (малый вес, высокий КПД, жесткая характеристика).Как уже упоминалось, по этому техзаданию был создан целый ряд не то что моторов, а даже целых инструментов, разумеется, опытных. В 2005-м на выставке были показаны и испытаны под нагрузкой УШМ, дисковая и цепная пилы, прямошлифовальная машина, дрель и рубанок. Некоторые из них автору даже довелось опробовать в спокойной, невыставочной обстановке. В следующем году на той же выставке показали еще более интересную «болгарку»: с корпусом от компактной 150-миллиметровой машины, но с 230-миллиметровым диском. Стоящий инструмент!

Смущало, пожалуй, лишь одно: отсутствие встроенного электронного модуля управления. Все показанные бразцы работали от выносного блока. При этом в качестве одного из путей развития рассматривался серийный вариант с выносным блоком, который можно было бы закреплять, например, на поясе.

Обратившись в ТД «Конаково» перед самой публикацией статьи, мы ожидали узнать новости и дополнить историю новой главой, однако новостей нам не сообщили. Официальный ответ все объясняет: «…Нами была проведена обширная работа по созданию и испытанию разнотипных действующих образцов, что позволило нам остановить свой выбор на определенных конструкциях. На предварительных этапах мы были открыты и с удовольствием рассказывали о своих наработках, теперь же, когда получены действительно ценные результаты, и мы детально прорабатываем возможность серийного выпуска, настал момент опустить завесу тайны…».

осень 2007 года