Аккумуляторные технологии и инструмент

Развитие аккумуляторных технологий и автономного электрифицированного инструмента происходит по двум направлениям. Первое — совершенствование технологий производства и материалов для аккумуляторных батарей. Второе — расширение номенклатуры инструментов на основе развития двигателей и приводов.

Развитие аккумуляторов для инструмента

Попытка применения аккумуляторов, в качестве источника энергии и способа «отвязаться» от проводных и трубопроводных систем подачи энергии, начались сразу после появления свинцовых аккумуляторов в начале прошлого века. Большой вес батареи, невозможность использовать активную массу более чем на 30% и определенные сложности в ее обслуживании ограничили круг применяемости тележками, аварийными осветительными приборами, радиостанциями и пр. Напр., свинцово-кислотный аккумулятор в герметичном исполнении весом 240 г имеет емкость 3А*ч и при напряжении 4 В ток разряда не должен превышать 0.9 А, т.е. мощность потребителя не более 3,6 Вт.

Революцией в аккумуляторной технологии стало появление никель-кадмиевых батарей, которые при весе 50 г могли отдавать ток 7 А при напряжении 1,2 В. В сравнении с 4-х вольтовыми свинцовой батарей блок из 4-х никель-кадмиевых может обслуживать потребителя мощностью 33,6 Вт. Количество циклов зарядки составляет 200…300 раз. В начале 90-х ведущие компании Sanyo, SAFT, Panasonic, EMM, BASF создали модели, которые применяются и сегодня. Накопители весом 30…50 г, емкостью 1,3 А*ч при напряжении 1,3…3 В могут отдавать до 15 А и имеют продолжительность «жизни» — 1000…2000 циклов. Блоки из нескольких «банок» позволяют набирать батарею с напряжением до 36 В с приемлемым весом. Процесс зарядки током не выше 10% от номинальной емкости не требует специального контроля.

Развитием NiCd-батарей стало появление аккумуляторов на основе никель-металлгидридов (NiMh), которые стали использоваться для профессиональных инструментов. Емкость возросла на 30…40%, но уменьшилась продолжительность «жизни» до 200…300 циклов. В сочетании с более низкой ценой, в сравнении с «чистыми» NiCd-батареей, появилась возможность комплектовать инструмент двумя аккумуляторами большой мощности.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) являются вершиной развития аккумуляторных технологий на сегодняшний день. Все показатели Li-ion-батареи превышают характеристики батарей на основе кадмия в 1,5…2 раза, кроме количества циклов разрядки, но чувствительны механическим воздействиям, требуют особого режима зарядки при «глубокой» разрядке и быстро «садятся» при температурах ниже 0° С.

Совершенствование технологии производства позволило снизить цену NiCd и NiMh-батарей до такого уровня, что стало иметь смысл покупать вторую батарею отдельно, которую можно заряжать при интенсивной или нагруженной работе электроинструментом. Другое решение — это сетевой адаптер, который можно использовать при удобном расположении сетевого источника электроэнергии.

Совершенствуется технология управления емкостями банок батареи. Компания DeWALT предложила серию продуктов XR Flexvolt (аккумулятор и схема переключения), которые позволяют переключать напряжение с 18 на 54 В. Это позволяет использовать одну батарею на нагруженных машинах типа цепная или дисковая пила (http://vertpila.ru/magazin/folder/akkumulyatornyye-diskovyye-pily) с глубиной реза 50…70 мм с напряжением 54 В и в шуруповерте с напряжением 18 В.

Двигатели и приводы для аккумуляторных инструментов

Сочетание характеристик двигателя и привода выходного звена электроинструмента определяет:

• сферу применения (сверление материалов или работа с крепежом);
• дополнительные функции (ударный механизм перфоратора или муфта защиты шуруповерта);
• вид движения инструмента — вращательное или колебательное (дрель или электролобзик).

Производители инструмента уделяют особое внимание оптимальному сочетанию мощности двигателя, которая напрямую зависит от емкости батареи и рабочего напряжения, и конструктивному исполнению привода.

Двигатели

Для автономного электроинструмента применяются два типа двигателей:

• Щеточные (коллекторные) двигатели с частотным управлением скоростью вращения. Управление заключается в подаче импульсов различной частоты и длительности пауз между ними на щетки двигателя, за счет чего изменяется скорость вращения. Максимальное значение КПД не более 70%.
• Бесщеточные двигатели с частотной коммутацией скорости вращения магнитного поля. Для управления частотой вращения применяется электронный блок, который коммутирует круговое электромагнитное поле в неподвижных постоянных магнитах статора. Эффективность бесщеточного двигателя на 20…30% выше коллекторного за счет неодимовых магнитов, отсутствия механических и электрических потерь на щетках.

Двигатели обоих типов «выдают» частоту вращения 200…4000 об/мин, при этом бесщеточные двигатели не теряют мощности на низких оборотах.

Приводы главного движения электроинструмента

Тип привода определяет траекторию главного движения и частоту перемещения или вращения рабочего органа.

Вращение

Частота и мощность вращательного движения регулируется применением редуктора простого шестеренчатого или планетарного типа. Планетарный редуктор более компактный и позволяет передавать большие мощности, но более дорогой в сравнении с шестеренчатым редуктором.

Редуктора работают в трех вариантах на:

• повышение числа оборотов, что требуется для разгона маховика ударного механизма заклепочника (http://vertpila.ru/magazin/folder/akkumulyatornyye-zaklepochniki) или гайковерта;
• понижение числа оборотов в зоне оптимальной токовой нагрузки на двигатель, т.к. крутящий момент на инструменте увеличивается в зависимости от передаточного числа (регулирование в две ступени дрели или шуруповерта (http://vertpila.ru/magazin/folder/akkumulyatornyye-dreli-shurupoverty));
• разделение усилия вращения двигателя на два потока — вращательного движения сверла порядка 300…700 об/мин и разгонного вращения (1500…2300 об/мин) ударного механизма, который используется в перфораторах(http://vertpila.ru/magazin/folder/akkumulyatornyy-perforator).

Для преобразования скорости вращения в ножей электрорубанка или дисковой вертикальной пилы используется клиноременная передача с повышающим передаточным отношением. Скорость вращения инструмента составляет 2500…4500 об/мин.

Поступательное движение

В лобзиковых пилах (http://vertpila.ru/magazin/folder/pileniye-lobziki) или ножовках вращательное движение преобразовывается в поступательное с помощью кривошипно-шатунного узла. Регулировка скорости пиления осуществляется изменением скорости вращения двигателя, что важно для обработки разных материалов (дерево, пластик, композитные и многослойные материалы).

Аккумуляторный электроинструмент занимает сегодня около 25% рынка всех электроинструментов и серьезно потеснил пневмоинструмент. Его доля будет расти с развитием и удешевлением производства накопителей энергии, стоимость которых сегодня составляет 25…40% от стоимости комплекта.