3D-gedruckter Gleichstrommotor

Ich habe einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC)
und einen Steuermotor mit Arduino entworfen und in 3D gedruckt.
Neben Magneten, Magnetwicklung und Hall-Effekt-Sensoren werden alle Komponenten des Motors mit Makerbot Replicator 2 gedruckt.
Das Video zeigt den fertig funktionsfähigen Motor.
Diese Anleitung wird zusammen mit CAD-Dateien und Motorsteuerungsprogrammen als PDF bereitgestellt.
Das Motorsteuerungsprogramm von Arduino: Verwenden Sie die Datei, überprüfen Sie sie, ändern Sie das Design kostenlos oder machen Sie damit, was Sie wollen!
Für dieses Projekt sind 3D-Drucker, Arduino-Mikrocontroller und grundlegende elektronische Werkzeuge wie Multimeter, Oszilloskop, Netzteil und elektrische Komponenten erforderlich.
Vollständige Liste der von mir verwendeten Teile und Werkzeuge.
Tabelle 1 zeigt die Herstellungskosten des Motors.
Elektrische Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren sind nicht enthalten, da die Kosten im Verhältnis zu den Gesamtkosten des Motors vernachlässigbar sind.
Ohne Arduino-Mikrocontroller und Batterien betragen die Gesamtkosten für die Herstellung des Motors 27 US-Dollar. 71.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Reduzierung der Kosten nicht oberste Priorität hat. Durch Optimierung können die Produktionskosten gesenkt werden.
Basierend auf dem Grundsatz, dass der Motor aus leicht zugänglichen Teilen bestehen sollte, werden die Konstruktionsspezifikationen des Gleichstrommotors festgelegt und sollten eine ähnliche Qualitätsleistung wie viele kommerzielle Gleichstrommotoren und kleine elektrische Ventilatoren bieten.
Der Motor ist als 3-Phasen-4-
Pol-Gleichstrommotor mit 4-poligem
N52-Magneten am Rotor und einem 3-Draht-Magnetventil am Stator ausgelegt.
Aufgrund der erhöhten Effizienz, der Reduzierung der Anzahl mechanischer Teile und der Verringerung der Reibung wird die bürstenlose Bauweise gewählt.
Der N52-Magnet wurde aufgrund seiner Stärke, seines Preises und seiner einfachen Zugänglichkeit ausgewählt.
Im Abschnitt „BDC-Motorsteuerung“ wird die Steuerung von bürstenlosen Motoren näher erläutert.
Tabelle 2 zeigt den Vergleich zwischen dem Gleichstrommotor und dem Bürstenmotor.
Magnetventil in
8-12 V, gesteuert durch einen elektrischen Schaltkreis.
Der Hall-Sensor liefert Standortinformationen darüber, wann der Stromkreis ausgetauscht wird.
Die folgenden Gleichungen werden verwendet, um die Leistung des Motors abzuschätzen und so das anfängliche Motordesign zu erstellen.
Wenn Sie diese Gleichungen sehen möchten, schauen Sie sich das im Intro verlinkte PDF an und sie werden durcheinander gebracht.
Die Kraft zwischen den beiden Magneten in einem bestimmten Abstand kann mit der folgenden Gleichung grob angenähert werden: F = BmAmBsAs/4g2, wobei B die magnetische Felddichte auf der Oberfläche des Magneten und A die Fläche des Magneten ist, g der Abstand zwischen zwei Magneten.
Bs, das Magnetfeld des Elektromagneten, ist gegeben durch: B = NIl, wobei I der Strom, N die Anzahl der Pakete und l die Länge des Elektromagneten ist.
Im Motor wird das maximale Drehmoment wie folgt geschätzt: t = 2 frwobei r der Radius ist und die Auswahl 25 mm beträgt.
In Kombination mit diesen Gleichungen kann ein linearer Ausdruck des Ausgangsdrehmoments erhalten werden, das mit dem Eingangsstrom einer bestimmten Magnetgeometrie verbunden ist.
F = 2rbmamasn4g2li Die zur Auswahl erforderliche Drehmomentkonstante beträgt 40 mNm
/A, basierend auf der gewünschten Leistung im Vergleich zu anderen verfügbaren Motoren [2].
Die elektronische Steuerschaltung wird für die Motorsteuerung des BLDC benötigt.
Um den BLDC-Motor zu drehen, muss je nach Position des Rotors die Wicklung in der definierten Reihenfolge eingeschaltet werden.
Die Rotorposition wird über den im Stator eingebetteten Hallsensor erfasst.
Abbildung 3 zeigt ein schematisches Diagramm des BLDC-Motorsteuerungsschemas.
Der Hall-Sensor ist in den Stator mit drei Motorwicklungen eingebettet und liefert einen digitalen Ausgang, der angibt, ob die Arktis oder die Antarktis dem Sensor am nächsten liegt.
Basierend auf diesem digitalen Ausgang stellt der Mikrocontroller die Phasenfolge für den Motortreiber bereit und versorgt so die entsprechende Wicklung mit Strom.
Jede Phasenwechselsequenzspalte verfügt über eine Wicklung, die mit positiver Spannung versorgt wird, eine Wicklung, die mit negativer Spannung versorgt wird, und eine Wicklung, die mit negativer Spannung versorgt wird.
Die Phasenwechselsequenz besteht aus sechs Schritten, die den Hall-Sensor-Ausgang mit dem Ausgang der Wicklung korrelieren, die eingeschaltet werden soll.
Tabelle 3 unten zeigt ein Beispiel für eine Drehung im Uhrzeigersinn.
Das endgültige Design besteht aus 4 verschiedenen Teilen;
Unteres Gehäuse, Rotor, oberes Gehäuse und Magnetventil, wie in Abbildung 4 unten dargestellt. Abbildung 4: (a)
Unterschale (b) Rotor (c) Magnet (d)
Baugruppe Motor (e) Obere Baugruppe.
Alle Teile werden in der Druckrichtung angezeigt.
Das untere Gehäuse, wie in Abbildung 4 dargestellt. (a)
Die untere Abdeckung des Motors.
Der Rotor, wie in Abbildung 4 (b) dargestellt
, enthält 8 Magnete, 4 für den Antrieb des Motors und 4 für die Bereitstellung von Positionsdaten für den Hall-Sensor.
Wie in Abbildung 4 dargestellt, gleitet der Rotor auf der Unterschale des Gleitlagertyps (d).
Die Schale oben ist, wie in Abbildung 4 (e) dargestellt
, auf dem Rotor montiert und mit der Unterseite verbunden, um den Motor zu schließen.
Das obere Gehäuse enthält 3 Hall-Positionssensoren sowie eine dreieckige Aussparung, die das Einrasten des Schraubenrohrs im Gehäuse ermöglicht.
Magnetspule wie in Abbildung 4 (c) gezeigt
. Platzieren Sie Dreiecke in der Mitte, damit sie mit den Löchern im oberen Gehäuse ausgerichtet werden können, die ihrerseits vertikal mit dem Rotormagneten ausgerichtet sind.
Alle zuvor beschriebenen Teile werden auf dem Makerbot Replicator 2 gedruckt.
Teile können gleichzeitig gedruckt werden, und verschiedene Druckparameter führen wahrscheinlich zu zufriedenstellenden Ergebnissen.
Das Endprodukt wird in transparentem PLA-Kunststoff gedruckt, mit einer Füllmenge von 20 % und einer Füllmenge von 0,20
mm Bodenhöhe.
Durch wiederholte Versuche wurde festgestellt, dass Teile, die ohne Gleiten miteinander verbunden sind, wie etwa die Ober- und Unterschale, mit einem
Abstand von 0,4 mm an allen Seiten gedruckt werden sollten, während Teile für freies Gleiten, wie etwa Rotoren, mit einem
Abstand von 0,4 mm gedruckt werden sollten.
Der Magnet und der Hall-Effekt-Sensor drucken an der rechten Unterseite der Oberseite des Spalts, indem sie den richtigen inneren Hohlraum an der richtigen Stelle entwerfen, den Druck unterbrechen und das Gerät einsetzen, in die Baugruppe einsetzen und dann mit dem Drucken fortfahren.
Die entsprechende Pausenhöhe ist in Tabelle 4 unten angegeben.
Das 3D-Druckteil kann vom Makerbot abgenommen und zusammengebaut werden, nachdem der überschüssige Kunststoff vom Floß entfernt wurde.
Diese Teile sollten sich ohne großen Aufwand reibungslos zusammensetzen lassen.
Magnetspule benötigt die letzte Magnetbearbeitung.
Jeder Magnet ist etwa 400 Mal mit einer 26-GW-Magnetleitung umwickelt.
Dieser Vorgang kann durch Drehen des Magneten am Bohrer beschleunigt werden.
Stellen Sie sicher, dass jeder Magnet in der gleichen Richtung gepackt ist, damit der resultierende Magnet die gleiche Polarität hat.
Sobald die Magnetspule fertig ist, sollten sie oben in das Gehäuse eingerastet werden.
Hier kann starker Kleber verwendet werden, um die Verbindung zu verstärken.
Die Schaltungselemente sollten gemäß dem folgenden schematischen Diagramm miteinander verbunden werden.
Der VCC des L6234-Motortreibers kann zwischen 7 V und 42 V liegen, ich empfehle jedoch, den Motor nicht höher als 12 V zu betreiben.
Das von Arduino geschriebene Programm zur Steuerung der Phasenwechselreihenfolge finden Sie in dem Programm, das gemäß diesem Handbuch angepasst wurde.
Die zukünftige Verbesserung des Motors kann in vier Kategorien unterteilt werden;
Mechanische Optimierung, Effizienzsteigerung, Steuerungsverbesserung und Anwendung. Der erste Schritt bei jeder zukünftigen Arbeit sollte darin bestehen, das Drehmoment, die
zu testen .
Geschwindigkeit und den Wirkungsgrad des aktuellen Motors
Die Steuerung des Motors kann mithilfe einer Hardware-Methode anstelle einer Software-Methode erreicht werden, was die Kosten und den Umfang der Implementierung erheblich reduziert.
Hier finden Sie eine kurze Beschreibung, wie dies erreicht werden kann.
Es gibt viele Bereiche, in denen die mechanische Konstruktion des Motors optimiert werden kann.
Der Magnet kann einfach in den Hauptkörper des Motors eingesetzt werden.
Die Größe des Motors kann deutlich reduziert werden.
Die Größe des Positionsmagneten kann stark reduziert werden, um das Drehmoment des Rotors zu reduzieren.
Das Motordesign kann in verschiedenen Größen parametriert und ausgedruckt werden.
Der Wirkungsgrad des Motors kann optimiert werden, indem die Drehmoment-
Geschwindigkeitscharakteristik im Bereich der angelegten Spannung überprüft wird.
Wenn der vollständig optimierte 3D-Druckmotor parametrisiert und in verschiedenen Größen und Leistungen gedruckt werden kann, ist das Anwendungsspektrum sehr groß.
Dies ist mein Evernote-Notizbuch mit vielen Artikeln und Links, die ich während der Durchführung dieses Projekts studiert habe.
Wichtige Quellen[1]
Grundprinzip des Gleichstrommotors –
Padmaraja Yedamale –
Gleichstrommotor verstehen