Moteur à courant continu imprimé en 3D

J'ai conçu et imprimé en 3D un
moteur CC sans balais (BLDC) et un moteur de commande à l'aide d'Arduino.
En plus des aimants, du bobinage solénoïde et des capteurs à effet Hall, tous les composants du moteur sont imprimés avec Makerbot Replicator 2.
La vidéo montre le moteur fonctionnel terminé.
Cette instructable est fournie au format PDF avec des fichiers CAO et des programmes de contrôle moteur.
Programme de contrôle moteur d'Arduino : utilisez le fichier, révisez, modifiez le design gratuitement ou faites ce que vous voulez avec !
Ce projet nécessite des imprimantes 3D, des microcontrôleurs Arduino et des outils électroniques de base comme un multimètre, un oscilloscope, une alimentation et des composants électriques.
Liste complète des pièces et outils que j'utilise.
Le tableau 1 montre le coût de fabrication du moteur.
Les composants électriques tels que les résistances et les condensateurs ne sont pas inclus car leur coût est négligeable par rapport au coût total du moteur.
Hors microcontrôleurs et batteries Arduino, le coût total de fabrication du moteur est de 27 $. 71.
Il convient de souligner que la réduction des coûts n'est pas la priorité absolue. l'optimisation peut réduire les coûts de production.
Basés sur le principe selon lequel le moteur doit être facile à utiliser, avec des pièces facilement accessibles à construire, les spécifications de conception du moteur à courant continu sont établies et doivent fournir une qualité de performance similaire à celle de nombreux moteurs à courant continu commerciaux et petits ventilateurs électriques.
Le moteur est conçu pour être un moteur CC triphasé à 4 pôles
avec 4-
le aimant N52 sur le rotor et le solénoïde enroulé à 3 fils fixé au stator.
En raison de l'efficacité accrue, du nombre de pièces mécaniques et du frottement réduits, la conception sans balais est sélectionnée.
L'aimant N52 est choisi pour sa solidité, son prix et sa facilité d'accès.
Dans la section \'Contrôle du moteur bldc\', la commande du moteur sans balais sera abordée plus en détail.
Le tableau 2 montre la comparaison entre le moteur à courant continu et le moteur à balais.
Solénoïde en
8-12 V, contrôlé par un circuit de commutation électrique.
Le capteur Hall fournira des informations de localisation sur le moment où le circuit sera échangé.
Les équations suivantes sont utilisées pour estimer les performances du moteur, créant ainsi la conception initiale du moteur.
Si vous voulez voir ces équations, jetez un œil au pdf lié dans l'intro et elles sont gâchées.
La force entre les deux aimants à une certaine distance peut être approximativement approximative avec l'équation suivante : F = BmAmBsAs/4g2, où B est la densité du champ magnétique à la surface de l'aimant et A est la surface de l'aimant, g est la distance entre deux aimants.
Bs, le champ magnétique du solénoïde est donné par : B = NIl, où I est le courant, N est le nombre de colis et l est la longueur du solénoïde.
Dans le moteur, le couple maximum est estimé à : t = 2 où r est le rayon et la sélection est de 25 mm.
En combinaison avec ces équations, une expression linéaire du couple de sortie associé au courant d'entrée d'une géométrie de solénoïde donnée peut être obtenue.
F = 2rbmamasn4g2li, la constante de couple requise pour sélectionner est de 40 m-
Nm/A en fonction des performances souhaitées par rapport aux autres moteurs disponibles [2].
Le circuit de commande électronique est requis pour le contrôle du moteur du BLDC.
Pour faire tourner le moteur BLDC, selon la position du rotor, le bobinage doit être mis sous tension dans l'ordre défini.
La position du rotor est détectée à l'aide du capteur à effet Hall intégré dans le stator.
La figure 3 montre un diagramme schématique du schéma de commande du moteur BLDC.
Le capteur Hall est intégré dans le stator avec trois enroulements de moteur, fournissant une sortie numérique correspondant au fait que l'Arctique ou l'Antarctique soit le plus proche du capteur.
Sur la base de cette sortie numérique, le microcontrôleur fournit la séquence de phases au pilote du moteur, alimentant ainsi l'enroulement correspondant.
Chaque colonne de séquence de changement de phase comporte un enroulement alimenté à une tension positive, un enroulement alimenté à une tension négative et un enroulement alimenté à une tension négative.
La séquence de changement de phase se compose de six étapes qui corrèlent la sortie du capteur à effet Hall avec la sortie de l'enroulement qui doit être mis sous tension.
Le tableau 3 ci-dessous donne un exemple de rotation dans le sens horaire.
La conception finale se compose de 4 parties différentes ;
Boîtier inférieur, rotor, boîtier supérieur et solénoïde, comme indiqué sur la figure 4 ci-dessous. Figure 4 : (a)
Coque inférieure (b) Rotor (c) Solénoïde (d)
Moteur d'assemblage (e) Assemblage supérieur.
Toutes les pièces sont affichées dans le sens dans lequel elles sont imprimées.
Le boîtier inférieur, comme illustré sur la figure 4 (a)
Le couvercle inférieur du moteur.
Le rotor, comme le montre la figure 4 (b)
, contient 8 aimants, 4 pour entraîner le moteur et 4 pour fournir des données de position au capteur Hall.
Comme le montre la figure 4, le rotor glisse vers la coque inférieure du type de roulement coulissant (d).
La coque en haut, comme le montre la figure 4 (e)
, montée sur le rotor et reliée au bas pour fermer le moteur.
Le boîtier supérieur contient 3 capteurs de position Hall, ainsi qu'une découpe triangulaire qui permet au tube à vis de s'enclencher dans le boîtier.
Solénoïde comme indiqué sur la figure 4 (c)
, placez des triangles au centre de ceux-ci pour leur permettre de s'aligner avec les trous du boîtier supérieur, qui eux-mêmes s'alignent verticalement avec l'aimant du rotor.
Toutes les pièces décrites précédemment sont imprimées sur Makerbot Replicator 2.
Les pièces peuvent être imprimées en même temps et divers paramètres d'impression sont susceptibles de produire des résultats satisfaisants.
Le produit final est imprimé en plastique PLA transparent, avec une quantité de remplissage de 20 % et une quantité de remplissage de 0,20
mm de hauteur au sol.
Grâce à des essais répétés, il s'est avéré que les pièces reliées entre elles sans glissement, telles que les coques supérieure et inférieure, doivent être imprimées à 0.
Ajoutez 25 mm sur tous les côtés, tandis que les pièces à glissement libre, telles que les rotors, doivent être imprimées à
un espace de 0, 4 mm autour.
L'aimant et le capteur à effet Hall impriment en bas à droite en haut de l'espace en concevant le bon vide interne au bon endroit, mettent l'impression en pause et insèrent l'appareil, l'insèrent dans l'assemblage, puis continuent l'impression.
La hauteur de pause appropriée est indiquée dans le tableau 4 ci-dessous.
La pièce imprimée en 3D peut être retirée du Makerbot et peut être assemblée après avoir retiré l'excédent de plastique du radeau.
Ces pièces doivent être assemblées sans problème et sans trop d’effort.
Le solénoïde solénoïde a besoin du dernier traitement du solénoïde.
Chaque solénoïde est enveloppé environ 400 fois avec une ligne magnétique de 26 gw.
Ce processus peut être accéléré en tournant le solénoïde du foret.
Assurez-vous que chaque solénoïde est emballé dans la même direction afin que le solénoïde résultant ait la même polarité.
Une fois que le solénoïde est prêt, il doit être enclenché dans la coque en haut.
De la colle forte peut être utilisée ici pour renforcer la connexion.
Les éléments du circuit doivent être connectés ensemble selon le schéma suivant.
Le VCC du pilote de moteur L6234 peut être compris entre 7 V et 42 V, mais je recommande de faire fonctionner le moteur sans dépasser 12 V.
Le programme écrit par Arduino pour contrôler l'ordre de changement de phase se trouve dans le programme, qui est adapté selon ce manuel.
L'amélioration future du moteur peut être divisée en quatre catégories ;
Optimisation mécanique, amélioration de l'efficacité, amélioration du contrôle et application.
La première étape de tout travail futur devrait être de tester la
vitesse de couple et l'efficacité du moteur actuel.
Le contrôle du moteur peut être réalisé à l'aide d'une méthode matérielle plutôt que d'une méthode logicielle, ce qui réduira considérablement le coût et l'échelle de la mise en œuvre.
Voici une brève description de la manière dont cela peut être réalisé.
Il existe de nombreux domaines dans lesquels la conception mécanique du moteur peut être optimisée.
Le solénoïde peut être simplement inséré dans le corps principal du moteur.
La taille du moteur peut être considérablement réduite.
La taille de l'aimant de position peut être considérablement réduite pour réduire le couple du rotor.
La conception du moteur peut être paramétrée et imprimée dans différentes tailles.
L'efficacité du moteur peut être optimisée en vérifiant la
caractéristique de vitesse de couple dans la plage de tension appliquée.
Si le moteur d’impression 3D entièrement optimisé peut être paramétré et imprimé dans une variété de tailles et de valeurs différentes, la gamme d’applications sera très large.
Ceci est mon carnet Evernote avec de nombreux articles et liens que j'ai étudiés lors de la réalisation de ce projet.
Sources importantes[1]
Principe de base du moteur à courant continu -
Padmaraja Yedamale -
Comprendre le moteur à courant continu