3DプリントされたDCモーター

ブラシレス DC (BLDC) モーターと制御モーターを設計し、3D プリントしました。
Arduino を使用して
磁石、ソレノイド巻線、ホール効果センサーに加えて、モーターのすべてのコンポーネントは Makerbot Replicator 2 で印刷されています。
ビデオでは、完成した動作モーターを示しています。
この説明書は、CAD ファイルおよびモーター制御プログラムとともに PDF として提供されます。
Arduino のモーター制御プログラム: ファイルを使用したり、無料でデザインをレビューしたり、変更したり、何でも自由に実行できます。
このプロジェクトには、3D プリンター、Arduino マイクロコントローラー、およびマルチメーター、オシロスコープ、電源、電気部品などの基本的な電子ツールが必要です。
私が使用する部品とツールの完全なリスト。
表 1 にモーターの製造コストを示します。
抵抗やコンデンサなどの電気部品は、モーターの総コストに比べてごくわずかであるため含まれていません。
Arduino マイクロコントローラーとバッテリーを除くと、モーターの総製造コストは 27 ドルです。 71.
コスト削減が最優先事項ではないことを指摘すべきである。最適化により生産コストを削減できます。
モーターは簡単に使用でき、簡単にアクセスできる部品で構成する必要があるという原則に基づいて、DC モーターの設計仕様が確立され、多くの市販の DC モーターや小型電動ファンと同様の品質性能を提供する必要があります。
モーターは、
4 つの N52 番目の磁石とステーターに取り付けられた 3 巻線ソレノイドを備えた 3 相 4 極 DC モーターとして設計されています。
ローターに
効率が向上し、機械部品の数が減り、摩擦が軽減されるため、ブラシレス設計が選択されています。
N52 磁石は、強度、価格、アクセスのしやすさから選ばれています。
「bldc モーター制御」セクションでは、ブラシレス モーター制御についてさらに詳しく説明します。
表 2 に DC モーターとブラシモーターの比較を示します。
8 ～ 12 V のソレノイド
、電気スイッチ回路によって制御されます。
ホール センサーは、回路がいつ交換されるかに関する位置情報を提供します。
次の式を使用してモーターの性能を推定し、初期のモーター設計を作成します。
これらの方程式を見たい場合は、冒頭にリンクされている PDF を見てください。めちゃくちゃになっています。
一定の距離にある 2 つの磁石間の力は、次の方程式でおおよそ近似できます: F = BmAmBsAs/4g2、ここで、B は磁石の表面の磁場密度、A は磁石の面積、g は 2 つの磁石間の距離です。
Bs、ソレノイドの磁場は次の式で与えられます。 B = NIl、ここで I は電流、N はパッケージの数、l はソレノイドの長さです。
モーターの最大トルクは次のように推定されます。 t = 2 f ここで、r は半径であり、選択は 25mm です。
これらの方程式と組み合わせると、特定のソレノイド形状の入力電流に関連する出力トルクの一次式を取得できます。
F = 2rbmamasn4g2li 選択するために必要なトルク定数は、
他の利用可能なモーターと比較した望ましい性能に基づいて 40 m-Nm/A です [2]。
BLDCのモーター制御には電子制御回路が必要です。
BLDC モーターを回転させるには、ローターの位置に応じて、定義された順序で巻線の電源をオンにする必要があります。
ローターの位置はステーターに埋め込まれたホールセンサーにより検出されます。
図 3 に、BLDC モーター制御方式の概略図を示します。
ホール センサーは 3 つのモーター巻線を備えたステーターに埋め込まれており、北極か南極がセンサーに最も近いかに対応するデジタル出力を提供します。
このデジタル出力に基づいて、マイクロコントローラーはモータードライバーの位相シーケンスを提供し、対応する巻線に電力を供給します。
各相変化シーケンス列には、正の電圧で電力が投入される巻線、負の電圧で電力が投入される巻線、および負の電圧で電力が投入される巻線があります。
相変化シーケンスは、ホール センサーの出力と電源を投入する必要がある巻線の出力を関連付ける 6 つのステップで構成されます。
以下の表 3 は、時計回りの回転の例を示しています。
最終的なデザインは 4 つの異なる部分で構成されます。
下の図 4 に示すように、下部ハウジング、ローター、上部ハウジング、およびソレノイド。図 4: (a)
底部シェル (b) ローター (c) ソレノイド (d)
アセンブリモーター (e) 上部アセンブリ。
すべてのパーツは印刷される方向に表示されます。
図 4 に示す下部エンクロージャ (a)
モーターの下部カバー。
図 4 (b) に示すように
、ローターには 8 つの磁石が含まれており、そのうち 4 つはモーターの駆動用、もう 4 つはホール センサーに位置データを提供するためのものです。
図 4 に示すように、ローターは滑り軸受形式 (d) の底部シェルまで滑ります。
図 4 (e) に​​示すように、上部のシェルは
ローターに取り付けられ、下部に接続されてモーターを閉じます。
上部ハウジングには 3 つのホール位置センサーと、ねじチューブをハウジングにカチッと嵌めることができる三角形の切り欠きが含まれています。
図 4 (c) に示すように
、ソレノイドの中央に三角形を配置して、上部ハウジングの穴と位置が揃うようにします。穴自体はローターの磁石と垂直に位置合わせされます。
前に説明したすべてのパーツは Makerbot Replicator 2 で印刷されます。
パーツは同時に印刷でき、さまざまな印刷パラメーターを使用すると満足のいく結果が得られる可能性があります。
最終製品は透明な PLA プラスチックで印刷され、充填量は 20%、充填量は
床の高さ 0.20 mm です。
試作を重ねた結果、上下のシェルなど滑りなくつながっている部分は0.4mm
四方にプラス25mm、ローターなど自由にスライドする部分は
0.4mmの間隔で印刷する必要があることが分かりました。
磁石とホール効果センサーは、正しい内部空間を適切な場所に設計することにより、ギャップの上部の右下まで印刷し、印刷を一時停止してデバイスを挿入し、アセンブリに挿入してから印刷を続行します。
適切な一時停止の高さは、以下の表 4 に示されています。
3D プリント部分は Makerbot から取り外すことができ、いかだから余分なプラスチックを取り除いた後に一緒に組み立てることができます。
これらのパーツは、あまり力を入れずにスムーズに組み立てることができます。
ソレノイドソレノイドは最後のソレノイド加工が必要です。
各ソレノイドには 26gw のマグネットラインが約 400 回巻き付けられています。
このプロセスは、ドリルビットのソレノイドを回転させることによって加速できます。
結果として得られるソレノイドの極性が同じになるように、各ソレノイドが同じ方向に梱包されていることを確認してください。
ソレノイドの準備ができたら、上部のシェルにはめ込む必要があります。
ここで強力な接着剤を使用して接続を強化できます。
回路要素は、次の回路図に従って相互に接続する必要があります。
L6234 モータードライバーの VCC は 7 V ～ 42 V の範囲で使用できますが、12 V を超えないようにモーターを実行することをお勧めします。
相変化順序を制御するために Arduino によって作成されたプログラムは、このマニュアルに従って調整されたプログラム内にあります。
モーターの将来の改良は 4 つのカテゴリーに分類できます。
機械の最適化、効率の向上、制御の改善と応用。
今後の作業の最初のステップは、
現在のモーターのトルク速度と効率をテストすることです。
モーターの制御をソフトウェアではなくハードウェアで実現できるため、導入コストと規模を大幅に削減できます。
これを実現する方法を簡単に説明します。
モーターの機械設計を最適化できる領域は数多くあります。
ソレノイドはモーター本体に差し込むだけで取り付け可能です。
モータのサイズを大幅に小型化できます。
ポジションマグネットのサイズを大幅に縮小して、ローターのトルクを低減できます。
モーターの設計はパラメータ化され、さまざまなサイズで印刷できます。
トルク・速度特性を確認することで、モータの効率を最適化することができます。
印加電圧範囲内での
完全に最適化された 3D プリンティング モーターをパラメータ化して、さまざまなサイズや定格で印刷できれば、応用範囲は非常に広がります。
これは私の Evernote ノートブックで、このプロジェクトの実行中に調べた記事やリンクがたくさんあります。
重要な情報源[1]
DC モーターの基本原理 -
Padmaraja Yedamale -
DC モーターを理解する