설계하고 3D 프린팅했습니다 .
Arduino를 사용하여 브러시리스 DC(BLDC) 모터와 제어 모터를
자석, 솔레노이드 권선 및 홀 효과 센서 외에도 모터의 모든 구성 요소가 Makerbot Replicator 2로 프린트됩니다.
동영상은 완성된 작동 모터를 보여줍니다.
이 지침은 CAD 파일 및 모터 제어 프로그램과 함께 PDF로 제공됩니다.
Arduino의 모터 제어 프로그램: 파일을 사용하고, 검토하고, 무료로 디자인을 변경하거나, 원하는 대로 무엇이든 할 수 있습니다!
이 프로젝트에는 3D 프린터, Arduino 마이크로컨트롤러, 그리고 멀티미터, 오실로스코프, 전원 공급 장치, 전기 부품과 같은 기본 전자 도구가 필요합니다.
내가 사용하는 부품 및 도구의 전체 목록입니다.
표 1은 모터 제조 비용을 보여준다.
저항기 및 커패시터와 같은 전기 부품은 모터의 총 비용에 비해 비용이 무시할 수 있으므로 포함되지 않습니다.
Arduino 마이크로컨트롤러와 배터리를 제외하면 모터를 제조하는 데 드는 총 비용은 27달러입니다. 71.
비용 절감이 최우선 과제가 아니라는 점을 지적해야 합니다. 최적화를 통해 생산 비용을 줄일 수 있습니다.
모터는 쉽게 접근할 수 있는 부품을 사용하여 쉽게 구성해야 한다는 원칙을 바탕으로 DC 모터의 설계 사양을 정하고, 많은 상용 DC 모터, 소형 선풍기와 유사한 품질 성능을 제공해야 합니다.
모터는
있고 고정자에 3개의 권선 솔레노이드가 부착된 3상, 4극 DC 모터 로 설계되었습니다.
회전자에 4개의 N52 자석이
효율성이 향상되어 기계 부품 수가 줄어들고 마찰이 줄어들어 브러시리스 디자인이 선택됩니다.
N52 자석은 강도, 가격 및 접근성을 고려하여 선택되었습니다.
\'bldc 모터 제어\' 섹션에서는 브러시리스 모터 제어에 대해 자세히 설명합니다.
표 2는 DC 모터와 브러시 모터의 비교를 보여줍니다.
8-12V 솔레노이드
, 전기 스위치 회로로 제어됩니다.
홀 센서는 회로가 교체되는 시기에 대한 위치 정보를 제공합니다.
다음 방정식은 모터의 성능을 추정하는 데 사용되어 초기 모터 설계를 생성합니다.
이 방정식을 보려면 소개에 링크된 PDF를 살펴보세요. 그러면 방정식이 엉망이 됩니다.
A 특정 거리에서 두 자석 사이의 힘은 대략 다음 방정식으로 근사화될 수 있습니다. F = BmAmBsAs/4g2, 여기서 B는 자석 표면의 자기장 밀도이고 A는 자석의 면적, g는 두 자석 사이의 거리입니다.
Bs에서 솔레노이드의 자기장은 B = NIl로 지정됩니다. 여기서 I는 전류, N은 패키지 수, l은 솔레노이드의 길이입니다.
모터에서 최대 토크는 다음과 같이 추정됩니다. t = 2 fr여기서 r은 반경이고 선택은 25mm입니다.
이러한 방정식을 결합하면 주어진 솔레노이드 형상의 입력 전류와 관련된 출력 토크의 선형 표현을 얻을 수 있습니다. F = 2rbmamasn4g2li 선택하는 데 필요한 토크 상수는
40m-Nm/A입니다 [2].
사용 가능한 다른 모터와 비교하여 원하는 성능을 기준으로
BLDC의 모터 제어를 위해서는 전자 제어 회로가 필요합니다.
BLDC 모터를 회전시키려면 회전자의 위치에 따라 정의된 순서대로 권선의 전원을 켜야 합니다.
고정자에 내장된 홀 센서를 통해 회전자 위치를 감지합니다.
그림 3은 BLDC 모터 제어 방식의 개략도를 보여준다.
홀 센서는 세 개의 모터 권선이 있는 고정자에 내장되어 북극 또는 남극이 센서에 가장 가까운지에 따라 디지털 출력을 제공합니다.
이 디지털 출력을 기반으로 마이크로 컨트롤러는 모터 드라이버에 위상 시퀀스를 제공하여 해당 권선에 전원을 공급합니다.
각 위상 변화 시퀀스 열에는 양의 전압으로 전원이 공급되는 권선, 음의 전압으로 전원이 공급되는 권선, 음의 전압으로 전원이 공급되는 권선이 있습니다.
위상 변화 시퀀스는 홀 센서 출력과 전원을 켜야 하는 권선 출력을 연관시키는 6단계로 구성됩니다.
아래 표 3에는 시계 방향 회전의 예가 나와 있습니다.
최종 디자인은 4가지 부분으로 구성됩니다.
아래 그림 4와 같이 하단 하우징, 로터, 상단 하우징 및 솔레노이드. 그림 4: (a)
하단 쉘 (b) 로터 (c ) 솔레노이드 (d)
조립 모터 (e) 상단 조립.
모든 부품은 인쇄된 방향으로 표시됩니다.
그림 4와 같이 하단 엔클로저 (a)
모터의 하단 커버.
그림 4 (b)에 표시된 회전자에는
8개의 자석이 포함되어 있습니다. 4개는 모터 구동용이고 4개는 홀 센서에 위치 데이터를 제공하기 위한 것입니다.
그림 4에 표시된 것처럼 로터는 슬라이딩 베어링 스타일(d)의 하단 쉘로 미끄러집니다.
상단의 쉘은 그림 4 (e)와 같이
로터에 장착되고 하단에 연결되어 모터를 닫습니다.
상단 하우징에는 3개의 홀 위치 센서와 나사 튜브를 하우징에 끼울 수 있는 삼각형 컷아웃이 포함되어 있습니다.
그림 4 (c)에 표시된 대로 솔레노이드를
중앙에 삼각형을 배치하여 상단 하우징의 구멍과 정렬할 수 있도록 합니다. 구멍 자체는 회전자 자석과 수직으로 정렬됩니다.
앞서 설명한 모든 부품은 Makerbot Replicator 2에서 프린팅됩니다.
부품은 동시에 프린팅할 수 있으며 다양한 프린팅 매개변수를 사용하면 만족스러운 결과를 얻을 수 있습니다.
최종 제품은 투명한 PLA 플라스틱에 충전량 20%,
바닥 높이 0.20mm로 인쇄됩니다.
반복적인 시도를 통해 상단 쉘과 하단 쉘 등 슬라이딩 없이 연결되는 부분은 0.4mm 간격으로
모든 측면에 25mm를 추가하여 프린팅해야 하며, 로터와 같이 프리 슬라이딩을 위한 부품은 주변에 0.4mm
간격으로 프린팅해야 함을 알 수 있습니다.
자석과 홀 효과 센서는 올바른 위치에 올바른 내부 빈 공간을 설계하여 간격 상단의 오른쪽 하단에 인쇄하고 인쇄를 일시 중지하고 장치를 삽입한 다음 어셈블리에 삽입한 다음 인쇄를 계속합니다.
적절한 일시 정지 높이는 아래 표 4에 나와 있습니다.
3D 프린트 조각은 Makerbot에서 제거할 수 있으며 래프트에서 여분의 플라스틱을 제거한 후 함께 조립할 수 있습니다.
이러한 부분은 큰 노력 없이도 원활하게 결합되어야 합니다.
솔레노이드 솔레노이드는 마지막 솔레노이드 처리가 필요합니다.
각 솔레노이드는 26gw 자석선으로 약 400회 감겨있습니다.
드릴 비트의 솔레노이드를 돌리면 이 과정이 가속화될 수 있습니다.
결과 솔레노이드가 동일한 극성을 갖도록 각 솔레노이드가 동일한 방향으로 채워져 있는지 확인하십시오.
솔레노이드가 준비되면 상단의 쉘에 끼워져야 합니다.
연결을 강화하기 위해 여기에 강한 접착제를 사용할 수 있습니다.
회로 요소는 다음 개략도에 따라 함께 연결되어야 합니다.
L6234 모터 드라이버의 VCC는 7V에서 42V까지 가능하지만 12ish V보다 높지 않은 상태에서 모터를 작동하는 것이 좋습니다.
Arduino에서 위상 변경 순서를 제어하기 위해 작성한 프로그램은 이 프로그램에서 찾을 수 있으며 이 프로그램은 이 매뉴얼에 따라 조정되었습니다.
모터의 향후 개선은 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
기계적 최적화, 효율향상, 제어향상 및 적용.
향후 작업의 첫 번째 단계는
현재 모터의 토크 속도와 효율성을 테스트하는 것입니다.
모터 제어는 소프트웨어 방식이 아닌 하드웨어 방식으로 구현 가능해 구현 비용과 규모를 크게 줄일 수 있다.
다음은 이를 달성할 수 있는 방법에 대한 간략한 설명입니다.
모터의 기계적 설계를 최적화할 수 있는 영역이 많이 있습니다.
솔레노이드는 모터 본체에 간단히 삽입할 수 있습니다.
모터의 크기를 대폭 줄일 수 있습니다.
로터의 토크를 줄이기 위해 위치 자석의 크기를 크게 줄일 수 있습니다.
모터 설계는 다양한 크기로 매개변수화되고 인쇄될 수 있습니다.
토크 속도 특성을 확인하여 모터의 효율을 최적화할 수 있습니다 .
인가전압 범위 내에서
완전히 최적화된 3D 프린팅 모터를 다양한 크기와 등급으로 매개변수화하고 프린팅할 수 있다면 적용 범위가 매우 넓어질 것입니다.
제가 이 프로젝트를 하면서 공부한 수많은 글과 링크가 담긴 저의 에버노트 노트입니다.
중요 출처[1]
DC 모터의 기본 원리 -
Padmaraja Yedamale -
DC 모터 이해
