3D-geprinte gelijkstroommotor

Ik heb een borstelloze DC (BLDC)
-motor en een besturingsmotor ontworpen en 3D-geprint met behulp van Arduino.
Naast magneten, solenoïdewikkeling en Hall-effectsensoren zijn alle componenten van de motor geprint met Makerbot Replicator 2.
De video toont de voltooide werkende motor.
Deze instructable wordt geleverd als pdf, samen met CAD-bestanden en motorbesturingsprogramma's.
Arduino's motorbesturingsprogramma: gebruik het bestand, bekijk het, wijzig het ontwerp gratis of doe ermee wat je wilt!
Dit project vereist 3D-printers, Arduino-microcontrollers en elektronische basishulpmiddelen zoals een multimeter, oscilloscoop, voeding en elektrische componenten.
Volledige lijst met onderdelen en gereedschappen die ik gebruik.
Tabel 1 toont de productiekosten van de motor.
Elektrische componenten zoals weerstanden en condensatoren zijn niet inbegrepen, omdat de kosten verwaarloosbaar zijn in verhouding tot de totale kosten van de motor.
Exclusief Arduino-microcontrollers en batterijen bedragen de totale productiekosten van de motor $ 27. 71.
Er moet op worden gewezen dat het terugdringen van de kosten niet de hoogste prioriteit heeft. Optimalisatie kan de productiekosten verlagen.
Gebaseerd op het principe dat de motor gebruiksvriendelijk en gemakkelijk toegankelijke onderdelen moet zijn om te construeren, zijn de ontwerpspecificaties van de DC-motor vastgesteld, en deze moeten het soort leveren dat vergelijkbaar is met de kwaliteitsprestaties van veel commerciële DC-motoren, kleine elektrische ventilatoren.
De motor is ontworpen als een driefasige, 4-
polaire gelijkstroommotor met 4-
de N52-magneet op de rotor en de 3-draads gewikkelde solenoïde bevestigd aan de stator.
Vanwege de verhoogde efficiëntie, het aantal mechanische onderdelen wordt verminderd en de wrijving wordt verminderd, is gekozen voor het borstelloze ontwerp.
De N52-magneet is gekozen vanwege zijn sterkte, prijs en gemakkelijke toegang.
In de sectie \'bldc-motorbesturing\' wordt de borstelloze motorbesturing verder besproken.
Tabel 2 toont de vergelijking tussen de DC-motor en de borstelmotor.
Solenoïde in
8-12 V, bestuurd door een elektrisch schakelcircuit.
De Hall-sensor geeft locatie-informatie over wanneer het circuit zal worden verwisseld.
De volgende vergelijkingen worden gebruikt om de prestaties van de motor te schatten, waardoor het initiële motorontwerp ontstaat.
Als je deze vergelijkingen wilt zien, kijk dan eens naar de pdf die in de intro is gelinkt en ze raken in de war.
De kracht tussen de twee magneten op een bepaalde afstand kan grofweg bij benadering worden berekend met de volgende vergelijking: F = BmAmBsAs/4g2, waarbij B de magnetische velddichtheid op het oppervlak van de magneet is en A het oppervlak van de magneet, g de afstand tussen twee magneten.
Bs, het magnetische veld van de solenoïde wordt gegeven door: B = NIl, waarbij I de stroom is, N het aantal pakketten is en l de lengte van de solenoïde is.
In de motor wordt het maximale koppel geschat op: t = 2, waarbij r de straal is en de selectie 25 mm is.
Gecombineerd met deze vergelijkingen kan een lineaire uitdrukking worden verkregen van het uitgangskoppel dat is geassocieerd met de ingangsstroom van een gegeven solenoïdegeometrie.
F = 2rbmamasn4g2li De koppelconstante die moet worden geselecteerd is 40 m-
Nm/A op basis van de gewenste prestaties in vergelijking met andere beschikbare motoren [2].
Het elektronische regelcircuit is vereist voor de motorbesturing van de BLDC.
Om de BLDC-motor te laten draaien, moet de wikkeling, afhankelijk van de positie van de rotor, in de aangegeven volgorde worden ingeschakeld.
De rotorpositie wordt gedetecteerd met behulp van de hall-sensor die in de stator is ingebed.
Figuur 3 toont een schematisch diagram van het BLDC-motorbesturingsschema.
De Hall-sensor is met drie motorwikkelingen in de stator ingebed en levert een digitale output die overeenkomt met de vraag of de Noordpool of Antarctica zich het dichtst bij de sensor bevindt.
Op basis van deze digitale uitgang levert de microcontroller de fasevolgorde voor de motoraansturing, waardoor de bijbehorende wikkeling van stroom wordt voorzien.
Elke faseveranderingsreekskolom heeft een wikkeling die wordt ingeschakeld op een positieve spanning, een wikkeling die wordt ingeschakeld op een negatieve spanning, en een wikkeling die wordt ingeschakeld op een negatieve spanning.
De faseveranderingssequentie bestaat uit zes stappen die de output van de hall-sensor correleren met de output van de wikkeling die moet worden ingeschakeld.
Tabel 3 hieronder geeft een voorbeeld van een rotatie met de klok mee.
Het uiteindelijke ontwerp bestaat uit 4 verschillende onderdelen;
Onderste behuizing, rotor, bovenste behuizing en solenoïde zoals weergegeven in Afbeelding 4 hieronder. Afbeelding 4: (a)
Onderste schaal (b) Rotor (c) Solenoïde (d)
Montagemotor (e) Bovenste montage.
Alle onderdelen worden weergegeven in de richting waarin ze zijn afgedrukt.
De onderste behuizing, zoals weergegeven in Figuur 4 (a).
De onderste behuizing van de motor.
Rotor, zoals weergegeven in figuur 4 (b)
, bevat 8 magneten, 4 voor het aandrijven van de motor en 4 voor het leveren van positiegegevens aan de Hall-sensor.
Zoals weergegeven in figuur 4 schuift de rotor naar de onderste schaal van het glijlagertype (d).
De schaal aan de bovenkant, zoals weergegeven in figuur 4 (e)
, gemonteerd op de rotor en verbonden met de onderkant om de motor te sluiten.
De bovenste behuizing bevat 3 halpositiesensoren en een driehoekige uitsparing waardoor de schroefbuis in de behuizing kan klikken.
Solenoïde zoals weergegeven in afbeelding 4 (c)
. Plaats driehoeken in het midden ervan zodat ze uitgelijnd kunnen worden met de gaten in de bovenste behuizing, die zelf verticaal uitgelijnd zijn met de rotormagneet.
Alle eerder beschreven onderdelen worden afgedrukt op Makerbot Replicator 2.
Onderdelen kunnen tegelijkertijd worden afgedrukt en verschillende afdrukparameters zullen waarschijnlijk bevredigende resultaten opleveren.
Het eindproduct wordt geprint in transparant PLA-plastic, met een vulhoeveelheid van 20% en een vulhoeveelheid van 0,20
mm vloerhoogte.
Door herhaalde tests is gebleken dat onderdelen die zonder glijden met elkaar zijn verbonden, zoals de boven- en onderschalen, op 0 moeten worden afgedrukt.
Voeg 25 mm toe aan alle zijden, terwijl onderdelen die vrij kunnen glijden, zoals rotors, moeten worden afgedrukt met een
ruimte van 0,4 mm eromheen.
De magneet en de Hall-effectsensor printen naar de rechteronderkant van de bovenkant van de opening door de juiste interne leegte op de juiste plaats te ontwerpen, het afdrukken te pauzeren en het apparaat in te voegen, in de assemblage te plaatsen en vervolgens door te gaan met afdrukken.
De juiste pauzehoogte wordt gegeven in Tabel 4 hieronder.
Het 3D-printstuk kan van de Makerbot worden verwijderd en kan in elkaar worden gezet nadat het overtollige plastic van het vlot is verwijderd.
Deze onderdelen moeten soepel en zonder veel moeite in elkaar worden gezet.
Solenoïde-solenoïde heeft de laatste solenoïdeverwerking nodig.
Elke solenoïde is ongeveer 400 keer omwikkeld met een magneetlijn van 26 GW.
Dit proces kan worden versneld door de solenoïde op de boor te draaien.
Zorg ervoor dat elke solenoïde in dezelfde richting wordt gepakt, zodat de resulterende solenoïde dezelfde polariteit heeft.
Zodra de solenoïde klaar is, moeten ze bovenaan in de schaal worden geklikt.
Hierbij kan sterke lijm gebruikt worden om de verbinding te verstevigen.
De circuitelementen moeten met elkaar worden verbonden volgens het volgende schematische diagram.
De VCC van de L6234-motordriver kan ergens tussen 7 V en 42 V liggen, maar ik raad aan om de motor te laten draaien zonder hoger te zijn dan 12 V.
Het door Arduino geschreven programma om de faseveranderingsvolgorde te regelen, is te vinden in het programma, dat is aangepast volgens deze handleiding.
De toekomstige verbetering van de motor kan in vier categorieën worden verdeeld;
Mechanische optimalisatie, efficiëntieverbetering, besturingsverbetering en toepassing.
De eerste stap bij elk toekomstig werk zou het testen van de koppelsnelheid
en efficiëntie van de huidige motor moeten zijn.
De besturing van de motor kan worden bereikt met behulp van een hardwaremethode in plaats van een softwaremethode, waardoor de kosten en de schaal van de implementatie aanzienlijk zullen worden verlaagd.
Hier volgt een korte beschrijving van hoe dit kan worden bereikt.
Er zijn veel gebieden waarop het mechanische ontwerp van de motor kan worden geoptimaliseerd.
De solenoïde kan eenvoudig in het hoofdgedeelte van de motor worden geplaatst.
De grootte van de motor kan aanzienlijk worden verminderd.
De grootte van de positiemagneet kan aanzienlijk worden verkleind om het koppel van de rotor te verminderen.
Het motorontwerp kan in verschillende maten worden geparametriseerd en afgedrukt.
De efficiëntie van de motor kan worden geoptimaliseerd door de koppelsnelheidskarakteristiek
binnen het bereik van de aangelegde spanning te controleren.
Als de volledig geoptimaliseerde 3D-printmotor kan worden geparametriseerd en geprint in verschillende maten en vermogens, zal het toepassingsbereik zeer breed zijn.
Dit is mijn evernote-notitieboekje met veel artikelen en links die ik heb bestudeerd tijdens dit project.
Belangrijke bronnen [1]
Basisprincipe van DC-motor -
Padmaraja Yedamale -
DC-motor begrijpen