Silnik prądu stałego wydrukowany w 3D

Zaprojektowałem i wydrukowałem w 3D bezszczotkowy
silnik prądu stałego (BLDC) i silnik sterujący za pomocą Arduino.
Oprócz magnesów, uzwojenia elektromagnesu i czujników efektu Halla, wszystkie elementy silnika są drukowane za pomocą Makerbot Replicator 2.
Film przedstawia gotowy, działający silnik.
Ten instruktaż jest dostarczany w formacie PDF wraz z plikami CAD i programami do sterowania silnikiem.
Program do sterowania silnikami Arduino: użyj pliku, przejrzyj, zmień projekt za darmo lub rób z nim co chcesz!
Ten projekt wymaga drukarek 3D, mikrokontrolerów Arduino i podstawowych narzędzi elektronicznych, takich jak multimetr, oscyloskop, zasilacz i komponenty elektryczne.
Pełna lista części i narzędzi, których używam.
Tabela 1 przedstawia koszt produkcji silnika.
Elementy elektryczne, takie jak rezystory i kondensatory, nie są uwzględnione, ponieważ koszt jest znikomy w porównaniu z całkowitym kosztem silnika.
Nie licząc mikrokontrolerów i baterii Arduino, całkowity koszt produkcji silnika wynosi 27 dolarów. 71.
Należy podkreślić, że redukcja kosztów nie jest najważniejszym priorytetem. optymalizacja może obniżyć koszty produkcji.
Opierając się na zasadzie, że silnik powinien być łatwy w użyciu i łatwo dostępny do zbudowania, ustalono specyfikacje projektowe silnika prądu stałego, które powinny zapewniać jakość podobną do wielu komercyjnych silników prądu stałego, małych wentylatorów elektrycznych.
Silnik zaprojektowano jako 3-fazowy, 4-
biegunowy silnik prądu stałego z 4-
magnesem N52 na wirniku i 3-przewodową cewką uzwojoną przymocowaną do stojana.
Ze względu na zwiększoną wydajność zmniejszono liczbę części mechanicznych i zmniejszono tarcie, wybrano konstrukcję bezszczotkową.
Magnes N52 został wybrany ze względu na swoją siłę, cenę i łatwość dostępu.
W części „Sterowanie silnikiem bldc” omówione zostanie szczegółowo sterowanie silnikiem bezszczotkowym.
Tabela 2 przedstawia porównanie silnika prądu stałego i silnika szczotkowego.
Cewka elektromagnetyczna 8-12
V, sterowana za pomocą obwodu przełącznika elektrycznego.
Czujnik Halla dostarczy informacji o lokalizacji i czasie wymiany obwodu.
Poniższe równania służą do oszacowania wydajności silnika, tworząc w ten sposób wstępny projekt silnika.
Jeśli chcesz zobaczyć te równania, spójrz na plik PDF, do którego link znajduje się we wstępie, a tam się pomieszają.
Siłę między dwoma magnesami w pewnej odległości można w przybliżeniu przybliżyć za pomocą następującego równania: F = BmAmBsAs/4g2, gdzie B to gęstość pola magnetycznego na powierzchni magnesu, a A to powierzchnia magnesu, g to odległość między dwoma magnesami.
Bs, pole magnetyczne elektromagnesu wyraża się wzorem: B = NIl, gdzie I to natężenie prądu, N to liczba pakietów, a l to długość elektromagnesu.
W silniku maksymalny moment obrotowy szacuje się na: t = 2 fr gdzie r jest promieniem, a wybór wynosi 25 mm.
W połączeniu z tymi równaniami można otrzymać liniowe wyrażenie wyjściowego momentu obrotowego powiązanego z prądem wejściowym danej geometrii elektromagnesu.
F = 2rbmamasn4g2li stała momentu obrotowego wymagana do wybrania wynosi 40 m-
Nm/A w oparciu o pożądaną wydajność w porównaniu z innymi dostępnymi silnikami [2].
Do sterowania silnikiem BLDC wymagany jest elektroniczny obwód sterujący.
Aby obrócić silnik BLDC, w zależności od położenia wirnika, należy załączyć uzwojenie w określonej kolejności.
Położenie wirnika wykrywane jest za pomocą czujnika Halla wbudowanego w stojan.
Rysunek 3 przedstawia schemat ideowy schematu sterowania silnikiem BLDC.
Czujnik Halla jest osadzony w stojanie z trzema uzwojeniami silnika, zapewniając wyjście cyfrowe odpowiadające temu, czy Arktyka czy Antarktyka jest najbliżej czujnika.
Na podstawie tego wyjścia cyfrowego mikrokontroler ustala kolejność faz dla sterownika silnika, dostarczając w ten sposób energię do odpowiedniego uzwojenia.
Każda kolumna kolejności zmiany fazy ma uzwojenie zasilane napięciem dodatnim, uzwojenie zasilane napięciem ujemnym i uzwojenie zasilane napięciem ujemnym.
Sekwencja zmiany fazy składa się z sześciu kroków, które korelują wyjście czujnika Halla z wyjściem uzwojenia, które powinno być włączone.
Tabela 3 poniżej przedstawia przykład obrotu w prawo.
Ostateczny projekt składa się z 4 różnych części;
Dolna obudowa, wirnik, górna obudowa i elektromagnes, jak pokazano na rysunku 4 poniżej. Rysunek 4: (a)
Dolna część (b) Wirnik (c) Elektromagnes (d)
Zespół silnika (e) Zespół górny.
Wszystkie części są wyświetlane w kierunku, w którym zostały wydrukowane.
Dolna obudowa, jak pokazano na rysunku 4 (a)
Dolna pokrywa silnika.
Wirnik, jak pokazano na rysunku 4 (b)
, zawiera 8 magnesów, 4 do napędzania silnika i 4 do dostarczania danych o położeniu do czujnika Halla.
Jak pokazano na rysunku 4, wirnik wsuwa się w dolną panewkę łożyska ślizgowego (d).
Osłona u góry, jak pokazano na rysunku 4 (e)
, zamontowana na wirniku i połączona z dołem, aby zamknąć silnik.
W górnej obudowie znajdują się 3 czujniki położenia Halla, a także trójkątne wycięcie umożliwiające wskoczenie rurki gwintowanej w obudowę.
Solenoid, jak pokazano na rysunku 4 (c)
. Umieść trójkąty pośrodku nich, aby dopasować je do otworów w górnej obudowie, które z kolei są ustawione pionowo w stosunku do magnesu wirnika.
Wszystkie opisane wcześniej części są drukowane na Makerbot Replicator 2.
Części można drukować w tym samym czasie, a różne parametry drukowania prawdopodobnie dadzą zadowalające rezultaty.
Produkt końcowy jest drukowany z przezroczystego tworzywa PLA, z zawartością wypełnienia 20% i ilością wypełnienia 0,20
mm wysokości podłogi.
Wielokrotne próby wykazały, że części, które są ze sobą połączone bez przesuwania się, takie jak górna i dolna osłona, powinny być drukowane w odległości 0.
Dodaj 25 mm ze wszystkich stron, natomiast części umożliwiające swobodne przesuwanie, takie jak wirniki, powinny być drukowane w
odstępie 0,4 mm.
Magnes i czujnik efektu Halla drukują w prawym dolnym rogu górnej części szczeliny, projektując odpowiednią wewnętrzną pustkę we właściwym miejscu, wstrzymując drukowanie i wkładając urządzenie, wkładając je do zespołu, a następnie kontynuując drukowanie.
Odpowiednią wysokość przerwy podano w Tabeli 4 poniżej.
Wydruk 3D można zdjąć z Makerbota i złożyć w całość po usunięciu nadmiaru plastiku z tratwy.
Części te należy złożyć płynnie i bez większego wysiłku.
Elektrozawór elektromagnetyczny wymaga ostatniej obróbki elektromagnesu.
Każdy elektromagnes jest owinięty około 400 razy linią magnetyczną o mocy 26 gw.
Proces ten można przyspieszyć obracając elektromagnes na wiertle.
Upewnij się, że każdy elektromagnes jest upakowany w tym samym kierunku, tak aby powstały solenoid miał tę samą polaryzację.
Gdy elektromagnes będzie już gotowy, należy go zatrzasnąć w obudowie u góry.
Można tu zastosować mocny klej, aby wzmocnić połączenie.
Elementy obwodu należy połączyć ze sobą według poniższego schematu.
Napięcie VCC sterownika silnika L6234 może wynosić od 7 V do 42 V, ale zalecam uruchamianie silnika przy napięciu nie wyższym niż 12 V.
Program napisany przez Arduino do kontrolowania kolejności zmiany fazy można znaleźć w programie, który został dostosowany zgodnie z tą instrukcją.
Przyszłe ulepszenia silnika można podzielić na cztery kategorie;
Optymalizacja mechaniczna, poprawa wydajności, poprawa sterowania i zastosowania.
Pierwszym krokiem w jakichkolwiek przyszłych pracach powinno być sprawdzenie momentu obrotowego,
prędkości i sprawności obecnego silnika.
Sterowanie silnikiem można zrealizować metodą sprzętową, a nie programową, co znacznie obniży koszt i skalę wdrożenia.
Oto krótki opis, jak można to osiągnąć.
Istnieje wiele obszarów, w których można zoptymalizować konstrukcję mechaniczną silnika.
Elektromagnes można po prostu włożyć do głównego korpusu silnika.
Rozmiar silnika można znacznie zmniejszyć.
Rozmiar magnesu pozycyjnego można znacznie zmniejszyć, aby zmniejszyć moment obrotowy wirnika.
Konstrukcja silnika może być parametryzowana i drukowana w różnych rozmiarach.
Sprawność silnika można zoptymalizować sprawdzając
charakterystykę momentu obrotowego w zakresie przyłożonego napięcia.
Jeśli w pełni zoptymalizowany silnik drukujący 3D można sparametryzować i wydrukować w różnych rozmiarach i mocach, zakres zastosowań będzie bardzo szeroki.
To jest mój notatnik Evernote z wieloma artykułami i linkami, które przestudiowałem podczas realizacji tego projektu.
Ważne źródła [1]
Podstawowa zasada działania silnika prądu stałego –
Padmaraja Yedamale –
Zrozumienie silnika prądu stałego