3D-печатный двигатель постоянного тока

Я спроектировал и напечатал на 3D-принтере бесщеточный
двигатель постоянного тока (BLDC) и двигатель управления с помощью Arduino.
Помимо магнитов, обмотки соленоида и датчиков Холла, все компоненты мотора напечатаны с помощью Makerbot Replicator 2.
На видео показан готовый работающий мотор.
Это руководство предоставляется в формате PDF вместе с файлами CAD и программами управления двигателем.
Программа управления двигателем Arduino: используйте файл, просмотрите, измените дизайн бесплатно или делайте с ним все, что захотите!
Для этого проекта требуются 3D-принтеры, микроконтроллеры Arduino и базовые электронные инструменты, такие как мультиметр, осциллограф, блок питания и электрические компоненты.
Полный список запчастей и инструментов, которые я использую.
В таблице 1 указана стоимость изготовления двигателя.
Электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, не включены, поскольку их стоимость незначительна по сравнению с общей стоимостью двигателя.
Без учета микроконтроллеров Arduino и батарей общая стоимость изготовления двигателя составляет 27 долларов. 71.
Следует отметить, что сокращение затрат не является главным приоритетом. оптимизация может снизить производственные затраты.
Основываясь на том принципе, что двигатель должен быть простым в использовании, легкодоступными для сборки деталями, установлены проектные характеристики двигателя постоянного тока, который должен обеспечивать качество, аналогичное характеристикам многих коммерческих двигателей постоянного тока, небольших электрических вентиляторов.
Двигатель представляет собой 3-фазный 4-
полюсный двигатель постоянного тока с 4-мя
магнитами N52 на роторе и 3-проводным соленоидом, прикрепленным к статору.
Из-за повышенного КПД уменьшено количество механических частей и уменьшено трение, выбрана бесщеточная конструкция.
Магнит N52 выбран из-за его прочности, цены и простоты доступа.
В разделе «Управление двигателем постоянного тока» далее будет обсуждаться управление бесщеточным двигателем.
В таблице 2 показано сравнение двигателя постоянного тока и щеточного двигателя.
Соленоид на
8-12 В, управляемый электрической цепью переключателя.
Датчик Холла предоставит информацию о местоположении, когда цепь будет заменена.
Следующие уравнения используются для оценки производительности двигателя и создания первоначальной конструкции двигателя.
Если вы хотите увидеть эти уравнения, взгляните на PDF-файл, указанный во вступлении, и они перепутаются.
Силу между двумя магнитами на определенном расстоянии можно приблизительно определить с помощью следующего уравнения: F = BmAmBsAs/4g2, где B — плотность магнитного поля на поверхности магнита, а A — площадь магнита, g — расстояние между двумя магнитами.
Bs, магнитное поле соленоида определяется по формуле: B = NIl, где I — ток, N — количество упаковок, а l — длина соленоида.
В двигателе максимальный крутящий момент оценивается как: t = 2 fr, где r — радиус, а выбор — 25 мм.
В сочетании с этими уравнениями можно получить линейное выражение выходного крутящего момента, связанного с входным током данной геометрии соленоида.
F = 2rbmamasn4g2li константа крутящего момента, которую необходимо выбрать, составляет 40 м-
Нм/А в зависимости от желаемой производительности по сравнению с другими доступными двигателями [2].
Электронная схема управления необходима для управления двигателем BLDC.
Для вращения двигателя BLDC, в зависимости от положения ротора, обмотка должна быть включена в определенном порядке.
Положение ротора определяется с помощью датчика Холла, встроенного в статор.
На рисунке 3 представлена ​​принципиальная схема управления двигателем BLDC.
Датчик Холла встроен в статор с тремя обмотками двигателя, обеспечивая цифровой выходной сигнал, соответствующий тому, Арктика или Антарктика ближе всего к датчику.
На основе этого цифрового выхода микроконтроллер обеспечивает последовательность фаз для драйвера двигателя, тем самым подавая питание на соответствующую обмотку.
Каждый столбец последовательности изменения фаз имеет обмотку, питаемую положительным напряжением, обмотку, питаемую отрицательным напряжением, и обмотку, питаемую отрицательным напряжением.
Последовательность изменения фазы состоит из шести шагов, которые соотносят выходной сигнал датчика Холла с выходным сигналом обмотки, на которую должно быть включено питание.
В таблице 3 ниже приведен пример вращения по часовой стрелке.
Окончательный дизайн состоит из 4 разных частей;
Нижний корпус, ротор, верхний корпус и соленоид, как показано на рисунке 4 ниже. Рисунок 4: (a)
Нижняя часть корпуса (b) Ротор (c) Соленоид (d)
Двигатель в сборе (e) Верхняя сборка.
Все детали отображаются в том направлении, в котором они напечатаны.
Нижний корпус, как показано на рисунке 4. (a)
Нижняя крышка двигателя.
Ротор, как показано на рисунке 4 (b)
, содержит 8 магнитов, 4 для привода двигателя и 4 для передачи данных о положении датчику Холла.
Как показано на рисунке 4, ротор скользит по нижнему корпусу подшипника скольжения (d).
Оболочка сверху, как показано на рисунке 4 (e)
, установлена ​​на роторе и соединена снизу для закрытия двигателя.
Верхний корпус содержит 3 датчика положения Холла, а также треугольный вырез, позволяющий вставить винтовую трубку в корпус.
Соленоид, как показано на рисунке 4 (c)
. Поместите треугольники в центр, чтобы они совпали с отверстиями в верхнем корпусе, которые сами совпадают вертикально с магнитом ротора.
Все детали, описанные ранее, печатаются с помощью Makerbot Replicator 2.
Детали можно печатать одновременно, и различные параметры печати, скорее всего, дадут удовлетворительные результаты.
Конечный продукт напечатан прозрачным пластиком PLA с заполнением 20% и
высотой пола 0,20 мм.
Путем повторных испытаний было обнаружено, что детали, которые соединяются вместе без скольжения, такие как верхняя и нижняя оболочки, должны быть напечатаны с шагом 0.
Добавьте 25 мм ко всем сторонам, а детали со свободным скольжением, такие как роторы, должны быть напечатаны с
интервалом 0,4 мм вокруг.
Магнит и датчик Холла печатают в правой нижней части верхней части зазора, создавая нужную внутреннюю полость в нужном месте, приостанавливают печать и вставляют устройство, вставляют его в сборку, а затем продолжают печать.
Соответствующая высота паузы указана в Таблице 4 ниже.
Деталь, напечатанную на 3D-принтере, можно снять с Makerbot и собрать вместе после удаления лишнего пластика с плота.
Эти детали должны соединяться плавно, без особых усилий.
Соленоид требует последней обработки соленоида.
Каждый соленоид обернут примерно 400 раз магнитной линией мощностью 26 ГВт.
Этот процесс можно ускорить, повернув соленоид на сверле.
Убедитесь, что каждый соленоид упакован в одном направлении, чтобы полученный соленоид имел одинаковую полярность.
Как только соленоид будет готов, его следует вставить в корпус сверху.
Для укрепления соединения здесь можно использовать крепкий клей.
Элементы схемы должны быть соединены между собой согласно следующей принципиальной схеме.
Напряжение VCC драйвера двигателя L6234 может составлять от 7 до 42 В, но я рекомендую запускать двигатель, не превышая 12 В.
Программу, написанную Arduino для управления порядком смены фаз, можно найти в программе, адаптированной в соответствии с данным руководством.
Будущее усовершенствование мотора можно разделить на четыре категории;
Механическая оптимизация, повышение эффективности, улучшение управления и применение.
Первым шагом в любой будущей работе должно быть тестирование крутящего момента,
скорости и эффективности текущего двигателя.
Управление двигателем может быть реализовано аппаратным, а не программным способом, что значительно снизит стоимость и масштаб реализации.
Вот краткое описание того, как этого можно достичь.
Существует множество областей, в которых механическая конструкция двигателя может быть оптимизирована.
Соленоид можно просто вставить в основной корпус двигателя.
Размер двигателя можно значительно уменьшить.
Размер позиционного магнита можно значительно уменьшить, чтобы уменьшить крутящий момент ротора.
Конструкция двигателя может быть параметризована и напечатана в различных размерах.
Эффективность двигателя можно оптимизировать, проверив
характеристику крутящего момента и скорости в диапазоне приложенного напряжения.
Если полностью оптимизированный двигатель для 3D-печати можно будет параметризовать и напечатать в различных размерах и номиналах, диапазон применения будет очень широким.
Это мой блокнот Evernote со множеством статей и ссылок, которые я изучил во время работы над этим проектом.
Важные источники [1]
Основной принцип работы двигателя постоянного тока -
Падмараджа Йедамале -
Понимание двигателя постоянного тока.