Jag designade och 3D-printade en borstlös DC (BLDC)
motor och styrmotor med Arduino.
Förutom magneter, solenoidlindning och Halleffektsensorer är alla komponenter i motorn tryckta med Makerbot Replicator 2.
Videon visar den färdiga fungerande motorn.
Denna instruktionsbok tillhandahålls som pdf tillsammans med cad-filer och motorstyrningsprogram.
Arduinos motorstyrningsprogram: använd filen, granska, ändra designen gratis eller gör vad du vill med den!
Detta projekt kräver 3D-skrivare, arduino-mikrokontroller och grundläggande elektroniska verktyg som multimeter, oscilloskop, strömförsörjning och elektriska komponenter.
Komplett lista över delar och verktyg jag använder.
Tabell 1 visar kostnaden för att tillverka motorn.
Elektriska komponenter som motstånd och kondensatorer ingår inte eftersom kostnaden är försumbar i förhållande till motorns totala kostnad.
Exklusive Arduino-mikrokontroller och batterier är den totala kostnaden för att tillverka motorn $27. 71.
Det bör påpekas att minskningen av kostnaderna inte har högsta prioritet. optimering kan minska produktionskostnaderna.
Baserat på principen att motorn ska vara lätt att använda lättillgängliga delar att konstruera, är designspecifikationerna för DC-motorn fastställda, och bör ge den typ som liknar kvalitetsprestandan hos många kommersiella DC-motorer, små elektriska fläktar.
Motorn är designad för att vara 3-fas, 4-
polär likströmsmotor med 4-
N52:a magneten på rotorn och den 3-trådiga lindade solenoiden fäst vid statorn.
På grund av den ökade effektiviteten, antalet mekaniska delar minskas och friktionen minskas, väljs den borstlösa designen.
N52-magneten är vald för dess styrka, pris och lättillgänglighet.
I avsnittet \'bldc motor control\' kommer borstlös motorstyrning att diskuteras ytterligare.
Tabell 2 visar jämförelsen mellan DC-motorn och borstmotorn.
Solenoid i 8-
12 V, styrd av en elektrisk strömbrytarkrets.
Hallsensorn ger platsinformation om när kretsen kommer att bytas.
Följande ekvationer används för att uppskatta motorns prestanda, vilket skapar den ursprungliga motordesignen.
Om du vill se dessa ekvationer, ta en titt på pdf:en som är länkad i introt så blir de trassliga.
Kraften mellan de två magneterna på ett visst avstånd kan grovt sett approximeras med följande ekvation: F = BmAmBsAs/4g2, där B är det magnetiska fälttätheten på magnetens yta och A är magnetens yta, g är avståndet mellan två magneter.
Bs, magnetfältet hos solenoiden ges av: B = NIl, där I är strömmen, N är antalet paket och l är längden på solenoiden.
I motorn beräknas det maximala vridmomentet vara: t = 2 fr där r är radien och valet är 25 mm.
I kombination med dessa ekvationer kan ett linjärt uttryck av det utgående vridmomentet som är associerat med inströmmen för en given solenoidgeometri erhållas.
F = 2rbmamasn4g2li vridmomentkonstanten som krävs för att välja är 40 m-
Nm/A baserat på önskad prestanda i förhållande till andra tillgängliga motorer [2].
Den elektroniska styrkretsen krävs för motorstyrningen av BLDC.
För att rotera BLDC-motorn, beroende på rotorns position, måste lindningen slås på i den definierade ordningen.
Rotorpositionen detekteras med hjälp av hallsensorn inbäddad i statorn.
Figur 3 visar ett schematiskt diagram över BLDC-motorstyrschemat.
Hall-sensorn är inbäddad i statorn med tre motorlindningar, vilket ger en digital utgång som motsvarar om Arktis eller Antarktis är närmast sensorn.
Baserat på denna digitala utgång tillhandahåller mikrokontrollern fassekvensen för motordrivrutinen, och levererar därmed ström till motsvarande lindning.
Varje kolumn för fasändringssekvens har en lindning påslagen till positiv spänning, en lindning påslagen till negativ spänning och en lindning påslagen till negativ spänning.
Fasändringssekvensen består av sex steg som korrelerar hallsensorns utgång med utgången från lindningen som ska slås på.
Tabell 3 nedan ger ett exempel på en medurs rotation.
Den slutliga designen består av 4 olika delar;
Bottenhus, rotor, topphus och solenoid som visas i figur 4 nedan. Figur 4: (a)
Nedre skal (b)Rotor (c) Solenoid (d)
Monteringsmotor (e) Toppmontering.
Alla delar visas i den riktning de skrivs ut.
Bottenhöljet, som visas i figur 4 (a)
Motorns bottenkåpa.
Rotor, som visas i figur 4 (b)
, Innehåller 8 magneter, 4 för att driva motorn och 4 för att tillhandahålla positionsdata till Hall-sensorn.
Som visas i figur 4 glider rotorn till bottenskalet på glidlagerstilen (d).
Skalet upptill, som visas i figur 4 (e)
, Monterad på rotorn och ansluten till botten för att stänga motorn.
Topphuset innehåller 3 hallpositionssensorer samt en triangulär utskärning som gör att skruvröret kan snäppa in i huset.
Solenoid som visas i figur 4 (c)
, Placera trianglar i mitten av dem så att de kan passa in i hålen i det övre huset, som själva är i linje med rotormagneten.
Alla delar som beskrivits tidigare är tryckta på Makerbot Replicator 2.
Delar kan skrivas ut samtidigt och olika utskriftsparametrar kommer sannolikt att ge tillfredsställande resultat.
Slutprodukten är tryckt i transparent PLA-plast, med en fyllnadsmängd på 20 % och en fyllnadsmängd på 0,20
mm golvhöjd.
Genom upprepade försök har det visat sig att delar som är sammankopplade utan att glida, såsom topp- och bottenskal, ska tryckas med 0.
Lägg till 25 mm på alla sidor, medan delar för fri glidning, såsom rotorer, ska tryckas med 0,4
mm utrymme runt.
Magneten och Hall-effektsensorn skrivs ut till höger längst ner på toppen av gapet genom att designa rätt inre tomrum på rätt plats, pausa utskriften och sätt in enheten, sätts in i enheten och fortsätt sedan utskriften.
Lämplig paushöjd anges i tabell 4 nedan.
3D-utskriftsbiten kan tas bort från Makerbot och kan sättas ihop efter att ha tagit bort överflödig plast från flotten.
Dessa delar ska sättas ihop smidigt utan större ansträngning.
Solenoid solenoid behöver den sista solenoidprocessen.
Varje solenoid är inlindad cirka 400 gånger med en 26gw magnetlinje.
Denna process kan påskyndas genom att vrida solenoiden på borrkronan.
Se till att varje solenoid är packad i samma riktning så att den resulterande solenoiden har samma polaritet.
När solenoiden är klar ska de snäppas fast i skalet upptill.
Här kan starkt lim användas för att stärka kopplingen.
Kretselementen ska kopplas samman enligt följande schematiska diagram.
VCC för L6234 motordrivrutinen kan vara allt från 7 v till 42 V, men jag rekommenderar att motorn körs utan att vara högre än 12ish V.
Programmet som skrivits av Arduino för att styra fasändringsordningen finns i programmet, som är anpassat enligt denna manual.
Den framtida förbättringen av motorn kan delas in i fyra kategorier;
Mekanisk optimering, effektivitetsförbättring, kontrollförbättring och tillämpning.
Det första steget i eventuellt framtida arbete bör vara att testa vridmomentet
Hastighet och verkningsgrad för nuvarande motor.
Styrningen av motorn kan uppnås med hjälp av en hårdvarumetod snarare än en mjukvarumetod, vilket avsevärt kommer att minska kostnaden och skalan för implementeringen.
Här följer en kort beskrivning av hur detta kan uppnås.
Det finns många områden där den mekaniska designen av motorn kan optimeras.
Solenoiden kan enkelt sättas in i motorns huvuddel.
Motorns storlek kan reduceras avsevärt.
Storleken på positionsmagneten kan reduceras kraftigt för att minska rotorns vridmoment.
Motorkonstruktionen kan parametriseras och tryckas i en mängd olika storlekar.
Motorns verkningsgrad kan optimeras genom att kontrollera vridmomentets
varvtalskarakteristik inom området för pålagd spänning.
Om den fullt optimerade 3D-utskriftsmotorn kan parametriseras och skrivas ut i en mängd olika storlekar och klassificeringar, kommer applikationsområdet att vara mycket brett.
Det här är min evernote-anteckningsbok med många artiklar och länkar som jag studerade under det här projektet.
Viktiga källor[1]
Grundprincipen för DC-motor-
Padmaraja Yedamale-
Förstå DC-motor
