มอเตอร์กระแสตรงที่พิมพ์แบบ 3 มิติ

ฉันออกแบบและพิมพ์ 3D
มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) และมอเตอร์ควบคุมโดยใช้ Arduino
นอกจากแม่เหล็ก ขดลวดโซลินอยด์ และเซนเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์แล้ว ส่วนประกอบทั้งหมดของมอเตอร์ยังถูกพิมพ์ด้วย Makerbot Replicator 2
วิดีโอจะแสดงมอเตอร์ที่ทำงานเสร็จแล้ว
คำแนะนำนี้มีให้ในรูปแบบ pdf พร้อมด้วยไฟล์ CAD และโปรแกรมควบคุมมอเตอร์
โปรแกรมควบคุมมอเตอร์ของ Arduino: ใช้ไฟล์ ทบทวน เปลี่ยนดีไซน์ได้ฟรี หรือทำทุกอย่างที่คุณต้องการ!
โปรเจ็กต์นี้ต้องใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino และเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน เช่น มัลติมิเตอร์ ออสซิลโลสโคป แหล่งจ่ายไฟ และอุปกรณ์ไฟฟ้า
รายการอะไหล่และเครื่องมือทั้งหมดที่ฉันใช้
ตารางที่ 1 แสดงต้นทุนการผลิตมอเตอร์
ไม่รวมส่วนประกอบทางไฟฟ้า เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ เนื่องจากต้นทุนนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับต้นทุนรวมของมอเตอร์
หากไม่รวมไมโครคอนโทรลเลอร์และแบตเตอรี่ Arduino ต้นทุนรวมในการผลิตมอเตอร์อยู่ที่ 27 เหรียญสหรัฐ 71.
ควรชี้ให้เห็นว่าการลดต้นทุนไม่ใช่สิ่งที่สำคัญที่สุด การเพิ่มประสิทธิภาพสามารถลดต้นทุนการผลิตได้
ตามหลักการที่ว่ามอเตอร์ควรเป็นชิ้นส่วนที่ง่ายต่อการใช้งานและเข้าถึงได้ง่าย จึงได้มีการกำหนดข้อกำหนดการออกแบบของมอเตอร์กระแสตรง และควรให้คุณสมบัติที่คล้ายกับประสิทธิภาพด้านคุณภาพของมอเตอร์กระแสตรงเชิงพาณิชย์และพัดลมไฟฟ้าขนาดเล็ก
มอเตอร์ได้รับการออกแบบให้เป็น
มอเตอร์กระแสตรง 3 เฟส 4 โพลาร์ โดยมี
แม่เหล็ก N52 ตัวที่ 4 บนโรเตอร์ และโซลินอยด์แบบพันลวด 3 เส้นที่ติดอยู่กับสเตเตอร์
เนื่องจากประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น จำนวนชิ้นส่วนทางกลจึงลดลง และแรงเสียดทานลดลง จึงเลือกการออกแบบแบบไร้แปรงถ่าน
แม่เหล็ก N52 ถูกเลือกเนื่องจากความแรง ราคา และการเข้าถึงที่ง่าย
ในส่วน \'การควบคุมมอเตอร์ bldc\' การควบคุมมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านจะกล่าวถึงต่อไป
ตารางที่ 2 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างมอเตอร์กระแสตรงและมอเตอร์แบบแปรง
โซลินอยด์ใน
8-12 V ควบคุมโดยวงจรสวิตช์ไฟฟ้า
เซ็นเซอร์ฮอลล์จะให้ข้อมูลตำแหน่งว่าจะเปลี่ยนวงจรเมื่อใด
สมการต่อไปนี้ใช้เพื่อประเมินประสิทธิภาพของมอเตอร์ ซึ่งทำให้เกิดการออกแบบมอเตอร์เบื้องต้น
หากคุณต้องการดูสมการเหล่านี้ ลองดูไฟล์ pdf ที่ลิงก์ไว้ในบทนำ แล้วสมการเหล่านี้จะเลอะเทอะ
แรงระหว่างแม่เหล็กทั้งสองที่ระยะห่างหนึ่งๆ สามารถประมาณได้โดยประมาณด้วยสมการต่อไปนี้: F = BmAmBsAs/4g2 โดยที่ B คือความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กบนพื้นผิวของแม่เหล็ก และ A คือพื้นที่ของแม่เหล็ก g คือระยะห่างระหว่างแม่เหล็กสองตัว
Bs สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์กำหนดโดย: B = NIl โดยที่ I คือกระแส N คือจำนวนบรรจุภัณฑ์ และ l คือความยาวของโซลินอยด์
ในมอเตอร์ แรงบิดสูงสุดประมาณว่า: t = 2 fr โดยที่ r คือรัศมีและส่วนที่เลือกคือ 25 มม.
เมื่อรวมกับสมการเหล่านี้ สามารถรับการแสดงออกเชิงเส้นของแรงบิดเอาท์พุตที่เกี่ยวข้องกับกระแสอินพุตของรูปทรงโซลินอยด์ที่กำหนดได้
F = 2rbmamasn4g2li ค่าคงที่แรงบิดที่ต้องการในการเลือกคือ 40 m-
Nm/A โดยขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพที่ต้องการโดยสัมพันธ์กับมอเตอร์อื่นๆ ที่มีอยู่ [2]
จำเป็นต้องมีวงจรควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการควบคุมมอเตอร์ของ BLDC
หากต้องการหมุนมอเตอร์ BLDC ต้องเปิดขดลวดตามลำดับที่กำหนด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโรเตอร์
ตรวจจับตำแหน่งของโรเตอร์โดยใช้เซ็นเซอร์ฮอลล์ที่ฝังอยู่ในสเตเตอร์
รูปที่ 3 แสดงแผนผังของแผนการควบคุมมอเตอร์ BLDC
เซ็นเซอร์ Hall ถูกฝังอยู่ในสเตเตอร์โดยมีขดลวดมอเตอร์สามเส้น ให้เอาต์พุตดิจิตอลที่สอดคล้องกับว่าอาร์กติกหรือแอนตาร์กติกอยู่ใกล้กับเซ็นเซอร์มากที่สุด
ไมโครคอนโทรลเลอร์จะจัดเตรียมลำดับเฟสสำหรับไดรเวอร์มอเตอร์ตามเอาท์พุตดิจิทัลนี้ โดยจะจ่ายพลังงานให้กับขดลวดที่สอดคล้องกัน
คอลัมน์ลำดับการเปลี่ยนเฟสแต่ละคอลัมน์มีขดลวดที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าบวก ขดลวดที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าลบ และขดลวดที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าลบ
ลำดับการเปลี่ยนเฟสประกอบด้วยหกขั้นตอนที่สัมพันธ์ระหว่างเอาท์พุตเซ็นเซอร์ฮอลล์กับเอาท์พุตของการพันที่ควรเปิด
ตารางที่ 3 ด้านล่างแสดงตัวอย่างการหมุนตามเข็มนาฬิกา
การออกแบบขั้นสุดท้ายประกอบด้วย 4 ส่วนที่แตกต่างกัน
ตัวเรือนด้านล่าง โรเตอร์ ตัวเรือนด้านบน และโซลินอยด์ดังแสดงในรูปที่ 4 ด้านล่าง รูปที่ 4: (a)
เปลือกด้านล่าง (b) โรเตอร์ (c ) โซลินอยด์ (d)
มอเตอร์ประกอบ (e) ส่วนประกอบด้านบน
ชิ้นส่วนทั้งหมดจะแสดงในทิศทางที่พิมพ์
กล่องหุ้มด้านล่าง ดังแสดงในรูปที่ 4 (a)
ฝาครอบด้านล่างของมอเตอร์
โรเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 4 (b)
ประกอบด้วยแม่เหล็ก 8 ชิ้น แม่เหล็ก 4 ชิ้นสำหรับขับเคลื่อนมอเตอร์ และ 4 ชิ้นสำหรับให้ข้อมูลตำแหน่งแก่เซ็นเซอร์ฮอลล์
ดังแสดงในรูปที่ 4 โรเตอร์จะเลื่อนไปที่เปลือกด้านล่างของรูปแบบตลับลูกปืนเลื่อน (d)
เปลือกด้านบน ดังแสดงในรูปที่ 4 (e)
ติดตั้งบนโรเตอร์และต่อเข้ากับด้านล่างเพื่อปิดมอเตอร์
โครงสร้างด้านบนประกอบด้วยเซ็นเซอร์ตำแหน่งห้องโถง 3 ตัว รวมถึงช่องเจาะรูปสามเหลี่ยมที่ช่วยให้ท่อสกรูยึดเข้ากับตัวเครื่องได้
โซลินอยด์ดังแสดงในรูปที่ 4 (c)
วางสามเหลี่ยมไว้ตรงกลางเพื่อให้อยู่ในแนวเดียวกับรูในตัวเรือนด้านบน ซึ่งจัดวางในแนวตั้งกับแม่เหล็กของโรเตอร์
ชิ้นส่วนทั้งหมดที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้จะถูกพิมพ์บน Makerbot Replicator 2
ชิ้นส่วนต่างๆ สามารถพิมพ์ได้ในเวลาเดียวกัน และพารามิเตอร์การพิมพ์ต่างๆ มีแนวโน้มที่จะให้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจ
ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายพิมพ์ด้วยพลาสติก PLA โปร่งใส โดยมีปริมาณการบรรจุ 20% และปริมาณการบรรจุ 0.
ความสูงพื้น 20 มม.
จากการทดลองซ้ำหลายครั้ง พบว่าชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยไม่เลื่อน เช่น เปลือกด้านบนและด้านล่าง ควรพิมพ์ที่ 0
เพิ่ม 25 มม. ให้กับทุกด้าน ในขณะที่ชิ้นส่วนสำหรับการเลื่อนอย่างอิสระ เช่น โรเตอร์ ควรพิมพ์ที่
ช่องว่างรอบๆ 0.4 มม.
แม่เหล็กและเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ Hall จะพิมพ์ไปที่ด้านล่างขวาของด้านบนของช่องว่างโดยการออกแบบช่องว่างภายในที่ถูกต้องในตำแหน่งที่ถูกต้อง หยุดการพิมพ์ชั่วคราวและใส่อุปกรณ์ ใส่เข้าไปในชุดประกอบ จากนั้นจึงพิมพ์ต่อ
ความสูงหยุดชั่วคราวที่เหมาะสมแสดงไว้ในตารางที่ 4 ด้านล่าง
ชิ้นส่วนการพิมพ์ 3 มิติสามารถถอดออกจาก Makerbot และสามารถประกอบเข้าด้วยกันได้หลังจากนำพลาสติกส่วนเกินออกจากแพแล้ว
ชิ้นส่วนเหล่านี้ควรประกอบเข้าด้วยกันได้อย่างราบรื่นโดยไม่ต้องใช้ความพยายามมากนัก
โซลินอยด์ โซลินอยด์จำเป็นต้องมีการประมวลผลโซลินอยด์ครั้งสุดท้าย
โซลินอยด์แต่ละตัวถูกพันประมาณ 400 ครั้งด้วยเส้นแม่เหล็ก 26gw
กระบวนการนี้สามารถเร่งให้เร็วขึ้นได้โดยการหมุนโซลินอยด์บนดอกสว่าน
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโซลินอยด์แต่ละตัวบรรจุอยู่ในทิศทางเดียวกันเพื่อให้โซลินอยด์ที่ได้มีขั้วเดียวกัน
เมื่อโซลินอยด์พร้อมแล้ว ควรติดเข้าที่เปลือกด้านบน
สามารถใช้กาวที่แข็งแรงได้ที่นี่เพื่อเสริมการเชื่อมต่อ
องค์ประกอบของวงจรควรเชื่อมต่อเข้าด้วยกันตามแผนผังต่อไปนี้
VCC ของไดรเวอร์มอเตอร์ L6234 สามารถอยู่ที่ใดก็ได้ตั้งแต่ 7 v ถึง 42 V แต่ฉันแนะนำให้รันมอเตอร์โดยไม่ให้สูงกว่า 12ish V
โปรแกรมที่เขียนโดย Arduino เพื่อควบคุมลำดับการเปลี่ยนเฟสสามารถพบได้ในโปรแกรม ซึ่งดัดแปลงตามคู่มือนี้
การปรับปรุงมอเตอร์ในอนาคตสามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภท
การเพิ่มประสิทธิภาพทางกล การปรับปรุงประสิทธิภาพ การปรับปรุงการควบคุม และการใช้งาน
ขั้นตอนแรกในการทำงานในอนาคตควรเป็นการทดสอบ
ความเร็วแรงบิดและประสิทธิภาพของมอเตอร์ปัจจุบัน
การควบคุมมอเตอร์สามารถทำได้โดยใช้วิธีฮาร์ดแวร์มากกว่าวิธีซอฟต์แวร์ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนและขนาดในการใช้งานได้อย่างมาก
ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับวิธีการบรรลุเป้าหมายนี้
มีหลายส่วนที่สามารถปรับการออกแบบทางกลของมอเตอร์ให้เหมาะสมได้
สามารถใส่โซลินอยด์เข้าไปในตัวเครื่องหลักของมอเตอร์ได้
ขนาดของมอเตอร์สามารถลดลงได้อย่างมาก
ขนาดของแม่เหล็กตำแหน่งสามารถลดลงได้อย่างมากเพื่อลดแรงบิดของโรเตอร์
การออกแบบมอเตอร์อาจมีการกำหนดพารามิเตอร์และพิมพ์ในขนาดที่แตกต่างกันหลากหลาย
ประสิทธิภาพของมอเตอร์สามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยการตรวจสอบ
ลักษณะความเร็วของแรงบิดภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
หากมอเตอร์การพิมพ์ 3D ที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างเต็มที่สามารถกำหนดพารามิเตอร์และพิมพ์ในขนาดและพิกัดที่แตกต่างกันได้ ขอบเขตการใช้งานจะกว้างมาก
นี่คือสมุดบันทึก Evernote ของฉันที่มีบทความและลิงก์มากมายที่ฉันศึกษาขณะทำโปรเจ็กต์นี้
แหล่งข้อมูลสำคัญ[1]
หลักการพื้นฐานของมอเตอร์กระแสตรง -
ปัทมาราชา เยดามาเล -
ทำความเข้าใจเกี่ยวกับมอเตอร์กระแสตรง