3D Printed DC Motor

9 Schritt:Schritt 1: Material und Werkzeuge Schritt 2: Motorenaufbau Schritt 3: BLDC Motor Control Schritt 4: Mechanical Design Schritt 5: Drucken Schritt 6: Electronics Schritt 7: Control Software Schritt 8: Künftige Arbeiten Schritt 9: Sources / Weiterführende Literatur


3D Printed DC Motor

Ich entwarf und 3D-gedruckte einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC), und verwendet ein Arduino, um den Motor zu steuern. Alle Teile des Motors, ohne Magneten Magnetwickeldraht, und Hall-Effekt-Sensoren wurden mit einem MakerBot Replicator 2. Die Video gedruckt zeigt die fertige Werkmotors.
Diese instructable als pdf verfügbar hier zusammen mit CAD-Dateien und dem Programm für die Motorsteuerung.
Motor-Steuerprogramm für Arduino:
https://github.com/pi-track/3Dmotor.git
Fühlen Sie sich frei, um die Dateien zu verwenden, zu kommentieren, ändern Sie das Design, oder tun, was Sie bitte mit diesem Schritt 1: Material und Werkzeuge



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Ein 3D-Drucker, ein Arduino Mikrocontroller und Zugang zu grundlegenden elektronische Werkzeuge wie ein Multimeter, Oszilloskop, einem Netzteil und elektrischen Komponenten sind für das Projekt notwendig. Die vollständige Liste der Teile und Werkzeuge verwendet I.
Tools
Makerbot Replicator 2 CAD-Software - Google SketchUp - MakerWare Cordless Drill Multimeter Oszilloskop
Mechanische Teile
PLA Kunststoff ~ 100 Meter von AWG 26 Kupferlackdraht für Magnetspulen 8 X N48 1/2 von 1/8 Zoll Neodym-Scheibenmagnete
Elektronik
Arduino Uno Breadboard - Anschlussdraht Krokodilklemmen 12 V Batterie - 8 AA-Batterien in Serie
Components
L6234 3-Phasen-Motortreiber-IC 3 X SS411A Halleffekt-Sensoren Widerstände 3 X 120 kOhm 6 X ~ 400 Ohm 1 Ohm 100 kOhm Potentiometer Kondensatoren 100 uF 330 nF 100 nF 10 nF 2 X Diode
Tabelle 1 zeigt die Kosten, um den Motor zu bauen. Elektrische Bauteile wie Widerstände und Kondensatoren wurden nicht berücksichtigt, da die Kosten vernachlässigbar bezogen auf die Gesamtkosten des Motors war. Die Gesamtkosten, um den Motor zu bauen, ohne die Arduino Mikrocontroller und die Batterien war € 27,71. Es sollte beachtet werden, dass die Kostenreduzierung nicht höchste Priorität, und die Optimierung zu einer Minderung der Produktionskosten führt. Schritt 2: Motorenaufbau

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Entwurfsspezifikationen für den bürstenlosen Gleichstrommotor wurden hergestellt, basierend auf dem Prinzip, dass der Motor sollte leicht mit leicht verfügbaren Teile zu konstruieren sein und qualitative Leistung ähnlich vielen im Handel erhältlichen Gleichstrommotoren, wie sie in kleinen elektrischen Ventilatoren verwendet wird.

N52 Neodym-Magneten am Rotor und 3 umwickelt Magnete mit dem Stator verbunden - der Motor als ein 3-Phasen-4-poligen bürstenlosen Gleichstrommotor mit 4 gestaltet. Der bürstenlose Entwurf wurde aufgrund der erhöhten Effizienz, geringere Anzahl von mechanischen Teilen und geringerer Reibung ausgewählt. Die N52 Magnete wurden für ihre Kraft, den Preis und die leichte Verfügbarkeit gewählt. Brushless Motorsteuerung wird in Abschnitt "BLDC Motor Control" diskutiert. Tabelle 2 zeigt einen Vergleich der bürstenlose und bürstenbehaftete DC-Motoren.
Die Magnete werden bei 8-12 Volt versorgt und durch einen elektrischen Schaltkreis gesteuert. 3 Hall-Effekt-Sensoren liefert Ortsinformationen erzählt die Schaltung, wenn der Kommutierung durchzuführen.
Die folgenden Gleichungen wurden verwendet, um die Leistung des Motors zu schätzen, und daher erzeugen die anfängliche Motorkonstruktion.
Diese Gleichungen werden durcheinander, wenn Sie sehen, wie sie einen Blick auf die pdf im Intro verknüpft werden soll.
Die Kraft zwischen zwei Magneten in einiger Entfernung voneinander kann grob durch die folgende Gleichung angenähert werden: F = BmAmBsAs / 4G2
wobei B die magnetische Felddichte an der Oberfläche des Magneten, A die Fläche des Magneten, und g ist der Abstand zwischen den beiden Magneten. B = nil: bs, wird das Magnetfeld der Magnetspule gegeben durch
wobei I der Strom ist, N die Anzahl von Windungen, und l die Länge des Solenoids. T = 2Fr: im Motor wurde die max Drehmoment geschätzt
wobei r der Radius ist, ausgewählt, um 25 mm betragen.
Kombinieren dieser Gleichungen ein linearer Ausdruck betreffend das Ausgangsdrehmoment zu dem Eingangsstrom für eine gegebene Magnetgeometrie erhalten werden. f = 2rBmAmAsN4g2lI
Das gewünschte Drehmoment konstant gewählt wurde, um 40-m Nm / A werden auf der Grundlage der gewünschten Leistung relativ zu anderen verfügbaren Motoren [2] .Schritt 3: BLDC Motor Control

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BLDC-Motor Kontrolle erfordert eine elektronische Steuerschaltung. Um den BLDC-Motor zu drehen, müssen die Wicklungen in einer definierten Reihenfolge in Abhängigkeit von der Position des Rotors erregt werden. Rotorposition mit Hall-Sensoren in den Stator eingebettet abgetastet. Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm der BLDC-Motor-Steuerschema.
Die Hall-Sensoren, die in den Stator in Übereinstimmung mit den drei Motorwicklungen eingebettet sind, ein digitales Ausgangssignal, das, ob ein Nord- oder Südpol in der Nähe des Sensors entspricht. Basierend auf dieser digitalen Ausgang liefert der Mikrocontroller die Kommutierungsfolge an den Motortreiber, der die entsprechenden Wicklungen erregt. Jeder Kommutierung Sequenz einer der Wicklungen mit dem positiven Spannungs, eine negative Energie versorgt wird, und eine ist unerregt. Die Kommutierungssequenz besteht aus sechs Schritten, die den Hall-Sensor-Ausgangssignale an die Wicklungen erregt werden sollte beziehen. Ein Beispiel für Rechtslauf ist unten in Tabelle 4 angegeben 3.Schritt: Mechanical Design

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Das endgültige Design besteht aus 4 verschiedenen Teilen; das untere Gehäuse, Rotor, Top Gehäuse und Magnetspulen, in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4: (a) Bottom-Gehäuse (b) Rotor (c) Solenoid (d) zusammengebauten Motor (e) Top Montage. Alle Teile sind in der Ausrichtung, in der sie gedruckt werden angezeigt. Die untere Gehäuse, in Figur 4 (a) gezeigt wird, bildet den Bodendeckel des Motors. Der Rotor, der in Figur 4 (b) gezeigt ist, enthält die 8 Magneten 4 verwendet, um den Motor anzutreiben und 4 verwendet, um Positionsdaten zu den Hall-Effekt-Sensoren. Der Rotor gleitet an der Bodenwand in einem Radiallagerarten, wie in 4 (d) gezeigt.
Das obere Gehäuse, in Figur 4 (e) dargestellt ist, kann über dem Rotor und Paare mit dem Unterteil, um den Motor zu umschließen. Das obere Gehäuse enthält die 3 Hall-Effekt-Positionssensoren sowie Dreieck Ausschnitte, die für die Magnetspulen in das Gehäuse einrasten lassen.
Die Magnetspulen, die in 4 (c) gezeigt, haben Dreiecke in ihrer Mitte platziert, damit sie mit den Löchern in der oberen Gehäuse, die sich vertikal nach oben mit dem Rotor magnets.Step 5 ausgekleidet werden: Druck


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Alle der zuvor beschriebenen Teile wurden auf der MakerBot Replicator 2. Die Teile können auf einmal gedruckt werden gedruckt und Vielzahl von Druckparametern wird höchstwahrscheinlich zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Das Endprodukt wurde bei 20% Füllung mit einer 0,20 mm Schichthöhe in klaren PLA Kunststoff gedruckt.
Es wurde durch Versuch und Irrtum festgestellt, dass Teile füreinander ohne zu gleiten, wie die oberen und unteren Gehäuse sollte bei 0,25 mm auf allen Seiten hinzugefügt gedruckt werden beitreten, während Stücke gemeint frei wie zu rutschen, wenn der Rotor sollte bei 0,4 mm Raum gedruckt werden auf allen Seiten.
Die Magneten und Hall-Effekt-Sensoren wurden durch die Gestaltung eines richtigen Größe inneren Hohlraum an der entsprechenden Stelle in der Montage eingesetzt, Druck bis knapp unterhalb der Spitze der Lücke, Pause den Druck und Einsetzen des Gerätes und dann weiter den Druck. Die entsprechenden Pausenhöhen sind in Tabelle 4 angegeben.
Die 3D-Druckstücke können vom MakerBot entfernt werden, und können gemeinsam nach Entfernen von überschüssigem Kunststoff aus dem Floß passen. Die Stücke sollten reibungslos zusammenpassen, ohne viel Aufwand.
Magnete Die Magnetspulen erfordern die meisten Post-Processing. Jedes Magnet sollte ~ 400 Mal mit 26AWG Magnetdraht gewickelt werden. Dieser Prozess kann durch Drehen der Elektromagnete auf einen Bohrer beschleunigt werden. Sicherzustellen, dass jeder Elektromagnet in der gleichen Richtung gewickelt, so daß die resultierende Elektromagneten mit derselben Polarität. Sobald die Magnetspulen sind bereit sie in die obere Gehäuse eingerastet werden. Sekundenkleber können hier verwendet werden, um die connections.Step 6 verstärken: Electronics

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Die Schaltungskomponenten sind zusammen gemäß der folgenden schema verdrahten. VCC für die L6234 Motortreiber kann überall von etwa 7 V bis zu 42 V, aber ich würde dem Ausführen dieses Motors bei nicht höher als empfohlen 12ish V. Schritt 7: Control Software


Die für Arduino, die Kommutierungsfolge steuern geschriebenes Programm finden Sie unter https://github.com/pi-track/3Dmotor . Das Programm wurde von diesem instructable angepasst. Schritt 8: Künftige Arbeiten

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Künftige Verbesserungen an den Motor lässt sich in 4 Hauptkategorien unterteilt werden; mechanische Optimierung, Effizienzsteigerungen, Steuer Verbesserungen und Anwendungen. Der erste Schritt zu einer zukünftigen Arbeits sollten die Versuche an den Drehmoment-Drehzahl und Leistungseigenschaften des Strommotors durchzuführen.
Die Steuerung des Motors kann unter Verwendung einer Hardware-Ansatz anstelle eines Softwareansatz, der die Kosten und die Größe der Umsetzung erheblich verringern würde realisiert werden. Eine einfache Beschreibung, wie dies erreicht werden könnte, wird hier diskutiert - http://www.instructables.com/id/BLDC-Motor-Control-with-Arduino-salvaged-HD-motor/step12/An-Alternate-Hardware-Based-Approach-to-Commutatio/
Die mechanische Konstruktion des Motors hat viele Bereiche, in denen es optimiert werden könnte. Die Magnetspulen werden könnten, um einfach in den Körper des Motors einschnappen. Der Motor kann erheblich verkleinert werden. Positionsmagnete könnten erheblich in der Größe verringert werden, um das Moment des Rotors zu reduzieren. Der Aufbau des Motors möglicherweise parametriert werden, um bei einer Anzahl von unterschiedlichen Formaten gedruckt werden.
Der Wirkungsgrad des Motors kann durch die Untersuchung der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien in einem Bereich von angelegten Spannungen optimiert werden.
Wenn eine vollständig optimierte 3D gedruckt Motor könnte parametriert werden, um in einer Reihe von verschiedenen Größen und Bewertungen gedruckt werden, würden die Anwendungen sehr breit ranging.Step 9 sein: Quellen / Weiterführende Literatur


Hier ist mein Evernote Notizbuch mit vielen Artikeln und Links, die ich untersucht, während Sie diese Projekt. https://www.evernote.com/pub/pi_track/seniordesign
Einige wichtige Quellen.
[1] Brushless DC Motor Fundamentals - Padmaraja Yedamale - http: //electrathonoftampabay.org/www/Documents/Mo ...
[2] Das Verständnis DC-Motoren - http: //www.me.umn.edu/courses/me2011/arduino/tech ...
[3] http: //www.me.umn.edu/courses/me2011/arduino/tech ...
[4] http: //www.me.umn.edu/courses/me2011/arduino/tech ...