Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

14 Schritt:Schritt 1: Nabenmotor Design-Überlegungen Schritt 2: Der EC-Motor Schritt 3: Der EC-Motor und Sie Schritt 4: Der Stator: Beschaffung, Pflege und Fütterung Schritt 5: Magnete und Magnetdraht Schritt 6: Eigentlich Wicklung des Motors Schritt 7: Magnet Layout-und 2D-Entwurf Schritt 8: Mechanik und Materialien Schritt 9: Der Mittelpunkt der Welt Schritt 10: Erhalten Sie Ihre Lager! Schritt 11: Randbedingungen für Ihr Motor Schritt 12: Radbefestigungsteile Schritt 13: Fabrication Notizen und Fazit Schritt 14: Ressourcen, Links und Knowledge Base

Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

In-Rad-Elektro-Antriebsmotoren stellen eine effektive Methode zur Bereitstellung von Antriebs für Fahrzeuge, die sonst nicht zur angetriebenen Räder haben.

Das heißt, sie sind ideal für EV-Hacking und Konvertierung. Sie sind kompakt und modular, benötigen keine Unterstützung der Drehachsen von der übergeordneten Fahrzeug und kann rund um das Fahrzeug ausgelegt, angetrieben werden kann. Reine Gleich elektrischen Radnabenmotoren in der Tat wurden in einigen der ersten elektrischen verwendet (und Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


) Autos.

Sie sind auch nicht so komplex und mystisch wie man denken könnte. Das Aufkommen von meinem Projekt Razer , einem Lager Razor Roller mit einem speziell angefertigten elektrische Umwandlung, hat viele Fragen vom Amateur EV Bauer, die ihre eigenen bürstenlose Radnabenmotoren konstruieren angehoben. Bis jetzt habe ich keine einzige kollektive Ressource zu jedermann zu zeigen hatte, noch habe ich selbstbewusst genug, um zu verstehen, was ich eigentlich gebaut, um über sie für andere Hacker schreiben gewesen.

Daher werde ich versuchen zu zeigen, dass ein bürstenloser Gleichstrompermanentmagnetnabenmotor ist eigentlich relativ einfach zu konstruieren und zu bauen für den Bastler, Ressourcenzugriff Überlegungen beiseite. Ich werde zuerst Exposit einige der Details des bürstenlosen Gleichstrommotor Theorie, Nabenmotoren angewandt. Ich werde einige Gedanken und Hinweise über die mechanische Konstruktion des Motors selbst und wie Sie wichtige Komponenten Quelle bereitzustellen. Schließlich werde ich kurz aufzulesen über Möglichkeiten, um Ihre neu gewonnene Bewegungsquelle zu steuern. Die Anordnung dieses Instructable wird für einen Lesedurch ersten gestaltet - denn es leitet Theorie und Beratung über spezifische Anweisungen, wie Sie einen bestimmten Motor zu schaffen.

Dies wird als eine grundlegende Grundierung auf bürstenlosen DC-Radnabenmotoren vorgesehen. Viele Annahmen, Verknüpfungen und "R / C Hobby Industry Faustregeln und Hand Waves" wird verwendet. Die Information ist nicht ziel akademischen Charakter sei denn, es gibt keine Möglichkeit, dies zu vermeiden. Die Absicht ist nicht, einen Motor, der über 95% Wirkungsgrad über einen Tausend-RPM Leistungsband unterhält zu entwerfen, noch gewinnen die nächste Elektroflugwettbewerb, auch Design eine Antriebsmaschine, die mit konstanter Leistung für die nächsten 10 Jahre in einem industriellen Prozess laufen wird. Motor Theoretiker abzuwenden deine Augen.

Ich werde eine gewisse Vertrautheit mit Grund Elektromagnetik Konzepte, um den Motor der Physik erklären nehmen.

Unten ist eine auseinandergezogene Teile Diagramm eines Prototyp-Motor, Ich bin in den Prozess der Gestaltung und Gebäude. Lassen Sie uns klar, bis einige der Wortschatz und Nomenklatur sofort. Die Dose (oder Gehäuse) über eine kreisförmige Anordnung von Magneten (elektrisch genannten Pole) und wird an einem oder beiden Enden durch Endkappen gestützt. Dieser gesamte Drehanordnung ist die R otor. Intern ist der Stator eine speziell geformte Stück des laminierten Eisenstücke (der Stapel), die Windungen (bzw. Spulen) hält der Windungen der Magnetdraht auf dem die Vorsprünge (Zähne) hergestellt. Es ist steif mit der Welle (ein nicht-rotierenden Achse), der auch Sitze, die Lager für die Rotoranordnung angebracht ist.

Schritt 1: Nabenmotor Design-Überlegungen

  1. Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor
    Ist ein Nabenmotor die richtige Wahl für Ihr Elektrofahrzeug? Beantworten Sie diese wenigen einfachen ques ...

    Ich meine, lesen Sie diese paar Hinweise, die einige Designkompromisse und Überlegungen bei der Verwendung von Radnabenmotoren beteiligt Highlights! Sie sind nicht die perfekte Lösungen für jedes Antriebsproblem, und einige der Mängel werden durch die Gesetze der Physik diktierten.

    Radnabenmotoren ar e inhärent schwerer und sperriger als angetriebene Räder.

    Bis wir machen Magie Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Supraleiter en masse, sind Motoren im wesentlichen Stücke von Stahl und Kupfer, die beide sehr schwere Elemente. Was passiert, wenn Sie das Gewicht eines Rades zwei- erhöhen oder -threefold ist eine drastische Erhöhung der th e ungefederten Massen eines Fahrzeugs, oder Gewicht, die nicht von einer Suspension gehalten wird. Für diejenigen unter Ihnen, die wissen über Fahrzeugfederungstechnik, die ungefederten Massen wirkt sich negativ auf das Fahrverhalten und Komfort eines Fahrzeugs. Wenn Sie werfen Sie einfach Radnabenmotoren in eine zuvor mit indirekt angetriebenen Rädern ausgestatteten Fahrzeugs erwarten eine Änderung im Fahrverhalten.

    Dies ist mehr ein Anliegen für Pkw und Sportwagen als alles andere, als die meisten kleinen Elektrofahrzeugen, wie beispielsweise Fahrräder und Roller nicht haben Suspensionen überhaupt. Allerdings ist der Begriff hier klein. Man könnte von meinen anderen instructable, die einige Male, es ist so gut wie unmöglich zu passen einfach einen größeren Motor in einem geschlossenen Raum versammelt haben. Ein Radnabenmotor wird unweigerlich mehr Platz im Fahrzeugrades. Dies ist wichtig, weniger für größere Räder und Fahrzeuge. Das Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    und Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    sind beispielsweise der Autosize-Nabenmotoren, die in das Fahrzeug-Design durch einige ziemlich ernste Re-Engineering, wie die Räder anzubringen, um das Auto Rahmen gut integriert haben. Möglicherweise müssen Sie das gleiche für Ihren Roller, Fahrrad oder Couch zu tun.

    Ein Nabenmotor Antriebsstrang wird in der Regel produzieren weniger Drehmoment als ein indirektes Antriebssystem

    Erwarten Sie keine Reifen Rauch aus Ihrem Radnabenmotoren. Eine indirekte Antriebsmotor, beispielsweise ein auf die Räder über ein Getriebe ausgerichtet ist, hat den Vorteil einer Drehmomentvervielfachung. Dies ist, wie ein 400 PS-Dieselmotor in einem semi truck kann sich schleppen und 80.000 Pfund mehr auf eine Bergstraße, sondern eine 400hp Corvette konnte nicht das gleiche zu tun - das semi-Engine durch eine geht Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    um viele tausend Fuß-Pfund Drehmoment an den Antriebsrädern übertragen. A Corvette ist leicht und schnell, und damit die 400 Pferdestärken in sein Motor ist vor allem Geschwindigkeit.

    Aus physikalischen Mechanik, ist Leistung ein Produkt der sowohl Drehmoment und Drehzahl. Aufgrund Kuriositäten in den Gesetzen der Natur, ist es viel einfacher, ein fas t aber niedrige Drehmomentmotor zu machen, als eine langsame und hohem Drehmoment eine, wobei Leistungsstufen gleich.

    Wie sie sich auf Motoren, deshalb typische Bohrmotor dreht sich nach oben von 30.000 RPM, aber man bekommt nur ein paar hundert RPM bei der Schraubendrehereinsatz. Der Bohrmotor wurde entwickelt, um maximale Leistung bei sehr hohen Drehzahlen, die durch eine Untersetzung gesendet wird, um Ihre Bohrer Kurbel erzeugen hart genug, um dies zu tun .

    Aber Ihre Nabenmotor ist mit Direktantrieb. Es gibt kein Bündel von spitzen Stahl Dinge auf seine Rotationsgeschwindigkeit in Drehmoment umzuwandeln. Nabenmotor kann nur verlieren mechanischen Vorteil, weil das Rad im wesentlichen müssen im Durchmesser als der Motor größer sein. Vergleichsweise wenige in Radnabenmotoren haben Innenverzahnung - das sind häufig Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    Da sie einen großen Durchmesser und damit viel Platz zu haben, um damit zu arbeiten. Es ist nicht so viel schwieriger, einen Zahnradsatz in die Nabenmotors einzubauen, aber es würde den Rahmen dieser Instructable ist.

    Die Quintessenz ist, während ein 750-Watt-Gleichstrommotor auf Ihrem Go-Ped vielleicht können Sie ein Rad-Spinnen Start durchführen, ein 750 Watt Nabenmotor wahrscheinlich nicht.

    Radnabenmotor-Antriebssträngen im Allgemeinen weniger Wirkungsgrad als ein indirektes Antriebssystem

    Es ist sicherlich richtig, dass Nabenmotoren umgehen praktisch alle mechanischen Verluste mit einer Kupplung, Getriebe, Achsen und Zahnräder, die Sie in der Regel in einem Fahrzeugantriebsstrang zu finden assoziiert. In der Tat, Antriebskomponenten allein aufessen 15 bis 20% des von dem Motor erzeugten Leistung. Stellen Sie sich vor, dass weg waren - was könnte man mit 15 bis 20% mehr Leistung zu tun?

    Ein Nabenmotor wird typischerweise eine drehmoment hergestellt zu zwingen-on-the-Boden-Übermittlung von fast 1 wird das Drehmoment des Motors nur durch die Reifen gehen mit ihren Rollwiderstand und Verformungskräfte. Aber was schadet der Nabenmotor ist elektrische Wirkungsgrad.

    Ein Motor ist ein Wandler. Eingangsstromversorgung und kommt heraus mechanische Leistung - in der Regel. Elektrische Energie ist definiert als

    Pe = V * I

    wobei V die Spannung über dem Motor und I ist der Strom in den Motor fließt. V hat Einheit Volt und I hat Einheit Ampere. mechanische Leistung

    Pm = T * ω

    wobei T das Ausgangsdrehmoment in Newtonmeter und ω ist Drehgeschwindigkeit in Radiant pro Sekunde (Block 1 / Zeit, weil Radianten sind einheitenlos!)

    Es ist durchaus im Rahmen des Zumutbaren zu sein Eingeben elektrischer Energie an den Motor, aber bekommen keine Drehung aus. Dies wird als Stall oder blockiertem Rotor, und es tötet Motoren. Dies geschieht, wenn T ist nicht genug, um die Kräfte drängen sich gegen einen Motor zu überwinden - man denke an Fahrt ein wirklich steilen Hügel.

    In diesem Fall wird Ihre Effizienz genau Null. Zilch, nada, nihil, nichts. Mechanische Leistung aus Null, aber elektrische Energie in ungleich Null ist.

    Es ist zwar richtig, dass beide Motoren müssen das Fahrzeug aus dem Stillstand starten und haben somit Null Effizienz für einen Bruchteil einer Sekunde, die Tatsache, dass Nabenmotoren müssen kontinuierlich bei hohen und niedrigen T ω Betrieb ist die Unterscheidungsmerkmal. Andere Gesetze der Physik diktieren Grenzen der Drehmomentabgabe, die ich in Kürze erhalten. A \ Nabenmotors muss einen höheren Strom für die gleiche Drehmomentausgabe zu zeichnen, und Strom ist, was bewirkt, dass Heizungsdrähte (nicht die Spannung). Desto mehr Strom ist, desto mehr Wärme wird erzeugt.

    Dies wird als Joule-Erwärmung und wird durch das Potenzgesetz geregelt Pj = I² * R Es ist ein Quadratgesetz:. Doppel der aktuelle, vierfach die Hitze.

    Jetzt sehen Sie, warum Nabenmotoren sind weniger effizient elektrisch als indirekte Antriebsmotoren. Nabenmotoren sind niedriger Geschwindigkeit Kreaturen und wird unweigerlich verbringen einen Großteil ihres Lebens an oder nahe Stall Zustand. Dies tritt ein, wenn das Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit bewegt oder beschleunigt. Ein Nabenmotor mehr Momente gering oder gleich Null Effizienz als eine indirekte, Getriebemotor zu sehen.

    Die Quintessenz ist, bereit, eine Abnahme der Lebensdauer der Batterie sehen, wenn Sie Ihre vorhandene Antriebssystem tauschen mit einem Nabenmotor.

    Nun, da ich Ihnen die Gründe, um nicht zu bauen und benutzen Nabenmotoren gesagt, lasst uns auf, wie Sie bauen können und die Verwendung Radnabenmotoren.

Schritt 2: Der EC-Motor

  1. Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor
    Im Mittelpunkt der meisten Nabenmotoren ein bürstenloser Gleichstrommotor. Um einen Nabenmotor direkt zu bauen, müssen Sie einige Grundlagen der bürstenlose Gleichstrommotoren zu verstehen. Bürstenlose DC-Motoren zu verstehen, sollten Sie bürstenbehaftete DC-Motoren zu verstehen. Wenn Sie eine Klasse Kontrollen getroffen haben, stehen die Chancen, dass Sie bürstenbehaftete DC-Motoren als "Pflanze", um Ihre Kontrollen zu testen benutzt habe.

    Ich habe markiert und fett die saftigen Sachen, die Sie benötigen, aber aus Gründen der Kontinuität ist es wahrscheinlich gut, jedenfalls über alle von ihm Grunge.

    Brushed DC Motor Physik

    Vielleicht der beste Gleichstrommotor Primer ich gesehen habe (! Ich bin überhaupt nicht Pinky Versprechen vorgespannt ist, das verspreche ich Männer) ist die MIT Opencourseware stellt für 2.004:. Dynamik und Regelungstechnik II Nehmen Sie ein durchlesen auf eigene Faust, aber die grundlegenden Ablauf ist, dass ein Bürstengleichstrommotor ist ein bidirektionaler Wandler zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Leistung, der durch eine Motorkonstante Km gekennzeichnet ist, und einem inneren Widerstand Rm. Der Einfachheit halber wird Motorinduktivität L nicht berücksichtigt werden. Im Wesentlichen, wenn Sie Km und Rm, und ein paar Details über Ihre Stromquelle kennen, können Sie mehr oder weniger zu charakterisieren Ihren gesamten Motors. \

    Aktualisieren 10.06.2010: Die ursprüngliche 2,004 Dokumenten-Link ist tot, aber hier ist eine , die in etwa die gleiche inhaltlich ist. Auch von MIT OCW.

    Die Motorkonstante Km enthält Informationen darüber, wie viel Drehmoment Ihrem Motor pro Ampere Stromaufnahme (Nm / A) sowie wie viele Volt Ihren Motor an seinen Anschlüssen pro Einheit Geschwindigkeit, die Sie sie drehen sich zu generieren erzeugen (V / rad / s oder Vs / rad oder einfach V * s). Dieses "Gegen-EMK-Konstante" numerisch gleich Km, aber einige Male genannt Kv.

    In einem Gleichstrommotor, Km gegeben durch den Ausdruck

    Km = 2 * N * B * L * R

    wobei N die Anzahl der vollständigen Drahtschlingen in Wechselwirkung mit der permanenten Magnetfeld der Stärke B (in Tesla gemessen). Diese Wechselwirkung tritt über eine bestimmte Länge L auf, die im allgemeinen der Länge des Magneten und einen Radius R, der den Radius der Motoranker ist. Die 2 kommt von der Tatsache, dass Ihre Schleife der Leitung muss über dann zurück über den Bereich der magnetischen Einfluss, um auf sich selbst zu schließen gehen. Das R hat nichts mit Rm tun, übrigens.

    Nebenbei, ich will nur mit SI (metrisch !!!!!) Einheiten hier, weil sie einfach so viel einfacher, mit der Physik zu arbeiten.

    Lassen Sie uns auf dem Ausdruck für Km Wiederansicht. Wir wissen aus der letzten Seite,

    Pe = V * I und Pm = T * ω

    Im Idealmotor von 100% Effizienz (die perfekte Wandler), Pe = Pm, denn Macht ist gleich Kraft aus. Also

    V * I = T * ω

    Wo haben wir gesehen das? Tauschen Sie einige Werte:

    V / ω = T / I

    Kv = Km

    Oh snap.

    Der Lieferservice Tatsache ist, dass zu wissen, ein paar wichtige Maße Ihres Motors: Die magnetische Feldstärke, die Länge der magnetischen Wechselwirkung, die Anzahl der Windungen und der Radius des Ankers, können Sie tatsächlich ballpark Ihren Motor Fahrleistungen in der Regel innerhalb eines Faktors von 2.

    Jetzt ist es Zeit für ...

    Der EC-Motor

    BLDC-Motoren liegen in der Ungeschickte Gray Zone zwischen DC-Motor und Wechselstrommotoren. Es erhebliche Meinungsverschiedenheiten in der EE und Motorenbau Gemeinschaft, wie eine Maschine, die auf beruht dreiphasigen Wechselstrom kann ein Gleichstrommotor bezeichnet werden. Das Unterscheidungsmerkmal für mich persönlich ist:

    In einem bürstenlosen Gleichstrommotor, elektronische Schalter ersetzt die mechanische Bürste-and-Kupfer Switch, der Weg von Strom zu den Wicklungen richtige zur richtigen Zeit, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Die einzige Aufgabe der Elektronik ist zum Kommutator emuliert, als ob die Maschine nicht in einem Gleichstrommotor. Es wird kein Versuch gemacht, um Wechselstrommotor-Steuerverfahren zu verwenden, um für die AC Charakteristika der Maschine zu kompensieren.

    Das gibt mir eine Ausrede, um Gleichstrommotor Analysemethoden verwenden, um ansatzweise zu entwerfen BLDC-Motoren.

    Ich gebe zu, dass ich nicht in fundierte Kenntnisse der BLDC oder AC-Maschinen haben. In einer anderen gewagten Akt der Outsourcing, werde ich Sie ermutigen, lesen James Mevey unglaubliche 350-etwas-Thesis Seite über alles was Sie schon immer über bürstenlose Motoren jemals wissen. Wie ernst Haupt .

    Es gibt eine Menge Dinge, die Sie nicht brauchen, um in das zu wissen, obwohl, wie, wie feldorientierte Regelung funktioniert. Was ist äußerst hilfreich bei der verstehen BLDC-Motoren ist die Ableitung ihrer Drehmomentcharakteristik aus den Seiten 37 bis 46. Die kurzen Überblick, wie die Dinge in einem BLDC-Motor ist, dass eine elektronische Steuerung sendet Strom durch zwei der drei Phasen des Motors in eine Ordnung, die ein rotierendes Magnetfeld, eine wirklich trippy-ass etwas, das aussieht wie erzeugt Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    .

    Der Grund, dass wir zwei von drei Phasen berücksichtigen ist, dass ein 3-Phasen-Motor ist, fundemantally, 3 Anschlüsse, von denen zwei zu einem bestimmten Zeitpunkt verwendet wird. Hier ist ein gutes Beispiel für die möglichen Konfigurationen der 3-Phasen-Verdrahtung. Aktuelle muss in einer Verbindung aus der anderen zu kommen, und.

    In Mevey 38, Gleichung 2.30 wird das Drehmoment eines BLDC-Motors Phase gegeben durch

    T = 2 * N * B * Y * i * D / 2

    wobei Y ist L in meinem früheren Gleichstrommotor Gleichung ersetzt und D / 2 (die Hälfte der Rotordurchmesser) ersetzt R.

    Wenn Sie es auf meine Weise zu tun, wird es

    T = 2 * N * B * L * R * i und ersetzt D / 2 mit R.

    Denken Sie daran, jetzt, dass zwei Phasen des Motors hat der Strom i in flossen. Somit

    T = 4 * N * B * L * R * i

    Dies ist die Gleichungen für einfache Abschätzung der BLDC Drehmoment kennen. Spitzendrehmoment Produktion (bescheiden) gleich 4 Mal den:

    Anzahl der Windungen pro Phase
    Stärke des Permanentmagnetfeldes
    Länge des Stators / Kerns (oder des Magneten zu, wenn sie gleich sind)
    Radius des Stators
    Strom in den Motorwicklungen

    Wie erwartet, skaliert diese linear mit Strom. Im wirklichen Leben, wird diese wahrscheinlich erhalten Sie in einem Faktor von zwei. Das heißt, Ihre tatsächliche Drehmomenterzeugung könnte zwischen diesem theoretischen T und T / 2 sein

    Bitte warten, 4? Heißt das, wenn ich meinen gebürstetem Gleichstrommotor in einen bürstenlosen Motor, wird es plötzlich doppelte Drehmoment? Nicht notwendig. Dies ist ein mathematisches Konstrukt, - einen Gleichstrommotor der Wicklungen in einer anderen Art und Weise, die der Definition von N und L bewirkt Änderungen berücksichtigt.

    Als nächstes werden wir sehen, wie man diese Gleichung nach Größe Ihres Motors zu verwenden.

    28. Juli 2010-Update auf die Definition von T

    In der Gleichung T = 4 * N * L * B * R i, die Konstante 4 kommt von der Ableitung eines Motors mit nur einem Zahn pro Phase, vorausgesetzt, N die Anzahl von Drahtwindungen pro Zahn auf dem Stator.

    Der vollständige Ableitung dieser konstanten beinhaltet jede Drahtschleife tatsächlich wobei zwei Drahtabschnitte, die jeweils mit der Länge L. Dies ist aufgrund der Tatsache, dass eine Schleife beinhaltet gehen über den Stator, dann wieder zurück. Anschließend wird in einem BLDC-Motor, zwei Phasen sind immer eingeschaltet, damit einen Beitrag Drehmoment.

    Wir können, daß in einem Motor mit nur 1 Zahn pro Phase (a 3 verzahnten Stator) zu beobachten, gibt es keine weitere Multiplikationsfaktoren. Doch für jeden Zahn Sie pro Phase (in einem 6-Zahn Stator in einem 9-Zahn Stator 2 Zähne pro Phase, 3 Zähne pro Phase, etc.) hinzufügen, die obige Konstante entsprechend zu multiplizieren. Die Konstante vor der Gleichung wesentlichen berücksichtigt die Zahl der aktiven Durchläufe der Draht, der 2 Passagen pro Schleifenzeiten 2 Phasen aktiv mal Anzahl der Zähne pro Phase.

    Also, was ich eigentlich meine ist, dass T = 4 * m * N * B * L * R * i, wo

    m = die neu definierten Zähnen pro Phasenzahl.

    Da die Wicklungen selbst sind noch nicht eingebracht werden, bedenken Sie die Anzahl der Zähne pro Phase im dLRK Wicklung 4.

Schritt 3: Der EC-Motor und Sie

  1. Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Wie funktioniert

    T = 4 * m * N * B * L * R * i, sonst bekannt als T = Km * i

    Einfluss auf Ihre Motordesign und warum bin ich bösartig hämmerte auf Drehmoment so viel? Da Drehmoment ist letztlich, was holt Sie um, und ist eine der Komponenten der mechanischen Leistung Pm. Sobald Sie feststellen, etwa wie viel mechanische Leistung werden Sie, Sie können Größe Drähte und Komponenten müssen entsprechend.

    Beachten Sie einige der wichtigsten Eigenschaften der Gleichung und wie sie die Motorleistung beeinflussen:

    Drehmoment steigt mit der Anzahl der Windungen N
    ... Und der Radius des Stators R
    ... Und die Stärke des Magnetfeldes B
    ... Und die Länge des Stators L
    ... Und Wicklungsstrom i.

    Was wir hier beobachten, ist, dass bis zu einem Grad, können Sie Skala Motorkennlinien linear, um die Leistung eines anderen Motors zu schätzen.

    Dies ist "R / C Hobby Industry Hand Wave" die Nummer eins. Das Konzept der Umdrehungen und Motorgrößen.

    Ein Durchmesser von 100 mm Motor, ceteris paribus, zu produzieren doppelt so viel Drehmoment als 50 mm Durchmesser Motor.

    Ein Motor mit 1,2 T Permanentmagnetfeld wird wahrscheinlich 20% mehr als ein drehmoment 1T Motor. Und so weiter.

    Dies hat seine Grenzen - man kann nicht davon ausgehen, dass Sie Ihre Wicklungen verfünffachen und erhalten Sie 5-mal das Drehmoment - andere magnetische Eigenschaften von Motoren, wie Sättigung ins Spiel kommen. Aber, wie gezeigt werden wird, ist es nicht unvernünftig, die Leistung eines 25 wiederum pro Stator-Zahn Motor 20 wiederum ein, und solche zu extrapolieren.

    Die LRK Winding

    Am unteren Ende von allem, was ich bin der Gestaltung und Herstellung ist ein Bruchteil-slo t Permanentmagnet-Drehstrommotor. Was die frunk bedeutet das? Die Bruchloch bedeutet nur, dass (Magnet Polpaare * -Phasen) / (Anzahl der Zähne auf dem Stator) keine ganze Zahl ist. Wenn Sie, dass verstanden wird, wissen Sie, es mehr als ich.

    Eine kurze Erklärung ist, dass das Verhältnis "Anzahl der Statorzähne" bis "Anzahl von Magnetpaaren" wirkt sich stark auf die physikalischen Eigenschaften des Motors. A "Magnetpol Paar" ist als zwei Magneten, eine mit dem Nordpol radial nach innen wendenden, dem anderen mit dem N-Pol nach außen definiert.

    Dieses Verhältnis, die gemeinhin als T: 2P (für die Zähne zu 2 * Gesamt Pole), wirkt sich auf die Verzahnung des Motors, dh seine Glätte.

    Holen Sie sich ein DC-Bürstenmotor und drehen die Welle - gibt es eine minimale Menge an Drehmoment erforderlich ist, um "Klick" es auf die nächste stabile Position. Dies ist Rast. Es bewirkt, dass unerwünschte Vibrationen und elektrischen Systems Effekte höherer Ordnung, und wir mögen es nicht.

    Eine Art der Motorwicklung mit T: 2P nahe 1 (aber nicht genau 1 -, dass die Ergebnisse in einem Motor, der nicht will, sich zu bewegen) erheblich reduziert Rast (nahe Null) und ist die beliebteste "kleine BLDC-Motor" Wickel um. Man nennt sie die LRK Wicklung nach Fa. Lucas, Retzbach, und Kuhlfuss, der die Verwendung von dieser Wicklung für Modellflugzeug Bauer im Jahr 2001. Nicht nur bietet es niedriges Rast, aber auch der Wicklung und Skalierbarkeit zu erleichtern dokumentiert.

    Hier sind die Zahlen der Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    und einer Variante genannt Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    .

    Der Lieferservice ist hier, dass mit einem Stator mit 12 Zähnen (oder Schlitze, die Fläche zwischen den Zähnen) und 14 Magnete (dh 7 Polpaare) wird Ihnen eine ziemlich anständig Motor, mit zu beginnen und den Einsatz in Ihrer noch jungen Motortechnik Karriere .

    Der Unterschied zwischen den beiden Wickel Arten ist subtil. Die verteilte LRK Wicklung eine kleinere Ende-turn-Effekt. Ein Ende wiederum ist der Draht, der Wrap-around außerhalb des magnetischen Feldes, um den Kreis zu schließen hat. Es trägt kein Drehmoment, aber einen Widerstand (alle Drähte ungleich Null Widerstand - wir sind nicht hier reden Supraleitern). Die dLRK vermeidet Bündeln des Endes dreht sich zu stark, was zu einer etwas effizienter Motor führt. Leicht nach einem oder zwei Prozentpunkte - nichts zu den Nobelpreis zu gewinnen.

    Unten ist ein Bild von Razer Motorkern mit einem vollen dLRK Wicklung.

Schritt 4: Der Stator: Beschaffung, Pflege und Fütterung

  1. Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    In den letzten 4 Seiten Ich habe gesagt, "Stator Stator Stator Stator". Was ist der Stator, und wo sehen Sie einen bekommen? Der Stator ist die Nummer eins schmerzhafteste spezialisierte Industrie-Komponente, um für ein Kraftaufbau zu erwerben, allgemein gesprochen, und ist in der Regel, was Sie am Ende der Gestaltung Ihres Energiesystems um, nur weil Sie einen haben, und von Jesus Robot du gehst, es zu benutzen.

    Der Stator ist schwierig, einfach "machen", weil sie das Stapeln und Anpassen von vielen Schichten von sehr dünnen, elektrisch isolierten Stahlbleche benötigt. Nicht irgendein "Stahlblech" entweder - keine Home Depot verzinkt Dach Patches hier. Motor Stahl wird als "Elektroband" oder "Transformator Stahl" und Speziallegierungen, die hohe Silizium enthalten. Dies verbessert die magnetischen Eigenschaften des Stahls und verringert seine Leitfähigkeit.

    Also, warum hat er zu laminiert werden - und vor allem auch isolierte? Dies ist auf das Phänomen der Wirbelströme . Die Kurzgeschichte ist, dass Bewegung Magneten über leitende Materialien bewirken, dass das Material des Magneten Bewegung zu dämpfen. In einem Motor, bedeutet, dass Ihr Motor zu bremsen versucht so schwer, wie es versucht, zu gehen. Diese Wirbelströme gehen direkt in Wärme umgewandelt. Wenn Sie sich die Methode, die die meisten neuen Motorbauer gehen:

    "Nun, ich werde einfach schneiden Sie es aus irgend dicken Stahlplatte oder einem Block oder so - ich habe eine Fräsmaschine, es wird funktionieren, oder?"

    Es wird, aber Sie werden eine Heizung, die gelegentlich zuckt, sondern als ein Motor, der sich erwärmt, wie es läuft zu machen.

    Mit laminiert niedriger Leitfähigkeit Materialplatten bedeutet, dass die Wirbelströme werden zu einem großen Teil neutralisiert. Bei niedrigen Drehzahlmotoren, kann diese "Wirbelstromverlust" oder "Kernverlust" vernachlässigbar sein. Für High-Speed-Motoren, kann sie essen, bis so viel wie 15 bis 20% der Leistung.

    Also wo kann ich einen Ständer bekommen?

    Dies wird der einzige ", wie man" Abschnitt, das nicht in der Seite Ressourcen, weil Sie in der Regel nicht einfach hingehen und bekommen sein.

    Weil sie die Stanz, Stapeln und anderweitige Verarbeitung von Hunderten von kleinen Stahlbleche erforderlich, Statoren dazu neigen, einmal entwickelt werden und dann Massen Tausenden hergestellt. Diese Massenproduktion ist, warum sie sind schwer zu bekommen, neue, wenn Sie ein Hobby oder Motor Hacker sind.

    Glücklicherweise sind die Geräte und implementiert, dass diese Tausende von Serien Statoren am Ende in allgemein erhältlich zweiter Hand, kostenlos oder als Schrott.

    Laser copi ers und Drucker

    My # 1 Favorit Quelle für Statoren, da sie dazu neigen, im Dutzend junked bekommen als Abteilungen und Institutionen erhalten neue Ausrüstung. Canon, HP, Xerox und Ricoh Tischkopierer sind in der Regel reich zu sein in 12 Zahn Statoren in dem 50 bis 55mm Bereich. In diesem Fall ist älter und größer immer besser. Projekt Razer Motor kam aus einer riesigen (Stand muss-its-eigenen-Zimmer-in-the-Office-Stil) Laserkopierer, die nicht nur den einen großen Motor lieferte, aber einige kleinere Strommotoren und einen Eimer mit Zahnräder, Wellen, und Riemenscheiben. Druck-Ausrüstung ist immer eine gute Wette für elektromechanische Komponenten, wenn auch neue Einheiten neigen dazu, Schrittmotoren, die nicht geeignet für die Konvertierung verwenden.

    Die größten Kopierer Motoren habe ich gesehen, (bevor sie in das Reich der Wechselstrominduktions geben) haben 70mm Statoren.

    Diese Dinge zeigen sich kostenlos die ganze Zeit auf Craigslist, oder freies Material Laufwerke Institutionen. Elektronik-Recycling-Stationen sind auch ein Aufruf wert.

    Junky alten DC und AC-Motoren

    Alte Motoren mit verbrannt Wicklungen oder verschlissene Lager die ganze Zeit hinausgeworfen zu werden. Gleichstrommotoren sind hit-or-miss. Gleichstrommotor Armaturen sind in der Regel mit einer ungeraden Anzahl von Zähnen gestaltet, weil der Mangel an Symmetrie trägt zur Geschmeidigkeit. Während Statoren mit Zähnezahlen, die ein ungerades Vielfaches von 3 kann in Motoren eingeschaltet werden, können sie nicht die LRK Wicklung.

    Da DC-Motor Armaturen Spin intern, sie haben Zähne, die nach außen vorstehen, was sie ideal für BLDC Umwandlung macht, wenn die Zähnezahl korrekt ist.

    Wechselstrom-Induktionsmotoren und insbesondere AC Drehstrommotoren sind in der Regel gute Wetten für nützlich Eisen, außer sie sind in der Regel konventionell gestaltet sein - das heißt, Rotor auf der Innenseite, Stator auf der Außenseite. Wir wollen das Gegenteil, aber wenn Sie wollen einfach nur einen Motor, das ist ein guter Anfang.

    "Junky alten Motor" umfaßt "junky alten Küchengeräten", die oft verwenden eine Variante des bürstenbehaftete Gleichstrommotor ein Universalmotor genannt. Diese neigen dazu, 12, 18, oder 24 Zahn Armaturen, vor allem große Multispeed Mixer haben, in der Regel unter 50 mm Durchmesser.

    Kauf eins

    Du weißt, wie ich sagte, kann man nicht kaufen sie? Ich habe gelogen. Hobbyisten haben vor kurzem ein so großer Markt, der ein paar Unternehmen tatsächlich machen stock Statoren, die leer sind und der Wicklungen bereits oberflächenbeschichteten eigene akzeptieren werden.

    Für die größte Auswahl finden GoBrushless 'Motor-Statoren . Schauen Sie sich die 65 mm, 18-Steckplatz ein!

    Für die monetär dotiert, spezialisiert viele Geschäfte in Kleinauflagen und Prototypenblechpakete, einschließlich der treffend bezeichneten ProtoLam . Seien Sie ware - nur ein Stator zu Ihrem Design gemacht können mehrere Hundert Euro kosten, aber wenn man einfach total besessen Ihre eigenen Rollen sind, ist die Ressource zur Verfügung.

    Wie groß eines Stators brauche ich?

    Der Mörder Frage.

    Denken Sie an die Drehmomentgleichung

    T = 4 * m * N * B * L * R * i

    Für die meisten vernünftigen Betriebsbedingungen, können Sie betrachten:

    T an ein Entwicklungsziel ist. Ein Ziel für die Beschleunigung oder Hill-Climbing beide erfordern minimale Kraft-zu-Boden-Zahlen, was zu einem Drehmoment an der Motor übersetzt.

    N auf die primäre Variable, die Sie steuern können. Dies wird leicht bis i, die abhängig von Ihrem Batteriespannung gekoppelt ist.

    R und L sind die von Ihrem Stator eingestellten Parameter. In gewisser Weise ist m auch durch Ihre Stators bestimmt - schließlich eine feste Anzahl von Zähnen, die für diese Art von Motor teilbar durch 3 weisen hat.

    B wird die Stärke der Permanentmagnetfeld, dass der Stator auf fungiert, die von Ihrem Magnetstärke gesetzt (und eine mechanische Faktor diskutiert werden)

    Natürlich ist dies eine multivariate Optimierungsproblem. Wenn Sie die Wahl haben, wie groß Ihre Stator kann, ist die Antwort der größte. Je mehr Sie L und R in den Ausdruck packen kann, desto weniger N und i Sie benötigen. Beachten Sie, dass der Motorstrom i ist der größte Beitrag zur Heizung und Effizienzverlust.

    Wenn Ihr L und R sind bereits eingestellt, weil man einen Stator und zog sie benutzen wollen, dann sind die einzige realistische Variablen Geige können, sind N und B.

Schritt 5: Magnete und Magnetdraht

  1. Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Bis jetzt habe ich gerade von Hand winken die Existenz von "Magnete". Ende der Geschichte. Es gibt Permanentmagnete.

    ... Ja, es gibt auf jeden Fall sind, und man kann tatsächlich spec und kaufen sie nach Ihren Bedürfnissen. Die Art der Dauermagnet heute in den meisten kleinen BLDC-Motoren verwendet werden, sind Neodym-Eisen-Bor- Chemie Magneten. Sie liegen in einer Gruppe von magnetischen Materialien genannt Seltenerd-Magneten, weil Nd ist ein "Seltenerdmetall". Diese sind nicht wirklich so selten, die erklären, warum NIB Magneten nicht, kostet Sie einen Arm und ein Bein hilft.

    Eigentlich sichern. Sie können. NIB Magnete können so mächtig, dass sie über einen Fuß oder mehr oder Open-Air-und Slam zusammen springen - wenn Sie dazwischen gefangen sind, könnten Sie in eine Welt der verletzt werden. Jeder von jetzt gesehen hat, die Folgen jemandem die Hand zwischen zwei kollidierenden 4-Zoll-Quadrat NIB Magnetblöcken gefangen - Ich sage nicht, dass die Verknüpfung. Als Tipp für die Zukunft: Nehmen Sie äußerst vorsichtig um den Magneten!

    Eine typische NIB Magnet als Nxx, wobei xx eine Zahl zwischen 28 und 52 (zum Zeitpunkt des Schreibens) bewertet. Die Zahl ist die magnetische Energie-Produkt, das Magneten. Ohne Tauchen in E & M Physik, höher besser.

    Bei Kosten, natürlich. NIB-Magnete sind berüchtigt dafür, hoch temperaturempfindlich. Der Curie-Punkt eines Permanentmagneten ist der Punkt, an dem Anschlag ein Permanentmagnet ist. Nein, sie nicht ihren Magnetismus zurückzugewinnen, nachdem sie abkühlen. Für ultrahochfesten NIB Magneten, könnte dies so niedrig wie 80 Grad Celsius (oder etwa 150F) sein.

    Das ist nicht sehr hoch ist überhaupt - können Sie ganz einfach in den Papierkorb einen Motor, indem Sie es zu heiß.

    Hier ist ein Link, der Magnet Bewertungen erklärt ziemlich deutlich. Die gleiche Person ist auch ein seriösen Händler aller Arten von Magnet Chaos.

    Eine typische NIB Magnet nach einem Motor verwendet wird einen Überrest Oberflächenstrom von 1 Tesla. Wenn Sie erhalten die gute Magnets, ist es sicher, dass die B übernehmen   in der Drehmoment Expression T = 4 * m * N * B * L * R * i gleich 1 ist.

    Somit reduziert sich die Gleichung T = 4 * m * N * L * R * i.

    Die Tatsache, Lieferservice für Magneten ist, dass stärker ist besser bis zu Ihrem Motor zu heiß wird. Es tut nicht weh, um eine stärkere B-Bereich haben. Immer die neuesten und größten in N52 Magneten können Sie B, um 1,1 oder 1,2 zu steigern.

    I wird sich, wie Sie unsere Ihre Magneten kurz, aber in der Zwischenzeit spec ...

    Magnetdraht

    Ein Permanentmagnet sitzt da nichts tut. Es ist nicht sehr interessant zu beobachten. Was macht den Motor Arbeit Schaltelektromagneten. Wenn Sie durch eine Physik-Klasse mit jeder gusto waren, können Sie einen Elektromagneten aus Draht und einem Nagel gemacht.

    In die Wand wie meine Wenigkeit Schließen Sie nicht diese.

    Jeder der Zähne 12 am Stator Funktion als ein Elektromagnet. Aus der gleichen Physikunterricht erinnern, dass für jede Drahtwindung Sie um den Nagel eingewickelt, bekam der Elektromagnet stärker. Gleichen Deal mit den Statorzähnen - deshalb N ist ein Faktor in der Gleichung.

    So you can just make a 20,000 turn motor and be done with it, right? Sure, if you want to run 10,000 volts to actually push enough current through your windings to mean something.

    There are a few constraints to consider when designing your windings. Magnet wire takes up physical space - essentially, given a set of space constraints, the more turns you want to wind, the smaller the wire has to be. This makes sense from a physical perspective. Eventually, when you use nanowires, you can have a 10 billion turn motor that packs all the slots to near 100% fill for maximum magnetic mayhem.

    Except your motor resistance Rm would be astronomical. This is another constraint. Choosing the number of turns is a careful balance between getting the Km that you want but minimizing Rm . The motor resistance can only contribute to loss . It can only hurt you. Therefore, the goal of almost all hobby motor winders is to minimize the resistance.

    This means using as few turns of the biggest gauge wire you can to get the Km that satisfies you. The One Wiki has a great table of AWG copper wire resistances.

    Magnet wire comes in many flavors - they are all, at the end, conformally coated solid copper wire. This coating can be enamel, polyurethane, epoxy, or in exotic / high temperature motors, fluoropolymers and wound fiberglass sheaths. The cheapest grades are generally enamel insulated and will work up to about 150 degrees Centigrade.

    By this point, your expensive N52 magnets would have vaporized already - unless you are dead set on taking your motor to the limits (which means this tutorial won't help at all), don't splurge on expensive HT wire.

    Can you physically handle it?

    Don't underestimate the strength of a strand of copper. You might be used to 28, 24, or 20 gauge magnet wire, which is small enough to be negligibly soft. Maybe annoyingly soft. Now try bending a 16 or 14 AWG solid wire, which is pretty close to the thickness of a piano's bass strings. Now imagine you have to bend this around a corner only millimeters in radius, possibly 100 times or more.

    If you are having a hard time with one stand of monster wire, you can consider splitting it into equivalent parallel strands of smaller wire. RazEr's motor was wound with double 22 gauge after I had difficulty wrestling 18 gauge around for 25 turns. Use the wire gauge table to compare diameters!

Step 6: Actually Winding the Motor

  1. Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

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    If you've never wound a motor before, the diagrams of LRK windings are probably pretty meaningless. This is a time when you need to learn the nomenclature of motor hobbyists.

    An example would be the Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    winding:

    AabBCcaABbcC

    or the Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    winding,

    AbCaBc

    What? Did you just sing the alphabet song or something? Kind of. The three phases of the motor are referred to in this case as A, B, and C.

    A capital letter indicates one winding chirality, a lower case means the other. For instance, if A is designated "make a loop of wire in the clockwise direction", then a means "wind the loop of wire in the counterclockwise direction". And a dash or space means an unwound tooth .

    The general convention is capital letter equals clockwise loop, lower case equals counterclockwise loop. But, what is more important is consistency . If you do it one way, stick with it.

    So what does the above string of gibberish mean? Starting at any tooth (mark this as your index!), begin making loops of wire around it according to the designation. To wind two teeth Aa style, wind one of them clockwise, and the other counterclockwise (or vice versa - keep track of this.)

    There is no "right method" to obtain clean windings, but the last thing you want to do is just bundle wires around the tooth with reckless abandon. For large motors, use latex gloves to ease hand abrasion and a wooden dowel to wrap wire around for extra leverage.

    Unfortunately, I don't currently have any pictures of video of me winding a motor. This might change in the near future to save a thousand words of explanation.

    Perhaps one of the most valuable resources available is the Combination Table . Input your number of stator teeth ("nuten") and your number of magnets ("pole") and it will automatically generate the correct winding pattern! The above table was generated by one of the Crazy German R/C Airplane Dudes, who seem to be the source of all technological advancement in the model motor scene.

    Single Layered, Multi Layered

    You may find that you can't get the N number you want by only winding one layer of wires on the stator. Simple solution: Keep winding and make a second layer.

    Two to three layer windings are generally the limit of heating & cooling unevenness for small motors, and the Rm gets ridiculous as well. As more layers are added, the end turn effect will become more and more of a factor.

    If you find yourself having to wind many layers, perhaps switching down a size of wire will alleviate that.

    How many turns (N) do I need?

    The other killer question of small motor design. Given other motor parameters, you can backsolve easily for the minimum N needed to achieve a certain design goal, usually torque. Accounting for losses and assumptions, N should be above this number by a comfortable margin explained shortly.

    Example (Updated 3/28/2012 to correct the math which has been wrong for over 2 years! I keep meaning to fix it, then never getting around to it. Ultimately, enough of you called me out on it, so congrats. Here's the fixed math using also the new torque constant factor m ).

    Let's say that I want to design a motor inside a 12cm (0.12m) wheel that will let me climb a 10% grade (or about 5.5 degrees inclination) at velocity v = 5 m/s (about 11mph), and I weigh m = 65kg. The force of gravity F pulling me back down the hill is

    F = m * g * sin 5.5° = 61N, or thereabouts. ICH

    I want to climb the hill at 5 m/s. Mechanical power is torque * rotational speed, but it is also linear force * linear velocity.

    Thus Pm = 61 * 5 = 305 W

    Seems reasonable, right? Assume the motor is a perfect transducer (it's definitely not). The electrical power required is also 305 watts.

    Assume my battery is 28 volts, so i = 305 W / 28 V = 10.9A

    To exert a linear force of 61N at a radius of 0.06m (wheel radius), the torque T is 3.66Nm.

    Two variables, T and i , have now been established. The motor is a 12-tooth, 3 phase motor, so m is 4 (there are four teeth per phase). You can now reduce the equation to

    T / (4 * m * i) = N * L * R * B

    R is ultimately limited by the size of my magnet rotor and inner diameter of my tire - a topic which is forthcoming. Let's say that my wheel choice has forced a maximum stator diameter of 70mm, and the motor can't be more than 30mm wide to fit in my vehicle.

    B is my magnetic field strength. Let's assume it is 1 Tesla for now - we will see soon that this is not a bad guess if your motor magnets are reasonably thick.

    T / (4 * m * i * L * R) = N

    Let's see what this comes out to.

    3.66 / (4 * 4 * 10.9 * 0.03 * 0.035) = 19.98 = N

    This value is a reasonable first approximation for the number of turns per tooth you need. Since hundredths-precision turn fractions aren't possible, take the closest integer: 20.

    Fiddle Factors and Hand Waves

    Every nonideality and inefficiency in the world will work to make your motor faster (read: less torquey) than what the number of turns alone would indicate. Therefore, it is good sense to consider this as the absolute minimum number of turns per tooth. The torque constant value derived from using NIBLR is generally 20 to 33% too high for average fractional-slot, permanent-magnet motors like the type we are considering.

    Remember also that motors are not perfect transducers. The average efficiency of a decent BLDC motor is somewhere around 90%. So, if I want to perform this hillclimb at maximum efficiency, that's much different than attempting it at maximum power output. The efficiency of a motor at maximum power output is always less than 50%. This is something to be well aware of - if you are using this 'target output force' method to design your turn count, then you should take the speed to be somewhere close to your anticipated cruising speed. This makes sure that, if anything, you overdesign the motor for torque as nonidealities only take it away from you.

    The above motor example is the motor for Project RazEr . In actuality, RazEr's motor has 25 turns per tooth - overspecified by roughly 25%.

    To wrap up, R and L are mechanical constraints dictated by your vehicle's mechanical parts while m, B, N, and i are electromagnetic constraints dictated by your choice of magnets, wire, and coil layout.

Step 7: Magnet Layout and 2D Design

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    What were we talking about? Oh, yeah, hub motors. With a preliminary electrical specification for your motor, you can now proceed onto the early stages of mechanical work.

    By now, you should have stator dimensions available to you. The goal of magnet rotor layout is to size 14 magnet poles to fit around the stator until you have enough information to spec out or purchase magnets.

    The process is constrained bidirectionally. The minimum diameter of your circle of magnets clearly has to be larger than the stator. However, you may find yourself additionally constrained if you have already picked a wheel. Then, the maximum inner diameter you can use on your wheel & tire becomes the other mechanical constraint: your magnet circle's outer diameter plus a certain can thickness is limited by the wheel.

    Using online tools

    It used to be that you had to whip out a calculator and a pencil and hash out some serious trigonometry to lay out the magnets, or use a 2D computer aided design program... or, if you have machine shop access, just making the motor can bigger until it fits. Below is an image of my initial layout for Razer's motor in Autodesk Inventor's sketch environment.

    Rotor design tools have now emerged on the Intergoogles. The most prominent of these is the GoBrushless rotor calculator , which conveniently packages all the layout into a form. Heck, it even draws what your rotor will look like. Let's go over what the terms on the page mean. All dimensions are millimeters :

    Stator Diameter: The maximum outer diameter of your stator.

    Rotor Diameter: The minimum INNER diameter of your rotor

    Magnet Width : Assuming square magnets, how wide your magnet is.

    Magnet Thickness : How thick your magnet is. A magnet you would select for your motor is almost always going to be magnetized through its thickness.

    Magnet Poles : How many magnets there are in total. There are going to be a multiple of 14.

    The Air Gap (Updated 28 March 2012 to include air gap factor for the magnets)

    The one thing I left out of the above list is Air gap , because the subject warrants its own discussion.

    The tightness of your air gap determines how much of the magnetic field is linked to your stator. The E&M term is coupling . A tighter airgap yields better coupling between magnet and stator. You know why the B rating of the magnet is called remnance ? Because that's how much field remains at its surface if the magnet is in open air, with no magnetic materials to surround itself.

    A motor is a magnetic circuit, and there are a whole set of laws that govern them. For practical purposes, it boils down to the more coupling you can ensure in your magnetic circuit, the stronger the field in your airgap . The "Gap Factor" equation is:

    B a = B0 * (t / (t + g))

    where t is the thickness of the magnet, g is the radial thickness of the airgap, and Ba is the flux density at the surface of your stator . This is the flux that will actually generate torque, so really it is the value that should be used in the NIBLR equation! B0 is the surface remnance rating of your magnets - for high N grades like N48 and N50, this could be as high as 1.3 to 1.4. But if your airgap is loose, or the thickness of the magnet is small compared to the gap, then you will lose a substantial fraction of it before the stator radius.

    For example, if you have type N42, 3mm magnets but a 1mm airgap, the multiplier is 0.75! That means the B value you thought was close to 1 (since N42 magnets have roughly 1 Tesla of remnance) is more like 0.75. This can really throw your motor design and make it clock high speeds (thus less torque) than you expected.

    Now you see why you can't just glean the first torque equation off the intro page and be done. The updated torque equation is:

    T = 4 * m * N * B0 * (t / t + g) * L * R .

    So, the tighter the airgap the better - to a limit, as with everything. If you are running tenths of millimeter airgaps, you had better be well-versed in machining, or have a computer controlled machine do it for you. Wobble in your can from machining tolerances and irregularities can throw off your airgap measure and could cause your magnets to collide with your stator!

    I try to shoot for an airgap of 0.5mm or thereabouts. 0.4, 0.6, whatever. The wide the airgap, the more "fiddle space" I have if something turns out to not fit correctly.

    Magnet fill percentage

    This describes the fraction of the rotor circumference on the inside of the magnet ring that is occupied by the magnets. This number should be somewhere between 75% and 95%, generally. Square magnets can never achieve 100% fill unless you are truly lucky. Numbers below 75% will hurt torque and efficiency because the B-field in the airgap becomes irregular.

    Oddly enough, very high fill percentages actually have a slightly negative effect towards motor performance, because the magnets become so close together they "leak" to eachother. The effect is minimally noticeable for low speed hub motors, however.

    While fill percentage isn't calculated on the GoBrushless rotor designer, you can easily calculate it by

    Fill = (14 * k * Magnet Width) / (pi * Rotor Diameter) using consistent units, like millimeters.

    Metamagnets

    What's that k I stuck in the equation there? Another random constant to keep track of? AAAAHHH

    Not really. Let's say you can't get good fill and an acceptable airgap number using single-piece square magnets, and you can't change the rotor diameter.

    It is allowed to use two smaller magnets side-by-side to emulate a single large magnet. This also has the advantage of better conformity to the round walls of the rotor. Smaller magnets are a better approximation to the game of squaring the circle. The less your airgap deviates from the average, the less torque ripple your motor will exhibit.

    Hence my reference to multiples of 14 earlier. GoBrushless' rotor designer will space all the magnets out evenly, but as long as they fit evenly, there is no reason you can't group them into larger metamagnets, as seen in Figure 3 below.

    In the extreme case of RazEr, I used four mini magnets to make one magnet pole. Two side by side, and two rows deep. The fill factor was incredibly close to 100%!

    That brings me to...

    Magnet Length

    Up until this point, your design has been exclusively 2D. Once you get the profile of the magnets right, you need to make sure they are available in the correct length.

    The magnet length can be fudged a little. Optimally, the magnet length is equal to the stator length ( L ). That is because the steel in the stator is what focuses the magnetic field generated by the motor windings into the magnets. Shorter magnets will result in suboptimal performance - try to avoid this, because part of the stator field will be essentially shooting off into empty space.

    It is also not advisable to spec out magnets which are too much longer than the stator. This causes interaction with the end turns of your windings, which is undesirable. A small amount longer, such as the next millimeter or two up in order to achieve a stock magnet size, is fully acceptable.

    In RazEr's motor, I had a 35mm wide stator, but no 35mm magnets. I thus spec'd out for twin 20mm magnet stacks, which brought the magnet width to 40mm. I decided to live with the "stickout", so to speak.

    Rotor Thickness

    One of the constraints you will face is the OD of the rotor. In the best possible situation, the ID is set by the magnets and you have free reign over the outside. However, if you already have your prospective wheel and tire picked out, you might face limits here.

    This is problematic because you cannot make the rotor can too thin in the walls. Not only does structural strength suffer, but the magnetic field of your permanent magnets won't be properly contained. If it leaks out, then the airgap field strength B will suffer, because what goes out of the motor doesn't come back in, so to speak.

    The rule of thumb is to make can more than one half the magnet thickness . Going under this will cause quick flux containment loss. It does not hurt to go over - in fact, if your rotor is very thick, it can actually be part of the motor structure. Most commercial hub motors for bikes and large (road-legal) scooters and mopeds are made in this way. The only potential downside to a massive rotor is weight.

Step 8: Mechanics and Materials

  1. Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

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    Now we're getting to the mechanical design. Let's lay the ground rules for what you might need or have access to.

    Rotor Material

    Your magnets would like to be contained in a material which offers low resistance ( reluctance ) to the magnetic field, and also does not magnetize itself permanently in the presence of the magnets. Many high performance alloys of nickel, cobalt, iron, and trace metals have been invented to optimize the magnetic properties of a motor. They're expensive, require specialized heat treatment, and even specific machining processes to conform to the geometry of a magnetic machine.

    We're not going to bother with that. The most common rotor material for hobbyists is just plain steel tubing. It does a good enough job, and the best part, it's cheap and readily available. I will list sources of steel tubing in the Resources section, but as a general rule, the tubing you purchase should be:

    low carbon or "mild" steel. High carbon and heavily alloyed steels have significantly worse magnetic properties.

    seamless or at minimum DOM style tubing. This is the majority of steel tubing, but keep an eye out regardless. DOM tubing has a more uniform wall thickness and no ugly weld seam to affect the roundless. It is generally made to tight tolerances. Avoid cast iron pipe.

    plain finished. A precision ground or machined and polished finish will not do you any good unless it's already precisely the diameter you need.

    Oversize (OD larger than your rotor's outside diameter) AND undersize (ID smaller than your magnet mounting surface) so you can machine it to suit and not worry about hitting the limits of your materials' physical manifestation.

    Endcap Material

    Since the only thing which has to support a magnetic field in your motor is the rotor, the endcap and other structural elements only have to be mechanically sound. That means you have way more choices here. Generally, it's some kind of nonferrous (not steel) metal.

    Aluminum is the number one choice. It's light, strong, easy to machine, and common. Not exactly cheap in "big", however.

    Plastics! Engineering polymers such as nylon, polycarbonate, acetal, and polyethylene in high density and high molecular weight varieties all exhibit high strength and lightness. Plus, plastic machines like... well, plastic. Easy to shape, especially if you are new to machining.

    Some plastics let your motor have the magical see-through effect. The BWD Scooter uses Lexan (polycarbonate) side plates so you can see the robot in disguise.

    If you are into that stuff, you could conceivably craft endplates out of fiberglass or carbon fiber panels. The ultimate in light weight and stiffness, but be aware of the fact that you have to attach it to the can somehow. This will be addressed shortly.

    Center Shaft Material

    The most important trait of the shaft is that it can't bend . I'll address shaft design shortly, but you should expect to make the shaft from some kind of metal. Larger hub motors use steel, smaller ones may be aluminum. I used an aluminum shaft on Razer's motor for weight savings and ease of machinability.

    Aluminum should be limited to the aircraft alloys: 6061, 2024, 7075, and similar. These offer higher strength than other aluminum grades.

    You can get away with a mild steel shaft such as the low 10xx alloys (eg 1018, 1020), but if you are already using steel, moving up to a medium carbon or alloy steel shaft wouldn't hurt. Very low alloys (1006 and similar) do not machine well - they are actually too soft to finish machine finely.

    Tools

    Let's be honest: a motor is a precise alignment of opposing magnetic fields. Invariably you will need access to machine tools to make them. Unless you are very crafty with your shop drill press and Dremel and can make things conceptric to within 5 thousands of an inch (0.005", or around 0.1 millimeters!) constructing the endcaps and rotor (and shaft, and stator mount...) will require access to...

    A metal lathe. Not a wood lathe, where you hold the tool yourself, but a metal lathe. If you have made it this far, I assume you know how to operate such a machine already, because giving machining lessons over Instructables is slightly troublesome.

    You will need the ability to precisely bore an inner diameter . Boring bars, or something which can function as them, are a must.

    A milling machine, or at minimum, a drill press with XY table and fixturing & indexing abilities. This can be a full size Bridgeport or similar, or a miniature hobby mill like those found at Harbor Freight. Basic tooling should be available. You should have a spindle drill chuck to precisely drill holes with at the least.

    Some kind of vise. Handy to have for pushing in bearings and cans, and also for holding the stator while you wind it! Extra leverage will only help in winding.

    Measuring calipers, micrometers, dividers, etc. Because several parts need to fit closely with one another, you must have metrology tools. I get by with a single digital caliper.

Step 9: The Center of the World

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    Your entire motor revolves around its center shaft.

    No, really, it does.

    Inside-out motors like hub motors have the advantage that their "shaft" is actually stationary. It is also the only mechanical connection to the outside world, because... well, everything else is moving around it. So, the shaft must be stout and resistant to deformation or bending. An off-axis, bent, or otherwise incorrectly constructed & used shaft will cause wobble, stress the bearings, and with your weight on it, could exceed the strength of your fasteners.

    Single Supported vs. Double Supported

    There are two top-level arrangements, and they have some implications with respect to vehicle compatibility and shaft design.

    overhung, single supported, or Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    Stil. The most common style for large hub motors, like those used on... cars. Only mounted on one side. The shaft is thus used in bending . Shafts and bearings for motors of this style need to be much thicker and stronger to avoid damage than...

    double supported, or "bike" style. The most common for small hub motors. The vehicle weight bears down on both sides of the stationary shaft, and the bearing loads appear between these two points. For short distances between supports, the shaft is used in shear . This is a better arrangement for stiffness, but its not as serviceable because the motor is surrounded by vehicle on both sides.

    I will focus on double supported shafts for now, since the single supported designs are quite literally just half of the former.

    Single Bearing vs. Double Bearing

    UH Oh. There's even a distinction here? Ja! The rotor assembly can be supported only on one side, that is, one endcap, or have two endcaps and be fully enclosed.

    Single bearing systems represent the vast majority of your Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    . While most of those use a live shaft, the principles are the same: the rotor is supported only on one end, and the other is open to air.

    Besides exposing the internals of your motor to weather and debris, knowledge of some intermediate mechanical engineering principles is needed to correctly design a single-bearing system. I will not consider single bearing motors, because they are mechanically less durable than an equivalent sized double bearing motor.

    You CAN have a single bearing motor with double frame attachment, but then it's just pointless, no?

    Double bearing, or two-endcap rotors are what essentially all production hub motors are. Even if they are single-supported (car style), there is still a front endcap and a rear endcap, both of which hold bearings. These provide the idea symmetric loading that prevents rotor deformation and magnet-stator collisions.

    General overview of shaft design

    Refer to Figure 1 for a basic cross sectional diagram of a generic hub motor center shaft.

    From left to right:

    the External Mounting Surface is the main means of attachment to the vehicle. This may be an externally threaded bolt-like protrusion, or a square clamping surface, whatever. This may not be present in compact motors, but are almost always found on bike-style motors, because they are designed to drop right in place of the nonmotorized rear wheel.

    the External Mounting Clearance is a shoulder to provide spacing between the vehicle frame and the rotor surfaces. May or may not be the same physical diameter as...

    the Bearing Seats are precision-machined surfaces onto which the motor bearings are fitted. Tight tolerances (1 to 2 thousandths or less!) are required for proper bearing use.

    the Internal Bearing Clearance serves as a backstop for the bearings so they cannot shift axially.

    the Stator Mounting Surface may directly couple to the stator, or can support a hub or other mechanism to retain the stator. Generally the largest diameter the shaft occurs here.

    the Internal Mounting Surface performs the same function as the EMS, but is on the interior of the shaft. This typically takes the form of a threaded hole into which you can tighten a screw against the vehicle frame. Any practical combination of EMS or IMS features can be used - this is a matter of design.

    However, there is one very important aspect of internal features that you have to be aware of.

    Getting the wires out

    Without an electrical connection to the outside world, your motor cannot operate! At the minimum, you need provisions for running three heavy gauge wires out from the internals of the motor. If you plan on using Hall Effect sensors, this could increase to eight total wires: 3 large and 5 small signal wires.

    Most generally speaking, two methods exist for running conductors to your windings:

    Through the shaft center. The shaft is hollow, and the motor mounts using external features. This requires drilling out the center of a shaft while remaining concentric and on-axis. A cross hole or slot is drilled internal to the motor, usually near the stator mounting surface, to bridge the interior of the motor with the outside. Then, wires are run through this center hole.

    Besides the shaft. In RazEr's case, I elected to use this method of cutting a small keyway (actually a flat) and just running the wires out through it. While easier, this method causes wires to run very close to rotating surfaces, and also means that a section of the motor bearing has no shaft contact. This is mechanically suboptimal.

    Examples of each method are in figures 3 through 5 below.

    Shaft Size

    Yeah, I know, we have to talk about this eventually. The fact that you have to provide enough space to run cables means the motor shaft cannot be too small in diameter. Small diameter shafts are also nonconducive to stiffness.

    For hub motors, the old adage rings true: Bigger IS better. Use the largest diameter you have available to you, or the design allows!

    Both iterations of RazEr's motor used 15mm diameter shafting. I found this adequate for the roughly 2 inch span they had to bridge.

    Shaft size directly correlates with what bearings you can use. Speaking of bearings...

Step 10: Get your Bearings!

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    Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor

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    Smooth bearings make a world of difference for an electric motor. In a hub motor, they are even more important, because they have to support the full weight of a vehicle whereas a standard indirect drive motor might only have to put up with chain tension.

    General Bearing Knowledge

    In all likelihood, you'll end up using miniature metric single row deep groove ball bearings in your design, because they are the most common types around. Such bearings are rated using the 6000 system .

    Bearings are rated by their Dynamic Radial Load Capacity. Dynamic means moving, and radial load is any direction orthogonal to the shaft axis - which is to say, any way you can think of loading it. Ball bearings are generally not rated for Thrust loads, which are coaxial to the shaft.

    An average 6001 type bearing has a 12mm bore, a 28mm outer diameter, is 8mm wide, and has a DRL rating of about 1000 pounds. That might sound like alot, and it is.... if your application is applying constant loads with little to no shock, like in an industrial motor running a pulley or something. This is never true for hub motors.

    What kills ball bearings is shock load . You hitting a pothole, the sidewalk, a small animal, etc. Even just sidewalk seams can exert impulse forces of thousands of pounds for a fraction of a second. Force is proportional to acceleration, and hitting something solid imparts very high accelerations into the colliding masses. Bearing failure is called by brinelling , or the balls putting divots into the bearing races from shock loads. This results in the "crunchy bearing" sound.

    In the worst case, you can deform or shatter a ball, and your bearing usually seizes up. Hence, it never hurts to use the biggest bearings you can design into the motor. The above 6001 bearing is a good choice if you don't mind the limited shaft diameter.

    Thin Profile Bearings

    The 6800 and 6900 series describe "thin section" bearings which have a minimal difference between the bore and the OD. Bigger ones are some times called ring bearings.

    They are convenient because they offer large shaft diameters, good for wire clearance, but without being excessively large in outer diameter or width. After, you don't want your bearings eating up all the precious space between your mounting surfaces.

    However, the 6800 and 6900 series are "thin section" for a reason. They are designed for very light loads. The minimal difference in the outer and inner dimensions means that steel thickness is sacrificed for space saving. These bearings usually have DRLs no more than a few hundred pounds.

    Yeah, that still sounds like alot, right? But the steel outer and inner races may be just two or three millimeters thick. Thin section bearings brinell easier than their beefier brethren because the thin steel races have less resistance to forceful incursions, like an overloaded ball.

    I would caution against using the 6800 series at all. The 6900 series is slightly heavier in construction and represent a good intermediate between ring bearings and "normal" bearings.

    For instance, a 6802 ball bearing has a 15mm bore and is only 24mm across. A 6902 bearing has the same bore but is 28mm in diameter, and has over twice the rated load in general purpose ABEC-1 style. Peace of mind for 4 more millimeters?

    Sealed or Shielded?

    When spec'ing out bearings, you will often find them in myriad flavors, regalia, and trim levels. The question usually boils down to "open, sealed, or shielded"?

    Open bearings are open to the air. There's nothing covering the bearing races from dust, grit, and contamination. They also cannot retain lubricant. Open bearings will be destroyed very quickly in hub motor duty. You find these more inside motors or engines where they're bathed in oil and enclosed from the outside.

    Shielded bearings are the next level of grime protection. A thin metal shield over the ball races keeps out most everything. However, metal shields do not contact the inner race, so over time, things still do get in. These are by far the most common ball bearings, though, because they represent a good compromise.

    Sealed bearings use a rubber seal to accomplish the same goals with more security. The downside of a sealed bearing is more free-running drag, because the rubber seal rubs on the inner race as it moves.

    If I had a choice, I would just go with sealed bearings. The price difference between them and shielded is usually minimal, they retain lubricants better, and generally speaking, metal shields can be deformed or damaged easier than a flexible rubber seall

    Bearing fit

    Ball bearings are precision devices, and thus need precision to be correctly mounted and used. Never use a hammer or mallet to install ball bearings. If they do not slip in, use a proper arbor press! Even a vise is better than nothing (and no, I don't mean vise grips ).

    Bearing installation must be straight (not crooked) and the difference between the bearing's OD and your mounting surface's bore should be less than 1 thousandth of an inch. That's 0.001 inches, or .02 millimeters. That's really precise.

    Too tight fits will cause "crunchiness" and a hard to turn bearing. Using the bearing like this can destroy it quickly.

    Loose fits, if under 5 thousandths, are generally rescuable using a retaining compound such as Loctite 609. Very loose fits are not recommended at all.

Step 11: Boundary Conditions for Your Motor

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    We have reached the last and most important part of the motor: the endcaps.

    Okay, I lied. EVERYTHING on your motor is the most important, but this one is the MOST important!

    The motor endcaps are what bridges your motor shaft and the rotor can. Because they are large in diameter and disc shaped, they are often the most difficult parts to get right on a motor. They have to stay concentric and without axial wobble. Usually, they'll have rotor attachment features machined in them too.

    Referencing figure 1 on the bottom, there are a few characteristics of every endcap design.

    The Bearing bore is a precisely machined surface, that is, +/- 0.001 or less, into which the bearings fit. Usually, this is a press fit, but can be a tight slip fit if one side needs to be removed for servicing.

    The Bearing shoulder   might or might not be present. If it is, it's usually just a small extension that brings the thickness of the bearing bore to the width of the bearing. It might not even be needed if the bearings are press fit into the bore. It can be on the outside or the inside.

    A winding relief cut is usually made so the magnet wires bulging out from the stator don't interfere with the rotation of the endcaps. If your motor is sufficiently wide, this is unnecessary, but space-constrained motors like my scooter motors needed the endcaps to sort of conform around the stationary internals.

    Making the winding relief results in a dish-shaped endcap.

    Can mounting surface and provisions . The surface is the broad cylindrical face that mates with the magnet can itself, and provisions is just my term for describiing how the can is held in place. Regardless of how the can is physically mounted, the surface itself should be smooth and well fitting: unless you are purposefully going for the permanent press method, leave this a smooth slip fit, which indicates a diametrical difference of .002" or less.

    In terms of how to actually mount the can, there are a few approaches. Shown in Figure 1 is "radial threaded holes" which go through the can and into the endcap.

    Shown in the other pictures of my scooter motors are axial holes which either let me bolt through the can or around it.

    Through-can axial screw holes, which make the can itself structural, are the most common method for large bike and car motors. If you have the space available, it is also the strongest!

    The BWD scooter is a great example of Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    . The endcaps also prominently feature an external bearing shoulder.

    You have the option of integrating wheel mounting facilities into your endcaps, which is what I did for RazEr. Apropos ...

Step 12: Wheel Mounting

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    Hey, since this IS a "hub motor", there ought to be a way to mount a wheel on it or something. You might have picked a wheel out already to build your motor within, or are building the motor to eventually mount a tire to.

    Let's clear up some terminology first. The tire is what contacts the ground. The rim is what the tire is mounted to, just like in a bike or car. The hub is what the rim mounts to. We are building a hub motor.

    It is perfectly reasonable to integrate "rim" and "hub" in a small motor. We will see that the integration was my choice for RazEr.

    Wheel mounting generally comes in one of several flavors, just like everything else. The exact method you might end up using depends strongly on your available space and existing wheel specifications.

    Car style. The hub is distinct from the rim. If you literally are building a hub motor for a car (why are you reading this?) then it offers the most flexibility in terms of wheel placement and choice. Welded or stamped studs usually emanate from one endcap so you can mount the rim.

    Bike style. In the case of bicycle motors, the rim is still distinct from the hub, and radial spokes emerge from flanges on the case of the motor, usually the Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    .

    Scooter style. A degenerate case of the bike motor, the rim is small enough to be Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    to the endcap projections. The rim is Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    .

    My style. Illustrated below in Figures 2 through 4, this just puts the tire (in my case, a chopped and screws push scooter wheel) directly between the endcaps, sitting on the motor can. Not serviceable without removing a motor endcap, which really constitutes taking apart the motor. Thus, RazEr's motor isn't very suited for public release.

    A modified version of "chuxx0r style" is removable rings that are logical (but not physical) extensions of the rotor endcaps, which are now completely inside the can, and attach using radial screws. This means I can undo one of the rings, slip the wheel off, put a new one on, and reattach everything.

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    . Yeah, it can be done. You'll make steamroller tires and you better be sure the glue is strong!

    Wheel gutting

    If you're building small motors like me, it's usually hard to find just "a tire" for the motor. You'll have to cut it out of another wheel.

    This is a tricky machining operation because you can't fixture to rubber tires- they'll just deform. If you can securely clamp the wheel to a machine surface, then by all means, cut away.

    If the wheel is sufficiently small, you can use a machininable fixture collet on a lathe to grip the entire outside at once. That will usually gain enough stiffness to let you cut the center out. These things are made up to 6 inches or so for common, import-grade fixtures .

    Make a mandrel that bolts through the center of the wheel. Now you have the wheel secured by its strongest point.

    Casting your own tires

    Certainly an option, and for the truly hardcore DIY addicts, the most productive. I have no experience with urethane or rubber casting, so can only tell you to read Instructables more.

Step 13: Fabrication notes and Conclusion

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    Das ist es. I have just written 12 Instructable pages without actually telling you how to build anything . I think few can beat that...

    This is only intended as a guide and primer on what you could do. I did not include directions on how to fabricate one specific motor because it assumes too much engineering knowledge to tell someone to follow my lead, at least in my opinion. In a future Instructable, I might go over the specifics of building RazEr's motor. But, in the interest of modularity, I elected to keep things separate this time.

    Maybe you guys can take up my slack by talking about how you made your hub motor!

    What I can do now, though, is put in a few fabrication notes for when you embark on your hub motor adventure.

    The "elevator pitch" in terms of motor design here is to stuff in the strongest magnets and the largest stator using as many turns of the largest wire running across the highest voltage battery you can get your hands on. Maximize ALL of N, R, L, i, and B. But wait, I thought earlier you said as few turns as possible was the best? Not necessarily: I said that just enough turns to get a workable Km contributes to lower motor resistance. There is no need to constrain yourself to low turn numbers. In fact, high turn numbers running at high voltages are almost always better than low turns and high current!

    Use a good high temperature 24+ hour epoxy to glue the magnets in. Cheap hardware store 5 minute epoxy has inadequate time to set, and the chemical crosslinks are not nearly as strong. Thin laminating epoxy (for fiberglass and carbon fiber layup) is recommended, with a Machen Sie Ihre eigene elektrische Mininaben-Motor


    . The filler shortens the working time of the epoxy, but causes it to be stronger and more tenacious.

    Speaking of gluing the magnets, you may notice that they have a tendency to snap towards eachother in your can. To avoid this, cut up some popsicle sticks into wedge shapes and push them into the gap to separate the magnets.

    GoBrushless' rotocalc also generates a magnet placement guide image. Print this out at full scale on a piece of paper and perform your magnet gluing over it.

    As long as you have machine access, make jigs and fixtures to help you glue the magnets. Try not to let them float as you're gluing.

    While on the subject of epoxy, sealing your motor windings with high temperature enamel or epoxy will keep them together (prevent unraveling or jiggling) and make them more heat resistant. Do this AFTER you make sure your motor works and winding is correct.

    Never wind wires on a naked stator. The metal edges will pierce the magnet wire's thin enamel coating and result in a phase short to the core. You are bound to make more than one, so the phaes will short to eachother!

    If you cannot avoid winding on a bare stator, liberally apply heatshrink or electrical tape to the inside corners of the stator, and wind carefully. If you create a short, you MUST rewind that phase.

    Pull your wires tight. Loose windings are more likely to be damaged, and they are longer than they need to be, so your motor has extra resistance.

    Insulate, insulate, insulate. You have wire running past high speed rotating surfaces which will abrade the insulation if allowed to rub.

    Use a good, flexible wire. Silicone high strand count (HSC) wire, including the popular "Wet Noodle" from WS Deans, are the best choice.

    Use high quality hardware. On Razer's motor, I made the mistake of using stainless steel screws because they were cheap and already at the hardware store (instead of ordering high quality socket head cap screws). Bad mistake - they sheared and stripped one by one, leaving the motor wrecked.

    A Note on Motor Control

    BLDC motors can either be sensored or sensorless .

    Sensored motors have Hall Effect sensors which react to magnetic fields. There are at least three of them inside your average sensored motor, and they function as a very crude position encoder. A sensored motor controller reads the state of these sensors and correlates them to the position of the motor through a lookup table. It then outputs the proper voltage levels to the motor according to this state table. This is called Space Vector Modulation.

    Yours Truly has build a fully hardware (logic chips, op amps, no microcontrollers) SVM motor commutator for a class project. And it actually worked.

    Sensorless motors are operated by controllers which sense back-EMF. Remember from the page about DC motors and their ability to be used as generators? Every time the brushless motor moves, it puts out a sinusoidal (or trapezoidal) waveform on its 3 connections. A smart controller can actually read these voltages and have an idea of which direction the motor is traveling. It can then sequence its output to "encourage" the motor to keep rotating, generating torque.

    Was ist der Unterschied? One has 3 more parts and the other doesn't?

    Well yes, and...

    Sensorless motors cannot operate from standstill unless the controller is very sophisticated. If the motor is not moving, the controller has no way of know where it is. There do exist controllers which can sense motor position based on the effect of the motor's magnets on the phase inductance. However, those are ungodly expensive and are a new industrial technology (which makes them even more expensive.

    Hence, if you keep your motor sensorless, you may find yourself kick-starting your vehicle.

    The vast majority of inexpensive R/C airplane motor controllers are sensorless.

    Sensored motors can operate from 0 speed, but require a controller that can read them. These tend to be more expensive than their sensorless brethren.

    Additionally, if you add sensors to your motor, you have to place them in the correct spots. Hall sensor placement is a quasi-nontrivial process that requires knowledge of the motor's electrical slot ratio.

    Two popular Hall Sensor placements exist: 60 degrees and 120 degrees. I glean over this on my website, but the degrees refers to how many electrical degrees apart the sensors are.

    To place Hall sensors properly in your motor, you have to know how many electrical degrees each slot (or tooth) occupies:

    °elec = 360 * p / t

    where p = number of pole pairs. For a LRK motor, this is 7. Likewise, t , the stator slot count, is 12.

    For a LRK motor, the electrical degree of one slot is 210 degrees.

    Now that you know the °elec of your motor, you can technically place the first sensor anywhere. Let's call this the "A" sensor. I have just wedged it between the Aa winding of the first phase.

    You must place the B sensor in a slot that is °elec ahead of sensor A. This may or may not actually end up in the middle of a slot, and it is an iterative process. Each slot is 210 electrical degrees, so start adding. Begin at 0 degrees, the position of sensor A. Keep track of the number of times you add, wrapping around 360 degrees for each result, until the result is equal to 120.

    That is:

    1) 0 + 210 = 210. No need to modulo 360. The number of additions is 1.

    2) 210 + 210 = 420. Subtract 360. The result is 60. The number of additions is 2.

    3) 60 + 210 = 270. No need to modulo 360. The number of additions is 3.

    4) 270 + 210 = 480. Subtract 360. The result is 120. The number of additions is 4. You win.

    Thus, sensor B should be 4 slots away from sensor A, and sensor C a further 4 slots away.

    Conveniently enough , in a LRK motor, a 120 degree hall sensor placement actually results in the sensors being physically 120 degrees apart. Ist das nicht genial?

    Sensors complicate the wiring issue because you need at least five more wires: Logic power, ground, and the three outputs A, B, and C.

    However, I believe that sensored motors (or the wacky inductive sensorless jiggymabob) are the best for small EVs. And EVs in general. They allow you to take full advantage of the massive torque capabilties of BLDC motors by using them at 0 speed!

    Abschluss

    DIY electric vehicles are fun and exciting, as well as a treasure trove of learning opportunities. Engineering your own motor is no small feat, especially one destined to be operated in a vehicle of your own design.

    Here's hoping that future regulations over the nascent electric vehicle industry and laws over their operation grant amnesty to, or even encourage, DIY mechanics, hobbyists, and experimenters.

    The virtually rendered motor seen in the opening page is a motor for my next crazy EV project: Deathblades. I'm aiming to do what alot of people have been peer pressuring me to do, and drop RazEr's technology into some foot trolleys of certain head trauma. See my Youtube page for a snazzy animation of how the hub motor goes together. If you've been confused by my thousand-word explanation, this should help clear it up!

    If you've never seen RazEr in action, check out its test video here .

    I'll be updating, editing, and changing things around as I go, so if you see any glaring omissions or errors, absolutely point them out to me!

    And good luck. See the next page for a list of resources!

Step 14: Resources, Links, and Knowledge Base

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    Motor Parts

    GoBrushless
    These guys mainly deal in small aircraft motors, but their rotor designer is a godsend. They also sell stock stators in the 50mm and 60mm size range.

    Super Magnet Man
    Reputable dealer of stock AND CUSTOM! neodymium high strength magnets. All of my motor magnets have come from him. George is a friendly person to deal with and chock full of all kinds of magnet information.

    Custom magnets from George generally take 3 to 4 weeks to manufacture and are priced only slightly above stock magnets. This is absolutely phenomenal: For a bit more cash, you can have a full circle of magnets customized to your motor.

    Protolam
    These guys supplied the iron for the BWD Scooter gratis . They have in house punches and LASER cutters and will make small quantities for your experimentation

    Your local motor shop
    Got a local electric motor rebuilder? Give them a visit. They'll be glad to see a motor which doesn't require a forklift and 8 guys to handle. High-grade magnet wire and potential harvestable motors.

    General Parts

    Hobby King

    A certified legit™ hobby products dealer out of Hong Kong. Mind-blowing pricing on everything, and they make no attempt to hide the fact that their products are Chinese in origin. You can put together an entire EV hacker powertrain just from the parts on this site. Stock up on lithium batteries before the Fed regulate bare Li packs out of existence.

    Their large outrunner motors are inexpensive enough to consider cannibalizing for stators.

    McMaster-Carr

    I shouldn't even have to mention these guys. If you can think of it, they probably carry it, else it's not worth buying. Magnet wire in "huge" and "holy crap" gauge, raw materials, bearings, adhesives, and hackable wheels are just a few motor-relevant things I can think of that you can find there.

    Kelly Controller

    Purveyors of fine (Chinese) motor controllers in sensored, sensorless, both, and neither (DC). Their KDS line of mini-controllers will be perfect for your small sensored hub motor. You can also be lazy and just buy one from them.

    VXB Bearings

    Because all legit bearing manufacturers have 3 letter names. Inexpensive bearings for your motors. I've gotten all my bearings for everything I've built from here. Everything I've built since discovering them, that is.

    Speedy Metals

    Where I got my Giant Steel Death-Tube from for Razer's motor. Get raw materials for the mechanical structure of your motor here.

    Knowledge and Reference

    The Southern Soaring Club Reader Articles

    Contains one the best brushless motor primer I have seen. Electric Motors part 1 - 5 is worth a read to get more background on the matter.

    Emetor Brushless Motor Designer

    Everything I just said and more wrapped up in a handy spreadsheet style calculator! Forget "4 * N * B * L * R", it will give you everything from back EMF profile to torque ripped to phase voltages and inductances. To use it properly, you MUST know critical dimensions and materials of your motor. But it's about as close as you can get to building it and throw it on the dyno.

    Powercroco

    This site is a veritable platinum mine of motor information and theory... if you can read German. Alot is lost in translation if you use an automatic translator, so find your nearest German guy and press him into service? Dr. Okon is the progenitor of the famous and useful Kombinationstabelle .

    The RC Groups Motor Design and Construction forum

    Always welcoming of newcomers and people with questions. The Crazy German R/C Airplane Guys here represent a vast majority of all motor limits-pushing that has occured in the hobby.

    LRK Torquemax

    Learn more about the background of the LRK winding here.

    My site.

    Not to be one to self-plug, but I have a bad good habit of keeping detailed build logs about EVERYTHING. Documented are all the rebuilds of RazEr, its predecessor Snuffles, and my most famous creation, the LOLrioKart .