BLDC Motor Die Cilindermuziekdoosje Automatiseert

We hebben een borstel loze DC-motor gemaakt die extern roteert. Met een tandwielreductie hebben we de motor aangesloten op een cilindermuziekdoosje zodat hij deze aandrijft. De motor wordt aangestuurd met behulp van een Arduino en werkt met een 3-fasensysteem.

Voor dit project heb je de volgende faciliteiten tot je beschikking nodig.

1. 3D printer
2. Lazersnijder
3. Boormachine
4. Spoelwikkelaar
5. Soldeerstation

Materialen

1. 3x M6 Bouten rvs
2. 3360 meter koperdraad 0.8x1400x3
3. Stator, 3d-geprint
4. Rotor, 3d-geprint
5. 14 neodymium magneten
6. 3x lagers 20mm diameter
7. 2x lagers 10mm diameter
8. 4x M8 Bouten 10cm
9. 14x M8 moeren
10. Houten cirkelvormige plaat 0.5m diameter
11. 2 Houten balken 4x5x9cm

Elektronica

1. Arduino
2. 3x Mosfet transistors
3. Potentiometer
4. Breadboard + bedrading
5. 3x flyback diode's

Aangezien de motor in deze opstelling centraal staat moet eerst deze ontworpen worden zodat de rest van de opstelling qua afmetingen hierop afgestemd kan worden. Om het in en uit elkaar halen van de motor makkelijk te houden, dus met zo min mogelijk kleine onderdelen, hebben wij gekozen voor M6 bouten van rvs als de kernen van de spoelen. De M6 bouten die wij tot onze beschikking hadden, hebben een lengte van 5 cm. Daarom heeft de motor een diameter van 15cm gekregen in ons ontwerp. Voor het design van het ontwerp hebben wij inspiratie opgedaan bij iemand die bezig een vergelijkbaar project heeft uitgevoerd. De video staat hieronder gelinkt. We hebben vooral gekeken naar de vorm van de stator en rotor. Verder hebben wij onder andere qua spoelen, afmetingen en voeding andere keuzes gemaakt. De rotor is zo ontworpen dat in de rand ruimte zit voor de magneten en in de stator ruimte voor de spoelen. De spoelen zijn gemaakt met de bouten waar met de spoelwikkelmachine koperdraad omheen gewikkeld is. De uiteinden van de koperdraad zijn verbonden aan snoeren zodat deze aangesloten kunnen worden op het cirquit.

Bron: https://www.youtube.com/watch?v=TFQrXbMy84c&t=5s

Om te zorgen dat de rotaties per minuut die de motor produceert gereduceerd wordt tot wat het muziekdoosje nodig heeft maken we gebruik van een tandwielreductie. Het muziekdoosje zal moeten draaien met een hoeksnelheid tussen de 4 en 6 rpm en de motor produceert 300 rpm. Dat is een reductie van ongeveer 1/70 en dat is ongeveer gelijk aan

170≈17149∗1797170≈17149∗1797

. We hebben dus nodig 2x 17 tanden, 1x 97 tanden en 1x 149 tanden.

We rekenen de pitch uit met deze formules

P=M∗πP=M∗𝜋

M=DTM=DT

Waar m de module is, en die is gelijk aan 1,5 in ons geval. P is pitch, D is diameter en T is het aantal tanden. Als we waarden invullen krijgen we het volgende

P(T=17,97,149)=32πPT=17,97,149=32𝜋

= 4.7 mm

En diameter:

D(17,97,149)=25,5;145,5;225,5D17,97,149=25,5;145,5;225,5

mm.

De reductie gaat als volgt: motor draait met een hoeksnelheid van 300 rpm, daaraan zit een 17T tandwiel, die mesht met de 149T tandwiel, en die mesht met de andere 17T tandwiel, en dan de 97T tandwiel waaraan de draaiarm van de muziekdoos is vast gemaakt. In dit systeem is de input 300 rpm en de output 4-6 rpm.

Een onderdeel van dit systeem is een circuit dat bepaald door welke spoelen er stroom gaat vloeien, m.a.w. welke spoelen een magnetisch veld gaan opwekken. De spoelen moeten om de beurt ‘aan’ staan. Dat creëert een roterend magnetisch veld, waar de magneten in de rotor door worden aangetrokken, en mee gaan roteren.

Voor dit circuit heb ik gebruik gemaakt van een arduino, die drie externe stroomkringen(waar ik de spoelparen aan kan aansluiten) bestuurd met behulp van transistoren. De stroom kan niet vanuit de arduino komen, omdat de stroomsterkte daar te groot voor is. Maar ik heb drie output-pins verbonden aan de gates van de transistoren. Zodra er stroom door een outputpin stroomt zal de externe stroomkring zelf ook gaan vloeien. Daarnaast heb ik een potentiometer aangesloten aan een input-pin waarmee ik de snelheid van afwisseling kan aanpassen. Dit heb ik gedaan met arduino-code. Bij het onderstaande circuit zijn de spoelparen vervangen voor LED, ter demonstartie.

Het aansturen doen we met een Arduino, dus moet er een code geschreven worden die ervoor zorgt dat de stroom in 3 fasen wordt toegediend. Dit is de code:

// C++ code

//determine pins

const int LED1 = 9;

const int LED2 = 8;

const int LED3 = 7;

const int potpin = A0;

//variable speeds:

const int maxrest = 1000;

const int minrest = 10;

int rest;

int speed;

void setup(){

pinMode(LED1,OUTPUT);

pinMode(LED2,OUTPUT);

pinMode(LED3,OUTPUT);

}

void loop(){

//read the resttime from potpin

speed = analogRead(potpin);

rest = map(speed,0,1023,minrest,maxrest);

//cycle:

digitalWrite(LED1, HIGH);

digitalWrite(LED2, LOW);

digitalWrite(LED3, LOW);

//rest(ms)

delay(rest);

//turn off led1 and led2 on

digitalWrite(LED2, HIGH);

digitalWrite(LED1, LOW);

digitalWrite(LED3, LOW);

//rest(ms)

delay(rest);

//turn off led1 and led2 on

digitalWrite(LED3, HIGH);

digitalWrite(LED1, LOW);

digitalWrite(LED2, LOW);

//rest(ms)

delay(rest);

}

Nu dat kan alles aan elkaar aangesloten worden en wanneer je dan de spanningsbron aanzet moet de motor gaan draaien. Nu kan je luisteren naar het prachtige deuntje uit het muziekdoosje zonder dat je zelf de grote moeite moet doen van het draaien aan de hendel.