BLDC moottorin kehitys - Rengasmoottori
BLDC moottorin kehitys ja testaaminen vaiheittain. Tässä projektissa kehitetään BLDC moottoria, eli hiiliharjatonta tasavirta moottoria. Moottoria kehitetään niin että se soveltuisi pienen renkaan sisälle, renkaan ulkohalkaisijan tavoitteena on noin 10 tuumaa, eli 254 millimetriä.
Projektissa kehitettävä moottori on suunniteltu maastoajoon ja se asennettaisi sähkökäyttöiseen maastolautaan. Maastolautaan olisi lopulta tarkoitus asentaa 4 rengasmoottoria. Moottorista yritetään rakentaa mahdollisimman modulaarinen niin, että sen huoltaminen olisi helppoa ja moottoria voisi käyttää muihinkin käyttötarkoituksiin.
Harjattomien moottorien ohjaus on kehittynyt viimeaikoina niin paljon, että tähän moottoriin ei ole tarkoitus asentaa ollenkaan Hall antureita tai enkooderia. Nykyiset moottorinohjaimet kykenevät ohjaamaan harjatonta moottoria ilman erillisiä antureita ja tuottamaan silti maksimaalisen vääntömomentin jopa 0 RPM nopeudesta. Moottorin lämpötilan arvioiminenkin onnistuu jo melko hyvin ilman anturia, mutta varmuuden vuoksi moottorin saatetaan lisätä erillinen lämpötila anturi.
Rengasmoottorilla tarkoitetaan moottoria, joka on sijoitettu kokonaan renkaan sisälle. Renkaan sisälle sijoitettu moottori on mahdollista saada erittäin huomaamattomaksi ja samalla saadaan hyödynnettyä käyttämätön tila jonka renkaan vanne aiheuttaisi.
BLDC moottorin kehitys - Tavoitteet
Rengasmoottorin tavoitteet ja kriteerit listattuna.
Tavoitteet:
- Moottorin ja renkaan paino yhteensä tulisi olla alle 3 kilogrammaa. Markkinoilla olevat vastaavat rengasmoottorit painavat noin 5-6 kilogrammaa, joka on aivan liian paljon.
- Moottorin piikkitehon kesto tulisi olla noin 2.5 kilowattia.
- Vääntömomenttia tarvitaan noin 25Nm/rengas, että maastoajo onnistuu hyvin tämän kokoisilla renkailla.
- Renkaan ulkomittojen tulisi olla alle 254mm * 70mm
BLDC moottori perinteinen voimansiiro vs Rengasmoottori - Maastolauta
Yleisesti maastolaudoissa on käytetty erillistä moottoria, jonka pyörintä nopeus on esimerkiksi korkeimmillaan 6000 – 10000 RPM, tämä korkea nopeus on muunnettu matalammaksi kierrosnopeudeksi rattaiden avulla.
Perinteinen tapa on hyvin toimiva ja antaa paljon erilaisia vapauksia moottorin valintaan ja voimansiirron valintaan.
Rengasmoottoria ei ole yleisesti käytetty, koska niiden valmistus on yleisesti paljon vaikeampaa, eikä rengasmoottoreita ole saatavilla tämän kaltaisiin kohteisiin.
Markkinoilla olevat rengasmoottorit ovat yleisesti aivan liian painavia ja tehoa on liian vähän.
Sähkömoottori + Voimansiirto
+ Hyvä saatavuus, markkinoilla on useita valmistajia.
+Todella tehokkaita, harjattomat moottorit tuottavat paljon tehoa korkeilla kierroksilla.
-Monimutkainen rakenne, vie ylimääräistä tilaa.
– Hammasrattaat kuluvat ja aiheuttavat ääntä.
Rengasmoottori
+ Integroitu rakenne vie vähemmän tilaa, moottori on sijoitettu renkaan sisälle.
+Moottorit ovat suojassa renkaan sisällä.
-Huono saatavuus, valmistajia ei oikeastaan ole yhtään näillä vaatimuksilla.
– Kallis valmistaa.
Rengasmoottorin kehitys vaiheittain
Rengasmoottoria kehitetään vaiheittain hyödyntäen 3D tulostamisen nopeutta ja edullista prototyyppien testaamista.
Lopullinen versio on tarkoitus valmistaa jyrsimällä osat metallista ja muovista.
Ensimmäinen versio
Ensimmäinen versio onnistui yllättävän hyvin moottorin toiminnan osalta.
Moottorin vääntö oli jo todella hyvä, vaikka tämä oli vain todella alkeellinen prototyyppi.
Ensimmäinen versio - 3D suunnitelma
Staattori
Ensimmäisessä versiossa staattori käämittiin, käyttäen vain yhtä 0.5mm paksua kuparilankaa. Näin ohut kuparilanka aiheuttaa paljon resistanssia moottorissa ja rajoittaa moottorissa käytettävää virtaa.
Moottori käämittiin Y-kuvioon ja 5 kierrosta / käämi
Roottori
Roottori on valmistettu 3D tulostamalla PLA muovista. Magneetteina käytettiin 7mm * 3mm * 40mm neodyymimagneetteja, joiden vahvuus on N38.
Ilmarako magneettien ja staattorin välillä on 1 millimetriä suunnitelmassa.
Ensimmäinen versio - Yhteenveto
Moottori toimi ja pyöri hyvin, mutta mekaanisessa suunnittelussa oli ongelmia.
Moottorin kasaaminen ei ollut kovin helppoa ja osien kohdistus ei ollut tarkkaa.
Moottori myös pyöri hieman vinottain, tästä kuulee ääntä videolla.
Laakerointi kannattaa toteuttaa eri tavalla niin, että renkaan kokoaminen onnistuu ilman että se on asennettuna trukkiin.
Ensimmäinen versio - Video
BLDC moottori V2 - Kehitys
Toisessa versiossa huomioitiin moottorin kiinnitys ja asentaminen lautaan. Aiemman version kiinnittäminen oli hankalaa, koska moottori osittain kasattiin laudassa kiinni. V2 suunniteltiin niin, että moottori voidaan kasata kokonaan ja asentaa lopuksi lautaan. Laakerointia myös parannettiin huomattavasti.
