E-motor, electric motor, brushless, with internal rotor

Beschreibung
Bürstenloser BLDC Elektromotor V3_5
Das folgende Modell ist ein BLDC-Elektromotor, der fast vollständig mit dem 3d Drucker gefertigt werden kann. Der zu verwendende 3d Drucker muss ein Mindestbauvolumen von mindestens 70mm x 70mm x 90mm haben. Ich habe für dieses Projekt den 3d Drucker Ender 3 Pro verwendet.
Anwendung
1. Man lernt welche Komponenten ein E-Motor besitzt, und wie er zusammengebaut wird.
2. Man kann den Motor in RC-Gefährten einsetzen, z.B. in einem RC-Boot. Jedoch sollte man darauf achten, ob der Motor in das Gefährt passt. (Ø65,5mm*113mm (Ohne Welle, bzw. Achse)) (Siehe pdf Datei)
Was braucht man für das Projekt? (Die Folgenden links Zeigen die Baukomponenten auf die ich beim Bau des Motors verwendet habe, man kann jedoch auch bei anderen Händlern bestellen oder im Baumarkt einkaufen)
1. Gewöhnliches PLA Filament Ø1,75mm
2. 3d Drucker mit Mindestbauvolumen 70mm x 70mm x 90mm
3. Lötwerkzeug
4. Spannungsquelle ca. 7V bis 25V
5. Neodym Magnete N52 50mm x 5mm x 5mm 8stk
6. Kupferdraht 0,3mm x 40m, 3 Rollen (Für jede der 3 Phasen wird eine Rolle verwendet)
7. Schrauben für den Holzbau Ø3,5mm x 16mm mit Kreuzschlitz oder Torx (Auch im Baumarkt erhältlich)
8. Schrauben für den Holzbau Ø3,5mm x 25mm Kreuzschlitz oder Torx (Auch im Baumarkt erhältlich)
9. Motoranschlüsse Ø3,5mm
10. Kabel mit mindestens Ø 2,5mm und maximal Ø4mm (Außen Durchmesser)
11. Vollwelle Ø6mm oder Hohlwelle Ø6mm ( Die welle muss mindestens 120mm lang sein, Die Länge hängt jedoch von der Anwendung ab. Ich habe eine länge von 250 mm gekauft und dann habe ich die Welle auf 150mm abgetrennt.
12. Rillenkugellager 626 oder 626zz oder 626z mind. 2stk
13. ESC mit mindestens 30A Maximalstrom oder mehr (Achtung ESC für Brushlessmotoren)
14. Motortester (Wenn der Motor für ein RC-Gefährt verwendet, wird dann braucht man einen Receiver der das PWM-Signal liefert)
15. Mehrzweck Alleskleber

Welche nicht unbedingt notwendigen (optionalen) Sachen könnten noch gebraucht werden?
16. Wasseranschlüsse (Bei Wasserkühlung) (Mit M6 Gewinde)
17. Gewindeeinsätze M4 x 4mm Länge
18. Madenschrauben M4 x 4mm Länge
Leistung
Die zu erwartende Leistung des Motors liegt zwischen 100W bis Maximal 300W. Der Motor funktioniert mit der Stromzufuhr eines ESCs (Electronic Speed Controller) der ein 3 Phasen Rechteckspannung generiert. Der kleinste ESC, der für diesen Motor verwendet werden kann ist ein ESC der einen maximalen Strom von 30A standhält, jedoch ist dabei die Ausgangsleistung des Motors gering, dabei muss der ESC Ständig gekühlt werden, denn er droht zu überhitzen. Daher soll ein ESC mit mehr oder gleich als 30A mit guter Kühlung verwendet werden. Vielleicht durch die Verwendung eines sehr Starken ESC s z.B. 90A oder 150A könnte der Motor auch ein Leistung von mehr als 300w ausgeben, dies muss man jedoch ausprobieren.
Bauteile aus dem 3d Drucker, Zusammenbauanleitung
Insgesamt sind im Download 13 verschiedene Bauteile enthalten, davon müssen nicht alle unbedingt ausgedruckt werden.
1. Stator:
Der Stator ist das festsitzende Bauteil des Motors das sich nicht bewegt, dieser beinhaltet die Elektromagneten, also die Spulen. In Summe sind dort 12 Spulen vorhanden, also 4 spulen pro Phase. Jede Phase besteht aus 8 parallel zueinander verbundenen Kupferdrähten, diese bilden zusammen ein Kupferkabel mit 5m Länge. (Aus einer Rolle mit Ø0,3mm x 40m wird in ein Kabel aus 8 Drähten mit 5m länge erstellt). Dieses neu erstellte Kabel wird dann in 4 spulen auf dem Stator aufgewickelt (Siehe Bilder). Jede Spule beinhaltet 10 Wicklungen (Wenn kein Platz mehr vorhanden ist, weil es im Stator sehr eng wird, kann man auch 9 Wicklungen für jede Spule machen). Danach rotiert man den Rotor um 60° um seine eigene Achse und beginnt das Prozedere von vorne. Jeder Start einer Phase mit U1, V1,W1 beschriften. Jedes ende einer Phase mit U2, V2, W2 beschriften. Zum Schluss muss man noch an allen „Starts“ und „Enden“ aller Phasen mit Schleifpapier die Beschichtung der Drähte entfernen und dann alles zu einer Dreieckschaltung zusammenlöten. An jeden Knotenpunkt ein Kabel anlöten und bei Bedarf Klebeband oder Schrumpfschläuche anbringen. An den enden der Kabel die Motoranschlüsse anlöten.
Es gibt zwei Varianten des Stators. Die Version 3_5 Ist die Vollständige Version und beinhalltet Radiale Kegelsenkbohrungen, dort kann man 3,5 x 16 Holzschrauben einschrauben. Der Stahl der Holzschrauben verstärkt das Magnetfeld der Spulen und das führt zu einem leicht erhöhten Drehmoment. Die Version 3_4 besitzt die radialen Kegelsenkbohrungen nicht. Wichtig: Die Kühlkanäle des Stators dürfen kein Supportmaterial enthalten.
2. Rotor:
Der Rotor ist das Bauteil des Motors das sich dreht. Der Rotor wird ausgedruckt (Siehe 3mf Datei), dann werden die Permanentmagneten N52 50mm x 5mm x 5mm in die vorgesehene Geometrie eingeklebt. Dabei ist die Anordnung der Magneten zu berücksichtigen (Siehe Bild). Danach wird die Welle (Achse) oder Hohlwelle in den Rotor gepresst. Zwischen Rotor und Welle sollte eine Übermaßpassung (Presspassung) entstehen, wodurch die Welle fix mit dem Rotor verbunden ist. (Die Welle kann mittels Gummihammer in den Rotor gehämmert werden, dabei ist zu achten, dass sich die Welle nicht verbiegt. Damit die Welle besser eingebaut werden kann, sollen an den Enden der Welle, mit einer Feile, Fasen erstellt werden.
Falls zwischen Welle und Rotor eine Spielpassung entsteht, dann gibt es zwei Lösungsansätze wie man den Rotor auf die Welle Fixieren könnte.
Man kann den Rotor auf die Welle mit Alleskleber kleben.
Im Rotor sind 6 Radiale Bohrungen eingeplant worden. In diese werden mit einem Lötkolben Gewindeeinsätze (M4 und 4mm Länge) eingeschmolzen. In den Gewindeeinsätzen werden dann Madenschrauben (M4 x 4mm Länge) eingeschraubt. Diese sollte man gut einschrauben und fest anziehen, da sie sonst durch Fliehkraft wieder rausfallen könnten.
3. Ventilator:
Die Ventilatoren sind für die Kühlung des Motors verantwortlich. Je nach Drehrichtung des Motors saugt ein Ventilator die Luft ein und der andere treibt die Luft aus dem Motor in die Umgebung. Die Ventilatorblätter sollten immer 100% fülldichte haben, da diese hohen Belastungen ausgesetzt sind. Das Bauteil „Ventilator“ wird dort eingebaut wo auch der „Wicklungsdecker“ Vorhanden ist, und das Bauteil „Ventilator_02“ wird gegenüber eingebaut. Zuerst bringt man einen Ventilator auf einer Seite des Rotors auf die Welle, dann baut man die komplette welle mit Rotor und Ventilator in den Stator ein, erst dann baut man den gegenüberliegenden Ventilator ein.
4. Distanzbuchsen:
Falls keine Luftkühlung gewünscht ist, dann kann man die Ventilatoren durch Distanzbuchsen ersetzen. Das Bauteil „Ventilator“ wird durch das Bauteil „Distanzbuchse“ ersetzt. Das Bauteil „Ventilator_02“wird durch das Bauteil „Distanzbuchse_2“ ersetzt.
5. Deckel:
Im Deckel ist der Lagersitz vorhanden. Das Kugellager 626 wird durch eine sehr leichte Presspassung eingefügt. (Von Hand einpressbar). Falls Spielpassung zwischen Kugellager und Welle vorhanden ist, dann klebt man zuerst Klebeband auf dem Außenring des Kugellagers und dann presst man das Kugellager in den Lagersitz. Insgesamt muss der Deckel zweimal ausgedruckt werden.
6. Wicklungsdecker:
Der Wicklungsdecker wird auf der Seite angebracht wo die Lötstellen und Kabel vorhanden sind. Der Wicklungsdecker verhindert die Berührung der Kabel und Wicklungen mit dem drehenden Ventilator.
7. Distanzscheibe Innen und Außen:
Die Distanzscheiben Innen und Außen sind nicht unbedingt notwendige Bauteile. Diese kommen nur zum Einsatz, wenn durch Maßungenauigkeit des Druckers die Bauteile in axialer Richtung nicht exakt zusammenpassen. Wenn beim Zusammenbauen zwischen Deckel und Stator ein Spalt entsteht dann muss man dort das Bauteil „Distanzscheibe Außen“ einfügen. Wenn der Rotor nach dem Zusammenbau ein zu großes axiales Spiel aufweist, dann kann man eine „Distanzscheibe Innen“ einbauen. Die „Distanzscheibe innen“ wird dabei zwischen einem Ventilator und einem Deckel eingebaut. Die Distanzscheiben können aus TPU oder PLA gefertigt werden.

(Print settings vary depending on 3d printer and environmental conditions).

The following print settings are only advice, and therefore may also be set differently according to application area, requirements and printing conditions.

My print settings are as follows:

General:

1. Ø0.4mm nozzle diameter

2. 0.2mm layer height

3. nozzle pressure temperature approx. 210°C

4. print bed temperature 50°C

Components with thin cross-sections (such as fan rotor blades) should be printed with 100% filler material. More solid components (such as the lid. rotor and stator) can be printed with a filler density of 20% and a wall thickness of 1.2mm. For more detailed information, see 3mf files.

Total material approx. 200g PLA

Total printing time approx. 36h (This depends on the printer settings.)

Note: All gcode and 3mf files were created for a printer with a build volume of 235mm x 235mm x 250mm.