Cómo hacer el motor de bricolaje más fácil que he visto

No voy a decir que hacer un motor desde cero sea «fácil», pero… si decides que simplemente tienes que construir uno, entonces el Lebowski Axial es probablemente el «más fácil» de hacer, y he estado estudiando estos cosas por un tiempo. La mayoría de los motores son de «flujo radial», que es como una taza que gira dentro de otra taza que es un poco más grande. Sin embargo, hay algunos motores de flujo axial que están disponibles para comprar, y los axiales están configurados como una placa girando junto a otra placa (como se ve en las fotos aquí).

Si esto le interesa, le recomiendo que primero eche un vistazo rápido a las imágenes de nuestro artículo «Tecnología de motores, aprenda los términos». Muchas de las preguntas comunes que pueda tener sobre los motores se responderán en ese artículo, por lo que escribo esto como si ya lo hubiera leído.

Creo que los radiales internos son más populares para aplicaciones que no son de motor central porque son más fáciles de enfriar pasivamente con el estator que tiene las aletas exteriores de aluminio unidas a él. Los motores de cubo Outrunner pueden agregar ferrofluido para aumentar drásticamente el enfriamiento pasivo. Si puede aumentar el desprendimiento de calor en un diseño de motor, esto significa que puede usar temporalmente amperios masivos para la aceleración. Por un corto tiempo, las motocicletas Zero utilizaron un diseño de flujo axial Motenergy temprano que tenía un solo rotor en el centro y dos estatores con uno a cada lado. Agregar ventiladores de aire o refrigeración líquida puede ayudar, pero tener las bobinas calientes cerca del flujo de aire alrededor del vehículo ayudó al desprendimiento de calor pasivo.

La desventaja de un flujo axial es que para hacer que el motor sea más potente, puede seguir agregando estatores y rotores del mismo diámetro (lo que hace que el motor sea más ancho), pero… los estatores anidados en el centro del motor tienen un momento difícil desprendiendo calor de forma pasiva. Una vez que un ingeniero agrega refrigeración líquida a la ecuación para sacar el calor del núcleo, la complejidad, el peso y el costo agregados pueden hacer que otros diseños sean más deseables.

Mi interés en los motores de bricolaje sin motor central se debe a mi preocupación de que, en el futuro, pueda haber un embargo comercial que afecte a los productos de China. Para ser justos, aún necesitaría comprar imanes de neodimio y también el alambre magnético esmaltado para construir esto, y es probable que ambos se encuentren fabricados en China.

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¿Quién diablos es Lebowski?

Si cree que diseñar un motor eléctrico para que pueda construirse en un garaje de bricolaje es impresionante, ¡solo diseñó esto para ayudarlo a diseñar un controlador FOC de «control orientado al campo» de onda sinusoidal de bricolaje! (Link abajo). El nombre «Lebowski» es un avatar de un usuario en el foro de chat de bicicletas eléctricas, endless-sphere.com, y estoy agradecido de que haya publicado las fotos de esta construcción allí (haga clic aquí para obtener un enlace a su sección de motor), y los enlaces a su discusión sobre esta construcción de motor también se encuentran en la parte inferior de este artículo.

Lebowski vive en Zúrich, Suiza, y aquí hay un breve video que muestra su controlador de bricolaje y el funcionamiento del motor. Su canal de youtube es «81FXB»

La configuración como un motor trifásico de “corriente continua de imán permanente” / PMDC con un diseño de flujo axial. Su primer prototipo fue una versión de rotor único/estator único de 250 W como prueba de concepto. Haga clic aquí para ver ese. El prototipo pudo proporcionar picos temporales de 1000 W sin sobrecalentamiento.

La versión de 2300W que se muestra en este artículo (60V x 38A = 2300 Watts) tiene tres estatores y cuatro rotores magnéticos, con dos de los rotores de doble cara.

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El eje-cubo y rotores magnéticos

Para un husillo, eligió un robusto eje-buje trasero de bicicleta que utiliza un «casete de buje libre», en lugar de una rueda libre roscada común. Un constructor podría seguir agregando rotores y estatores para hacer que este motor sea aún más ancho para proporcionar más potencia potencial, pero… eso requeriría un husillo personalizado.

Las placas de aluminio que se muestran son los adaptadores que conectan los orificios de los radios del buje libre a los marcos del rotor.

Cuando un imán permanente tiene algo de acero ubicado detrás, esto atrae el flujo de ese lado al proporcionar una vía magnéticamente permeable, y esto hace que el campo magnético en el otro lado del imán se vuelva más fuerte y se proyecte más hacia afuera. Dado que los imanes son caros y el respaldo de acero es barato, la mayoría de los motores PMDC colocan un «respaldo de hierro» detrás de sus imanes. El acero es aproximadamente un 99,7 % de hierro, con un poco de carbono añadido.

De los cuatro rotores en este diseño, los dos rotores exteriores solo tienen imanes en un lado (obviamente frente a los estatores), y los dos estatores cerca del centro del motor tienen imanes en ambos lados, con la lámina de acero entre ellos. Los marcos de sujeción de imanes son de aluminio común.

Al mirar desde el lado del motor, los rotores #uno y #cuatro tienen imanes en un solo lado. Los rotores #dos y #tres tienen imanes en ambos lados, con el «hierro trasero» intercalado en el centro.

Los rotores podrían hacerse más livianos perforando muchos agujeros en su estructura, pero la masa de aluminio aquí proporciona masa como disipador de calor para ayudar a que los imanes eviten sobrecalentarse durante los picos de calor de la aceleración, cuando los amperios están en su punto más alto. Algunos grados comunes de imanes de neodimio pueden comenzar a perder permanentemente parte de su magnetismo si alcanzan una temperatura de 178F / 80C.

Si un motor está frío en todas las condiciones, entonces «podría ser» más grande, más pesado y más caro de lo necesario. Si hace demasiado calor, muchas cosas pueden dañarse, como… Sensores Hall, sellos de rodamientos, aislamiento de cables y flujo magnético. Muchos de estos pueden dañarse a medida que se acerca a los 200F / 93C, y creo que… 140F / 60C es un objetivo útil para el diseño de un sistema.

Los imanes de samario-cobalto se inventaron para sobrevivir a temperaturas muy altas, pero… son caros.

Prueba de montaje del primer rotor. Las caras de los imanes están marcadas con rojo y azul para designar los polos magnéticos norte y sur, que deben estar alternados. Puede ver aquí, donde se montarán los cuatro rotores en la parte giratoria del motor. Hay diez imanes por cara de rotor.

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los estatores

Como dijimos en nuestro artículo sobre la historia de los términos eléctricos (haga clic aquí para leer eso), William Sturgeon descubrió el electroimán moderno, y este es el invento clave que hizo posibles los motores prácticos, ya que un electroimán se puede encender y apagar. .

En los rotores que se muestran arriba, los imanes son «imanes permanentes». Sin embargo, en los estatores, vemos las bobinas de alambre de cobre que pueden tener un campo electromagnético activado y desactivado por un controlador según sea necesario en el momento preciso en que su flujo hará que el rotor gire y realice el trabajo.

Lebowski eligió bobinas circulares porque son muy fáciles de enrollar cómodamente para obtener un buen «relleno de cobre» en el volumen de bobina disponible. El aparejo de arriba se hizo fácilmente para enrollarlos entre los discos de madera. Ya sea que esté fabricando un aerogenerador de bricolaje o un motor PMDC, las bobinas electromagnéticas deben tener el mismo tamaño y forma que los imanes permanentes. He visto motores y generadores de bricolaje con bobinas/imanes rectangulares, y también «en forma de cuña» para obtener la máxima densidad de potencia. Haga clic aquí para ver un ejemplo.

En la imagen de arriba, la bobina se enrolló dentro de dos discos de película de plástico, por lo que cuando las bobinas se pegan con epoxi en el estator, la madera no se pegará (esto tendrá sentido en solo un minuto).

La imagen de arriba es la lámina acrílica que se usa como marco para uno de los estatores. Los conjuntos de rotor giratorio tienen sus piezas montadas en el eje en el centro, y todos los conjuntos de estator están unidos en las esquinas exteriores.

He visto motores monofásicos, que zumban un poco con todas las bobinas energizadas y desenergizadas al mismo tiempo. También he visto motores de 5 fases que son discutiblemente más suaves y un poco más eficientes, pero… también son más complejos y requieren un controlador de 5 fases que no es común en absoluto.

Combinar las bobinas en tres grupos dispersos uniformemente es la configuración más simple que se considera razonablemente suave y silenciosa. Además, si fabrica un motor trifásico, puede usar controladores comunes y asequibles y «sensores de posición del rotor». En este diseño, Lebowski usa nueve bobinas en grupos de tres. Las tres bobinas que se muestran a continuación se cablearán juntas para activarse y desactivarse al mismo tiempo.

Aquí hay tres de las bobinas que se están epoxicando en un marco de estator. El cable de cobre parece un cable desnudo común, pero el «cable magnético» está recubierto con un epoxi transparente delgado y flexible para aislar eléctricamente una envoltura de la siguiente. Dado que los imanes permanentes pasarán sobre el marco del estator, debe estar hecho de un material que no sufra las «corrientes de Foucault» que causarían arrastre y desperdicio de calor.

Lebowski eligió láminas acrílicas y también he visto que se usa policarbonato. Ambos son bastante resistentes al calor.

Una vez que cada bobina se inserta en su posición, su «bolsillo» se llena con un epoxi transparente y duro. Si no hace esto, la vibración de la bobina hará que la capa de aislamiento del cable se desprenda y la bobina se cortocircuitará con la corriente tomando el camino corto, en lugar de fluir a través de cada vuelta de la bobina. Las bobinas en este diseño son «sin núcleo», lo que significa que no tienen hierro/acero en los centros. Agregar núcleos de hierro tiene ventajas, pero también inconvenientes. Lebowski eligió sin núcleo por una variedad de razones.

Las designaciones de bobina AaABbBCcC solo tienen sentido por la forma en que se conectan las bobinas, que se detalla en el artículo de construcción. Además, las bobinas se pueden enrollar en sentido horario o antihorario, y estos detalles son vitales para que sean correctos.

Diez imanes por cara de rotor y nueve bobinas por estator. La versión de 250 W usó 14 imanes, 12 bobinas (visto en la imagen del encabezado)

Observe que el rotor inferior tiene una sola capa de imán y la que está encima del estator tiene dos lados. Este diseño utiliza un diseño de «estator único/rotor doble» y apila tres de ellos para aumentar el potencial de potencia.

Los rotores exteriores en el extremo derecho y el extremo izquierdo tienen solo una capa de imanes (con placas de respaldo de acero), y los dos rotores internos tienen dos capas opuestas de imanes, con una lámina de acero entre ellos. el cilindro negro de la izquierda es la rueda libre estriada para las ruedas dentadas, por lo que este motor tiene una rueda libre incorporada.

Aquí hay otro ángulo. Una ventaja del freehub es que la rueda dentada se puede mover fácilmente hacia adentro o hacia afuera para ayudar con la alineación de la cadena. Como se muestra, este motor usa 27 bobinas y 60 imanes.

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Detalles de la tecnología aburrida

“…Estará conectado en Y con las placas del estator en serie. Ponerlos en paralelo sería muy malo… El vidrio acrílico puede tomar una temperatura muy alta. Dejé caer gotas de soldadura en él y
tuvo una llama desnuda tocándolo por un corto tiempo (para el material de encogimiento del cable) pero eso no lo afectó en absoluto… A 1000 rpm debería entregar alrededor de 2000 W de potencia de salida mecánica… no hay cogging. Funciona suave y fácilmente como una rueda de bicicleta… Hago funcionar este motor con un controlador de onda sinusoidal y se comporta perfectamente. El motor tiene bastante inductancia, si no recuerdo mal unos 20uH por bobina y cada fase tiene 9 bobinas en serie…desde 1500 rpm y 2,3 kW de potencia mecánica, internet dice que son 14,6 Nm de par…

Como nota final, puede usar esta configuración para hacer un motor de un solo estator con dos rotores, que sería de aproximadamente 800 W a 60 V, o… un motor de cuatro rotores de doble estator para aproximadamente 1600 W a 60 V.

Si agregara núcleos de acero a las bobinas, el motor resultante sería más denso en potencia, pero también tendría un tipo de arrastre llamado «cogging» y también produciría más calor residual. Las motocicletas Zero hicieron esto durante un tiempo y utilizaron un solo rotor central de doble cara, con estatores exteriores a cada lado, lo que permitía una mejor refrigeración por aire, como el motor Zero/Motenergy ME0913. Aquí hay fotos detalladas de la versión de un solo estator/un solo rotor.

La versión de tamaño completo que se muestra en este artículo (tres estatores/seis rotores, cuatro de ellos de doble cara para que parezcan cuatro rotores) proporciona 2300 W a 60 V, que también serían aproximadamente 2000 W con mi voltaje de bicicleta eléctrica favorito de 52 V/14 S.

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Enlaces

La discusión sobre la construcción del motor de 2300W (Haga clic aquí)

La discusión del prototipo de «pico» de 250W / 1000W (Haga clic aquí)

Cabalgando durante un año en el prototipo de 250 W (Haga clic aquí)

Canal de Youtube de Lebowski (Click aquí)

Discusión del controlador FOC de onda sinusoidal DIY de Lebowski (Haga clic aquí)

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Escrito por Ron/spinningmagnets, junio de 2023