STEM ROV製作分享 : 360簡易水下推進器製作

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本篇文章介紹如何利用360碳刷馬達與簡易的材料來製作簡易水下推進器。

這是一個成本低廉與推進動力不錯的方案。提供中小學的科學小船製作動力選擇或製作簡易ROV參考。其簡易的DIY過程讓學生體會自己動手做水下推進器的的樂趣!! 目前ROV MAKER團隊推出的伊帕內瑪水管ROV套件包也是採用這種簡易的方案。

成本的考量上,碳刷馬達價格比無刷馬達價格便宜很多。馬達控制方面,無刷馬達需要另外使用電子變速器(ESC)來控制,而碳刷馬達可以使用一般學校使用價格便宜的L298N系列馬達驅動版。

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這裡要特別注意的,碳刷馬達的扭力來自於通電後產生的反電動勢。在特定的工作電壓下,馬達的扭力是跟電流成正比。水的阻力高於空氣甚多,因此馬達在水中的耗電流往往會是空氣中耗電流的數倍甚至數十倍,以一個12000轉的碳刷馬達製作成簡易推進器後,空氣中空轉電流約0.27A,但是水中耗電流可以達到3.5A以上!!

一般做為水中推進器的馬達,其轉速都不高。您可以回憶騎單車的經驗,在平地上騎單車可以切換到高速檔,遇到爬坡通常會切換到低速檔,省力甚至省時。

針對水中推進器的特性,ROV MAKER也推出 RS-360 ENJOY 碳刷馬達,這是一款轉速約5000RPM的低速馬達,搭配水下推進器槳葉,耗電流約在1.7A/15V 與12.1A/14V左右。目前市售L298N系列的馬達驅動版工作電流約在1A-2A之間,可以挑選工作電流可達2A的L298N系列的馬達驅動版。

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水下推進器槳葉,是一款兩葉的高速船槳正反槳。正反槳的好處是可以利用兩組推進器的正反轉來達到船隻轉向省卻船舵的使用。

 

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在CFD (Computational Fluid Dynamics) 模擬中可以發現水下推進器槳葉即使在沒有推進器外罩的情況下在水中可以提供一個集中穩定的推力。

 

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碳刷馬達跟槳葉之間需要聯軸器來做連接,ROV MAKER推出鋁合金馬達傳動軸。鋁合金的好處是比黃銅更耐海水使用,其質量輕,對於碳刷馬達剛啟動的阻礙小。其一端是2.3mm孔徑可以直接套入碳刷馬達動軸。另一端是加工過的M4螺絲孔,可以透過M4螺絲將槳葉固定在聯軸器上。可使用M3x3 止付螺絲,讓聯軸器兩端的馬達與槳葉更緊密結合。

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360簡易水下推進器的防水處理基本概念,是把零錢盒當作推進器外殼,碳刷馬達放置其內。零錢盒兩端用特殊黃油填滿處裡達到防水效果。如果是一般水面或水下兩三米,這樣的防水處理是足夠的。這是網路早已流傳的簡易推進器製作方式,適合國中小學生實作並從中進入水下機器人領域。大略步驟是

  • 零錢盒兩端鑽孔
  • 365直流碳刷馬達表面有很多散熱的孔,使用絕緣膠帶封之
  • 焊接相關電線至馬達兩個電極
  • 馬達兩端塗上特殊黃油,密封零錢盒

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特殊黃油可以參考 特調黃油圈,一個特調黃油圈可以製作非常多組的360簡易水下推進器。

完整的360簡易水下推進器組裝說明,請參考下列影片

對於360簡易水下推進器製作相關零件有興趣的朋友也可以參考