IEEE SPECTRUM 最近報道了一名工程師的奇思妙想。

 

使用 PCB 繞線作為電磁線圈的軸向磁通電動機

 

電動機印制電路板的每一層都有一組線圈，它們堆疊在一起并互相連接以形成連續(xù)的跡線。

一開始只是想做一架非常小的無人機。但很快意識到，在設(shè)計中，有一個制約因素，那就是馬達的體積和重量。即使是小電動機也仍然是分立的裝置，需要連接到所有其他電子元件和結(jié)構(gòu)元件上去。所以開始想知道是否有辦法合并這些元件并減輕一些質(zhì)量。

 

我的靈感來自于一些無線電系統(tǒng)如何使用由印制電路板（PCB）上的銅跡線制成的天線。可以使用類似的東西來制造足夠強大的磁場來驅(qū)動電動機嗎？我決定看看是否可以使用由 PCB 跡線制成的電磁線圈來制造軸向磁通電動機。在軸向磁通電動機中，形成電動機定子的電磁線圈平行于圓盤形轉(zhuǎn)子安裝。永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的圓盤中。用交流電驅(qū)動定子線圈使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

 

第一個挑戰(zhàn)是確保我能夠創(chuàng)造出足夠的磁通量來轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。設(shè)計一個扁平的螺旋線圈跡線并讓電流流過它是很簡單的，但是我將我的電動機的直徑限制在 16 毫米，以使整個電動機的直徑可與最小的成品無刷電動機的相媲美。16 毫米意味著我只能在轉(zhuǎn)子圓盤的下面總共安裝 6 個線圈，每個螺旋上安裝大約 10 匝。十匝不足以產(chǎn)生足夠大的磁場，但是如今很容易制作出多層的 PCB。通過打印成堆疊的線圈（四層的每一層上都有線圈），我可以讓每一線圈獲得 40 匝，足以轉(zhuǎn)動一個轉(zhuǎn)子。

 

隨著設(shè)計的向前推進，一個更大的問題出現(xiàn)了。為了保持電動機的旋轉(zhuǎn)，必須使轉(zhuǎn)子和定子之間動態(tài)變化的磁場同步。在由交流電驅(qū)動的典型電動機中，由于橋接起定子和轉(zhuǎn)子的電刷的排列，這種同步自然就產(chǎn)生了。在無刷電動機中，需要的是實現(xiàn)反饋系統(tǒng)的控制電路。

 

左圖：完成的四層印制電路板。中圖：對這些線圈施加脈沖，驅(qū)動 3D 打印出來的帶有嵌入式永磁體的轉(zhuǎn)子。

右圖：雖然沒有傳統(tǒng)的無刷電動機那么強大，但 PCB 更便宜、更輕。

 

在我以前制造的一個無刷電動機驅(qū)動器中，我測量了作為反饋來控制速度的反電動勢。反電動勢產(chǎn)生的原因是旋轉(zhuǎn)的電動機就像一個小發(fā)電機，在定子線圈中產(chǎn)生與用于驅(qū)動電動機的電壓相反的電壓。對反電動勢進行感應(yīng)，可以提供有關(guān)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方式的反饋信息，并讓控制電路使線圈同步。但在我的 PCB 電動機中，反電動勢太弱而無法使用。為此，我安裝了霍爾效應(yīng)傳感器，它可以直接測量磁場的變化以測量轉(zhuǎn)子及其永磁體在傳感器上方旋轉(zhuǎn)的速度。隨后這些信息被輸入到電動機控制電路中。

 

為了制造轉(zhuǎn)子本身，我轉(zhuǎn)向了 3D 打印。起初，我制作了一個轉(zhuǎn)子，我安裝在一個單獨的金屬軸上，但后來我開始將卡扣軸作為轉(zhuǎn)子的一個組成部分進行打印。這將物理組件簡化為了只有轉(zhuǎn)子、四個永磁體、一個軸承以及提供線圈和結(jié)構(gòu)支撐的 PCB。

 

我很快就得到了我的第一臺電動機。測試表明它能產(chǎn)生 0.9 克厘米的靜態(tài)扭矩。這不足以滿足我最初的制造一個集成進無人機的電動機的目標，但我意識到這個電動機仍然可以用來推動小型廉價的機器人輪子上用輪子沿著地面前進，所以我堅持進行研究（電動機通常是機器人身上最昂貴的部件之一）。這一印制電動機可以在 3.5 到 7 伏的電壓下工作，盡管它在較高的電壓下會明顯升溫。在 5 V 時，其工作溫度為 70°C，這仍然是可控的。它吸收大約 250 毫安電流。

 

目前，我一直在努力增加電動機的扭矩（你可以關(guān)注我在 Hackaday 上持續(xù)發(fā)布的研究進展信息 https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor）。通過在定子線圈的背面添加鐵氧體片來包含線圈的磁場線，我?guī)缀蹩梢允古ぞ乇对?。我還在研究設(shè)計具有不同繞組配置和更多定子線圈的其他原型。此外，我一直在努力使用相同的技術(shù)來構(gòu)建一個 PCB 電動推桿，它可以驅(qū)動一個 3d 打印出來的滑塊在一排 12 個線圈上滑動。而且，我正在測試一個柔性 PCB 原型，它使用相同的印制線圈來執(zhí)行電磁驅(qū)動。我的目標是——即使我還不能制造出能飛上天空的小無人機——開始制造具有比現(xiàn)有機器人更小更簡單的機械構(gòu)造的機器人。

 

 
 

 

 

 

 

本文刊登在 2018 年 9 月期的印刷版 IEEE SPECTRUM 上，題為“The Printable Motor”。