IEEE SPECTRUM 最近報(bào)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(jī)
電動機(jī)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。
我一開始只是想做一架非常小的無人機(jī)。但我很快意識到，在我的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)制約因素，那就是馬達(dá)的體積和重量。即使是小電動機(jī)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。所以我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。我可以使用類似的東西來制造足夠強(qiáng)大的磁場來驅(qū)動電動機(jī)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(jī)。在軸向磁通電動機(jī)中，形成電動機(jī)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(gè)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(jì)一個(gè)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(jī)的直徑限制在 16 毫米，以使整個(gè)電動機(jī)的直徑可與最小的成品無刷電動機(jī)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(gè)線圈，每個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)子。
隨著設(shè)計(jì)的向前推進(jìn)，一個(gè)更大的問題出現(xiàn)了。為了保持電動機(jī)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(jī)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(jī)中，需要的是實(shí)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(jī)那么強(qiáng)大，但 PCB 更便宜、更輕。
在我以前制造的一個(gè)無刷電動機(jī)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(jī)就像一個(gè)小發(fā)電機(jī)，在定子線圈中產(chǎn)生與用于驅(qū)動電動機(jī)的電壓相反的電壓。對反電動勢進(jìn)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(jī)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(jī)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(gè)轉(zhuǎn)子，我安裝在一個(gè)單獨(dú)的金屬軸上，但后來我開始將卡扣軸作為轉(zhuǎn)子的一個(gè)組成部分進(jìn)行打印。這將物理組件簡化為了只有轉(zhuǎn)子、四個(gè)永磁體、一個(gè)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(jī)。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(gè)集成進(jìn)無人機(jī)的電動機(jī)的目標(biāo)，但我意識到這個(gè)電動機(jī)仍然可以用來推動小型廉價(jià)的機(jī)器人輪子上用輪子沿著地面前進(jìn)，所以我堅(jiān)持進(jìn)行研究（電動機(jī)通常是機(jī)器人身上最昂貴的部件之一）。這一印制電動機(jī)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(shí)，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(jī)的扭矩（你可以關(guān)注我在 Hackaday 上持續(xù)發(fā)布的研究進(jìn)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)缀蹩梢允古ぞ乇对觥Ｎ疫€在研究設(shè)計(jì)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(gè) PCB 電動推桿，它可以驅(qū)動一個(gè) 3d 打印出來的滑塊在一排 12 個(gè)線圈上滑動。而且，我正在測試一個(gè)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(biāo)是——即使我還不能制造出能飛上天空的小無人機(jī)——開始制造具有比現(xiàn)有機(jī)器人更小更簡單的機(jī)械構(gòu)造的機(jī)器人。
本文刊登在 2018 年 9 月期的印刷版 IEEE SPECTRUM 上，題為“The Printable Motor”。