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(dòng)機(jī)

電動(dòng)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(kāi)始只是想做一架非常小的無(wú)人機(jī),。但我很快意識(shí)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(dòng)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(kāi)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(lái)自于一些無(wú)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(lái)制造足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(lái)制造軸向磁通電動(dòng)機(jī)。在軸向磁通電動(dòng)機(jī)中,，形成電動(dòng)機(jī)定子的電磁線圈平行于圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子安裝,。永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的圓盤(pán)中。用交流電驅(qū)動(dòng)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(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)它是很簡(jiǎn)單的，但是我將我的電動(dòng)機(jī)的直徑限制在 16 毫米,，以使整個(gè)電動(dòng)機(jī)的直徑可與最小的成品無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的相媲美,。16 毫米意味著我只能在轉(zhuǎn)子圓盤(pán)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(chǎng),，但是如今很容易制作出多層的 PCB。通過(guò)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(dòng)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(wèn)題出現(xiàn)了,。為了保持電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn),，必須使轉(zhuǎn)子和定子之間動(dòng)態(tài)變化的磁場(chǎng)同步。在由交流電驅(qū)動(dòng)的典型電動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)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(duì)這些線圈施加脈沖,，驅(qū)動(dòng) 3D 打印出來(lái)的帶有嵌入式永磁體的轉(zhuǎn)子,。

右圖：雖然沒(méi)有傳統(tǒng)的無(wú)刷電動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，我測(cè)量了作為反饋來(lái)控制速度的反電動(dòng)勢(shì),。反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓相反的電壓。對(duì)反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)中,，反電動(dòng)勢(shì)太弱而無(wú)法使用,。為此，我安裝了霍爾效應(yīng)傳感器,，它可以直接測(cè)量磁場(chǎng)的變化以測(cè)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(dòng)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(lái)我開(kāi)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(jiǎn)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(tái)電動(dòng)機(jī),。測(cè)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(wú)人機(jī)的電動(dòng)機(jī)的目標(biāo),，但我意識(shí)到這個(gè)電動(dòng)機(jī)仍然可以用來(lái)推動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(guò)在定子線圈的背面添加鐵氧體片來(lái)包含線圈的磁場(chǎng)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(lái)構(gòu)建一個(gè) PCB 電動(dòng)推桿，它可以驅(qū)動(dòng)一個(gè) 3d 打印出來(lái)的滑塊在一排 12 個(gè)線圈上滑動(dòng),。而且,，我正在測(cè)試一個(gè)柔性 PCB 原型，它使用相同的印制線圈來(lái)執(zhí)行電磁驅(qū)動(dòng),。我的目標(biāo)是——即使我還不能制造出能飛上天空的小無(wú)人機(jī)——開(kāi)始制造具有比現(xiàn)有機(jī)器人更小更簡(jiǎn)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”,。