أبلغ IEEE SPECTRUM مؤخرًا عن نزوة مهندس.

محرك التدفق المحوري باستخدام لفائف PCB كملف كهرومغناطيسي

كل طبقة من المحرك مطبوعة الدارة الكهربائية تحتوي اللوحة على مجموعة من الملفات ، والتي يتم تكديسها وتوصيلها ببعضها البعض لتشكيل أثر مستمر.

في البداية ، أردت فقط صنع طائرة بدون طيار صغيرة جدًا. لكن سرعان ما أدركت أنه في التصميم ، هناك عامل مقيد ، وهو حجم ووزن المحرك. حتى المحرك الصغير لا يزال جهازًا منفصلاً ويحتاج إلى توصيله بجميع المكونات الإلكترونية والمكونات الهيكلية الأخرى. لذلك بدأت أتساءل عما إذا كانت هناك طريقة لدمج هذه المكونات وتقليل بعض الجودة.

مصدر إلهامي هو كيفية استخدام بعض أنظمة الراديو لهوائيات مصنوعة من آثار نحاسية مطبوعة الدارة الكهربائية مجلس (ثنائي الفينيل متعدد الكلور). هل يمكن استخدام شيء مشابه لإنشاء مجال مغناطيسي قوي بما يكفي لقيادة المحرك؟ قررت معرفة ما إذا كان من الممكن استخدام ملفات كهرومغناطيسية مصنوعة من آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور لصنع محرك تدفق محوري. في محرك التدفق المحوري ، يتم تثبيت الملفات الكهرومغناطيسية التي تشكل الجزء الثابت للمحرك بالتوازي مع الدوار على شكل قرص. يتم تضمين المغناطيس الدائم في قرص الدوار. يتم تشغيل ملف الجزء الثابت عن طريق التيار المتردد لتدوير الجزء المتحرك.

التحدي الأول هو التأكد من أنني أستطيع إنشاء تدفق مغناطيسي كافٍ لتشغيل الدوار. إن تصميم مسار ملف حلزوني مسطح والسماح للتيار بالتدفق خلاله أمر بسيط للغاية ، لكنني حددت قطر محركي إلى 16 مم بحيث يكون قطر المحرك بأكمله مشابهًا لأصغر محرك بدون فرش مكتمل. 16 مم يعني أنه يمكنني فقط تثبيت ما مجموعه 6 ملفات تحت القرص الدوار ، مع حوالي 10 لفات على كل لولب. لا تكفي عشر دورات لتوليد مجال مغناطيسي كبير بما يكفي ، ولكن في الوقت الحاضر من السهل صنع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات. من خلال الطباعة في ملفات مكدسة (مع ملفات على كل طبقة من الطبقات الأربع) ، يمكنني الحصول على 40 لفة لكل ملف ، وهو ما يكفي لتدوير الدوار.

مع تقدم التصميم ، ظهرت مشكلة أكبر. من أجل الحفاظ على دوران المحرك ، من الضروري مزامنة المجال المغناطيسي المتغير ديناميكيًا بين الدوار والجزء الثابت. في محرك كهربائي نموذجي مدفوع بالتيار المتردد ، يحدث هذا التزامن بشكل طبيعي بسبب ترتيب الفرشاة التي تربط الجزء الثابت والدوار. في المحرك الذي لا يحتوي على فرش ، ما نحتاجه هو دائرة تحكم تنفذ نظام تغذية مرتدة.

على اليسار: لوحة الدوائر المطبوعة ذات الأربع طبقات المكتملة. الصورة الوسطى: يتم تطبيق نبضات على هذه الملفات لتشغيل دوار مطبوع ثلاثي الأبعاد بمغناطيس دائم مدمج.

يمينًا: بالرغم من أن محرك ثنائي الفينيل متعدد الكلور ليس بنفس قوة المحرك التقليدي الذي لا يحتوي على فرش ، إلا أنه أرخص وأخف وزنًا.

في محرك بدون فرش صنعته من قبل ، قمت بقياس EMF الخلفي كتغذية مرتدة للتحكم في السرعة. سبب EMF الخلفي هو أن المحرك الدوار يشبه مولدًا صغيرًا ، يولد a الجهد االكهربى عكس الجهد االكهربى تستخدم لقيادة المحرك في ملف الجزء الثابت. يمكن أن يوفر تحريض القوة الدافعة الخلفية معلومات تغذية مرتدة حول الطريقة التي يدور بها الدوار ويسمح لدائرة التحكم بمزامنة الملفات. ولكن في محرك ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، فإن EMF الخلفي ضعيف جدًا بحيث لا يمكن استخدامه. تحقيقا لهذه الغاية ، قمت بتثبيت تأثير هول مدخل بطاقة الذاكرة : نعم ، والتي يمكنها قياس التغير في المجال المغناطيسي مباشرةً لقياس سرعة الدوار ومغناطيسه الدائم الذي يدور فوق المستشعر. ثم يتم إدخال هذه المعلومات في دائرة التحكم في المحرك.

لصنع الدوار نفسه ، التفت إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد. في البداية ، صنعت دوارًا ، قمت بتثبيته على عمود معدني منفصل ، ولكن بعد ذلك بدأت في طباعة العمود المفاجئ كجزء لا يتجزأ من الدوار. هذا يبسط المكونات المادية إلى الدوار فقط ، وأربعة مغناطيسات دائمة ، ومحمل ، وثنائي الفينيل متعدد الكلور الذي يوفر الملفات والدعم الهيكلي.

سرعان ما حصلت على أول محرك كهربائي. أظهرت الاختبارات أنه يمكن أن يولد عزم دوران ثابتًا بمقدار 0.9 جم سم. لم يكن هذا كافيًا لتحقيق هدفي الأصلي المتمثل في تصنيع محرك مدمج في طائرة بدون طيار ، لكنني أدركت أنه لا يزال من الممكن استخدام هذا المحرك لدفع عجلة روبوت صغيرة ورخيصة على الأرض باستخدام عجلات ، لذلك أصررت على البحث (المحرك عادة أحد أغلى أجزاء الروبوت). يمكن أن يعمل هذا المحرك المطبوع بجهد من 3.5 إلى 7 فولت ، على الرغم من أنه سوف يسخن بشكل كبير عند الفولتية العالية. عند 5 فولت ، تكون درجة حرارة التشغيل 70 درجة مئوية ، والتي لا تزال قابلة للتحكم. يستمد ما يقرب من 250 مللي أمبير من التيار.

في الوقت الحالي، أعمل بجد لزيادة عزم دوران المحرك (يمكنك متابعة تقدم البحث الذي أواصل نشره على Hackaday https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor). ومن خلال إضافة صفيحة من الفريت إلى الجزء الخلفي من ملف الجزء الثابت لاحتواء خطوط المجال المغناطيسي للملف، يمكنني تقريبًا مضاعفة عزم الدوران. أعمل أيضًا على تصميم نماذج أولية أخرى بتكوينات مختلفة للملفات والمزيد من ملفات الجزء الثابت. وبالإضافة إلى ذلك، لقد كنت أحاول استخدام نفس الشيء التكنلوجيا لبناء قضيب دفع كهربائي ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكنه تشغيل شريط تمرير مطبوع ثلاثي الأبعاد للانزلاق على صف مكون من 3 ملفًا. أقوم أيضًا باختبار نموذج أولي مرن لثنائي الفينيل متعدد الكلور يستخدم نفس الملف المطبوع لأداء المحرك الكهرومغناطيسي. هدفي هو - حتى لو كنت لا أزال غير قادر على صنع طائرة صغيرة بدون طيار يمكنها التحليق في السماء - أن أبدأ في صنع روبوتات ذات هياكل ميكانيكية أصغر وأبسط من الروبوتات الموجودة.

تم نشر هذه المقالة في عدد سبتمبر 2018 من IEEE SPECTRUM ، بعنوان "المحرك القابل للطباعة".