IEEE SPECTRUM דיווח לאחרונה על גחמתו של מהנדס.

מנוע שטף צירי באמצעות סליל PCB כסליל אלקטרומגנטי

כל שכבה של המנוע מודפסת מעגל ללוח יש קבוצה של סלילים, אשר מוערמים ומחוברים זה לזה כדי ליצור עקבות מתמשכת.

בהתחלה רק רציתי לעשות מזל"ט קטן מאוד. אבל מהר מאוד הבין שבעיצוב, יש גורם מגביל, זה הגודל והמשקל של המנוע. אפילו מנוע קטן הוא עדיין מכשיר דיסקרטי וצריך לחבר אותו לכל שאר הרכיבים האלקטרוניים והרכיבים המבניים. אז התחלתי לתהות אם יש דרך לשלב את הרכיבים האלה ולהפחית קצת איכות.

ההשראה שלי הגיעה מהאופן שבו מערכות רדיו מסוימות משתמשות באנטנות העשויות עקבות נחושת על גבי מודפס מעגל לוח (PCB). האם ניתן להשתמש במשהו דומה כדי ליצור שדה מגנטי חזק מספיק כדי להניע מנוע? החלטתי לבדוק אם אפשר להשתמש בסלילים אלקטרומגנטיים העשויים עקבות PCB לייצור מנוע שטף צירי. במנוע שטף צירי, הסלילים האלקטרומגנטיים היוצרים את הסטטור של המנוע מותקנים במקביל לרוטור בצורת דיסק. המגנטים הקבועים משובצים בדיסק של הרוטור. סליל הסטטור מונע על ידי זרם חילופין כדי לסובב את הרוטור.

האתגר הראשון הוא להבטיח שאוכל ליצור מספיק שטף מגנטי כדי לסובב את הרוטור. עיצוב עקבות סליל ספירלה שטוחה ולתת לזרם לזרום דרכו הוא פשוט מאוד, אבל הגבלתי את קוטר המנוע שלי ל-16 מ"מ כך שהקוטר של המנוע כולו יהיה דומה לזה של המנוע ללא מברשות המוגמר הקטן ביותר. 16 מ"מ אומר שאני יכול להתקין בסך הכל רק 6 סלילים מתחת לדיסק הרוטור, עם כ-10 סיבובים על כל ספירלה. עשרה סיבובים לא מספיקים כדי ליצור שדה מגנטי גדול מספיק, אבל כיום קל לייצר PCBs רב שכבתיים. על ידי הדפסה לסלילים מוערמים (עם סלילים בכל אחת מארבע השכבות), אני יכול לקבל 40 סיבובים לכל סליל, מספיק כדי להפוך רוטור.

ככל שהעיצוב התקדם, צצה בעיה גדולה יותר. על מנת לשמור על סיבוב המנוע, יש צורך לסנכרן את השדה המגנטי המשתנה באופן דינמי בין הרוטור לסטטור. במנוע חשמלי טיפוסי המונע על ידי זרם חילופין, סנכרון זה מתרחש באופן טבעי עקב סידור המברשות שמגשרות בין הסטטור והרוטור. במנוע ללא מברשות, מה שצריך זה מעגל בקרה שמיישם מערכת משוב.

משמאל: המעגל המודפס בעל ארבע השכבות שהושלם. תמונה אמצעית: פולסים מופעלים על סלילים אלה כדי להניע רוטור מודפס בתלת מימד עם מגנטים קבועים משובצים.

מימין: למרות שאינו חזק כמו מנוע מסורתי ללא מברשות, ה-PCB זול וקל יותר.

בהנעת מנוע ללא מברשות שיצרתי בעבר, מדדתי את ה-EMF האחורי כמשוב כדי לשלוט במהירות. הסיבה לאחור-EMF היא שהמנוע המסתובב הוא כמו גנרטור קטן, שיוצר א מתח מול ה מתח משמש להנעת המנוע בסליל הסטטור. אינדוקציה של הכוח האלקטרו-מוטיבי האחורי יכולה לספק מידע משוב על האופן שבו הרוטור מסתובב ולאפשר למעגל הבקרה לסנכרן את הסלילים. אבל במנוע ה-PCB שלי, ה-EMF האחורי חלש מדי לשימוש. לשם כך, התקנתי אפקט הול חיישן, שיכול למדוד ישירות את השינוי בשדה המגנטי כדי למדוד את מהירות הרוטור והמגנטים הקבועים שלו המסתובבים מעל החיישן. מידע זה מוזן לאחר מכן למעגל הבקרה של המנוע.

כדי ליצור את הרוטור עצמו, פניתי להדפסת תלת מימד. בהתחלה, הכנתי רוטור, אותו התקנתי על פיר מתכת נפרד, אבל אז התחלתי להדפיס את פיר ההצמדה כחלק בלתי נפרד מהרוטור. זה מפשט את הרכיבים הפיזיים רק לרוטור, לארבעה מגנטים קבועים, למיסב ולוח PCB המספק סלילים ותמיכה מבנית.

השגתי במהירות את המנוע החשמלי הראשון שלי. בדיקות הראו שהוא יכול ליצור מומנט סטטי של 0.9 גרם ס"מ. זה לא הספיק כדי לעמוד ביעד המקורי שלי לייצר מנוע משולב ברחפן, אבל הבנתי שעדיין אפשר להשתמש במנוע הזה כדי להניע גלגל רובוט קטן וזול לאורך הקרקע עם גלגלים, אז התעקשתי לחקור (מנוע בדרך כלל אחד החלקים היקרים ביותר ברובוט). המנוע המודפס הזה יכול לפעול במתח של 3.5 עד 7 וולט, למרות שהוא יתחמם משמעותית במתחים גבוהים יותר. ב-5 V, טמפרטורת הפעולה שלו היא 70 מעלות צלזיוס, שעדיין ניתנת לשליטה. הוא שואב כ-250 mA של זרם.

נכון לעכשיו, עבדתי קשה כדי להגדיל את המומנט של המנוע (תוכלו לעקוב אחר התקדמות המחקר שאני ממשיך לפרסם ב-Hackaday https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor). על ידי הוספת יריעת פריט לחלק האחורי של סליל הסטטור כדי להכיל את קווי השדה המגנטי של הסליל, אני יכול כמעט להכפיל את המומנט. אני גם עובד על עיצוב אבות טיפוס אחרים עם תצורות פיתול שונות ועוד סלילי סטטור. בנוסף, ניסיתי להשתמש באותו טֶכנוֹלוֹגִיָה לבנות מוט דחיפה חשמלי PCB שיכול להניע מחוון מודפס בתלת מימד להחליק על שורה של 3 סלילים. כמו כן, אני בודק אב טיפוס PCB גמיש המשתמש באותו סליל מודפס לביצוע כונן אלקטרומגנטי. המטרה שלי היא - גם אם אני עדיין לא יכול ליצור מזל"ט קטן שיכול לעוף לשמים - להתחיל לייצר רובוטים עם מבנים מכניים קטנים ופשוטים יותר מרובוטים קיימים.

מאמר זה פורסם בגיליון ספטמבר 2018 של IEEE SPECTRUM, שכותרתו "המנוע להדפסה".