IEEE SPECTRUMは最近、エンジニアの気まぐれについて報告しました。

PCB巻線を電磁コイルとして使用する軸方向磁束モーター

印刷されたモーターの各層 回路 ボードにはコイルのセットがあり、それらは積み重ねられて互いに接続され、連続したトレースを形成します。

当初、私は非常に小さなドローンを作りたかっただけです。 しかしすぐに、設計には制限要因、つまりモーターのサイズと重量があることに気づきました。 小さなモーターでもディスクリートデバイスであり、他のすべての電子部品や構造部品に接続する必要があります。 そこで、これらのコンポーネントを組み合わせて品質を下げる方法があるかどうか疑問に思い始めました。

私のインスピレーションは、一部の無線システムが印刷された銅配線から作られたアンテナをどのように使用しているかということから来ています。 回路 ボード（PCB）。 同様のものを使用して、モーターを駆動するのに十分な強力な磁場を生成できますか? 私は、PCB パターンで作られた電磁コイルを使用してアキシャル磁束モーターを作成できるかどうかを確認することにしました。 アキシャルフラックスモータでは、モータのステータを構成する電磁コイルが円盤状のロータと平行に設置されます。 永久磁石はローターのディスクに埋め込まれています。 ステータコイルは交流によって駆動され、ロータを回転させます。

最初の課題は、ローターを回転させるのに十分な磁束を確実に生成できるようにすることです。 平坦なスパイラル コイル トレースを設計してそこに電流を流すのは非常に簡単ですが、モーター全体の直径が完成した最小のブラシレス モーターの直径と同等になるように、モーターの直径を 16 mm に制限しました。 16 mm ということは、ローター ディスクの下に合計 6 個のコイルしか取り付けられず、各スパイラルに約 10 回巻くことになります。 40 ターンでは十分な大きさの磁場を生成するには不十分ですが、今日では多層 PCB を簡単に作成できます。 積層コイル (XNUMX つの層のそれぞれにコイルを配置) に印刷すると、各コイルで XNUMX 回の巻き数を得ることができ、これはローターを回転させるのに十分な量です。

設計が進むにつれて、より大きな問題が発生しました。 モーターを回転させ続けるためには、回転子と固定子の間で動的に変化する磁場を同期させる必要があります。 交流で駆動される典型的な電気モーターでは、この同期は、固定子と回転子を橋渡しするブラシの配置により自然に発生します。 ブラシレスモーターで必要なのは、フィードバックシステムを実装する制御回路です。

左：完成した3層プリント基板。 中央の画像：パルスがこれらのコイルに適用され、永久磁石が埋め込まれたXNUMXDプリントローターを駆動します。

右：従来のブラシレスモーターほど強力ではありませんが、PCBは安価で軽量です。

以前に作成したブラシレスモータードライブでは、速度を制御するためのフィードバックとして逆起電力を測定しました。 逆起電力の理由は、回転モーターが小さな発電機のようなものであり、 電圧 の反対側 電圧 ステーターコイル内のモーターを駆動するために使用されます。 逆起電力の誘導により、ローターの回転方法に関するフィードバック情報が提供され、制御回路がコイルを同期できるようになります。 しかし、私の PCB モーターでは逆起電力が弱すぎて使用できません。 この目的のために、ホール効果を取り付けました センサー、磁場の変化を直接測定して、センサーの上で回転するローターとその永久磁石の速度を測定できます。 この情報は、モーター制御回路に入力されます。

ローター自体を作るために、私は3Dプリントに目を向けました。 最初は別の金属シャフトに取り付けたローターを作りましたが、その後、ローターの一体部分としてスナップシャフトを印刷し始めました。 これにより、物理コンポーネントがローター、XNUMXつの永久磁石、ベアリング、およびコイルと構造サポートを提供するPCBのみに簡素化されます。

私はすぐに最初の電気モーターを手に入れました。 テストでは、0.9 gcmの静的トルクを生成できることが示されています。 ドローンに組み込まれたモーターを製造するという当初の目標を達成するには不十分でしたが、このモーターを使用して、小型で安価なロボットホイールを車輪と一緒に地面に沿って推進できることに気づき、研究を続けました（モーター通常ロボットで最も高価な部品の3.5つ）。 このプリントモーターは、7〜5ボルトの電圧で動作できますが、より高い電圧では大幅に熱くなります。 70 Vでは、その動作温度は250°Cであり、それでも制御可能です。 約XNUMXmAの電流が流れます。

現在、私はモーターのトルクを増やすために懸命に取り組んでいます (Hackaday で公開し続けている研究の進捗状況は https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor でご覧いただけます)。 ステーター コイルの背面にフェライト シートを追加してコイルの磁力線を封じ込めることで、トルクをほぼ XNUMX 倍にすることができます。 また、異なる巻線構成とより多くのステーター コイルを備えた他のプロトタイプの設計にも取り組んでいます。 さらに、私は同じものを使用しようとしています テクノロジー 3D プリントされたスライダーを 12 個のコイルの列上でスライドさせることができる PCB 電動プッシュ ロッドを構築します。 また、同じプリントコイルを使用して電磁駆動を実行するフレキシブル PCB のプロトタイプをテストしています。 私の目標は、空を飛べる小型ドローンはまだ作れないとしても、既存のロボットよりも小型で機械構造がシンプルなロボットを作り始めることです。

この記事は、IEEESPECTRUMの2018年XNUMX月号に「ThePrintableMotor」というタイトルで掲載されました。