IEEE SPECTRUM baru-baru ini melaporkan tentang kegilaan seorang jurutera.

Motor fluks paksi menggunakan penggulungan PCB sebagai gegelung elektromagnet

Setiap lapisan motor dicetak litar papan mempunyai satu set gegelung, yang disusun dan disambungkan antara satu sama lain untuk membentuk jejak berterusan.

Pada mulanya, saya hanya mahu membuat drone yang sangat kecil. Tetapi tidak lama kemudian menyedari bahawa dalam reka bentuk, terdapat faktor pengehad, iaitu saiz dan berat motor. Walaupun motor kecil masih merupakan peranti diskret dan perlu disambungkan kepada semua komponen elektronik dan komponen struktur lain. Jadi saya mula tertanya-tanya sama ada terdapat cara untuk menggabungkan komponen ini dan mengurangkan beberapa kualiti.

Inspirasi saya datang daripada cara sesetengah sistem radio menggunakan antena yang diperbuat daripada kesan tembaga pada cetakan litar papan (PCB). Bolehkah sesuatu yang serupa digunakan untuk mencipta medan magnet yang cukup kuat untuk memacu motor? Saya memutuskan untuk melihat sama ada boleh menggunakan gegelung elektromagnet yang diperbuat daripada jejak PCB untuk membuat motor fluks paksi. Dalam motor fluks paksi, gegelung elektromagnet yang membentuk stator motor dipasang selari dengan rotor berbentuk cakera. Magnet kekal tertanam dalam cakera pemutar. Gegelung stator digerakkan oleh arus ulang alik untuk memutarkan rotor.

Cabaran pertama adalah untuk memastikan bahawa saya boleh mencipta fluks magnet yang mencukupi untuk memutar pemutar. Mereka bentuk surih gegelung lingkaran rata dan membiarkan arus mengalir melaluinya adalah sangat mudah, tetapi saya mengehadkan diameter motor saya kepada 16 mm supaya diameter keseluruhan motor adalah setanding dengan motor tanpa berus siap terkecil. 16 mm bermakna saya hanya boleh memasang sejumlah 6 gegelung di bawah cakera pemutar, dengan kira-kira 10 pusingan pada setiap lingkaran. Sepuluh pusingan tidak mencukupi untuk menjana medan magnet yang cukup besar, tetapi pada masa kini mudah untuk membuat PCB berbilang lapisan. Dengan mencetak ke dalam gegelung bertindan (dengan gegelung pada setiap empat lapisan), saya boleh mendapat 40 lilitan untuk setiap gegelung, cukup untuk memutar pemutar.

Apabila reka bentuk bergerak ke hadapan, masalah yang lebih besar muncul. Untuk memastikan motor berputar, adalah perlu untuk menyegerakkan medan magnet yang berubah secara dinamik antara pemutar dan stator. Dalam motor elektrik biasa yang digerakkan oleh arus ulang alik, penyegerakan ini berlaku secara semula jadi disebabkan oleh susunan berus yang menghubungkan stator dan rotor. Dalam motor tanpa berus, apa yang diperlukan ialah litar kawalan yang melaksanakan sistem maklum balas.

Kiri: Papan litar bercetak empat lapisan yang telah siap. Imej tengah: Denyutan digunakan pada gegelung ini untuk memacu pemutar bercetak 3D dengan magnet kekal terbenam.

Kanan: Walaupun tidak sekuat motor tanpa berus tradisional, PCB lebih murah dan ringan.

Dalam pemacu motor tanpa berus yang saya buat sebelum ini, saya mengukur EMF belakang sebagai maklum balas untuk mengawal kelajuan. Sebab untuk back-EMF ialah motor berputar adalah seperti penjana kecil, menjana a voltan bertentangan dengan voltan digunakan untuk memacu motor dalam gegelung pemegun. Aruhan daya gerak elektrik belakang boleh memberikan maklumat maklum balas tentang cara pemutar berputar dan membenarkan litar kawalan menyegerakkan gegelung. Tetapi dalam motor PCB saya, EMF belakang terlalu lemah untuk digunakan. Untuk tujuan ini, saya memasang Hall-effect sensor, yang boleh mengukur secara langsung perubahan dalam medan magnet untuk mengukur kelajuan pemutar dan magnet kekalnya berputar di atas penderia. Maklumat ini kemudiannya dimasukkan ke dalam litar kawalan motor.

Untuk membuat rotor itu sendiri, saya beralih kepada percetakan 3D. Pada mulanya, saya membuat pemutar, yang saya pasang pada aci logam yang berasingan, tetapi kemudian saya mula mencetak aci snap sebagai bahagian penting pemutar. Ini memudahkan komponen fizikal kepada hanya pemutar, empat magnet kekal, galas, dan PCB yang menyediakan gegelung dan sokongan struktur.

Saya cepat mendapat motor elektrik pertama saya. Ujian telah menunjukkan bahawa ia boleh menjana tork statik 0.9 g cm. Ini tidak mencukupi untuk memenuhi matlamat asal saya untuk menghasilkan motor yang disepadukan ke dalam dron, tetapi saya menyedari bahawa motor ini masih boleh digunakan untuk menggerakkan roda robot yang kecil dan murah di sepanjang tanah dengan roda, jadi saya berkeras untuk menyelidik (motor Biasanya salah satu bahagian paling mahal pada robot). Motor bercetak ini boleh beroperasi pada voltan 3.5 hingga 7 volt, walaupun ia akan memanaskan dengan ketara pada voltan yang lebih tinggi. Pada 5 V, suhu operasinya ialah 70°C, yang masih boleh dikawal. Ia menarik kira-kira 250 mA arus.

Pada masa ini, saya telah bekerja keras untuk meningkatkan tork motor (anda boleh mengikuti kemajuan penyelidikan yang saya teruskan menerbitkan di Hackaday https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor). Dengan menambahkan kepingan ferit ke bahagian belakang gegelung pemegun untuk mengandungi garis medan magnet gegelung, saya hampir boleh menggandakan tork. Saya juga sedang berusaha untuk mereka bentuk prototaip lain dengan konfigurasi belitan yang berbeza dan lebih banyak gegelung pemegun. Di samping itu, saya telah cuba menggunakan yang sama teknologi untuk membina rod tolak elektrik PCB yang boleh memacu peluncur bercetak 3D untuk menggelongsor pada deretan 12 gegelung. Juga, saya sedang menguji prototaip PCB fleksibel yang menggunakan gegelung bercetak yang sama untuk melakukan pemacu elektromagnet. Matlamat saya ialah-walaupun saya masih tidak boleh membuat dron kecil yang boleh terbang ke langit-mula membuat robot dengan struktur mekanikal yang lebih kecil dan ringkas daripada robot sedia ada.

Artikel ini diterbitkan dalam IEEE SPECTRUM edisi September 2018, bertajuk "Motor Boleh Cetak".