IEEE SPECTRUM недавно сообщил о прихоти инженера.

Двигатель с осевым потоком, использующий обмотку печатной платы в качестве электромагнитной катушки

Каждый слой мотора напечатан схема На плате есть набор катушек, которые уложены друг на друга и соединены друг с другом, образуя непрерывный след.

Вначале я просто хотел сделать очень маленький дрон. Но вскоре понял, что в конструкции есть ограничивающий фактор, это размер и вес мотора. Даже небольшой двигатель по-прежнему представляет собой дискретное устройство, и его необходимо подключать ко всем другим электронным компонентам и структурным компонентам. Поэтому я начал задаваться вопросом, есть ли способ объединить эти компоненты и снизить качество.

Меня вдохновило то, как в некоторых радиосистемах используются антенны, сделанные из медных дорожек на печатной плате. схема плата (печатная плата). Можно ли использовать что-то подобное для создания достаточно сильного магнитного поля для привода двигателя? Я решил посмотреть, можно ли использовать электромагнитные катушки, сделанные из дорожек печатных плат, для создания двигателя с осевым потоком. В двигателе с осевым потоком электромагнитные катушки, образующие статор двигателя, установлены параллельно дискообразному ротору. Постоянные магниты встроены в диск ротора. Катушка статора приводится в действие переменным током, который вращает ротор.

Первая задача - убедиться, что я могу создать достаточно магнитного потока для вращения ротора. Спроектировать плоскую спиральную катушку и пропустить через нее ток очень просто, но я ограничил диаметр моего двигателя до 16 мм, чтобы диаметр всего двигателя был сопоставим с диаметром самого маленького законченного бесщеточного двигателя. 16 мм означает, что я могу установить всего 6 катушек под диск ротора, примерно по 10 витков на каждую спираль. Десяти витков недостаточно для создания достаточно большого магнитного поля, но в настоящее время легко сделать многослойные печатные платы. Печатая в уложенных друг на друга катушках (с катушками на каждом из четырех слоев), я могу получить 40 витков для каждой катушки, чего достаточно, чтобы повернуть ротор.

По мере развития дизайна возникла более серьезная проблема. Чтобы двигатель оставался вращающимся, необходимо синхронизировать динамически изменяющееся магнитное поле между ротором и статором. В типичном электродвигателе, приводимом в действие переменным током, эта синхронизация происходит естественным образом из-за расположения щеток, соединяющих статор и ротор. В бесщеточном двигателе необходима схема управления, реализующая систему обратной связи.

Слева: готовая четырехслойная печатная плата. Среднее изображение: к этим катушкам прикладываются импульсы для привода ротора, напечатанного на 3D-принтере, со встроенными постоянными магнитами.

Справа: печатная плата, хотя и не такая мощная, как традиционный бесщеточный двигатель, дешевле и легче.

В бесщеточном двигателе, который я делал раньше, я измерял обратную ЭДС как обратную связь для управления скоростью. Причина возникновения обратной ЭДС в том, что вращающийся двигатель похож на небольшой генератор, генерирующий напряжение напротив напряжение используется для привода двигателя в обмотке статора. Индукция обратной электродвижущей силы может предоставить информацию обратной связи о том, как вращается ротор, и позволить схеме управления синхронизировать катушки. Но в моем двигателе на печатной плате обратная ЭДС слишком слаба для использования. Для этого я установил эффект Холла. датчик, который может напрямую измерять изменение магнитного поля для измерения скорости ротора и его постоянных магнитов, вращающихся над датчиком. Затем эта информация вводится в схему управления двигателем.

Чтобы сделать сам ротор, я обратился к 3D-печати. Сначала я сделал ротор, который установил на отдельный металлический вал, но потом начал печатать вал с защелкой как неотъемлемую часть ротора. Это упрощает физические компоненты до ротора, четырех постоянных магнитов, подшипника и печатной платы, которая обеспечивает катушки и структурную опору.

Я быстро получил свой первый электродвигатель. Испытания показали, что он может создавать статический крутящий момент 0.9 г / см. Этого было недостаточно для достижения моей первоначальной цели по производству двигателя, интегрированного в дрон, но я понял, что этот двигатель все еще можно использовать для перемещения небольшого и дешевого робота-колеса по земле с колесами, поэтому я настоял на исследовании (обычно двигатель одна из самых дорогих запчастей на роботе). Этот печатный двигатель может работать при напряжении от 3.5 до 7 вольт, хотя при более высоких напряжениях он значительно нагревается. При 5 В его рабочая температура составляет 70 ° C, что еще можно регулировать. Он потребляет около 250 мА тока.

В настоящее время я усердно работаю над увеличением крутящего момента двигателя (вы можете следить за ходом исследований, которые я продолжаю публиковать на Hackaday https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor). Добавив ферритовый лист к задней части катушки статора, чтобы удерживать линии магнитного поля катушки, я могу почти удвоить крутящий момент. Я также работаю над созданием других прототипов с другой конфигурацией обмоток и большим количеством катушек статора. Кроме того, я пытался использовать то же самое technology создать электрический толкатель на печатной плате, который может приводить в движение слайдер, напечатанный на 3D-принтере, по ряду из 12 катушек. Кроме того, я тестирую прототип гибкой печатной платы, в которой используется та же печатная катушка для электромагнитного привода. Моя цель — даже если я все еще не могу создать небольшой дрон, способный летать в небо, — начать создавать роботов с меньшими и простыми механическими конструкциями, чем существующие роботы.

Эта статья была опубликована в сентябрьском выпуске IEEE SPECTRUM за 2018 год под названием «Мотор для печати».