IEEE SPECTRUM เพิ่งรายงานเกี่ยวกับความรวดเร็วของวิศวกร

มอเตอร์แกนฟลักซ์ที่ใช้ขดลวด PCB เป็นขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า

พิมพ์มอเตอร์แต่ละชั้น วงจรไฟฟ้า บอร์ดมีชุดคอยล์ซึ่งวางซ้อนกันและเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างรอยต่อแบบต่อเนื่อง

ในตอนแรกฉันแค่อยากจะทำโดรนขนาดเล็กมาก แต่ไม่นานก็รู้ว่าในการออกแบบ มีปัจจัยจำกัด นั่นคือขนาดและน้ำหนักของมอเตอร์ แม้แต่มอเตอร์ขนาดเล็กก็ยังเป็นอุปกรณ์แยกส่วนและจำเป็นต้องเชื่อมต่อกับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบโครงสร้างอื่นๆ ทั้งหมด ดังนั้นฉันจึงเริ่มสงสัยว่ามีวิธีการรวมส่วนประกอบเหล่านี้และลดคุณภาพหรือไม่

แรงบันดาลใจของฉันมาจากการที่ระบบวิทยุบางระบบใช้เสาอากาศที่ทำจากร่องรอยทองแดงบนสิ่งพิมพ์ วงจรไฟฟ้า บอร์ด (PCB) สามารถใช้สิ่งที่คล้ายกันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงพอที่จะขับเคลื่อนมอเตอร์ได้หรือไม่? ฉันตัดสินใจดูว่าเป็นไปได้ไหมที่จะใช้ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำจากรอย PCB เพื่อสร้างมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน ในมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างสเตเตอร์ของมอเตอร์จะถูกติดตั้งขนานกับโรเตอร์รูปจาน แม่เหล็กถาวรฝังอยู่ในดิสก์ของโรเตอร์ ขดลวดสเตเตอร์ขับเคลื่อนด้วยกระแสสลับเพื่อหมุนโรเตอร์

ความท้าทายแรกคือต้องแน่ใจว่าฉันสามารถสร้างฟลักซ์แม่เหล็กได้มากพอที่จะหมุนโรเตอร์ การออกแบบขดลวดเกลียวแบนและปล่อยให้กระแสไหลผ่านนั้นง่ายมาก แต่ฉันจำกัดเส้นผ่านศูนย์กลางของมอเตอร์ไว้ที่ 16 มม. เพื่อให้เส้นผ่านศูนย์กลางของมอเตอร์ทั้งหมดเทียบได้กับมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่เล็กที่สุดเสร็จแล้ว 16 มม. หมายความว่าฉันสามารถติดตั้งคอยล์ได้ทั้งหมด 6 คอยส์ใต้จานโรเตอร์ โดยแต่ละเกลียวจะหมุนประมาณ 10 รอบ สิบรอบไม่เพียงพอที่จะสร้างสนามแม่เหล็กที่ใหญ่พอ แต่ทุกวันนี้มันง่ายที่จะสร้าง PCB หลายชั้น โดยการพิมพ์เป็นขดลวดแบบเรียงซ้อน (มีคอยส์บนแต่ละชั้นจากสี่ชั้น) ฉันจะได้รับ 40 รอบสำหรับแต่ละม้วน ซึ่งเพียงพอที่จะหมุนโรเตอร์

เมื่อการออกแบบก้าวไปข้างหน้า ปัญหาใหญ่ก็เกิดขึ้น เพื่อให้มอเตอร์หมุนได้ จำเป็นต้องซิงโครไนซ์สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ ในมอเตอร์ไฟฟ้าทั่วไปที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสสลับ การซิงโครไนซ์นี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติเนื่องจากการจัดเรียงของแปรงที่เชื่อมสเตเตอร์และโรเตอร์ ในมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่าน สิ่งที่จำเป็นคือวงจรควบคุมที่ใช้ระบบป้อนกลับ

ซ้าย: แผงวงจรพิมพ์สี่ชั้นที่เสร็จสมบูรณ์ ภาพกลาง: พัลส์ถูกนำไปใช้กับคอยส์เหล่านี้เพื่อขับเคลื่อนโรเตอร์ที่พิมพ์ 3 มิติพร้อมแม่เหล็กถาวรที่ฝังอยู่

ขวา: แม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่านแบบดั้งเดิม แต่ PCB ก็มีราคาถูกกว่าและเบากว่า

ในการขับเคลื่อนมอเตอร์แบบไม่มีแปรงที่ฉันทำมาก่อน ฉันวัด EMF ด้านหลังเป็นข้อมูลย้อนกลับเพื่อควบคุมความเร็ว สาเหตุของ back-EMF คือ มอเตอร์ที่หมุนได้เหมือนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กสร้าง a แรงดันไฟฟ้า ตรงข้ามกับ แรงดันไฟฟ้า ใช้ขับมอเตอร์ในขดลวดสเตเตอร์ การเหนี่ยวนำของแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านหลังสามารถให้ข้อมูลป้อนกลับเกี่ยวกับวิธีการหมุนของโรเตอร์และทำให้วงจรควบคุมประสานขดลวดได้ แต่ในมอเตอร์ PCB ของฉัน EMF ด้านหลังอ่อนเกินไปที่จะใช้ เพื่อจุดประสงค์นี้ ฉันจึงติดตั้งเอฟเฟกต์ฮอลล์ เซ็นเซอร์ซึ่งสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กได้โดยตรงเพื่อวัดความเร็วของโรเตอร์และแม่เหล็กถาวรที่หมุนอยู่เหนือเซ็นเซอร์ ข้อมูลนี้จะถูกป้อนเข้าสู่วงจรควบคุมมอเตอร์

ในการสร้างโรเตอร์เอง ฉันหันไปใช้การพิมพ์ 3 มิติ ตอนแรก ฉันสร้างโรเตอร์ ซึ่งฉันติดตั้งบนก้านโลหะแยกต่างหาก แต่จากนั้น ฉันก็เริ่มพิมพ์ก้านสแน็ปเป็นส่วนประกอบสำคัญของโรเตอร์ สิ่งนี้ทำให้ส่วนประกอบทางกายภาพง่ายขึ้นเหลือเพียงโรเตอร์ แม่เหล็กถาวรสี่ตัว ตลับลูกปืน และ PCB ที่ให้คอยล์และรองรับโครงสร้าง

ฉันได้มอเตอร์ไฟฟ้าตัวแรกอย่างรวดเร็ว การทดสอบพบว่าสามารถสร้างแรงบิดคงที่ 0.9 g cm. ยังไม่เพียงพอที่จะบรรลุเป้าหมายเดิมของฉันในการผลิตมอเตอร์ที่รวมเข้ากับโดรน แต่ฉันตระหนักว่ามอเตอร์นี้ยังคงสามารถนำมาใช้ขับเคลื่อนล้อหุ่นยนต์ขนาดเล็กและราคาถูกได้บนพื้นด้วยล้อ ดังนั้นฉันจึงยืนยันที่จะทำการวิจัย (โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ หนึ่งในชิ้นส่วนที่แพงที่สุดในหุ่นยนต์) มอเตอร์ที่พิมพ์ออกมานี้สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้า 3.5 ถึง 7 โวลต์ แม้ว่าจะร้อนขึ้นอย่างมากที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นก็ตาม ที่ 5 V อุณหภูมิในการทำงานอยู่ที่ 70°C ซึ่งยังคงสามารถควบคุมได้ ดึงกระแสประมาณ 250 mA

ปัจจุบันผมทำงานอย่างหนักเพื่อเพิ่มแรงบิดของมอเตอร์ (สามารถติดตามผลการวิจัยที่ผมเผยแพร่ต่อไปใน Hackaday https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor) การเพิ่มแผ่นเฟอร์ไรต์ที่ด้านหลังของขดลวดสเตเตอร์เพื่อให้มีเส้นสนามแม่เหล็กของขดลวด ผมสามารถเพิ่มแรงบิดได้เกือบสองเท่า ฉันยังทำงานเพื่อออกแบบต้นแบบอื่นๆ ที่มีการกำหนดค่าการพันที่แตกต่างกันและขดลวดสเตเตอร์มากขึ้น นอกจากนี้ผมเองก็ได้ลองใช้มาเหมือนกัน เทคโนโลยี เพื่อสร้างก้านกระทุ้งไฟฟ้า PCB ที่สามารถขับเคลื่อนแถบเลื่อนที่พิมพ์แบบ 3 มิติเพื่อเลื่อนไปบนแถวที่มีขดลวด 12 ม้วน นอกจากนี้ ฉันกำลังทดสอบต้นแบบ PCB ที่ยืดหยุ่นซึ่งใช้ขดลวดพิมพ์เดียวกันเพื่อขับเคลื่อนไดรฟ์แม่เหล็กไฟฟ้า เป้าหมายของฉันคือ แม้ว่าฉันจะยังไม่สามารถสร้างโดรนขนาดเล็กที่สามารถบินขึ้นไปบนท้องฟ้าได้ แต่ให้เริ่มสร้างหุ่นยนต์ที่มีโครงสร้างทางกลที่เล็กกว่าและเรียบง่ายกว่าหุ่นยนต์ที่มีอยู่

บทความนี้เผยแพร่ใน IEEE SPECTRUM ฉบับเดือนกันยายน 2018 เรื่อง “The Printable Motor”