IEEE SPECTRUM yakın zamanda bir mühendisin kaprisliliğini bildirdi.

Elektromanyetik bobin olarak PCB sargısını kullanan eksenel akılı motor

Motorun her katmanı basılmıştır devre Kartta sürekli bir iz oluşturacak şekilde istiflenmiş ve birbirine bağlanmış bir dizi bobin bulunur.

Başlangıçta çok küçük bir drone yapmak istedim. Ancak çok geçmeden tasarımda sınırlayıcı bir faktörün bulunduğunu fark etti; o da motorun boyutu ve ağırlığıydı. Küçük bir motor bile ayrı bir cihazdır ve diğer tüm elektronik bileşenlere ve yapısal bileşenlere bağlanması gerekir. Bu bileşenleri birleştirip kaliteyi düşürmenin bir yolu olup olmadığını merak etmeye başladım.

İlhamım, bazı radyo sistemlerinin basılı bir cihaz üzerinde bakır izlerinden yapılmış antenleri nasıl kullandığından geldi. devre kurulu (PCB). Benzer bir şey, bir motoru çalıştıracak kadar güçlü bir manyetik alan oluşturmak için kullanılabilir mi? Eksenel akılı motor yapmak için PCB izlerinden yapılmış elektromanyetik bobinleri kullanmanın mümkün olup olmadığını görmeye karar verdim. Eksenel akılı motorda, motorun statorunu oluşturan elektromanyetik bobinler disk şeklindeki rotora paralel olarak monte edilir. Kalıcı mıknatıslar rotorun diskine gömülüdür. Stator bobini, rotoru döndürmek için alternatif akımla tahrik edilir.

İlk zorluk, rotoru döndürmeye yetecek kadar manyetik akı yaratabildiğimden emin olmaktır. Düz bir spiral bobin izi tasarlamak ve akımın içinden akmasını sağlamak çok basittir, ancak tüm motorun çapının en küçük bitmiş fırçasız motorla karşılaştırılabilmesi için motorumun çapını 16 mm ile sınırladım. 16 mm, rotor diskinin altına her spiralde yaklaşık 6 dönüş olacak şekilde yalnızca toplam 10 bobin takabileceğim anlamına gelir. Yeterince büyük bir manyetik alan oluşturmak için on dönüş yeterli değildir, ancak günümüzde çok katmanlı PCB'ler yapmak kolaydır. Yığılmış bobinlere (dört katmanın her birinde bobinler olacak şekilde) baskı yaparak, her bobin için bir rotoru döndürmeye yetecek kadar 40 tur elde edebilirim.

Tasarım ilerledikçe daha büyük bir sorun ortaya çıktı. Motorun dönmesini sağlamak için rotor ile stator arasında dinamik olarak değişen manyetik alanın senkronize edilmesi gerekir. Alternatif akımla çalıştırılan tipik bir elektrik motorunda bu senkronizasyon, stator ile rotor arasında köprü oluşturan fırçaların düzeni nedeniyle doğal olarak gerçekleşir. Fırçasız bir motorda ihtiyaç duyulan şey, geri bildirim sistemini uygulayan bir kontrol devresidir.

Sol: Tamamlanmış dört katmanlı baskılı devre kartı. Ortadaki resim: Gömülü kalıcı mıknatıslara sahip 3D baskılı bir rotoru tahrik etmek için bu bobinlere darbeler uygulanır.

Doğru: Geleneksel fırçasız motor kadar güçlü olmasa da PCB daha ucuz ve daha hafiftir.

Daha önce yaptığım fırçasız motor sürücüsünde hızı kontrol etmek için geri besleme olarak geri EMF'yi ölçtüm. Geri EMF'nin nedeni, dönen motorun küçük bir jeneratör gibi olması ve Voltaj karşısında Voltaj Stator bobinindeki motoru sürmek için kullanılır. Geri elektromotor kuvvetinin indüksiyonu, rotorun dönme şekli hakkında geri bildirim bilgisi sağlayabilir ve kontrol devresinin bobinleri senkronize etmesine izin verebilir. Ancak PCB motorumda arka EMF kullanılamayacak kadar zayıf. Bu amaçla bir Hall efekti kurdum algılayıcıRotorun hızını ve sensörün üzerinde dönen kalıcı mıknatıslarını ölçmek için manyetik alandaki değişimi doğrudan ölçebilen. Bu bilgi daha sonra motor kontrol devresine girilir.

Rotorun kendisini yapmak için 3D baskıya yöneldim. İlk başta ayrı bir metal mil üzerine taktığım bir rotor yaptım, ancak daha sonra rotorun ayrılmaz bir parçası olarak segman milini basmaya başladım. Bu, fiziksel bileşenleri yalnızca rotor, dört kalıcı mıknatıs, bir yatak ve bobinler ve yapısal destek sağlayan bir PCB ile basitleştirir.

Kısa sürede ilk elektrik motorumu aldım. Testler, 0.9 g cm statik tork üretebildiğini göstermiştir. Bu, bir drone'a entegre edilmiş bir motor üretme yönündeki asıl hedefime ulaşmak için yeterli değildi, ancak bu motorun, küçük ve ucuz bir robot tekerleğini yerde tekerleklerle ilerletmek için hala kullanılabileceğini fark ettim, bu yüzden araştırma yapmakta ısrar ettim (motor Genellikle robotun en pahalı parçalarından biri). Bu baskılı motor 3.5 ile 7 volt arası bir voltajda çalışabiliyor ancak daha yüksek voltajlarda ciddi oranda ısınıyor. 5 V'ta çalışma sıcaklığı 70°C'dir ve bu hala kontrol edilebilir. Yaklaşık 250 mA akım çeker.

Şu anda motorun torkunu artırmak için çok çalışıyorum (yayınlamaya devam ettiğim araştırma ilerlemesini Hackaday https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor adresinden takip edebilirsiniz). Bobinin manyetik alan çizgilerini içerecek şekilde stator bobininin arkasına bir ferrit levha ekleyerek torku neredeyse iki katına çıkarabilirim. Ayrıca farklı sargı konfigürasyonlarına ve daha fazla stator bobinine sahip başka prototipler tasarlamaya çalışıyorum. Ayrıca, aynısını kullanmaya çalışıyorum teknoloji 3D baskılı kaydırıcıyı 12 bobinlik bir sıra üzerinde kaydırabilecek bir PCB elektrikli itme çubuğu oluşturmak. Ayrıca elektromanyetik sürücüyü gerçekleştirmek için aynı baskılı bobini kullanan esnek bir PCB prototipini test ediyorum. Amacım, hâlâ gökyüzüne uçabilen küçük bir drone yapamasam bile, mevcut robotlardan daha küçük ve daha basit mekanik yapılara sahip robotlar yapmaya başlamak.

Bu makale IEEE SPECTRUM'un Eylül 2018 sayısında “Yazdırılabilir Motor” başlığıyla yayımlandı.