IEEE SPECTRUM gần đây đã báo cáo về tính hay thay đổi của một kỹ sư.

Động cơ thông lượng hướng trục sử dụng cuộn dây PCB làm cuộn dây điện từ

Mỗi lớp của động cơ được in mạch bo mạch có một tập hợp các cuộn dây, được xếp chồng lên nhau và kết nối với nhau để tạo thành một dấu vết liên tục.

Ban đầu, tôi chỉ muốn làm một chiếc máy bay không người lái rất nhỏ. Nhưng sớm nhận ra rằng trong thiết kế, có một yếu tố hạn chế, đó là kích thước và trọng lượng của động cơ. Ngay cả một động cơ nhỏ vẫn là một thiết bị rời rạc và cần được kết nối với tất cả các thành phần điện tử và thành phần cấu trúc khác. Vì vậy, tôi bắt đầu tự hỏi liệu có cách nào để kết hợp các thành phần này và giảm một số chất lượng.

Cảm hứng của tôi đến từ cách một số hệ thống vô tuyến sử dụng ăng-ten làm từ đồng trên một bản in mạch bảng mạch (PCB). Có thể sử dụng thứ gì đó tương tự để tạo ra từ trường đủ mạnh để điều khiển động cơ không? Tôi quyết định xem liệu có thể sử dụng cuộn dây điện từ làm bằng dấu vết PCB để tạo động cơ từ thông hướng trục hay không. Trong động cơ từ thông hướng trục, các cuộn dây điện từ tạo thành stato của động cơ được lắp song song với rôto hình đĩa. Các nam châm vĩnh cửu được nhúng trong đĩa của rôto. Cuộn dây stato được điều khiển bởi dòng điện xoay chiều để quay rôto.

Thử thách đầu tiên là đảm bảo rằng tôi có thể tạo ra đủ từ thông để làm quay rôto. Thiết kế một dấu vết cuộn xoắn phẳng và cho dòng điện chạy qua nó rất đơn giản, nhưng tôi đã giới hạn đường kính của động cơ ở mức 16 mm để đường kính của toàn bộ động cơ có thể so sánh với đường kính của động cơ không chổi than nhỏ nhất. 16 mm có nghĩa là tôi chỉ có thể lắp tổng cộng 6 cuộn dây bên dưới đĩa rôto, với khoảng 10 vòng trên mỗi vòng xoắn. Mười lượt không đủ để tạo ra một từ trường đủ lớn, nhưng ngày nay người ta dễ dàng tạo ra PCB nhiều lớp. Bằng cách in thành các cuộn dây xếp chồng lên nhau (với các cuộn dây ở mỗi lớp trong số bốn lớp), tôi có thể nhận được 40 vòng cho mỗi cuộn, đủ để quay một rôto.

Khi thiết kế tiến lên, một vấn đề lớn hơn xuất hiện. Để động cơ luôn quay, cần phải đồng bộ từ trường biến thiên động lực giữa rôto và stato. Trong một động cơ điện điển hình được điều khiển bằng dòng điện xoay chiều, sự đồng bộ hóa này xảy ra tự nhiên do sự bố trí của các chổi than làm cầu nối giữa stato và rôto. Trong động cơ không chổi than, điều cần thiết là một mạch điều khiển thực hiện hệ thống phản hồi.

Bên trái: Bảng mạch in bốn lớp đã hoàn thành. Hình ảnh giữa: Các xung được áp dụng cho các cuộn dây này để điều khiển rôto in 3D có nhúng nam châm vĩnh cửu.

Đúng: Mặc dù không mạnh bằng động cơ không chổi than truyền thống, nhưng PCB rẻ hơn và nhẹ hơn.

Trong một ổ động cơ không chổi than mà tôi đã thực hiện trước đây, tôi đã đo EMF phía sau như phản hồi để kiểm soát tốc độ. Lý do cho back-EMF là động cơ quay giống như một máy phát điện nhỏ, tạo ra một Vôn đối diện với Vôn được sử dụng để điều khiển động cơ trong cuộn dây stato. Cảm ứng của lực điện động ngược có thể cung cấp thông tin phản hồi về cách rôto quay và cho phép mạch điều khiển đồng bộ hóa các cuộn dây. Nhưng trong động cơ PCB của tôi, EMF phía sau quá yếu để sử dụng. Cuối cùng, tôi đã cài đặt hiệu ứng Hall cảm biến, có thể đo trực tiếp sự thay đổi trong từ trường để đo tốc độ của rôto và các nam châm vĩnh cửu của nó quay phía trên cảm biến. Thông tin này sau đó được đưa vào mạch điều khiển động cơ.

Để tự chế tạo cánh quạt, tôi đã chuyển sang in 3D. Lúc đầu, tôi làm một rôto, tôi lắp đặt trên một trục kim loại riêng biệt, nhưng sau đó tôi bắt đầu in trục chụp như một phần không thể thiếu của rôto. Điều này đơn giản hóa các thành phần vật lý chỉ còn rôto, bốn nam châm vĩnh cửu, một ổ trục và một PCB cung cấp cuộn dây và hỗ trợ cấu trúc.

Tôi nhanh chóng có được động cơ điện đầu tiên của mình. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng nó có thể tạo ra một mô-men xoắn tĩnh 0.9 g cm. Điều này không đủ để đáp ứng mục tiêu ban đầu của tôi là sản xuất một động cơ tích hợp vào một máy bay không người lái, nhưng tôi nhận ra rằng động cơ này vẫn có thể được sử dụng để đẩy một bánh xe rô bốt nhỏ và rẻ tiền dọc theo mặt đất có bánh xe, vì vậy tôi kiên quyết nghiên cứu (động cơ thông thường một trong những bộ phận đắt tiền nhất trên robot). Động cơ in này có thể hoạt động ở điện áp từ 3.5 đến 7 vôn, mặc dù nó sẽ nóng lên đáng kể ở điện áp cao hơn. Ở 5 V, nhiệt độ hoạt động của nó là 70 ° C, vẫn có thể kiểm soát được. Nó tạo ra dòng điện khoảng 250 mA.

Hiện tại, tôi đang rất nỗ lực để tăng mô-men xoắn của động cơ (bạn có thể theo dõi tiến trình nghiên cứu mà tôi tiếp tục công bố trên Hackaday https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor). Bằng cách thêm một tấm ferrite vào phía sau cuộn dây stato để chứa các đường sức từ của cuộn dây, tôi gần như có thể tăng gấp đôi mô-men xoắn. Tôi cũng đang nghiên cứu thiết kế các nguyên mẫu khác với các cấu hình cuộn dây khác nhau và nhiều cuộn dây stato hơn. Ngoài ra, tôi đã cố gắng sử dụng tương tự công nghệ để chế tạo một thanh đẩy điện PCB có thể điều khiển một thanh trượt in 3D trượt trên một hàng gồm 12 cuộn dây. Ngoài ra, tôi đang thử nghiệm một nguyên mẫu PCB linh hoạt sử dụng cùng một cuộn dây được in để thực hiện truyền động điện từ. Mục tiêu của tôi là - ngay cả khi tôi vẫn không thể tạo ra một chiếc máy bay không người lái nhỏ có thể bay lên bầu trời - hãy bắt đầu chế tạo những robot có cấu trúc cơ học nhỏ hơn và đơn giản hơn những robot hiện có.

Bài báo này đã được xuất bản trong số tháng 2018 năm XNUMX của IEEE SPECTRUM, có tựa đề “Động cơ có thể in”.