嫌馬達(dá)太重，工程師做了個(gè)PCB電動(dòng)機(jī)
[導(dǎo)讀]電動(dòng)機(jī)印制電路板的每一層都有一組線圈，它們堆疊在一起并互相連接以形成連續(xù)的跡線。我一開始只是想做一架非常小的無人機(jī)。但我很快意識(shí)到，在我的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)制約因素，那就是馬達(dá)的體積和重量。即使是小電動(dòng)機(jī)也仍然是分立的裝置，需要連接到所有其他電子元件和結(jié)構(gòu)元件上去。所以我開始想知道是...
電動(dòng)機(jī)印制電路板的每一層都有一組線圈，它們堆疊在一起并互相連接以形成連續(xù)的跡線。
我一開始只是想做一架非常小的無人機(jī)。但我很快意識(shí)到，在我的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)制約因素，那就是馬達(dá)的體積和重量。即使是小電動(dòng)機(jī)也仍然是分立的裝置，需要連接到所有其他電子元件和結(jié)構(gòu)元件上去。所以我開始想知道是否有辦法合并這些元件并減輕一些質(zhì)量。
我的靈感來自于一些無線電系統(tǒng)如何使用由印制電路板（PCB）上的銅跡線制成的天線。我可以使用類似的東西來制造足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)嗎？我決定看看是否可以使用由PCB跡線制成的電磁線圈來制造軸向磁通電動(dòng)機(jī)。在軸向磁通電動(dòng)機(jī)中，形成電動(dòng)機(jī)定子的電磁線圈平行于圓盤形轉(zhuǎn)子安裝。永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的圓盤中。用交流電驅(qū)動(dòng)定子線圈使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
第一個(gè)挑戰(zhàn)是確保我能夠創(chuàng)造出足夠的磁通量來轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。設(shè)計(jì)一個(gè)扁平的螺旋線圈跡線并讓電流流過它是很簡(jiǎn)單的，但是我將我的電動(dòng)機(jī)的直徑限制在16毫米，以使整個(gè)電動(dòng)機(jī)的直徑可與最小的成品無刷電動(dòng)機(jī)的相媲美。16毫米意味著我只能在轉(zhuǎn)子圓盤的下面總共安裝6個(gè)線圈，每個(gè)螺旋上安裝大約10匝。十匝不足以產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)，但是如今很容易制作出多層的PCB。通過打印成堆疊的線圈（四層的每一層上都有線圈），我可以讓每一線圈獲得40匝，足以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)子。
隨著設(shè)計(jì)的向前推進(jìn)，一個(gè)更大的問題出現(xiàn)了。為了保持電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，必須使轉(zhuǎn)子和定子之間動(dòng)態(tài)變化的磁場(chǎng)同步。在由交流電驅(qū)動(dòng)的典型電動(dòng)機(jī)中，由于橋接起定子和轉(zhuǎn)子的電刷的排列，這種同步自然就產(chǎn)生了。在無刷電動(dòng)機(jī)中，需要的是實(shí)現(xiàn)反饋系統(tǒng)的控制電路。
照片來源：Carl Bugeja
左圖：完成的四層印制電路板。中圖：對(duì)這些線圈施加脈沖，驅(qū)動(dòng)3D打印出來的帶有嵌入式永磁體的轉(zhuǎn)子。右圖：雖然沒有傳統(tǒng)的無刷電動(dòng)機(jī)那么強(qiáng)大，但PCB更便宜、更輕。
在我以前制造的一個(gè)無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，我測(cè)量了作為反饋來控制速度的反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)就像一個(gè)小發(fā)電機(jī)，在定子線圈中產(chǎn)生與用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓相反的電壓。對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行感應(yīng)，可以提供有關(guān)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方式的反饋信息，并讓控制電路使線圈同步。但在我的PCB電動(dòng)機(jī)中，反電動(dòng)勢(shì)太弱而無法使用。為此，我安裝了霍爾效應(yīng)傳感器，它可以直接測(cè)量磁場(chǎng)的變化以測(cè)量轉(zhuǎn)子及其永磁體在傳感器上方旋轉(zhuǎn)的速度。隨后這些信息被輸入到電動(dòng)機(jī)控制電路中。
為了制造轉(zhuǎn)子本身，我轉(zhuǎn)向了3D打印。起初，我制作了一個(gè)轉(zhuǎn)子，我安裝在一個(gè)單獨(dú)的金屬軸上，但后來我開始將卡扣軸作為轉(zhuǎn)子的一個(gè)組成部分進(jìn)行打印。這將物理組件簡(jiǎn)化為了只有轉(zhuǎn)子、四個(gè)永磁體、一個(gè)軸承以及提供線圈和結(jié)構(gòu)支撐的PCB。
我很快就得到了我的第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。測(cè)試表明它能產(chǎn)生0.9克厘米的靜態(tài)扭矩。這不足以滿足我最初的制造一個(gè)集成進(jìn)無人機(jī)的電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)，但我意識(shí)到這個(gè)電動(dòng)機(jī)仍然可以用來推動(dòng)小型廉價(jià)的機(jī)器人輪子上用輪子沿著地面前進(jìn)，所以我堅(jiān)持進(jìn)行研究（電動(dòng)機(jī)通常是機(jī)器人身上最昂貴的部件之一）。這一印制電動(dòng)機(jī)可以在3.5到7伏的電壓下工作，盡管它在較高的電壓下會(huì)明顯升溫。在5 V時(shí)，其工作溫度為70°C，這仍然是可控的。它吸收大約250毫安電流。
目前，我一直在努力增加電動(dòng)機(jī)的扭矩。通過在定子線圈的背面添加鐵氧體片來包含線圈的磁場(chǎng)線，我?guī)缀蹩梢允古ぞ乇对?。我還在研究設(shè)計(jì)具有不同繞組配置和更多定子線圈的其他原型。此外，我一直在努力使用相同的技術(shù)來構(gòu)建一個(gè)PCB電動(dòng)推桿，它可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)3d打印出來的滑塊在一排12個(gè)線圈上滑動(dòng)。而且，我正在測(cè)試一個(gè)柔性PCB原型，它使用相同的印制線圈來執(zhí)行電磁驅(qū)動(dòng)。我的目標(biāo)是——即使我還不能制造出能飛上天空的小無人機(jī)——開始制造具有比現(xiàn)有機(jī)器人更小更簡(jiǎn)單的機(jī)械構(gòu)造的機(jī)器人。
END
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我一開始只是想做一架非常小的無人機(jī)。但我很快意識(shí)到，在我的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)制約因素，那就是馬達(dá)的體積和重量。即使是小電動(dòng)機(jī)也仍然是分立的裝置，需要連接到所有其他電子元件和結(jié)構(gòu)元件上去。所以我開始想知道是否有辦法合并這些元件并減輕一些質(zhì)量。
我的靈感來自于一些無線電系統(tǒng)如何使用由印制電路板（PCB）上的銅跡線制成的天線。我可以使用類似的東西來制造足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)嗎？我決定看看是否可以使用由PCB跡線制成的電磁線圈來制造軸向磁通電動(dòng)機(jī)。在軸向磁通電動(dòng)機(jī)中，形成電動(dòng)機(jī)定子的電磁線圈平行于圓盤形轉(zhuǎn)子安裝。永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的圓盤中。用交流電驅(qū)動(dòng)定子線圈使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
第一個(gè)挑戰(zhàn)是確保我能夠創(chuàng)造出足夠的磁通量來轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。設(shè)計(jì)一個(gè)扁平的螺旋線圈跡線并讓電流流過它是很簡(jiǎn)單的，但是我將我的電動(dòng)機(jī)的直徑限制在16毫米，以使整個(gè)電動(dòng)機(jī)的直徑可與最小的成品無刷電動(dòng)機(jī)的相媲美。16毫米意味著我只能在轉(zhuǎn)子圓盤的下面總共安裝6個(gè)線圈，每個(gè)螺旋上安裝大約10匝。十匝不足以產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)，但是如今很容易制作出多層的PCB。通過打印成堆疊的線圈（四層的每一層上都有線圈），我可以讓每一線圈獲得40匝，足以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)子。
隨著設(shè)計(jì)的向前推進(jìn)，一個(gè)更大的問題出現(xiàn)了。為了保持電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，必須使轉(zhuǎn)子和定子之間動(dòng)態(tài)變化的磁場(chǎng)同步。在由交流電驅(qū)動(dòng)的典型電動(dòng)機(jī)中，由于橋接起定子和轉(zhuǎn)子的電刷的排列，這種同步自然就產(chǎn)生了。在無刷電動(dòng)機(jī)中，需要的是實(shí)現(xiàn)反饋系統(tǒng)的控制電路。
照片來源：Carl Bugeja
左圖：完成的四層印制電路板。中圖：對(duì)這些線圈施加脈沖，驅(qū)動(dòng)3D打印出來的帶有嵌入式永磁體的轉(zhuǎn)子。右圖：雖然沒有傳統(tǒng)的無刷電動(dòng)機(jī)那么強(qiáng)大，但PCB更便宜、更輕。
在我以前制造的一個(gè)無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，我測(cè)量了作為反饋來控制速度的反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)就像一個(gè)小發(fā)電機(jī)，在定子線圈中產(chǎn)生與用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓相反的電壓。對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行感應(yīng)，可以提供有關(guān)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方式的反饋信息，并讓控制電路使線圈同步。但在我的PCB電動(dòng)機(jī)中，反電動(dòng)勢(shì)太弱而無法使用。為此，我安裝了霍爾效應(yīng)傳感器，它可以直接測(cè)量磁場(chǎng)的變化以測(cè)量轉(zhuǎn)子及其永磁體在傳感器上方旋轉(zhuǎn)的速度。隨后這些信息被輸入到電動(dòng)機(jī)控制電路中。
為了制造轉(zhuǎn)子本身，我轉(zhuǎn)向了3D打印。起初，我制作了一個(gè)轉(zhuǎn)子，我安裝在一個(gè)單獨(dú)的金屬軸上，但后來我開始將卡扣軸作為轉(zhuǎn)子的一個(gè)組成部分進(jìn)行打印。這將物理組件簡(jiǎn)化為了只有轉(zhuǎn)子、四個(gè)永磁體、一個(gè)軸承以及提供線圈和結(jié)構(gòu)支撐的PCB。
我很快就得到了我的第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。測(cè)試表明它能產(chǎn)生0.9克厘米的靜態(tài)扭矩。這不足以滿足我最初的制造一個(gè)集成進(jìn)無人機(jī)的電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)，但我意識(shí)到這個(gè)電動(dòng)機(jī)仍然可以用來推動(dòng)小型廉價(jià)的機(jī)器人輪子上用輪子沿著地面前進(jìn)，所以我堅(jiān)持進(jìn)行研究（電動(dòng)機(jī)通常是機(jī)器人身上最昂貴的部件之一）。這一印制電動(dòng)機(jī)可以在3.5到7伏的電壓下工作，盡管它在較高的電壓下會(huì)明顯升溫。在5 V時(shí)，其工作溫度為70°C，這仍然是可控的。它吸收大約250毫安電流。
目前，我一直在努力增加電動(dòng)機(jī)的扭矩。通過在定子線圈的背面添加鐵氧體片來包含線圈的磁場(chǎng)線，我?guī)缀蹩梢允古ぞ乇对?。我還在研究設(shè)計(jì)具有不同繞組配置和更多定子線圈的其他原型。此外，我一直在努力使用相同的技術(shù)來構(gòu)建一個(gè)PCB電動(dòng)推桿，它可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)3d打印出來的滑塊在一排12個(gè)線圈上滑動(dòng)。而且，我正在測(cè)試一個(gè)柔性PCB原型，它使用相同的印制線圈來執(zhí)行電磁驅(qū)動(dòng)。我的目標(biāo)是——即使我還不能制造出能飛上天空的小無人機(jī)——開始制造具有比現(xiàn)有機(jī)器人更小更簡(jiǎn)單的機(jī)械構(gòu)造的機(jī)器人。
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