IEEE SPECTRUM 最近報道了一名工程師的奇思妙想。

 

使用 PCB 繞線作為電磁線圈的軸向磁通電動機

 

電動機印製電路板的每一層都有一組線圈，它們堆疊在一起並互相連接以形成連續的跡線。

一yi開kai始shi隻zhi是shi想xiang做zuo一yi架jia非fei常chang小xiao的de無wu人ren機ji。但dan很hen快kuai意yi識shi到dao，在zai設she計ji中zhong，有you一yi個ge製zhi約yue因yin素su，那na就jiu是shi馬ma達da的de體ti積ji和he重zhong量liang。即ji使shi是shi小xiao電dian動dong機ji也ye仍reng然ran是shi分fen立li的de裝zhuang置zhi，需xu要yao連lian接jie到dao所suo有you其qi他ta電dian子zi元yuan件jian和he結jie構gou元yuan件jian上shang去qu。所suo以yi開kai始shi想xiang知zhi道dao是shi否fou有you辦ban法fa合he並bing這zhe些xie元yuan件jian並bing減jian輕qing一yi些xie質zhi量liang。

 

我的靈感來自於一些無線電係統如何使用由印製電路板（PCB）上的銅跡線製成的天線。可以使用類似的東西來製造足夠強大的磁場來驅動電動機嗎？我決定看看是否可以使用由 PCB 跡(ji)線(xian)製(zhi)成(cheng)的(de)電(dian)磁(ci)線(xian)圈(quan)來(lai)製(zhi)造(zao)軸(zhou)向(xiang)磁(ci)通(tong)電(dian)動(dong)機(ji)。在(zai)軸(zhou)向(xiang)磁(ci)通(tong)電(dian)動(dong)機(ji)中(zhong)

，形(xing)成(cheng)電(dian)動(dong)機(ji)定(ding)子(zi)的(de)電(dian)磁(ci)線(xian)圈(quan)平(ping)行(xing)於(yu)圓(yuan)盤(pan)形(xing)轉(zhuan)子(zi)安(an)裝(zhuang)。永(yong)磁(ci)體(ti)嵌(qian)入(ru)轉(zhuan)子(zi)的(de)圓(yuan)盤(pan)中(zhong)。用(yong)交(jiao)流(liu)電(dian)驅(qu)動(dong)定(ding)子(zi)線(xian)圈(quan)使(shi)轉(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)。

 

diyigetiaozhanshiquebaowonenggouchuangzaochuzugoudecitonglianglaizhuandongzhuanzi。shejiyigebianpingdeluoxuanxianquanjixianbingrangdianliuliuguotashihenjiandande，danshiwojiangwodediandongjidezhijingxianzhizai 16 毫米，以使整個電動機的直徑可與最小的成品無刷電動機的相媲美。16 毫米意味著我隻能在轉子圓盤的下麵總共安裝 6 個線圈，每個螺旋上安裝大約 10 匝。十匝不足以產生足夠大的磁場，但是如今很容易製作出多層的 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，足以轉動一個轉子。

 

隨sui著zhe設she計ji的de向xiang前qian推tui進jin

，一yi個ge更geng大da的de問wen題ti出chu現xian了le。為wei了le保bao持chi電dian動dong機ji的de旋xuan轉zhuan，必bi須xu使shi轉zhuan子zi和he定ding子zi之zhi間jian動dong態tai變bian化hua的de磁ci場chang同tong步bu。在zai由you交jiao流liu電dian驅qu動dong的de典dian型xing電dian動dong機ji中zhong
，由you於yu橋qiao接jie起qi定ding子zi和he轉zhuan子zi的de電dian刷shua的de排pai列lie，這zhe種zhong同tong步bu自zi然ran就jiu產chan生sheng了le。在zai無wu刷shua電dian動dong機ji中zhong
，需xu要yao的de是shi實shi現xian反fan饋kui係xi統tong的de控kong製zhi電dian路lu。

 

左圖：完成的四層印製電路板。中圖：對這些線圈施加脈衝，驅動 3D 打印出來的帶有嵌入式永磁體的轉子。

右圖：雖然沒有傳統的無刷電動機那麼強大，但 PCB 更便宜、更輕。

 

在(zai)我(wo)以(yi)前(qian)製(zhi)造(zao)的(de)一(yi)個(ge)無(wu)刷(shua)電(dian)動(dong)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)中(zhong)，我(wo)測(ce)量(liang)了(le)作(zuo)為(wei)反(fan)饋(kui)來(lai)控(kong)製(zhi)速(su)度(du)的(de)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)。反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)產(chan)生(sheng)的(de)原(yuan)因(yin)是(shi)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)就(jiu)像(xiang)一(yi)個(ge)小(xiao)發(fa)電(dian)機(ji)，在(zai)定(ding)子(zi)線(xian)圈(quan)中(zhong)產(chan)生(sheng)與(yu)用(yong)於(yu)驅(qu)動(dong)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)電(dian)壓(ya)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)壓(ya)。對(dui)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)進(jin)行(xing)感(gan)應(ying)，可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)有(you)關(guan)轉(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)方(fang)式(shi)的(de)反(fan)饋(kui)信(xin)息(xi)
，並(bing)讓(rang)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)使(shi)線(xian)圈(quan)同(tong)步(bu)。但(dan)在(zai)我(wo)的(de) PCB diandongjizhong
，fandiandongshitairuoerwufashiyong。weici，woanzhuanglehuoerxiaoyingchuanganqi，takeyizhijieceliangcichangdebianhuayiceliangzhuanzijiqiyongcitizaichuanganqishangfangxuanzhuandesudu。suihouzhexiexinxibeishurudaodiandongjikongzhidianluzhong。

 

為了製造轉子本身，我轉向了 3D dayin。qichu，wozhizuoleyigezhuanzi，woanzhuangzaiyigedandudejinshuzhoushang，danhoulaiwokaishijiangkakouzhouzuoweizhuanzideyigezuchengbufenjinxingdayin。zhejiangwulizujianjianhuaweilezhiyouzhuanzi
、四個永磁體
、一個軸承以及提供線圈和結構支撐的 PCB。

 

我很快就得到了我的第一台電動機。測試表明它能產生 0.9 克(ke)厘(li)米(mi)的(de)靜(jing)態(tai)扭(niu)矩(ju)。這(zhe)不(bu)足(zu)以(yi)滿(man)足(zu)我(wo)最(zui)初(chu)的(de)製(zhi)造(zao)一(yi)個(ge)集(ji)成(cheng)進(jin)無(wu)人(ren)機(ji)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)目(mu)標(biao)，但(dan)我(wo)意(yi)識(shi)到(dao)這(zhe)個(ge)電(dian)動(dong)機(ji)仍(reng)然(ran)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)推(tui)動(dong)小(xiao)型(xing)廉(lian)價(jia)的(de)機(ji)器(qi)人(ren)輪(lun)子(zi)上(shang)用(yong)輪(lun)子(zi)沿(yan)著(zhe)地(di)麵(mian)前(qian)進(jin)，所(suo)以(yi)我(wo)堅(jian)持(chi)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)（電動機通常是機器人身上最昂貴的部件之一）。這一印製電動機可以在 3.5 到 7 伏的電壓下工作，盡管它在較高的電壓下會明顯升溫。在 5 V 時，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機的扭矩（你可以關注我在 Hackaday 上持續發布的研究進展信息 https://hackaday.io/project/39494-pcb-motor）。通(tong)過(guo)在(zai)定(ding)子(zi)線(xian)圈(quan)的(de)背(bei)麵(mian)添(tian)加(jia)鐵(tie)氧(yang)體(ti)片(pian)來(lai)包(bao)含(han)線(xian)圈(quan)的(de)磁(ci)場(chang)線(xian)，我(wo)幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)使(shi)扭(niu)矩(ju)倍(bei)增(zeng)。我(wo)還(hai)在(zai)研(yan)究(jiu)設(she)計(ji)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)繞(rao)組(zu)配(pei)置(zhi)和(he)更(geng)多(duo)定(ding)子(zi)線(xian)圈(quan)的(de)其(qi)他(ta)原(yuan)型(xing)。此(ci)外(wai)，我(wo)一(yi)直(zhi)在(zai)努(nu)力(li)使(shi)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)技(ji)術(shu)來(lai)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge) PCB 電動推杆，它可以驅動一個 3d 打印出來的滑塊在一排 12 個線圈上滑動。而且，我正在測試一個柔性 PCB 原型，它使用相同的印製線圈來執行電磁驅動。我的目標是——即使我還不能製造出能飛上天空的小無人機——開始製造具有比現有機器人更小更簡單的機械構造的機器人。

 

 
 

 

 

 

 

本文刊登在 2018 年 9 月期的印刷版 IEEE SPECTRUM 上，題為“The Printable Motor”。