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。

yikaishizhishixiangzuoyijiafeichangxiaodewurenji。danhenkuaiyishidao
，zaishejizhong，youyigezhiyueyinsu，najiushimadadetijihezhongliang。jishishixiaodiandongjiyerengranshifenlidezhuangzhi

，xuyaolianjiedaosuoyouqitadianziyuanjianhejiegouyuanjianshangqu。suoyikaishixiangzhidaoshifouyoubanfahebingzhexieyuanjianbingjianqingyixiezhiliang。

 

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 jixianzhichengdediancixianquanlaizhizaozhouxiangcitongdiandongji。zaizhouxiangcitongdiandongjizhong
，xingchengdiandongjidingzidediancixianquanpingxingyuyuanpanxingzhuanzianzhuang。yongcitiqianruzhuanzideyuanpanzhong。yongjiaoliudianqudongdingzixianquanshizhuanzixuanzhuan。

 

第(di)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)確(que)保(bao)我(wo)能(neng)夠(gou)創(chuang)造(zao)出(chu)足(zu)夠(gou)的(de)磁(ci)通(tong)量(liang)來(lai)轉(zhuan)動(dong)轉(zhuan)子(zi)。設(she)計(ji)一(yi)個(ge)扁(bian)平(ping)的(de)螺(luo)旋(xuan)線(xian)圈(quan)跡(ji)線(xian)並(bing)讓(rang)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)它(ta)是(shi)很(hen)簡(jian)單(dan)的(de)

，但(dan)是(shi)我(wo)將(jiang)我(wo)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)直(zhi)徑(jing)限(xian)製(zhi)在(zai) 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 電dian動dong機ji中zhong，反fan電dian動dong勢shi太tai弱ruo而er無wu法fa使shi用yong。為wei此ci，我wo安an裝zhuang了le霍huo爾er效xiao應ying傳chuan感gan器qi
，它ta可ke以yi直zhi接jie測ce量liang磁ci場chang的de變bian化hua以yi測ce量liang轉zhuan子zi及ji其qi永yong磁ci體ti在zai傳chuan感gan器qi上shang方fang旋xuan轉zhuan的de速su度du。隨sui後hou這zhe些xie信xin息xi被bei輸shu入ru到dao電dian動dong機ji控kong製zhi電dian路lu中zhong。

 

為了製造轉子本身，我轉向了 3D 打da印yin。起qi初chu，我wo製zhi作zuo了le一yi個ge轉zhuan子zi，我wo安an裝zhuang在zai一yi個ge單dan獨du的de金jin屬shu軸zhou上shang，但dan後hou來lai我wo開kai始shi將jiang卡ka扣kou軸zhou作zuo為wei轉zhuan子zi的de一yi個ge組zu成cheng部bu分fen進jin行xing打da印yin。這zhe將jiang物wu理li組zu件jian簡jian化hua為wei了le隻zhi有you轉zhuan子zi、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 kelimidejingtainiuju。zhebuzuyimanzuwozuichudezhizaoyigejichengjinwurenjidediandongjidemubiao，danwoyishidaozhegediandongjirengrankeyiyonglaituidongxiaoxinglianjiadejiqirenlunzishangyonglunziyanzhedimianqianjin，suoyiwojianchijinxingyanjiu（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”。