كيفية طباعة محرك كهربائي

يستخدم محرك التدفق المغناطيسي المحوري لوحات الدوائر المطبوعة كملفات كهرومغناطيسية

مقال مترجم من spectrum.ieee.org بقلم كارل بوجيا

بدأ كل شيء مع حقيقة أنني أردت أن أصنع طائرة صغيرة بدون طيار. لكنني أدركت بسرعة أن أحد العوامل يحد من محاولات تقليل المشروع وتخفيفه: المحركات. حتى المحركات الصغيرة هي أشياء منفصلة تحتاج إلى التوصيل ببقية الإلكترونيات والعناصر الهيكلية. لذلك بدأت أفكر في طريقة لدمج هذه العناصر لتوفير الوزن.

لقد ألهمتني حقيقة أن بعض أنظمة الراديو تستخدم هوائيات ، وهي مسارات نحاسية على لوحة دائرة مطبوعة. هل من الممكن استخدام شيء مشابه لإنشاء مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية يمكنه تشغيل المحرك؟ قررت أن أرى ما إذا كان بإمكاني إنشاء محرك تدفق مغناطيسي محوري باستخدام ملفات كهرومغناطيسية ، مصنوعة على شكل مسارات على لوحة دائرة مطبوعة. في محرك التدفق المغناطيسي المحوري ، يتم تثبيت الملفات الكهرومغناطيسية التي تشكل الجزء الثابت بالتوازي مع الدوار ، المصنوع في شكل قرص. يتم بناء المغناطيس الدائم في قرص الدوار. يؤدي تطبيق ملفات الجزء الثابت AC إلى دوران الدوار.

كانت الصعوبة الأولى هي ضمان مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية قادر على تدوير الدوار. من السهل جدًا إنشاء مسار حلزوني مسطح وتمرير التيار من خلاله ، لكني حددت المحرك بقطر 16 مم ، لذلك كان القطر الإجمالي للمحرك مشابهًا لأصغر المحركات الجاهزة. يعني 16 ملم أن اللولب يمكن أن يقوم بـ 10 دورات فقط ، وأن إجمالي الملفات الموجودة على القرص تحت الدوار يمكن أن تكون 6. ولا يمكن أن تكون عشر دورات كافية للحصول على مجال مغناطيسي كافٍ. ومع ذلك ، فإن لوحات الدوائر المطبوعة جيدة من حيث أنه من السهل جدًا اليوم إنشاء لوحة دوائر متعددة الطبقات. بعد طباعة حزمة من لفائف من أربع طبقات ، تمكنت من الوصول إلى 40 دورة لكل ملف ، وهو ما يكفي لتدوير الدوار.

خلال عملية التطوير ، ظهرت مشكلة أكثر خطورة. للحفاظ على دوران المحرك ، من الضروري مزامنة مجال مغناطيسي متغير ديناميكيًا بين الدوار والجزء الثابت. في المحرك النموذجي ، يتم ذلك باستخدام التيار المتناوب ، ويتم الحصول على التزامن بشكل طبيعي ، وذلك بفضل ترتيب الفرش التي تربط الجزء الثابت والدوار كهربائيًا. يتطلب المحرك الخالي من الفرشاة تحكم إلكترونيات مع نظام تغذية مرتدة.


تحتوي كل طبقة من طبقات الدائرة على مجموعة من الملفات ، ويتم تكديسها فوق بعضها البعض ، وتتصل ببعضها البعض وتشكل مسارات مستمرة.


لوحة الدوائر المطبوعة النهائية المكونة من أربع طبقات


تقوم نبضات هذه الملفات بتدوير الدوار المطبوع على طابعة ثلاثية الأبعاد ، حيث يتم بناء مغناطيس دائم


النظام ليس قويًا مثل المحرك التقليدي بدون فرش ، لكن لوحات الدوائر المطبوعة أرخص وأسهل.

في النموذج السابق للمحرك الذي قمت بإنشائه ، استخدمت العدادات المضادة كملاحظات للتحكم في السرعة. يتم الحصول على مضاد emf بسبب حقيقة أن المحرك الدوار يعمل كمولد ، مما يخلق جهدًا في ملفات الجزء الثابت ، مما يقاوم الجهد الذي يدور المحرك. توفر معلومات حول عداد emf ملاحظات تشير إلى دوران المحرك وتسمح لإلكترونيات التحكم بمزامنة الملفات. ولكن في محرك PCB الخاص بي ، كان مضاد emf أضعف من أن يستخدم. لذلك ، قمت بتركيب مستشعر Hall عليه ، وقياس التغيير مباشرة في المجال المغناطيسي ، من أجل قياس مدى سرعة دوران الدوار ومغناطيسه الدائم فوق المستشعر. تذهب هذه المعلومات إلى الإلكترونيات التي تتحكم في المحرك.

لتصنيع الدوار ، تحولت إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد. في البداية ، صنعت دوارًا ، تم تركيبه على قضيب معدني منفصل ، ولكن بعد ذلك بدأت للتو في طباعة القضيب كجزء لا يتجزأ من الدوار. أدى هذا إلى تقليل عدد المكونات المادية إلى الدوار ، وأربعة مغناطيس دائم ، ومحمل ولوحة دوائر مطبوعة ، مما يوفر كل من الملفات والقوة الهيكلية.

سرعان ما كان محركي الأول يعمل بالفعل. أظهرت الاختبارات أنه يوفر بثبات عزم دوران ثابت يبلغ 0.9 جم * سم. لم تكن هذه اللحظة كافية لتنفيذ خطتي الأولية لإنشاء محرك متكامل للطائرة بدون طيار ، لكنني اعتقدت أنه لا يزال من الممكن استخدام هذا المحرك كمحرك للروبوتات الصغيرة والرخيصة التي تتحرك على عجلات على الأرض ، لذلك واصلت البحث (عادةً ما تتحول المحركات إلى أغلى أجزاء الروبوتات). يمكن أن يعمل المحرك المطبوع بجهود من 3.5 إلى 7 فولت ، على الرغم من ارتفاع درجة الحرارة عند الجهد العالي بشكل ملحوظ. عند 5 فولت ، تكون درجة حرارة تشغيله 70 درجة مئوية ، وهو أمر مقبول تمامًا. تستهلك حوالي 250 مللي أمبير.

في الوقت الحالي ، أركز على زيادة عزم الدوران. تمكنت من مضاعفة ذلك تقريبًا عن طريق إضافة لوح من الفريت إلى الجزء الخلفي من الملفات الثابتة من أجل الحد من خطوط المجال المغناطيسي. أخطط أيضًا لنماذج أولية أخرى من المحركات مع أنظمة لف أخرى. بالإضافة إلى ذلك ، أعمل على استخدام نفس التقنيات لإنشاء محرك أقراص خطي قادر على تحريك شريط تمرير مطبوع على سلسلة من 12 ملفًا. أختبر أيضًا نموذجًا أوليًا للوحة الدوائر المطبوعة المرنة باستخدام نفس الملفات. هدفي هو البدء في تصنيع روبوتات جديدة باستخدام آليات أصغر وأرخص مما هو متاح اليوم.