轴向磁通电动机使用印刷电路板作为电磁线圈
来自Carl Bugeja的来自Spectrum.ieee.org的翻译文章这一切都始于我想制造一个非常小的无人机的事实。 但是我很快意识到，有一个因素限制了试图减少和减轻项目负担的尝试：电动机。 即使是小型电动机也是单独的对象，需要连接到其余的电子设备和结构元件。 因此，我开始考虑一种合并这些元素以减轻重量的方法。
某些无线电系统使用天线是印刷电路板上的铜线，这使我受到启发。 是否可以使用类似的方法产生足够强的磁场来为电动机供电？ 我决定看看是否可以使用电磁线圈制造轴向磁通电动机，该电磁线圈以印制电路板上的轨道形式制成。 在轴向磁通电动机中，形成定子的电磁线圈平行于转子安装，并制成盘状。 永磁体内置在转子盘中。 向定子线圈施加交流电会导致转子旋转。
第一个困难是要确保有足够强的磁场能够旋转转子。 创建平坦的螺旋路径并让电流通过非常简单，但是我将电动机的直径限制为16 mm，因此电动机的总直径可与最小的现成电动机相媲美。 16毫米意味着螺旋只能旋转10圈，而位于转子下方磁盘上的总线圈数可能是6圈。十圈不足以获取足够的磁场。 然而，印刷电路板的优点在于，今天制造多层电路板非常简单。 印刷了一包四层的线圈后，我设法使每个线圈旋转40圈，足以旋转转子。
在开发过程中，出现了更严重的问题。 为了保持电动机的旋转，必须使转子和定子之间的动态变化的磁场同步。 在典型的电动机中，这是使用交流电完成的，并且由于电刷将定子和转子电连接，因此自然可以实现同步。
无刷电机需要带有反馈系统的控制电子设备。
电路的每一层都有一组线圈，它们彼此堆叠在一起，相互连接并形成连续的轨道。
最终的四层印刷电路板
这些线圈的脉冲旋转在3D打印机上打印的转子，其中内置有永磁体
该系统不如传统的无刷电机强大，但印刷电路板更便宜，更容易。在我创建的引擎的先前模型中，我使用反电动势作为速度控制的反馈。 由于旋转的电动机充当发电机，在定子线圈中产生电压，抵消了使电动机旋转的电压，因此获得了反电动势。 有关反电动势的信息会提供指示电机旋转的反馈，并允许控制电子设备使线圈同步。 但是在我的PCB电动机中，抗电动势太弱而无法使用。 因此，我在其上安装
了霍尔传感器 ，直接测量磁场的变化，以便测量转子及其永磁体在传感器上方旋转的速度。 该信息进入控制电机的电子设备。
为了制造转子，我转向了3D打印。 最初，我制作了一个转子，该转子安装在单独的金属杆上，但是后来我才开始将杆打印为转子的组成部分。 这减少了转子的物理组件，四个永磁体，一个轴承和一个印刷电路板的数量，从而提供了线圈和结构强度。
很快，我的第一台电动机已经运转了。 测试表明，它稳定地提供了0.9 g * cm的静态扭矩。 此刻不足以实现我为无人机创建集成电动机的最初计划，但我认为这样的电动机仍可以用作在地面上移动轮子的小型廉价机器人的发动机，因此我继续进行研究（通常这些电动机是机器人最昂贵的零件）。 印刷电动机可以在3.5到7 V的电压下运行，尽管在高压下会显着发热。 在5 V时，其工作温度为70°C，这是完全可以接受的。 它消耗约250 mA的电流。
目前，我
专注于增加扭矩。 为了限制磁场线，我在定子线圈的背面增加了一块铁氧体片，从而几乎将其翻了一番。 我还计划使用其他绕组系统的其他电机原型。 另外，我正在使用相同的技术来创建
线性驱动器 ，该
驱动器能够在一系列12个线圈上移动打印的滑块。 我还使用相同的线圈测试了柔性印刷电路板的原型。 我的目标是开始使用比现在更小，更便宜的机制制造新的机器人。