3D打印電機(jī)：訣竅是將電路板銅箔作為線圈

據(jù)南極熊了解，有一人研究人員利用3D打印技術(shù)，制作更加重量輕的小型電機(jī)，或?qū)⒖梢岳�用更小、更�?jiǎn)單的機(jī)械裝置制作新型無人機(jī)。

下面是原文：
最開始，我只是想做一個(gè)特別小的無人機(jī)。但我很快發(fā)現(xiàn)，無論怎樣設(shè)計(jì)，無人機(jī)的尺寸和重量都受一個(gè)因素的限制：電機(jī)。即便是小型電機(jī)也屬于分立元件，需要附加其他電子元件或支撐件。所以我想找到合并這些組件的辦法，減輕重量。

有些無線電系統(tǒng)的天線是利用印刷電路板（PCB）上的銅箔線路制作的，我從中得到了啟發(fā)。我能不能用類似的元件制成一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的磁場(chǎng)？我決定試一下，看看能否以PCB銅箔為電磁線圈，制作一個(gè)軸向磁場(chǎng)電機(jī)。在軸向磁場(chǎng)電機(jī)中，組成電機(jī)定子的電磁線圈與圓盤形的轉(zhuǎn)子平行安裝。永磁鐵嵌裝在轉(zhuǎn)子圓盤中，利用交變電流驅(qū)動(dòng)定子線圈，可以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

面臨的首要挑戰(zhàn)是，必須產(chǎn)生能夠帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁通量。用銅箔制成一個(gè)可通電流的平面螺旋線圈并不困難，但我的電機(jī)直徑不能大于16毫米，相當(dāng)于現(xiàn)售最小的無刷電機(jī)的整體直徑。16毫米的直徑意味著在轉(zhuǎn)子圓盤下面只能放6個(gè)線圈，每個(gè)線圈只能繞10匝。10匝產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度肯定不夠。但PCB的好處就是，可以很容易地制作多層式PCB。通過印制疊層線圈——4層中每層都有線圈，每個(gè)線圈都可以達(dá)到40匝，足夠帶動(dòng)轉(zhuǎn)子了。

隨著設(shè)計(jì)的推進(jìn)，更大的問題出現(xiàn)了。為了維持電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子與定子間的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化必須保持同步。在常見的交流電機(jī)中，電刷橋接定子和轉(zhuǎn)子，定子與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)自然會(huì)同步。而在無刷電機(jī)中，則需要帶有反饋系統(tǒng)的控制電路。

在先前制作的一個(gè)無刷電機(jī)中，我測(cè)量了控制轉(zhuǎn)速的反饋逆電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)就像一個(gè)發(fā)電機(jī)，在定子線圈上產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓相反的電壓，因此產(chǎn)生逆電動(dòng)勢(shì)。感知逆電動(dòng)勢(shì)，可以反饋轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，并利用控制電路使線圈同步。但我的PCB產(chǎn)生的逆電動(dòng)勢(shì)太弱，無法使用。所以，我安裝了一個(gè)霍爾傳感器�；魻杺鞲衅骺梢灾苯訙y(cè)量磁場(chǎng)變化，進(jìn)而估算傳感器上方轉(zhuǎn)子和永磁鐵的轉(zhuǎn)速，并將測(cè)量結(jié)果反饋至電機(jī)的控制電路。

制作電機(jī)本身時(shí)，我選擇了3D打印。最開始我將轉(zhuǎn)子裝入一根單獨(dú)的金屬軸，但很快改變策略，將滑動(dòng)插入軸集成到轉(zhuǎn)子中，成為它的一部分。這樣，電機(jī)的物理組件就只有轉(zhuǎn)子、4個(gè)永磁鐵、1個(gè)軸承，還有作為線圈及支撐件的PCB。

我很快就制成了第一臺(tái)電機(jī)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩為0.9克•厘米。這一靜轉(zhuǎn)矩太小，沒有達(dá)到我的最初目標(biāo)，無法集成到無人機(jī)中作為發(fā)動(dòng)機(jī)，但我意識(shí)到，這一電機(jī)仍然可以推動(dòng)價(jià)格低廉的小型無人機(jī)用輪子在地面移動(dòng)，所以我決定繼續(xù)努力（電機(jī)通常是機(jī)器最昂貴的部分）。打印電機(jī)可在3.5到7伏電壓下工作，不過在電壓較高時(shí)溫度會(huì)明顯升高。在5伏電壓下，工作溫度為70攝氏度，仍在可控范圍之內(nèi)。其電流為250毫安。


目前，我將主要精力放在增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩上在定子線圈后方增加用于屏蔽線圈磁感線的鐵氧體片后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩幾乎翻倍。我還在研究制作其他原型，希望能改變線圈配置，增加定子線圈匝數(shù)。另外，我已經(jīng)開始著手使用該技術(shù)制作PCB直線致動(dòng)器，這種致動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)位于一排12個(gè)線圈下方的3D打印滑塊。我還在嘗試用帶有印制線圈的柔性PCB原型實(shí)現(xiàn)電磁驅(qū)動(dòng)。我的目標(biāo)是，（即使暫時(shí)不能飛向天空）開始利用更小、更簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置制作新型無人機(jī)。

來源：悅智網(wǎng)