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��,、更簡單的機(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可以驅(qū)動電機(jī)的磁場,？我決定試一下，看看能否以PCB銅箔為電磁線圈,，制作一個軸向磁場電機(jī),。在軸向磁場電機(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)生能夠帶動轉(zhuǎn)子的磁通量,。用銅箔制成一個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個線圈，每個線圈只能繞10匝,。10匝產(chǎn)生的磁場強(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,，每個線圈都可以達(dá)到40匝，足夠帶動轉(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,，轉(zhuǎn)子與定子間的磁場動態(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)子的磁場自然會同步。而在無刷電機(jī)中,，則需要帶有反饋系統(tǒng)的控制電路,。

在先前制作的一個無刷電機(jī)中，我測量了控制轉(zhuǎn)速的反饋逆電動勢,。轉(zhuǎn)動的電機(jī)就像一個發(fā)電機(jī),，在定子線圈上產(chǎn)生與驅(qū)動電機(jī)的電壓相反的電壓，因此產(chǎn)生逆電動勢,。感知逆電動勢,，可以反饋轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，并利用控制電路使線圈同步,。但我的PCB產(chǎn)生的逆電動勢太弱,，無法使用。所以,，我安裝了一個霍爾傳感器,。霍爾傳感器可以直接測量磁場變化，進(jìn)而估算傳感器上方轉(zhuǎn)子和永磁鐵的轉(zhuǎn)速,，并將測量結(jié)果反饋至電機(jī)的控制電路,。

制作電機(jī)本身時，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個永磁鐵,、1個軸承，還有作為線圈及支撐件的PCB,。

我很快就制成了第一臺電機(jī),，可以轉(zhuǎn)動。測試數(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)動機(jī),，但我意識到，這一電機(jī)仍然可以推動價格低廉的小型無人機(jī)用輪子在地面移動,，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，不過在電壓較高時溫度會明顯升高,。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直線致動器,，這種致動器能夠驅(qū)動位于一排12個線圈下方的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,。我的目標(biāo)是，（即使暫時不能飛向天空）開始利用更小,、更簡單的機(jī)械裝置制作新型無人機(jī),。

來源：悅智網(wǎng)