3D打印電機：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，或?qū)⒖梢岳�用更小、更簡單的機械裝置制作新型無人機。

下面是原文：
最開始，我只是想做一個特別小的無人機。但我很快發(fā)現(xiàn)，無論怎樣設(shè)計，無人機的尺寸和重量都受一個因素的限制：電機。即便是小型電機也屬于分立元件，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。在軸向磁場電機中，組成電機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，但我的電機直徑不能大于16毫米，相當(dāng)于現(xiàn)售最小的無刷電機的整體直徑。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，每個線圈都可以達到40匝，足夠帶動轉(zhuǎn)子了。

隨著設(shè)計的推進，更大的問題出現(xiàn)了。為了維持電機的轉(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中，我測量了控制轉(zhuǎn)速的反饋逆電動勢。轉(zhuǎn)動的電機就像一個發(fā)電機，在定子線圈上產(chǎn)生與驅(qū)動電機的電壓相反的電壓，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�；魻杺鞲衅骺梢灾苯訙y量磁場變化，進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)果反饋至電機的控制電路。

制作電機本身時，我選擇了3D打印。最開始我將轉(zhuǎn)子裝入一根單獨的金屬軸，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，可以轉(zhuǎn)動。測試數(shù)據(jù)表明，電機的靜轉(zhuǎn)矩為0.9克•厘米。這一靜轉(zhuǎn)矩太小，沒有達到我的最初目標，無法集成到無人機中作為發(fā)動機，但我意識到，這一電機仍然可以推動價格低廉的小型無人機用輪子在地面移動，所以我決定繼續(xù)努力（電機通常是機器最昂貴的部分）。打印電機可在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原型實現(xiàn)電磁驅(qū)動。我的目標是，（即使暫時不能飛向天空）開始利用更小、更簡單的機械裝置制作新型無人機。

來源：悅智網(wǎng)