Хабрахабр

[Перевод] Как распечатать электромотор

Мотор аксиального магнитного потока использует распечатанные на принтере платы как электромагнитные катушки

Перевод статьи с сайта spectrum.ieee.org, автор: Carl Bugeja

Но я быстро понял, что один фактор ограничивает попытки уменьшить и облегчить проект: моторы. Всё началось с того, что мне захотелось сделать очень маленький дрон. Поэтому я начал думать о способе слияния этих элементов для экономии массы. Даже небольшие моторы представляют собой отдельные объекты, которые необходимо соединять со всей остальной электроникой и структурными элементами.

Можно ли использовать что-то подобное для создания достаточно сильного магнитного поля, способного питать мотор? Я вдохновился тем, что некоторые радиосистемы используют антенны, представляющие собой медные дорожки на печатной плате. В моторе аксиального магнитного потока электромагнитные катушки, формирующие статор, крепятся параллельно ротору, выполненному в виде диска. Я решил посмотреть, удастся ли мне создать мотор аксиального магнитного потока при помощи электромагнитных катушек, исполненных в виде дорожек на печатной плате. Подача на катушки статора переменного тока заставляет ротор вращаться.
Первой трудностью было гарантировать получение достаточно сильного магнитного поля, способного повернуть ротор. Постоянные магниты встраиваются в диск ротора. 16 мм означало, что спираль может сделать только 10 оборотов, а всего катушек, расположенных на диске под ротором, может быть 6. Довольно просто создать плоскую спиральную дорожку и пропустить по ней ток, но я ограничил мотор диаметром в 16 мм, поэтому общий диаметр мотора был сравним с самыми мелкими готовыми моторами. Однако печатные платы хороши тем, что на сегодня довольно просто сделать многослойную плату. Десять оборотов не хватит для получения достаточного магнитного поля. Напечатав пачку катушек из четырёх слоёв мне удалось достичь 40 оборотов на катушку, что достаточно для поворота ротора.

Чтобы поддерживать вращение мотора, необходимо синхронизировать динамически меняющееся магнитное поле между ротором и статором. В процессе разработки проявилась более серьёзная проблема. В бесщёточном двигателе необходима управляющая электроника с системой обратной связи. В типичном моторе это делается при помощи переменного тока, и синхронизация получается естественным образом, благодаря расположению щёток, электрически соединяющих статор и ротор.


В каждом слое схемы есть набор катушек, и они кладутся одна на другую, связываясь между собой и образуя непрерывные дорожки.


Итоговая четырёхслойная печатная плата


Импульсы этих катушек вращают распечатанный на 3D-принтере ротор, в который встроены постоянные магниты


Система не такая мощная, как традиционный бесщёточный мотор, но печатные платы получаются дешевле и легче

Противоэдс получается из-за того, что вращающийся мотор работает как генератор, создавая напряжение в катушках статора, противодействующее напряжению, крутящему мотор. В предыдущей модели созданного мною мотора я использовал противоэдс как обратную связь для контроля скорости. Но в моём моторе с печатными платами противоэдс была слишком слабой, чтобы её можно было использовать. Информация о противоэдс даёт обратную связь, сообщающую о вращении мотора, и позволяет управляющей электронике синхронизировать катушки. Эта информация уходит в управляющую мотором электронику. Поэтому я смонтировал на него датчик Холла, напрямую измеряющий изменение магнитного поля, чтобы измерять, насколько быстро ротор и его постоянные магниты крутятся над датчиком.

Изначально я сделал ротор, который укрепил на отдельном металлическом стержне, но потом я просто начал печатать и стержень в качестве неотъемлемой части ротора. Для изготовления ротора я обратился к 3D-печати. Это уменьшило количество физических компонентов до ротора, четырёх постоянных магнитов, подшипника и печатной платы, обеспечивающей и катушки и структурную прочность.

Испытания показали, что он стабильно обеспечивает статический крутящий момент в 0,9 г*см. Вскоре мой первый мотор уже работал. Распечатанный мотор может работать с напряжением от 3,5 до 7 В, хотя при высоком напряжении он ощутимо греется. Этого момента не хватало для реализации моего изначального плана по созданию интегрированного мотора для дрона, но я подумал, что такой мотор всё же можно использовать в качестве двигателя для небольших и дешёвых роботов, передвигающихся по земле на колёсах, поэтому я продолжил изыскания (обычно моторы оказываются наиболее дорогостоящими частями роботов). Он потребляет порядка 250 мА. На 5 В его рабочая температура составляет 70 °C, что вполне допустимо.

Мне удалось его почти удвоить, добавив ферритовый лист к задней части катушек статора, чтобы ограничить силовые лини магнитного поля. В настоящий момент я сконцентрировался на увеличении крутящего момента. Кроме того, я работаю над использованием таких же технологий для создания линейного привода, способного перемещать распечатанный ползун по ряду из 12 катушек. Я также планирую другие прототипы моторов с иными системами намотки. Моя цель – начать изготовление новых роботов, использующие более маленькие и дешёвые механизмы по сравнению с доступными сегодня. Также я испытываю прототип гибкой печатной платы, использующий такие же катушки.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть