3D打印电机：诀窍是将电路板铜箔作为线圈

据南极熊了解，有一人研究人员利用3D打印技术，制作更加重量轻的小型电机，或将可以利用更小、更简单的机械装置制作新型无人机。

下面是原文：
最开始，我只是想做一个特别小的无人机。但我很快发现，无论怎样设计，无人机的尺寸和重量都受一个因素的限制：电机。即便是小型电机也属于分立元件，需要附加其他电子元件或支撑件。所以我想找到合并这些组件的办法，减轻重量。

有些无线电系统的天线是利用印刷电路板（PCB）上的铜箔线路制作的，我从中得到了启发。我能不能用类似的元件制成一个可以驱动电机的磁场？我决定试一下，看看能否以PCB铜箔为电磁线圈，制作一个轴向磁场电机。在轴向磁场电机中，组成电机定子的电磁线圈与圆盘形的转子平行安装。永磁铁嵌装在转子圆盘中，利用交变电流驱动定子线圈，可以使转子旋转。

面临的首要挑战是，必须产生能够带动转子的磁通量。用铜箔制成一个可通电流的平面螺旋线圈并不困难，但我的电机直径不能大于16毫米，相当于现售最小的无刷电机的整体直径。16毫米的直径意味着在转子圆盘下面只能放6个线圈，每个线圈只能绕10匝。10匝产生的磁场强度肯定不够。但PCB的好处就是，可以很容易地制作多层式PCB。通过印制叠层线圈——4层中每层都有线圈，每个线圈都可以达到40匝，足够带动转子了。

随着设计的推进，更大的问题出现了。为了维持电机的转动，转子与定子间的磁场动态变化必须保持同步。在常见的交流电机中，电刷桥接定子和转子，定子与转子的磁场自然会同步。而在无刷电机中，则需要带有反馈系统的控制电路。

在先前制作的一个无刷电机中，我测量了控制转速的反馈逆电动势。转动的电机就像一个发电机，在定子线圈上产生与驱动电机的电压相反的电压，因此产生逆电动势。感知逆电动势，可以反馈转子的转动状态，并利用控制电路使线圈同步。但我的PCB产生的逆电动势太弱，无法使用。所以，我安装了一个霍尔传感器。霍尔传感器可以直接测量磁场变化，进而估算传感器上方转子和永磁铁的转速，并将测量结果反馈至电机的控制电路。

制作电机本身时，我选择了3D打印。最开始我将转子装入一根单独的金属轴，但很快改变策略，将滑动插入轴集成到转子中，成为它的一部分。这样，电机的物理组件就只有转子、4个永磁铁、1个轴承，还有作为线圈及支撑件的PCB。

我很快就制成了第一台电机，可以转动。测试数据表明，电机的静转矩为0.9克•厘米。这一静转矩太小，没有达到我的最初目标，无法集成到无人机中作为发动机，但我意识到，这一电机仍然可以推动价格低廉的小型无人机用轮子在地面移动，所以我决定继续努力（电机通常是机器最昂贵的部分）。打印电机可在3.5到7伏电压下工作，不过在电压较高时温度会明显升高。在5伏电压下，工作温度为70摄氏度，仍在可控范围之内。其电流为250毫安。


目前，我将主要精力放在增加电机转矩上在定子线圈后方增加用于屏蔽线圈磁感线的铁氧体片后，电机转矩几乎翻倍。我还在研究制作其他原型，希望能改变线圈配置，增加定子线圈匝数。另外，我已经开始着手使用该技术制作PCB直线致动器，这种致动器能够驱动位于一排12个线圈下方的3D打印滑块。我还在尝试用带有印制线圈的柔性PCB原型实现电磁驱动。我的目标是，（即使暂时不能飞向天空）开始利用更小、更简单的机械装置制作新型无人机。

来源：悦智网