3Dプリントモーター：回路基板の銅箔をコイルとして使うのがコツ

Antarctic Bearによると、研究者は3Dプリント技術を使用して軽量の小型モーターを製造しており、これにより、より小型でシンプルな機械装置を使用して新しいタイプのドローンを製造できるようになる可能性があるという。

原文は次のとおりです:
最初は、非常に小さなドローンを作りたかっただけです。しかし、ドローンをどのように設計しても、そのサイズと重量はモーターという 1 つの要素によって制限されることにすぐに気付きました。小型モーターであっても、追加の電子部品やサポートを必要とする個別のコンポーネントです。そこで、これらのコンポーネントを統合して重量を軽減する方法を見つけたいと思いました。

私は、プリント回路基板 (PCB) 上の銅箔トレースを使用して作られたいくつかの無線システムのアンテナにインスピレーションを受けました。同様のコンポーネントを使用して、モーターを駆動できる磁場を作成できますか? PCB 銅箔を電磁コイルとして使用して軸方向磁場モーターを作成できるかどうか試してみることにしました。軸方向磁界モータでは、モータのステータを構成する電磁コイルが、円盤状のローターと平行に取り付けられています。ローターディスクには永久磁石が埋め込まれており、ステーターコイルを交流で駆動してローターを回転させます。

最初の課題は、ローターを駆動できる磁束を生成することです。銅箔を使って電流を流せる平らなスパイラルコイルを作るのは難しくありませんが、私のモーターの直径は、現在販売されている最小のブラシレスモーターの全体の直径に相当する 16 mm より大きくすることはできません。直径が 16 mm の場合、ローターディスクの下に配置できるコイルは 6 個のみであり、各コイルは 10 回転のみで巻くことができます。 10 回転で発生する磁場の強さは明らかに不十分です。しかし、PCBの利点は、多層PCBを簡単に作れることです。 4 つの層それぞれにコイルを配置して積層コイルを印刷することで、各コイルは最大 40 回転でき、ローターを駆動するのに十分な回転数になります。

設計が進むにつれて、より大きな問題が浮上しました。モーターの回転を維持するためには、ローターとステーター間の磁場の動的変化を同期させる必要があります。一般的な AC モーターでは、ブラシがステータとローターを橋渡しし、ステータとローターの磁場が自然に同期されます。ブラシレスモーターでは、フィードバックシステムを備えた制御回路が必要です。

以前作成したブラシレスモーターでは、速度を制御するフィードバック EMF を測定しました。回転するモーターは発電機のように動作し、モーターを駆動する電圧とは逆の電圧をステーターコイルに生成し、逆起電力を生成します。逆起電力を感知することで、ローターの回転状態をフィードバックし、制御回路を使用してコイルを同期させることができます。しかし、私の PCB によって生成される逆起電力は弱すぎて役に立ちません。そこで、ホールセンサーを設置しました。ホールセンサーは磁場の変化を直接測定し、センサー上のローターと永久磁石の回転速度を推定し、測定結果をモーターの制御回路にフィードバックします。

モーター自体を作るときは、3Dプリントすることにしました。当初はローターを別の金属シャフトに取り付けていましたが、すぐに方針を変更し、スライディングインサートシャフトをローターに統合して、ローターの一部にしました。このように、モーターの物理的なコンポーネントは、ローター、4 つの永久磁石、1 つのベアリング、およびコイルとサポートとして機能する PCB のみです。

すぐに最初のモーターを組み立てて、それが動き始めました。テストデータによると、モーターの静的トルクは 0.9 g•cm です。この静的トルクは、ドローンにモーターとして組み込むという当初の目標を達成するには低すぎましたが、このモーターで小型で安価なドローンを車輪付きで地面の上を走らせることができることに気づいたので、開発を続けることにしました (モーターは通常、機械の中で最も高価な部品です)。プリントモーターは 3.5 ～ 7 ボルトで動作できますが、電圧が高くなるとかなり高温になります。 5V では動作温度は 70 ℃ となり、制御可能な範囲内です。電流は250mAです。

現在、モーターのトルクを上げることに注力しています。ステーターコイルの後ろにフェライトシートを追加してコイルの磁束を遮蔽したところ、モーターのトルクがほぼ2倍になりました。また、コイル構成を変更し、ステータコイルの巻き数を増やすことを期待して、他のプロトタイプの作成も検討しています。さらに、私はこの技術を使用して、12 個のコイルの列の下にある 3D プリントされたスライダーを駆動する PCB リニアアクチュエータの作成に取り組み始めました。また、プリントコイルを備えたフレキシブル PCB プロトタイプを使用して電磁駆動を実装しようとしています。私の目標は、より小型でシンプルなメカニズムを使用して新しいドローンを作り始めることです（まだ空を飛ぶことはできませんが）。

出典: Yuezhi.com

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