超薄！工程师研制出开源微型PCB电机

2019-03-08 10:16

来源：与非网

电机大家很熟悉了，生活工作中经常会遇到电机，作为最常遇到的动力设备。四轴飞行器常用的是无刷电机。

普通无刷电机体积比较大

今天介绍的是只有PCB般厚度的微型开源无刷电机。作者Carl Bugeja是一位追求微型化的年轻工程师。

这个项目的灵感来自于试图制造更小更便宜的无人机。将电机制作到PCB本身将降低任何微型机器人的整体价格，从而使群体机器人变得更加经济实惠。

普通的外转子无刷电动机由定子，转子和通过轴承连接两者的轴制成。其定子绕铁芯缠绕，以旋转转子上的磁铁。铁芯的高磁导率在每个线圈周围产生强磁场，从而提高了电机的扭矩强度。

这种电机设计的独特之处在于定子印刷在PCB板上。六个定子磁极是以星形配置的螺旋形轨迹。虽然与铁芯定子相比，这些线圈产生的扭矩更小，但电机仍然适用于高速应用，额定功率为1瓦。

它还有一个16毫米直径，1.7毫米薄的3D打印4极转子。因此，这种轴向磁通电机的总厚度增加了5毫米（不包括轴），重量为1.5克。

3D打印的转子，内置4个磁铁

现在，作者更近一步将pcb升级到6层板，通过添加两个额外的层，可以减少每层的匝数并使其达到11毫米。电机总高度为3.6毫米，重量为0.5克。

这个pcb空间利用率极高！每个线圈有3个过孔连接中间层。这些迫使三角形定子磁极更有效地利用磁场区域。

微型转子设计有四个压配合2mm n52磁铁和一个3mm轴承。这种新设计将轴焊接到定子上，因此它是固定的，不随转子旋转。

作者选择使用这种设计是因为有两件事：

1、找不到足够小的轴承以适应定子的中间位置。

2、不打算用轴。定制的3D打印转子更有意义。

更进一步，作者还为PCB电机增加了ESC，用来控制电机。

这是它的原理图：

它有一个PIC16F1503作为主控制器和一个三重半桥驱动器STSPIN230，用于控制电机的三相。该MCU具有较低的计算能力（因为我不再考虑无传感器控制所需的不多）但是采用3x3mm芯片封装，价格便宜2美元左右。它们均采用相同的电源供电，以避免使用额外的电源线或板载稳压器，从而进一步降低成本。我过滤了LC滤波器的数字电路电源，以减弱电机可能产生的噪音。它可以在5V至2.6V电源下工作，总共使用220mA电流。

由于pcb电机产生的反电动势太弱而无法实现无传感器速度控制器。所以作者决定使用霍尔传感器（US1881）用于检测转子内的磁铁，向微控制器提供反馈，然后实现速度闭环速度控制器。