Шість років тому Карл Бугея намотав котушки прямо на друковану плату і отримав щось, що ледве крутилося. Але саме це «ледве» зачепило — і понеслося. З того першого невдалого прототипу виросло щось справді незвичайне: мотор без вала, без заліза в статорі, з вбудованим драйвером і ресурсом, якого вистачить на півтора мільярда обертів. Як він до цього дійшов — окрема історія.
Чому PCB-мотор — це не просто красива ідеяСтандартний безщітковий мотор — це мідні обмотки, залізний сердечник, вал і окремий драйвер. Карл вирішив позбутися майже всього цього. Його статор — це сама друкована плата, без жодного заліза всередині. Це одразу знімає проблему вихрових струмів у сердечнику, які грабують ККД на високих обертах.
Але мідь теж не ідеальна. Вихрові струми виникають і в ній — особливо коли магніти крутяться тисячами обертів на хвилину і постійно змінюють магнітне поле навколо провідників. Тому останні три роки Карл зосередився саме на формі та топології котушок.
Він знайшов наукову статтю, де порівнювалися різні форми обмоток із точки зору теплових і мідних втрат. Паралельні обмотки виглядали привабливо — але фізично не вміщалися в потрібний розмір плати.
Довелося залишити концентричні, хоча вони і дають найбільші втрати в міді.
Тоді почалося інше: як мінімізувати опір у рамках цієї топології? Карл перебрав безліч варіантів і дійшов несподіваного висновку — товща й коротша котушка поводиться більше як резистор, ніж як індуктивність. Вона гріється, тягне більше струму і насправді програє тій, що має більше витків і більшу площу. Котушка з максимальною індуктивністю давала найнижчі пікові струми — а це і є те, що потрібно для тихого, економного мотора.
Драйвер прямо за статоромКарл знайшов мікросхему, яка повністю керує низькопотужним безщітковим мотором: регулює швидкість через PWM, зчитує оберти через зворотну ЕРС. Залишалося придумати, куди її посадити. Жоден компактний варіант не виходив гарним — заважали кріпильні отвори і роз’єм.
Врешті він додав два додаткових шари плати і просто поклав драйвер прямо під статор. Так, вихрові струми там точно є. Але він хотів знати — наскільки великі ці втрати насправді. Перший прототип виявився відверто поганим. Другий — після жорсткого скорочення міді і зменшення пасивних компонентів — уже працював набагато краще.
Мотор безвальний — і це створювало окрему головоломку. Як кріпити щось до ротора? Спочатку Карл свердлив різьбові отвори, але це додавало вагу і ціну. Потім спробував 3D-друковані ротори — легкі, інтегровані прямо в деталі конструкції. Але на великих обертах вони просто розліталися на шматки, інколи зрізаючи при цьому котушки на платі.
Двоюрідний брат Карла, інженер, підказав рішення: накатка. Дрібні зуби по краю алюмінієвого ротора дозволяють запресувати підшипник без клею та різьби — надійно, легко, без зайвої маси. Здавалося, проблема вирішена.
Перша партія роторів з накаткою пропрацювала місяць без жодних нарікань. Потім замовили більше — і вони почали виходити з ладу один за одним за лічені дні. Виявилося, що нова партія мала діаметр на мікрони менший, ніж попередня — формально в допуску, але достатньо, щоб підшипник передавлювався при запресовці. Більше тертя, нижча межа обертів, скорочений ресурс. Дорога помилка, яка коштувала місяців роботи.
Вийшли з ситуації просто: знайшли нового постачальника з жорсткішими допусками, збільшили вибірку для тестів і запустили все заново.
Виявилося, що сталеві кульки в підшипнику — магнітні, і це трохи гальмує ротор. Керамічні — ні, плюс вони не іржавіють. Один підшипник замість двох додатково зменшує тертя, а нове кріплення ротора знизило биття до менш як 0,4 мм. Чотири магніти замість восьми дали трохи вищі оберти. Залізне кільце посилює поле з потрібного боку — дешевше й простіше в складанні, ніж суцільний залізний ротор.
Що вміє цей мотор і де він може знадобитисяНа холостому ходу мотор розкручується до 37 000 об/хв. Саме на цих обертах він і крутився весь місяць тесту на ресурс — безупинно. Підсумок: кожен з тестових моторів зробив понад 1,6 мільярда обертів. Жодних подряпин на статорі, швидкість не просіла.
З крутним моментом все скромніше — FR4 є FR4. Але там, де важлива компактність, а не тяга, мотор показує себе добре:
- диск-лаунчер — рифлений ротор на 30 000 об/хв як маховик, лінійна швидкість краю близько 30 м/с;
- спінер із ефектом Фібоначчі — просто красиво;
- вібромотор — зміщений ексцентрик перетворює оберти на вібрацію, що відкриває шлях до тактильного зворотного зв’язку прямо на платі;
- маленький двоколісний робот — те, заради чого, за словами Карла, все і починалося.
Мотор вийшов на продаж на microbots.io. Карл чесно попереджає: ціна не найнижча, і маржа мінімальна з урахуванням шести років розробки. Але якщо порівнювати з іншими мікро-безщітковими моторами з вбудованим драйвером — виходить цілком конкурентно.
Головне інше: схема статора відкрита. Це означає, що мотор можна інтегрувати прямо у власну плату — без окремого корпусу, без зайвих з’єднань. Для студентів, мейкерів і інженерів, які хочуть поекспериментувати з PCB-моторами, це, мабуть, найцінніше.
Запис 1,6 мільярда обертів: інженер створив крихітний PCB-мотор спершу з'явиться на ProstoMob.
