关于PCB基轴向磁通步进电机设计与性能增强研究的学术报告
一、 主要作者、机构及发表信息 本研究报告基于一篇发表于MDPI出版社旗下期刊《Electronics》2026年第15卷第777期的原创性研究论文。该论文题为《Design and Performance Enhancement of a PCB-based Axial-Flux Stepper Motor》（PCB基轴向磁通步进电机的设计与性能增强）。研究的主要作者包括潘岩（Yan Pan）、张涵（Han Zhang）、徐俊涛（Juntao Xu）、朱晨宇（Chenyu Zhu）、吴超（Chao Wu）和李洪强（Hongqiang Li）。他们主要来自同济大学电子信息工程学院（School of Electronics and Information Engineering, Tongji University），部分作者也隶属于同济大学物理科学与工程学院（School of Physics and Science）以及同济大学东莞研究院（The Institute of Dongguan—Tongji University）。通讯作者为吴超（Chao Wu）和李洪强（Hongqiang Li）。论文于2026年1月9日收稿，经修订后于2026年2月11日正式发表。
二、 研究背景与目的 本研究属于电机设计、精密驱动与控制领域，具体聚焦于采用印刷电路板（Printed Circuit Board， PCB）技术的无铁芯轴向磁通步进电机。PCB电机因其轴向尺寸短、功率密度高、无齿槽转矩、转子惯量低、易于大规模低成本制造等优点，在空间受限的精密控制应用（如微型机器人、自动化仪器、办公自动化设备）中展现出巨大潜力。然而，PCB电机在走向实用化过程中面临两个核心挑战：其一，在有限的PCB定子布线空间内，增加电机极数以提高分辨率会导致单个线圈所占机械角度减小、磁链降低，从而使得电磁转矩难以提升；其二，无铁芯PCB定子固有的极低电感特性会导致驱动电流纹波巨大，严重影响微步进（Microstepping）驱动的精度和性能，现有研究对此关注不足。
因此，本研究旨在系统性解决上述问题，其具体目标为：1）针对多极PCB步进电机扭矩增强的难题，提出一种新型的PCB绕组配置方案，在不增加PCB层数或整体尺寸的前提下提升电磁转矩；2）针对低电感特性引起的电流波动问题，分析其对微步进驱动的影响，并通过引入串联电感器的方法抑制电流纹波，优化微步进性能；3）通过理论分析、有限元仿真和原型机实验，全面验证所提出方案的有效性，为紧凑空间下PCB步进电机的设计与控制提供可行的解决方案。
三、 详细研究流程与方法 本研究遵循了从理论设计、仿真验证到原型制作与实验测试的完整工程研究流程，主要包含以下四个核心步骤：
第一步骤：新型PCB绕组设计与电磁性能理论分析。 研究首先从电机拓扑结构入手，选择了中央定子、双转子（Single Stator Dual Rotor）的轴向磁通结构以消除不平衡磁拉力并提供更高的气隙磁密。核心创新在于定子绕组的设计。传统的PCB螺旋绕组通常将A、B两相绕组并排布置在同一PCB层内。随着极数增加，每相线圈所占的机械角度被压缩，导致磁链面积减小，扭矩下降。为此，本研究提出了一种“轴向偏移布局”的新型螺旋绕组配置。具体而言，在一个8层PCB定子中，将A相绕组全部布置在上面的4层，而B相绕组在周向上偏移一定角度（电角度15°）后布置在下面的4层。这种布局在不改变总层数和电机尺寸的情况下，有效增大了单组线圈的磁链面积。
为了从理论上评估新绕组的优势，研究团队进行了详细的电磁学建模与分析。首先，针对无槽无铁芯PCB电机的特点，重新定义了“虚拟槽”的概念，并推导了适用于PCB绕组的绕组因数计算公式，包括分布因数和节距因数。分析表明，新绕组通过增大单匝线圈占据的机械角，使其节距因数更接近1，从而显著提高了整体绕组因数（从传统绕组的0.3691提升至0.9364）。接着，基于磁场和绕组参数，推导了反电动势（Back-EMF）、电阻和电感的理论表达式。最后，对电磁转矩进行了理论计算和比较。通过建模单匝线圈的磁链面积，理论计算表明，在相同磁场和电流条件下，所提出的新型绕组相比传统并排绕组，其电磁扭矩可提升约31.6%。这一理论预测为后续仿真和实验奠定了基础。
第二步骤：有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）验证。 为了进一步证实理论分析的正确性并量化性能提升，研究团队利用电磁场仿真软件（如Ansys Maxwell或类似工具）建立了电机三维有限元模型。模型参数包括：磁钢外径40毫米、内径27毫米、厚度4毫米、12极、气隙0.7毫米、导体宽度0.3毫米、绝缘间距0.2毫米、8层PCB等。
仿真主要对比了传统绕组和新型绕组在以下几方面的性能： 1. 空载反电动势：仿真结果显示，新型绕组的空载线反电动势基波幅值从传统绕组的172.5毫伏提升至221.4毫伏，提升了28.34%。同时，反电动势的总谐波失真（Total Harmonic Distortion， THD）从26.23%大幅降低至5.7%，波形正弦性更好。 2. 静态转矩特性：在单相通入1.5安培直流电的情况下，旋转转子得到静态转矩曲线。结果表明，两相转矩曲线呈近似正弦分布，且相位差90°，符合两相步进电机的基本特性，验证了电机结构的合理性。 3. 转矩-电流特性：通过改变激励电流进行仿真，得到了两种绕组在不同电流下的电磁转矩曲线。对比表明，在相同电流下，采用新型绕组的电机其电磁扭矩比传统绕组提升了约29.7%，与理论计算的31.6%高度吻合，有力证明了新型绕组在提升扭矩方面的有效性。
第三步骤：低电感特性分析与驱动控制策略改进。 在完成电磁设计后，研究转向解决PCB电机低电感带来的驱动问题。有限元仿真测得电机相电感平均仅为16.71微亨。如此低的电感在H桥驱动电路中会导致极大的电流纹波。研究首先建立了单相H桥驱动电路的数学模型，分析了电流上升、慢衰减和快衰减阶段的电流变化方程。仿真显示，在80kHz PWM开关频率、1.5A设定电流下，由于采用快速衰减模式，电流波动峰值可达约3.7A，甚至出现反向电流，严重畸变。
接着，研究在MATLAB/Simulink 2023a中搭建了开环微步进驱动仿真模型。模型采用双H桥驱动，并实现了微步进控制（电流按正弦/余弦阶梯波变化）。仿真结果表明，在极低电感下，两相绕组电流波形波动剧烈、严重失真，导致电机转子角位置变化不连续，微步进控制实质上失效。
为解决此问题，研究比较了降低直流母线电压、增加开关频率、优化控制算法和串联电感等方法。考虑到系统体积和控制复杂度的平衡，最终选择了串联电感方案。根据H桥电路电流波动最大值的计算公式 Δi_max = V_m / (2Lf)，其中V_m为电源电压，f为开关频率，L为负载侧总电感（包括电机电感和外加电感）。以常用驱动芯片开关频率30kHz、电源电压12V、目标电流纹波Δi_max控制在0.25A以内为设计目标，计算得出所需串联电感值约为800微亨。将此外部电感与电机绕组串联后进行仿真，电流纹波被有效限制在0.25A以内，电流波形质量显著改善，微步进驱动功能得以恢复。
第四步骤：原型机制作与实验验证。 基于上述设计与分析，研究团队制作了PCB步进电机原型机，并搭建了实验测试平台。测试仪器包括直流电源、扭矩传感器（EVG-D200）、磁编码器（AS5600）、热像仪（FLIR ONE Pro）和示波器等。
实验内容主要包括： 1. 电磁性能测试： * 静态转矩曲线：在A、B两相通入1.5A直流电，测量静态转矩-角度曲线，结果与仿真曲线基本一致，验证了电机设计的正确性。 * 动态输出扭矩：测量电机在运行时的平均输出扭矩，结果为46.2 mN·m（论文结论中表述为46.4 mN·m）。虽略低于理论值（53.06 mN·m）和仿真值（51.21 mN·m），但考虑到加工和测量误差，认为电机具有良好的动态扭矩特性。 * 温升测试：在环境温度20°C下连续运行20分钟后，用热像仪测量PCB绕组温度。最高温度为63.4°C，表明电机在允许温度范围内可稳定工作，满足了热可靠性要求。 2. 微步进驱动性能评估：在驱动电路中加入800微亨的优化电感后，使用磁编码器测量电机在4、8、16微步驱动下的步进角度。实验数据显示，转子角位移与理论值吻合良好。特别是在16微步驱动下，最大步进角误差被控制在0.25°以内，证明了串联电感方案有效提升了微步进精度。
四、 主要研究结果 本研究在各个阶段均获得了明确且相互印证的结果： 1. 理论分析结果：提出了新型轴向偏移螺旋绕组，理论计算其绕组因数（0.9364）远高于传统绕组（0.3691），反电动势基波幅值更高，谐波含量更低。理论预测扭矩提升31.6%。 2. 有限元仿真结果：仿真验证了理论预测，新型绕组使空载反电动势基波幅值提升28.34%，THD从26.23%降至5.7%。在1.5A电流下，电磁扭矩相比传统绕组提升约29.7%，与理论值高度吻合。 3. 驱动问题分析与解决方案：仿真揭示了PCB电机极低电感（~16.7µH）导致微步进驱动电流严重畸变、控制失效的问题。通过理论计算，确定了约800µH的串联电感为优化值，仿真证实该方案能将电流纹波限制在0.25A以内，有效恢复了平滑的微步进电流波形和连续的角位置变化。 4. 原型机实验结果：制作的原型机实测平均输出扭矩为46.4 mN·m，验证了新型绕组的扭矩增强效果。温升测试表明电机可稳定运行。在加入优化电感后，16微步驱动下的步进角误差小于0.25°，证明了所提出的低电感补偿方案能显著改善微步进性能。
这些结果逻辑连贯：新型绕组设计解决了扭矩问题，而串联电感方案解决了由该设计（及PCB电机固有特性）带来的驱动控制问题，两者共同确保了电机在紧凑空间应用中兼具高扭矩和高精度的性能。
五、 研究结论与价值 本研究成功设计并验证了一种基于PCB技术的盘式步进电机，并系统性地解决了其扭矩提升和精密驱动两大关键问题。主要结论如下： 1. 提出的轴向偏移螺旋绕组配置，通过优化绕组布局增大磁链面积，在不增加体积和层数的前提下，将电机电磁扭矩提升了约30%，为提升多极PCB电机的扭矩密度提供了一种有效方法。 2. 针对PCB定子超低电感特性引起的电流波动问题，深入分析了其对微步进驱动的破坏性影响，并提出采用串联电感的简单实用方案。通过理论计算选取最优电感值，成功将电流纹波抑制在合理范围，显著改善了微步进驱动性能，使步进角误差在16微步下小于0.25°。 3. 通过完整的“理论-仿真-原型-实验”流程，验证了所提出设计与控制策略的有效性，为紧凑空间应用下的PCB步进电机提供了从电磁设计到驱动控制的全套可行解决方案。
本研究的科学价值在于深化了对PCB绕组电磁设计（特别是绕组因数优化）的理解，并明确了低电感特性对步进电机微步进驱动性能的具体影响机制及补偿方法。其应用价值在于推动了PCB步进电机向高性能、高精度实用化方向发展，使其更适用于对体积、重量和精度有苛刻要求的现代精密设备。
六、 研究亮点 1. 创新性的绕组设计：提出的“轴向偏移布局”螺旋绕组是一种结构创新，它巧妙地利用了PCB的层叠空间，通过改变相绕组的层间分布而非简单地增加层数或改变线宽线距，实现了绕组因数和扭矩的有效提升。该方法具有普适性，可推广至其他极槽配合的PCB电机。 2. 问题导向的系统性解决方案：研究没有孤立地看待电磁设计或驱动控制问题，而是识别了PCB电机“高分辨率（多极）导致扭矩下降”和“无铁芯导致低电感、影响控制”这两个内在关联的挑战，并提供了从电磁优化到电路补偿的完整技术路径。 3. 详实的理论与实验结合：从“虚拟槽”和绕组因数理论推导，到有限元仿真对比，再到原型机测试与性能评估，研究过程严谨，数据翔实，结论可靠。特别是对微步进角误差的定量测试，直接证明了驱动改进方案的实际效果。 4. 明确的工程实用性：所提出的扭矩增强方法不增加制造成本和体积，而串联电感方案简单易行、成本低廉，均具有良好的工程应用前景。
七、 其他有价值内容 论文中的表1对PCB基步进电机与传统步进电机在结构、机电性能、热管理和制造四个方面进行了四维对比，清晰概括了PCB电机的优势（集成度高、重量轻、无齿槽转矩、动态响应快、原型制作快）与劣势（扭矩密度较低、散热路径挑战大、需要大幅降额使用、制造成本较高），为读者全面理解此类电机的技术特点和应用场景提供了很好的参考。此外，论文对电流衰减模式（慢衰减、快衰减、混合衰减）及其对低电感电机电流波形影响的分析也具有一定的普适参考价值。