微球軸承支撐的集成電磁微型汽輪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

田 亮

(山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟(jì)南,250013)

1 概述

為了提高便攜式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能,需要開發(fā)小型高密度電源,因此,有必要對由機(jī)電發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)組成的傳統(tǒng)大型發(fā)電機(jī)進(jìn)行小型化革新設(shè)計和發(fā)電效能進(jìn)行提升。A.S.Holmes等人設(shè)計了一種具有軸向磁通和軸流的永磁微型渦輪發(fā)電機(jī),該裝置使用SU-8聚合物轉(zhuǎn)子,支承在滾珠軸承上,在30 kr/min下產(chǎn)生1.19 V,相當(dāng)于1.1 MW 的預(yù)期交流功率[1]。C.T.Pan 等人研制了一種類似的軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)使用外部主軸驅(qū)動,并達(dá)到1.89 MW 在13 kr/min[2]。H.Raisigel等人開發(fā)了一種在永磁體上支撐渦輪結(jié)構(gòu)的微型渦輪發(fā)電機(jī),該裝置由一個帶有三相多匝線圈的定子和一個由磁氣軸承支撐的轉(zhuǎn)子組成,在58 kr/min時產(chǎn)生14 MW 的功率[3]。

綜上所述,國外研究人員已經(jīng)開展了較多基于微球支撐結(jié)構(gòu)微型渦輪發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計和性能驗證,但其發(fā)電效能不夠高、系統(tǒng)設(shè)計集成度不夠,且處于初步研究階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證不足,沒有充分利用新型清潔能源等。

本文是利用微球軸承的穩(wěn)定性和簡單性,充分利用碳?xì)淙剂细吣芰棵芏鹊膬?yōu)勢,旨在采用簡單的操作方案將氣流轉(zhuǎn)化為電能。開展一個利用封裝微型球軸承、轉(zhuǎn)子和定子組成的微型渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計,實現(xiàn)集成性強(qiáng)、渦輪功效強(qiáng)大的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

微型渦輪發(fā)電機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子由懸浮在定子上方的微型球軸承支撐,結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。渦輪轉(zhuǎn)子由2塊500μm 厚的硅片粘合在一起,將微珠(φ=285μm)封裝在預(yù)蝕刻溝槽之間,如圖1(c)所示。頂部晶片為蝕刻200μm 深的徑向流動渦輪結(jié)構(gòu),用于氣動驅(qū)動。在底部晶圓上刻腔,以容納10個500μm 厚的Nd FeB永磁體,見圖1(b)。這些永磁體以交替極性排列,內(nèi)半徑和外半徑分別為2 mm 和5 mm。此外,磁鐵和轉(zhuǎn)子之間集成了一個250μm 厚、半徑為5 mm 的高磁導(dǎo)率Fe-Co V 盤。在采用釹鐵硼磁體作為磁場源的同時,為了減小器件的磁阻,提高定子內(nèi)部的磁通密度,在設(shè)計中加入了FeCo V 盤。帶有通孔的硅管道芯片放置在轉(zhuǎn)子頂部,用于引導(dǎo)氮氣流動,如圖1(a)所示。

圖1 轉(zhuǎn)子的三維示意

定子由平面、三相、十極和每極三匝的銅線圈組成。由于法拉第磁感應(yīng)定律,磁鐵在定子上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致電壓感應(yīng)。為了優(yōu)化磁通連接并降低徑向線的電阻,線圈的徑向特征以及一半的內(nèi)部和外部連接被電鍍在400μm 厚的硅襯底上,硅襯底具有貫穿蝕刻的線圈。其余的連接定子在背面有通孔的介電層上,使定子磁通最大化,同時使相位電阻最小化,以提高輸出功率。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 微球軸承支撐微系統(tǒng)的制造

基于微珠軸承的器件是通過在硅中的深反應(yīng)離子刻蝕在滾道中放置微珠來制造。為了減少球卡,滾道的設(shè)計寬度比微球的寬度寬10μm,由于作用在轉(zhuǎn)子/滑塊上的法向力使?jié)L珠與止推面接觸,軸承在推力方向上沒有游隙。密封軸承滾道深度被不對稱地蝕刻,使得一個軸承設(shè)計為球直徑深度的60%,另一個軸承設(shè)計為40%。偏移蝕刻深度的目的是防止球在操作過程中接觸到鍵合界面。轉(zhuǎn)子釋放蝕刻將轉(zhuǎn)子與定子斷開。因為在微加工推力軸承中會產(chǎn)生不對稱。轉(zhuǎn)子需要在預(yù)定方向正常負(fù)載,以確保滾珠在平坦的硅表面上滾動。

3.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的制造

轉(zhuǎn)子由2塊硅片組成,硅片上有蝕刻的滾珠滾道,滾道與中間的微珠共析結(jié)合在一起。在兩側(cè)執(zhí)行最終蝕刻步驟,以釋放中心轉(zhuǎn)子,并確定渦輪葉片和磁性部件外殼。另外,一個硅管道芯片被深刻蝕以形成通孔,在測試期間引導(dǎo)氣流通過渦輪葉片。轉(zhuǎn)子組件的制造和測試詳情見文獻(xiàn)[4]。在厚度為400μm 的定子晶片中蝕刻和熱氧化線圈外殼。采用自底向上鍍銅工藝,共形填充刻蝕特征,形成線圈的第一層。在定子背面進(jìn)行二級金屬化,并通過200μm 厚的濺射金層連接以完成線圈結(jié)構(gòu)。

3.3 微型渦輪結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組裝

圖2顯示了設(shè)備橫截面結(jié)構(gòu)示意。通過對軸承轉(zhuǎn)速和推力載荷進(jìn)行獨立控制獲得平面接觸微球軸承動態(tài)摩擦特性。在降速試驗期間,速度和負(fù)載的解耦是通過包裝組件定義的靜水壓推力室實現(xiàn)的。微型加工渦輪機(jī)包裝在2個塑料歧管之間,使用橡膠O 形密封圈進(jìn)行流體輸送,以及柔性支撐。在操作過程中,裝置的底面受壓,產(chǎn)生凈向上的法向力,使轉(zhuǎn)子與滾珠軸承正確接觸。在降速試驗過程中,通過高靈敏度流量控制閥提供推力室流量并監(jiān)測背面壓力,可以實現(xiàn)所需的推力負(fù)載。為了驅(qū)動渦輪機(jī),壓縮氮氣通過上部歧管提供,而光學(xué)位移探針跟蹤減速器結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。光學(xué)位移傳感器位于微型渦輪機(jī)中央出口處的12個蝕刻減速帶結(jié)構(gòu)正上方。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,傳感器輸出50%的占空比方波,頻率比渦輪轉(zhuǎn)速高12倍。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過光學(xué)探針信號的快速傅里葉變換實時計算。

圖2 設(shè)備橫截面結(jié)構(gòu)示意

4 系統(tǒng)測試和結(jié)果

4.1 微型渦輪性能

渦輪性能曲線,見圖3。

圖3 渦輪機(jī)運行曲線

圖3(a)顯示了在低速下增加和減少驅(qū)動的備用路徑。這可歸因于多種因素,其中最簡單的是與滾動接觸相關(guān)的靜摩擦大于動摩擦。與已經(jīng)在運動的微珠相比,從靜止開始,微珠需要更大的力來啟動滾動。當(dāng)渦輪機(jī)減速時,其在低于啟動壓力的驅(qū)動壓力下保持旋轉(zhuǎn)。此外,微珠的滑滾比變化也可能起到重要作用。在所有操作范圍內(nèi),微珠的滑滾比是未知的,從靜止開始,較大的滑滾比會導(dǎo)致更高的摩擦力。另一個可能的影響因素是由于啟動過程中輕微不對稱的負(fù)載條件,轉(zhuǎn)子上的凈徑向力。

圖3(b)顯示了入口壓力和轉(zhuǎn)子法向力之間的線性關(guān)系,說明了驅(qū)動過程中法向力和旋轉(zhuǎn)力的依賴性。雖然微型渦輪機(jī)已經(jīng)超過50 kr/min的速度啟動,但裝置特性被限制在10 kr/min。選擇該值是為了將轉(zhuǎn)子法向力的范圍限制在相同尺寸的底驅(qū)動靜電微電機(jī)中預(yù)期的范圍。當(dāng)裝置在50 kr/min以上啟動時,轉(zhuǎn)子法向力的增加,再加上轉(zhuǎn)速的增加,會導(dǎo)致裝置的嚴(yán)重磨損和突然失效。

圖3(c)顯示了當(dāng)渦輪氣流通過轉(zhuǎn)子外圍時底面受壓,產(chǎn)生凈向上法向力,而不增加推力室流量。在沒有通過軸承的推力室泄漏流的情況下,轉(zhuǎn)速、法向力和渦輪流量在圖3中顯示為裝置入口壓力的函數(shù)。這種封裝方法允許在降速試驗期間對法向力和旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行獨立控制,這2種力在渦輪機(jī)驅(qū)動期間是耦合的。圖3(a)-(c)中的特征曲線是在超聲波清洗后收集的。這表明,雖然磨損碎片限制了設(shè)備的耐久性,但磨損本身(與制造狀態(tài)的幾何偏差)對清潔狀態(tài)下的性能幾乎沒有影響。

圖3(d)所示為磨損碎片對長時間運行后性能的影響,其中渦輪機(jī)在0.25 lbf的驅(qū)動壓力下驅(qū)動,產(chǎn)生2 slm 的流量和30 Nm 的法向力。在持續(xù)運行的初始階段之后,可以看到轉(zhuǎn)速下降。這一行為歸因于磨損碎屑的堆積,由于與顆粒污染相關(guān)的摩擦增加,使轉(zhuǎn)子減速。因此,裝置定期在丙酮浴中進(jìn)行超聲波攪拌以去除磨損顆粒。超聲波清洗后,渦輪性能恢復(fù)到預(yù)期性能,顯示出隨著轉(zhuǎn)速增加而運行更長時間;這意味著隨著時間的推移,磨損率降低。

4.2 定子線圈的電性能測試

測量定子線圈的電性能結(jié)果表明:薄膜的每相電阻為220Ω,主要是由于薄膜背面金的金屬化作用。測量電感為3.5μH,在輸出頻率(0～10 k Hz)下產(chǎn)生0.2Ω的最大可忽略不計的最大阻抗。因此,假設(shè)內(nèi)部定子每相阻抗為純電阻220Ω。利用轉(zhuǎn)子自旋下降法對微加工球軸承的摩擦力矩進(jìn)行了表征。最初,加壓氮氣用于在16 kr/min下驅(qū)動轉(zhuǎn)子。接著,流動中斷,磁轉(zhuǎn)子在軸承的摩擦下減速。

在減速過程中收集了轉(zhuǎn)子角位置與時間的數(shù)據(jù),如圖4所示為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降和摩擦力矩計算曲線擬合。與R2值為0.99 的指數(shù)曲線擬合后,動態(tài)摩擦值從(5.45～33μNm)不等,相當(dāng)于16 kr/min時渦輪效率約為6%。與其他裝置中的微球軸承的演示相比[5-7],該微型渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部件具有更高的摩擦力,因為其比表面積高44%,微球在裝置中多20%,總質(zhì)量增加了4倍。

圖4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降和摩擦力矩計算曲線擬合

圖5顯示每相AC 開路電壓相對于轉(zhuǎn)子速度的幅值,與在2 kr/min時的最大值為0.1 V 呈線性關(guān)系。實驗值在由柔性O(shè) 形環(huán)定義的預(yù)期氣隙范圍(200～700μm)下使用模擬結(jié)果計算的理論范圍內(nèi)。

圖5 開路電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線

4.3 微型電機(jī)的送電測試

對該裝置進(jìn)行了送電測試,為了從微型渦輪發(fā)電機(jī)中提取最大功率,在一個相端連接一個匹配的220μm 的電負(fù)載。轉(zhuǎn)子采用加壓氮氣旋轉(zhuǎn),在不同轉(zhuǎn)速下測量輸出功率。同時,記錄外加氣體壓力和流量,計算輸入的外加功率,見圖6。

圖6 220Ω電阻器輸出的輸入功率和輸出功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖6顯示了220Ω電阻器輸出的機(jī)械輸入功率和輸出功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系。最大相對交流功率在2 kr/min時測量為5.6μW,對應(yīng)于3×10-6機(jī)械電效率。功率和效率值相對較低,主要是由于高相阻抗。相阻抗的主要貢獻(xiàn)者是形成總電阻99%以上的薄背面連接層。通過在厚度大于200μm 的聚合物模具中電鍍背面連接件,可以獲得3個數(shù)量級以上的功率水平。

5 結(jié)論及展望

本研究設(shè)計了一種集成磁性元件和微球軸承的電磁微型汽輪發(fā)電機(jī),具有集成性強(qiáng)、渦輪功效強(qiáng)大的優(yōu)勢,設(shè)定頻率下,定子相位的電阻和電感分量測量為220Ω。微型渦輪的降速測試表明:在16 kr/min 的轉(zhuǎn)速下,動態(tài)摩擦扭矩高達(dá)33 μNm,相當(dāng)于渦輪效率的6%;在220Ω 電阻負(fù)載下測量了0.1 V 的最大相交流開路電壓和5.6μW的功率,達(dá)到3×10-6的機(jī)械電效率,符合獲得3個數(shù)量級以上功率水平的理論設(shè)計要求。

微球軸承支撐的集成電磁微型渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計減少了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)制造和集成的復(fù)雜度,可實現(xiàn)高能量密度碳?xì)淙剂夏茉崔D(zhuǎn)換電能的開發(fā)和利用,為傳統(tǒng)的機(jī)電發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等大型發(fā)電機(jī)的小型化提供了新的技術(shù)途徑。