航空用三維線圈永磁微電機(jī)性能測試 ＊

■ 黃志平 雷凱博 桑濟(jì)昌 徐天彤 / 北京航空航天大學(xué)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）電磁電機(jī)因具備高功率密度的特點，作為微型驅(qū)動具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是應(yīng)用于微型航空推進(jìn)方面。而由于毫米級微電機(jī)的尺寸與結(jié)構(gòu)限制，現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)通常集中在電機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵指標(biāo)，針對微電機(jī)的測試還未形成相對成熟的測試方案。本文搭建的完整測試臺可應(yīng)用于毫米級電磁微電機(jī)的測試，并為進(jìn)一步拓展其未來的發(fā)展前景做出貢獻(xiàn)。

器件微型化促進(jìn)了可以應(yīng)用在微型泵、芯片散熱、微型旋翼飛行器上的MEMS電磁電機(jī)的發(fā)展，尤其是在微型航空推進(jìn)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前大部分研究的重點在于微電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計，尤其是對電機(jī)線圈纏繞形式與工藝制造方式的研究，但由于制造工藝的前沿性與復(fù)雜性，仍需進(jìn)行不斷優(yōu)化來提高制造的可靠性，另外，對于電機(jī)的測試方案也還需要進(jìn)行進(jìn)一步探索。

微電機(jī)性能測試概述

無論對傳統(tǒng)大型電機(jī)還是微型電機(jī)來說，轉(zhuǎn)速、扭矩和反電勢等3個指標(biāo)是評估電機(jī)性能的關(guān)鍵，多數(shù)針對微型電機(jī)的研究也重點展示了相關(guān)測試方法與結(jié)果。然而，僅有3個參數(shù)不能完全代表電機(jī)性能。對于常規(guī)尺寸電機(jī)（應(yīng)用于電動車等）已具有相對成熟的測試系統(tǒng)以及故障檢測試驗方法，而微電機(jī)由于試驗可重復(fù)性低、微量讀取難度大等問題，不能得到足夠的數(shù)據(jù)來支撐測試需求，因此一些研究不斷優(yōu)化電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)與工藝，以及從微量讀取方法上進(jìn)行突破，提高微電機(jī)性能測試的可靠性與準(zhǔn)確性。另外，還有研究人員提出了一種監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心運(yùn)動的方法，以更加全面的評估電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

已給出性能參數(shù)數(shù)據(jù)的永磁微電機(jī)，幾乎均采用平面線圈、軸向磁路設(shè)計的形式，部分電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)萬轉(zhuǎn)量級，輸出轉(zhuǎn)矩均在微牛米量級。雖然平面線圈被廣泛應(yīng)用于永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)，但三維螺線管式線圈具有更高的電感密度，有利于進(jìn)一步提高M(jìn)EMS電機(jī)的功率密度。

在之前的研究中，研究團(tuán)隊研制了一種具有更高功率密度的基于三維鐵芯螺線管線圈的徑向磁通永磁無刷直流（BLDC）微型電機(jī)，雖然給出了仿真結(jié)果，但由于并沒有針對微電機(jī)的完整的測試方法，因此未進(jìn)行實際測試。本文針對制作結(jié)果較好的微型電機(jī)，提出了對此微電機(jī)的完整測試方案，并搭建了測試臺，對此微電機(jī)進(jìn)行了測試，得到了比較完整的電機(jī)性能測試結(jié)果，證明本文提出的測試方案對于毫米級微電機(jī)的性能測試與迭代優(yōu)化有幫助。

微電機(jī)的模型和實物

研究團(tuán)隊已經(jīng)研制的基于MEMS三維鐵芯電磁線圈的徑向磁通永磁微電機(jī)如圖1所示。微電機(jī)由六槽定子和四極轉(zhuǎn)子組成，其中，六槽定子包含6組嵌硅線圈和插入的硅鋼鐵芯，每組線圈匝數(shù)為15，線徑寬度為100μm；四極轉(zhuǎn)子包含中間的圓鋼軸和吸附著的4片扇形永磁體。嵌硅線圈采用了MEMS工藝制造，包括深度反應(yīng)離子刻蝕、硅-硅（Si-Si）直接鍵合和穿透硅通孔技術(shù)（TSV）鍍銅。微電機(jī)的尺寸為22.3 mm×19.3mm×1.6 mm，是尺寸比較小的徑向磁通BLDC電機(jī)。

微電機(jī)的測試方案的構(gòu)建

微電機(jī)的測試不同于大型電機(jī)，尤其是在實驗室研制階段，所采用的試驗方案、監(jiān)測參數(shù)有很大不同。研究團(tuán)隊構(gòu)建的測試方案，在保證微電機(jī)測試時的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的前提下，進(jìn)行了靜態(tài)測試、通電測試、耐溫測試與運(yùn)行測試等4部分測試，用以表征微電機(jī)研制進(jìn)展，同時也反映了此種微電機(jī)樣機(jī)MEMS加工試制的成功。

靜態(tài)測試是針對微電機(jī)定子的測試，包括質(zhì)量、電阻、插入鐵芯前的電感、插入鐵芯后的電感。定子的質(zhì)量利用天平進(jìn)行測量；6組嵌硅線圈的電阻利用四探針法進(jìn)行測試；電感利用探針以及勝利儀器公司（VICTOR）VC4091C臺式數(shù)字電橋進(jìn)行測試，利用三軸位移平臺、探針臺、樣品臺等搭建組合式測試臺，利用顯微系統(tǒng)觀察探針的位置，將其壓緊在嵌硅線圈的引腳上進(jìn)行測試。

耐溫測試是在電機(jī)不轉(zhuǎn)動時，給線圈通電，測量電機(jī)表面的溫度變化，從而檢驗電機(jī)在堵轉(zhuǎn)時，仍能保持良好的散熱性能，能保證不會燒壞電機(jī)。硅的導(dǎo)熱性能非常好，可以利用單一測溫點的溫度來表示整個電機(jī)表面的溫度，因此直接利用熱電偶對電機(jī)的定子進(jìn)行測溫。對于微電機(jī)來說，不僅尺寸微小，而且測溫點需要避開嵌硅線圈，因此測溫位置比較有限。選取微電機(jī)定子表面距離較遠(yuǎn)的兩個測點，用導(dǎo)熱膠將熱電偶黏接在測溫點處，搭建的耐溫測試系統(tǒng)如圖2所示，由微電機(jī)、熱電偶、直流電源、冰瓶、數(shù)據(jù)采集模塊、電腦構(gòu)成。

圖2 微電機(jī)耐溫測試系統(tǒng)

通電測試包括電機(jī)輸出反電勢和堵轉(zhuǎn)試驗。電機(jī)輸出反電勢方法是將伺服電機(jī)與扭矩傳感器的另一端連接，不接驅(qū)動器。將電機(jī)與伺服電機(jī)相連并起動，帶動本電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將其中兩相繞組與示波器相連，輸出反電勢波形。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測試方法為將電機(jī)轉(zhuǎn)子停在不同角度鎖緊電機(jī)，對電機(jī)施加額定電壓，電機(jī)停止的短時間內(nèi)，測量電機(jī)的扭矩、電流等數(shù)據(jù)作為堵轉(zhuǎn)測試。運(yùn)行測試是轉(zhuǎn)子在定子的磁場驅(qū)動下正常轉(zhuǎn)動的輸出量的測試。

通電測試和運(yùn)行測試是借助扭矩傳感器（型號為UNIPULSE UTMII-0.2Nm，精度為0.03%FS）來實現(xiàn)的測試。按照設(shè)計轉(zhuǎn)子的軸徑尺寸，選取相同軸徑的扭矩傳感器，進(jìn)而將扭矩傳感器的軸作為測試時微電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸。這樣可以給出更適合的實驗室研制階段的測試方案，同時可以減小軸承帶來的摩擦力的影響，測試的結(jié)果更精確。

測試系統(tǒng)的安裝順序如下：將永磁體直接貼附在扭矩傳感器的驅(qū)動軸作為轉(zhuǎn)子，并安裝于XY位移平臺上；將微電機(jī)定子置于轉(zhuǎn)接板上，由于微電機(jī)定子在加工過程中經(jīng)過了研磨工藝，因此定子表面無法完成進(jìn)行引線鍵合，本測試借助特殊形狀的引電蓋，成功利用銀漿將導(dǎo)線從定子上穿過引電蓋引出，再將定子安裝與Z軸位移平臺上；調(diào)節(jié)XY位移平臺，將轉(zhuǎn)子對準(zhǔn)定子內(nèi)徑，調(diào)節(jié)Z軸位移平臺，使得轉(zhuǎn)子、定子完成配合。搭建的整體測試系統(tǒng)如圖3所示，由測試臺、驅(qū)動器、電腦和直流電源構(gòu)成。

圖3 微電機(jī)通電測試和運(yùn)行測試系統(tǒng)

微電機(jī)的測試結(jié)果

靜態(tài)測試的結(jié)果反映了本電機(jī)工藝制作的精良。定子實物測試的質(zhì)量為2.250g，與設(shè)計值2.277g的誤差僅有1.19%，這得益于MEMS工藝制作的高精度，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量取決于實際使用時轉(zhuǎn)軸的長短，如果取設(shè)計值6mm，則最終微電機(jī)的總質(zhì)量為3.552g。由于微電機(jī)的六相線圈是分開的，因此分別測試單個線圈，電阻均為0.39Ω。在400Hz的輸入頻率下，鐵芯為1mm厚時，單個線圈平均電感值為0.837μH；鐵芯為1.2mm厚時，單個線圈平均電感值為1.060μH，這表明本電機(jī)的MEMS線圈在加工時，可以控制在鍵合前的刻蝕工藝，實現(xiàn)不同深度的鐵芯槽，從而裝配時插入不同厚度的鐵芯，得到不同的電感值，有利于電機(jī)的特異化應(yīng)用。與現(xiàn)有的小于100nH量級的MEMS線圈相比，儲存并轉(zhuǎn)化電能和磁能的能力明顯提高，也體現(xiàn)了本電機(jī)相對于采用平面線圈的電機(jī)的優(yōu)勢。

通電測試的結(jié)果反映了本電機(jī)的研制圓滿成功。經(jīng)過反電動勢測試，得到反電動勢測試結(jié)果如圖4所示（伺服電機(jī)在3000r/min下，本電機(jī)的輸出反電勢波形）。本電機(jī)的結(jié)構(gòu)屬于無刷直流電機(jī)，由于永磁體的體積非常小，加工能力有限，因而采用簡單的平行充磁和等厚設(shè)計，所以測試得到的微電機(jī)的反電勢形狀接近正弦波。讀取反電勢波形可以得到電氣周期和反電勢幅值，進(jìn)而計算得到轉(zhuǎn)速和平均反電勢，最后得到本電機(jī)的反電勢系數(shù)為2.89×10-4V·s/rad，與設(shè)計值相差極小，證明本電機(jī)樣機(jī)試制成功，無結(jié)構(gòu)缺陷。

圖4 MEMS電機(jī)輸出反電勢測試

堵轉(zhuǎn)測試得到轉(zhuǎn)子不同角度、不同電流對應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測試結(jié)果僅列出30°時的結(jié)果（轉(zhuǎn)子永磁體與線圈同極正對偏轉(zhuǎn)角度為30°）如圖5（c）所示，因存在齒槽轉(zhuǎn)矩，電流為0時堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不為0。通過對應(yīng)的輸入電流和輸出的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的值進(jìn)行計算，得到不同角度的轉(zhuǎn)矩電流比如圖5（d）所示?？梢缘贸?，一個狀態(tài)角內(nèi)的平均堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩電流比為0.267mN·m/A，即測得的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為2.67×10-4N·m/A，與設(shè)計的轉(zhuǎn)矩系數(shù)誤差在合理范圍內(nèi)，可知本電機(jī)結(jié)構(gòu)完整，功能良好，基本符合設(shè)計方案。

圖5 MEMS電機(jī)堵轉(zhuǎn)測試

耐溫測試的結(jié)果反映了本電機(jī)在實際使用時，不但可以長時間運(yùn)行，而且在電機(jī)出現(xiàn)故障處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，也能不損壞電機(jī)。耐溫測試結(jié)果為：在0.98A穩(wěn)定電流下，CH1測點的數(shù)據(jù)較為平滑穩(wěn)定，后續(xù)測試以CH1的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，如圖6（a）所示。圖6（b）中展示了不同電流下CH1測點的電機(jī)發(fā)熱情況，可知1.452A穩(wěn)定電流（繞組發(fā)熱功率為3.29W，電機(jī)額定溫度為1.5A）下，本電機(jī)的靜子表面溫度能夠穩(wěn)定在78℃，同時也滿足電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計要求。

圖6 MEMS電機(jī)耐溫測試

運(yùn)行測試的結(jié)果反映了本電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨電流的增加達(dá)到不同的轉(zhuǎn)速。運(yùn)行測試結(jié)果為：在0.3A電流下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為150 r/min，在0.6A電流下，維持375 r/min轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速性能也與控制器有關(guān)，后續(xù)將優(yōu)化控制器來進(jìn)一步提升電機(jī)的性能。

結(jié)束語

研究團(tuán)隊針對MEMS三維線圈永磁微電機(jī)性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，MEMS電機(jī)結(jié)構(gòu)完整，可進(jìn)行穩(wěn)運(yùn)行。微電機(jī)的反電勢波形為規(guī)則的正弦波，根據(jù)波形計算的反電勢系數(shù)為2.89×10-4V·s/rad；在自然對流狀態(tài)下，微電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱功率為3.29W，微電機(jī)表面溫度穩(wěn)定在78℃，耐溫能力良好；空載運(yùn)行輸入0.6A穩(wěn)定電流可維持375 r/min轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。本文在毫米級微電機(jī)的測試方面有了進(jìn)一步探索，之后將繼續(xù)優(yōu)化微電機(jī)的性能，拓展微電機(jī)未來發(fā)展前景。