孫韶春，石庚辰
(北京理工大學(xué)機電工程與控制******重點實驗室，：IE京100081)
摘要：基于MEMs技術(shù)的微發(fā)電機體積小、可長期使用，成為研究的熱點。目前微發(fā)電機主要分為振動式和旋轉(zhuǎn)式兩大類：振動式微發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，但能量密度��；旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機可在高轉(zhuǎn)速下工作，產(chǎn)生高的能量密度。描述了旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機的工作原理與特點。著重介紹了旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機的研究現(xiàn)狀，列舉了典型的研究成果，總結(jié)了其所用的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝。指出了旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機的發(fā)展趨勢，即尋求簡化裝配．適合大批量生產(chǎn)的材料與工藝。旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機的出現(xiàn)，使“小機器產(chǎn)生大功率”的設(shè)想成為可能。
關(guān)鍵詞：微機電系統(tǒng)(MEMs)；旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機；結(jié)構(gòu)；材料；工藝
中圖分類號：TM359 9 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：lOOl一6848(2010)8—0075—04
0 引 言
近年來，微機電系統(tǒng)(MEMs)技術(shù)發(fā)展迅速，各類使用MEMs技術(shù)制造的微型傳感器、執(zhí)行器以及構(gòu)件不斷涌現(xiàn)。MEMs技術(shù)的發(fā)展使器件的尺寸不斷減小、成本不斷降低，為系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用開辟了嶄新的領(lǐng)域。相比之下，能源裝置微小型化的發(fā)展比較緩慢。目前，MEMs系統(tǒng)的能源都是由傳統(tǒng)的電池或電源裝置提供。這樣，系統(tǒng)(如微型機器人)的體積和壽命很大程度上由能源供應(yīng)決定�？梢哉f，能源問題已經(jīng)成為制約MEMs系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。
目前，微能源已成為國內(nèi)外MEMs技術(shù)重要研究內(nèi)容。微能源主要可分為微電池和微發(fā)電機兩大類，國際上已開展研究的微電池有多種類型，包括微型鋅鎳電池、微型鋰電池、微型熱電池、微型太陽能電池和微型同位素電池等{1}。微電池的****問題是能量有限，需要更換或補充。因此在某些應(yīng)用場合，如分布式系統(tǒng)，微電池存在著難以彌補的缺陷。微發(fā)電機通過獲取外界環(huán)境的能量轉(zhuǎn)化為電能，可以長期使用，并且無污染，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究、的熱點。從工作方式上劃分，微發(fā)電機可分為振動式和旋轉(zhuǎn)式兩類。重慶大學(xué)的唐彬、溫志渝等人對振動式微發(fā)電機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了系統(tǒng)的論述{2}。下面將對旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機的研究情況進行介紹。
1旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機研究現(xiàn)狀
機械能是自然環(huán)境中****泛的能源，微發(fā)電機，包括振動式和旋轉(zhuǎn)式兩種，都是通過將外界環(huán)境的機械能轉(zhuǎn)換為電能。其中，振動式微發(fā)電機拾取環(huán)境的振動能，近年來已取得較多研究成果。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、可動件少，應(yīng)用場合廣泛；但能量密度小(0．1～1W／cm。)，輸tfi功率小。旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機為電磁式發(fā)電機，其工作原理與宏觀電磁式發(fā)電機類似：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生交變的磁場，定子上的線圈不斷切割磁力線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圖中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其工作原理如圖1所示…。其中，轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動所需的旋轉(zhuǎn)機械能由微氣動渦輪機或微熱力發(fā)動機提供。由于體積和質(zhì)量很小，旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機可以工作在很高的轉(zhuǎn)速(大于3×lO’r／rain)下，從而獲得比普通旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機更高的能量密度(可大于200 W／era。，而典型的宏觀發(fā)電機為10～20 W／cm。)。旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機已有十余年的研究歷史，已研制樣機的尺寸與工作情況如表1所示{2-3}。
1.1典型的旋轉(zhuǎn)式徽發(fā)電機
英國帝國理工學(xué)院的Holmes等人設(shè)計了一種軸向風(fēng)動微渦輪發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。其核心為一永磁式發(fā)電機{4-5}。
在這個設(shè)計中，氣動渦輪與發(fā)電機轉(zhuǎn)子加工為一體；使用傳統(tǒng)的毫米級尺寸釹鐵硼永磁體均勻地
電機轉(zhuǎn)子與渦輪為一體，由整片永磁材料制成，其中一面使用電火花加工技術(shù)加工出葉片形狀；定子由硅基底上電鍍銅線圈形成，其能量密度達220W／cm’，是目前報道的****值。
美國佐治亞理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了兩種微發(fā)電機，將其與之前研制的微渦輪發(fā)動機結(jié)合工作，取得r較高的能量密度{8-10}。
圖4(a)為第一代微發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖．．轉(zhuǎn)子包含環(huán)形永磁體和軟磁背鐵；定子由多圈平面線罔電鍍在軟磁基板上形成。1二作時，永磁體提供磁場，軟磁背鐵和軟磁基板可減小磁阻。其中，定子采用MEMs加工技術(shù)，轉(zhuǎn)子采用精密加工制作技術(shù)。第二代微發(fā)電機改良r線圈的結(jié)構(gòu)形式，如圖4(b)所示，從而獲得了更高的能量密度。
1.2材料與工藝特點
目前旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機均采用永磁式結(jié)構(gòu)，因為永磁材料的性能與尺寸無關(guān)。釹鐵硼(NdBFe)和釤鈷(smco)永磁材料應(yīng)用最多，其中前者產(chǎn)生的能量大，但工作溫度低。發(fā)電機轉(zhuǎn)子包含多級永磁體，布置形式為離散或連續(xù)。
感應(yīng)線圈材料采用銅，加工工藝為電鍍，多為平面布置在發(fā)電機定子基板上，可有多種結(jié)構(gòu)形式。定子的設(shè)計包括機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計和線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟磁材料的選擇等。
2發(fā)展趨勢
目前研制的旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機的零部件還不能完全使用MEMs加工技術(shù)制造，其主要原因為：現(xiàn)有的技術(shù)不能在器件上集成足夠質(zhì)量的永磁材料，只能將其裝配在基底上。同時，軸承、發(fā)電機轉(zhuǎn)子等可動件的快速、準(zhǔn)確裝配也是亟待解決的問題。由于不能全部使用MEMs加工技術(shù)，旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機的加工與裝配難度犬，無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成本居高不下。
麻省理工學(xué)院的研究小組正在嘗試將永磁材料沉積在微發(fā)電機定子的基底上，以減小裝配難度{8}。同時，該研究小組研制了用于微發(fā)電機的高速空氣軸承，使轉(zhuǎn)子裝配難度大大降低，并且提高了許用轉(zhuǎn)速和工作壽命{11}。隨著微發(fā)電機技術(shù)的逐步完善，其封裝技術(shù)也開始成為研究的熱點。
3 總結(jié)
旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機獲取外界能量轉(zhuǎn)化為電能，可以長期使用，且無污染。其出現(xiàn)使“小機器產(chǎn)生大功率”的設(shè)想成為可能，已經(jīng)成為國外研究的熱點。旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機有著十分廣闊的應(yīng)用前景：民用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、MEMs機器人等；軍用的無人機、MEMs引信等。微發(fā)電機的研究屬于新興的研究領(lǐng)域，在國外也僅有十余年的發(fā)展歷史。由于MEMs技術(shù)還處于發(fā)展期，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。對于微發(fā)電機，目前還沒有成熟的設(shè)計理論和設(shè)計方法，適合批量生產(chǎn)的MEMs加工和裝配技術(shù)也在研究中，國內(nèi)外還沒有成熟的旋轉(zhuǎn)式微發(fā)電機產(chǎn)品出現(xiàn)。因此我國應(yīng)抓住發(fā)展機遇，加大微發(fā)電機的研究力度，力爭趕超國際先進水平。
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