微球軸承支撐的集成電磁微型汽輪發電系統設計

田 亮

(山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟南,250013)

1 概述

為了提高便攜式發電機系統的性能,需要開發小型高密度電源,因此,有必要對由機電發電機和內燃機組成的傳統大型發電機進行小型化革新設計和發電效能進行提升。A.S.Holmes等人設計了一種具有軸向磁通和軸流的永磁微型渦輪發電機,該裝置使用SU-8聚合物轉子,支承在滾珠軸承上,在30 kr/min下產生1.19 V,相當于1.1 MW 的預期交流功率[1]。C.T.Pan 等人研制了一種類似的軸向磁通永磁發電機使用外部主軸驅動,并達到1.89 MW 在13 kr/min[2]。H.Raisigel等人開發了一種在永磁體上支撐渦輪結構的微型渦輪發電機,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子組成,在58 kr/min時產生14 MW 的功率[3]。

綜上所述,國外研究人員已經開展了較多基于微球支撐結構微型渦輪發電機的系統設計和性能驗證,但其發電效能不夠高、系統設計集成度不夠,且處于初步研究階段結構穩定性驗證不足,沒有充分利用新型清潔能源等。

本文是利用微球軸承的穩定性和簡單性,充分利用碳氫燃料高能量密度的優勢,旨在采用簡單的操作方案將氣流轉化為電能。開展一個利用封裝微型球軸承、轉子和定子組成的微型渦輪發電機系統設計,實現集成性強、渦輪功效強大的目的。

2 系統設計方案

微型渦輪發電機渦輪轉子由懸浮在定子上方的微型球軸承支撐,結構示意如圖1所示。渦輪轉子由2塊500μm 厚的硅片粘合在一起,將微珠(φ=285μm)封裝在預蝕刻溝槽之間,如圖1(c)所示。頂部晶片為蝕刻200μm 深的徑向流動渦輪結構,用于氣動驅動。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,內半徑和外半徑分別為2 mm 和5 mm。此外,磁鐵和轉子之間集成了一個250μm 厚、半徑為5 mm 的高磁導率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,提高定子內部的磁通密度,在設計中加入了FeCo V 盤。帶有通孔的硅管道芯片放置在轉子頂部,用于引導氮氣流動,如圖1(a)所示。

圖1 轉子的三維示意

定子由平面、三相、十極和每極三匝的銅線圈組成。由于法拉第磁感應定律,磁鐵在定子上的旋轉導致電壓感應。為了優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 系統關鍵技術實現

3.1 微球軸承支撐微系統的制造

基于微珠軸承的器件是通過在硅中的深反應離子刻蝕在滾道中放置微珠來制造。為了減少球卡,滾道的設計寬度比微球的寬度寬10μm,由于作用在轉子/滑塊上的法向力使滾珠與止推面接觸,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,使得一個軸承設計為球直徑深度的60%,另一個軸承設計為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。轉子釋放蝕刻將轉子與定子斷開。因為在微加工推力軸承中會產生不對稱。轉子需要在預定方向正常負載,以確保滾珠在平坦的硅表面上滾動。

3.2 轉子系統的制造

轉子由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合在一起。在兩側執行最終蝕刻步驟,以釋放中心轉子,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,在測試期間引導氣流通過渦輪葉片。轉子組件的制造和測試詳情見文獻[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。在定子背面進行二級金屬化,并通過200μm 厚的濺射金層連接以完成線圈結構。

3.3 微型渦輪結構及系統組裝

圖2顯示了設備橫截面結構示意。通過對軸承轉速和推力載荷進行獨立控制獲得平面接觸微球軸承動態摩擦特性。在降速試驗期間,速度和負載的解耦是通過包裝組件定義的靜水壓推力室實現的。微型加工渦輪機包裝在2個塑料歧管之間,使用橡膠O 形密封圈進行流體輸送,以及柔性支撐。在操作過程中,裝置的底面受壓,產生凈向上的法向力,使轉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測背面壓力,可以實現所需的推力負載。為了驅動渦輪機,壓縮氮氣通過上部歧管提供,而光學位移探針跟蹤減速器結構的旋轉。光學位移傳感器位于微型渦輪機中央出口處的12個蝕刻減速帶結構正上方。當轉子旋轉時,傳感器輸出50%的占空比方波,頻率比渦輪轉速高12倍。轉子轉速通過光學探針信號的快速傅里葉變換實時計算。

圖2 設備橫截面結構示意

4 系統測試和結果

4.1 微型渦輪性能

渦輪性能曲線,見圖3。

圖3 渦輪機運行曲線

圖3(a)顯示了在低速下增加和減少驅動的備用路徑。這可歸因于多種因素,其中最簡單的是與滾動接觸相關的靜摩擦大于動摩擦。與已經在運動的微珠相比,從靜止開始,微珠需要更大的力來啟動滾動。當渦輪機減速時,其在低于啟動壓力的驅動壓力下保持旋轉。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,微珠的滑滾比是未知的,從靜止開始,較大的滑滾比會導致更高的摩擦力。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載條件,轉子上的凈徑向力。

圖3(b)顯示了入口壓力和轉子法向力之間的線性關系,說明了驅動過程中法向力和旋轉力的依賴性。雖然微型渦輪機已經超過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子法向力的范圍限制在相同尺寸的底驅動靜電微電機中預期的范圍。當裝置在50 kr/min以上啟動時,轉子法向力的增加,再加上轉速的增加,會導致裝置的嚴重磨損和突然失效。

圖3(c)顯示了當渦輪氣流通過轉子外圍時底面受壓,產生凈向上法向力,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。這種封裝方法允許在降速試驗期間對法向力和旋轉力進行獨立控制,這2種力在渦輪機驅動期間是耦合的。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備的耐久性,但磨損本身(與制造狀態的幾何偏差)對清潔狀態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,其中渦輪機在0.25 lbf的驅動壓力下驅動,產生2 slm 的流量和30 Nm 的法向力。在持續運行的初始階段之后,可以看到轉速下降。這一行為歸因于磨損碎屑的堆積,由于與顆粒污染相關的摩擦增加,使轉子減速。因此,裝置定期在丙酮浴中進行超聲波攪拌以去除磨損顆粒。超聲波清洗后,渦輪性能恢復到預期性能,顯示出隨著轉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)下產生0.2Ω的最大可忽略不計的最大阻抗。因此,假設內部定子每相阻抗為純電阻220Ω。利用轉子自旋下降法對微加工球軸承的摩擦力矩進行了表征。最初,加壓氮氣用于在16 kr/min下驅動轉子。接著,流動中斷,磁轉子在軸承的摩擦下減速。

在減速過程中收集了轉子角位置與時間的數據,如圖4所示為轉子轉速下降和摩擦力矩計算曲線擬合。與R2值為0.99 的指數曲線擬合后,動態摩擦值從(5.45～33μNm)不等,相當于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],該微型渦輪發電機的轉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%,總質量增加了4倍。

圖4 轉子轉速下降和摩擦力矩計算曲線擬合

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

圖5 開路電壓與轉子轉速曲線

4.3 微型電機的送電測試

對該裝置進行了送電測試,為了從微型渦輪發電機中提取最大功率,在一個相端連接一個匹配的220μm 的電負載。轉子采用加壓氮氣旋轉,在不同轉速下測量輸出功率。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子轉速的關系

圖6顯示了220Ω電阻器輸出的機械輸入功率和輸出功率與轉子轉速的關系。最大相對交流功率在2 kr/min時測量為5.6μW,對應于3×10-6機械電效率。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個數量級以上的功率水平。

5 結論及展望

本研究設計了一種集成磁性元件和微球軸承的電磁微型汽輪發電機,具有集成性強、渦輪功效強大的優勢,設定頻率下,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 的轉速下,動態摩擦扭矩高達33 μNm,相當于渦輪效率的6%;在220Ω 電阻負載下測量了0.1 V 的最大相交流開路電壓和5.6μW的功率,達到3×10-6的機械電效率,符合獲得3個數量級以上功率水平的理論設計要求。

微球軸承支撐的集成電磁微型渦輪發電機系統設計減少了傳統發電機制造和集成的復雜度,可實現高能量密度碳氫燃料能源轉換電能的開發和利用,為傳統的機電發電機和內燃機等大型發電機的小型化提供了新的技術途徑。