航空用三維線圈永磁微電機(jī)性能測(cè)試

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）電磁電機(jī)因具備高功率密度的特點(diǎn)，作為微型驅(qū)動(dòng)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(jí)微電機(jī)的尺寸與結(jié)構(gòu)限制，現(xiàn)有的測(cè)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(duì)微電機(jī)的測(cè)試還未形成相對(duì)成熟的測(cè)試方案。本文搭建的完整測(cè)試臺(tái)可應(yīng)用于毫米級(jí)電磁微電機(jī)的測(cè)試，并為進(jìn)一步拓展其未來(lái)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(diǎn)在于微電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)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(lái)提高制造的可靠性，另外，對(duì)于電機(jī)的測(cè)試方案也還需要進(jìn)行進(jìn)一步探索。微電機(jī)性能測(cè)試概述無(wú)論對(duì)傳統(tǒng)大型電機(jī)還是微型電機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速、扭矩和反電勢(shì)等3個(gè)指標(biāo)是評(píng)估電機(jī)性能的關(guān)鍵，多數(shù)針對(duì)微型電機(jī)的研究也重點(diǎn)展示了相關(guān)測(cè)試方法與結(jié)果。然而，僅有3個(gè)參數(shù)不能完全代表電機(jī)性能。對(duì)于常規(guī)尺寸電機(jī)（應(yīng)用于電動(dòng)車等）已具有相對(duì)成熟的測(cè)試系統(tǒng)以及故障檢測(cè)試驗(yàn)方法，而微電機(jī)由于試驗(yàn)可重復(fù)性低、微量讀取難度大等問(wèn)題，不能得到足夠的數(shù)據(jù)來(lái)支撐測(cè)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(cè)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心運(yùn)動(dòng)的方法，以更加全面的評(píng)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(jì)的形式，部分電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)萬(wàn)轉(zhuǎn)量級(jí)，輸出轉(zhuǎn)矩均在微牛米量級(jí)。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(duì)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(wú)刷直流（BLDC）微型電機(jī)，雖然給出了仿真結(jié)果，但由于并沒(méi)有針對(duì)微電機(jī)的完整的測(cè)試方法，因此未進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。本文針對(duì)制作結(jié)果較好的微型電機(jī)，提出了對(duì)此微電機(jī)的完整測(cè)試方案，并搭建了測(cè)試臺(tái)，對(duì)此微電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，得到了比較完整的電機(jī)性能測(cè)試結(jié)果，證明本文提出的測(cè)試方案對(duì)于毫米級(jí)微電機(jī)的性能測(cè)試與迭代優(yōu)化有幫助。微電機(jī)的模型和實(shí)物研究團(tuán)隊(duì)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22.3mm×19.3mm×1.6mm，是尺寸比較小的徑向磁通BLDC電機(jī)。圖1

帶有三維鐵芯螺線管線圈的徑向磁通微電機(jī)微電機(jī)的測(cè)試方案的構(gòu)建

微電機(jī)的測(cè)試不同于大型電機(jī)，尤其是在實(shí)驗(yàn)室研制階段，所采用的試驗(yàn)方案、監(jiān)測(cè)參數(shù)有很大不同。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的測(cè)試方案，在保證微電機(jī)測(cè)試時(shí)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的前提下，進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試、通電測(cè)試、耐溫測(cè)試與運(yùn)行測(cè)試等4部分測(cè)試，用以表征微電機(jī)研制進(jìn)展，同時(shí)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(cè)試是針對(duì)微電機(jī)定子的測(cè)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(cè)量；6組嵌硅線圈的電阻利用四探針?lè)ㄟM(jìn)行測(cè)試；電感利用探針以及勝利儀器公司（VICTOR）VC4091C臺(tái)式數(shù)字電橋進(jìn)行測(cè)試，利用三軸位移平臺(tái)、探針臺(tái)、樣品臺(tái)等搭建組合式測(cè)試臺(tái)，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(cè)試。耐溫測(cè)試是在電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，給線圈通電，測(cè)量電機(jī)表面的溫度變化，從而檢驗(yàn)電機(jī)在堵轉(zhuǎn)時(shí)，仍能保持良好的散熱性能，能保證不會(huì)燒壞電機(jī)。硅的導(dǎo)熱性能非常好，可以利用單一測(cè)溫點(diǎn)的溫度來(lái)表示整個(gè)電機(jī)表面的溫度，因此直接利用熱電偶對(duì)電機(jī)的定子進(jìn)行測(cè)溫。對(duì)于微電機(jī)來(lái)說(shuō)，不僅尺寸微小，而且測(cè)溫點(diǎn)需要避開嵌硅線圈，因此測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)，用導(dǎo)熱膠將熱電偶黏接在測(cè)溫點(diǎn)處，搭建的耐溫測(cè)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(cè)試系統(tǒng)通電測(cè)試包括電機(jī)輸出反電勢(shì)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。電機(jī)輸出反電勢(shì)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(dòng)器。將電機(jī)與伺服電機(jī)相連并起動(dòng)，帶動(dòng)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(shì)波形。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法為將電機(jī)轉(zhuǎn)子停在不同角度鎖緊電機(jī)，對(duì)電機(jī)施加額定電壓，電機(jī)停止的短時(shí)間內(nèi)，測(cè)量電機(jī)的扭矩、電流等數(shù)據(jù)作為堵轉(zhuǎn)測(cè)試。運(yùn)行測(cè)試是轉(zhuǎn)子在定子的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下正常轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出量的測(cè)試。通電測(cè)試和運(yùn)行測(cè)試是借助扭矩傳感器（型號(hào)為UNIPULSEUTMII-0.2Nm，精度為0.03%FS）來(lái)實(shí)現(xiàn)的測(cè)試。按照設(shè)計(jì)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(cè)試時(shí)微電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸。這樣可以給出更適合的實(shí)驗(yàn)室研制階段的測(cè)試方案，同時(shí)可以減小軸承帶來(lái)的摩擦力的影響，測(cè)試的結(jié)果更精確。測(cè)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(dòng)軸作為轉(zhuǎn)子，并安裝于XY位移平臺(tái)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(guò)程中經(jīng)過(guò)了研磨工藝，因此定子表面無(wú)法完成進(jìn)行引線鍵合，本測(cè)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(guò)引電蓋引出，再將定子安裝與Z軸位移平臺(tái)上；調(diào)節(jié)XY位移平臺(tái)，將轉(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)定子內(nèi)徑，調(diào)節(jié)Z軸位移平臺(tái)，使得轉(zhuǎn)子、定子完成配合。搭建的整體測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，由測(cè)試臺(tái)、驅(qū)動(dòng)器、電腦和直流電源構(gòu)成。圖3

微電機(jī)通電測(cè)試和運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)微電機(jī)的測(cè)試結(jié)果

靜態(tài)測(cè)試的結(jié)果反映了本電機(jī)工藝制作的精良。定子實(shí)物測(cè)試的質(zhì)量為2.250g，與設(shè)計(jì)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(shí)際使用時(shí)轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)短，如果取設(shè)計(jì)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(cè)試單個(gè)線圈，電阻均為0.39Ω。在400Hz的輸入頻率下，鐵芯為1mm厚時(shí)，單個(gè)線圈平均電感值為0.837μH；鐵芯為1.2mm厚時(shí)，單個(gè)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(shí)，可以控制在鍵合前的刻蝕工藝，實(shí)現(xiàn)不同深度的鐵芯槽，從而裝配時(shí)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(jí)的MEMS線圈相比，儲(chǔ)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(duì)于采用平面線圈的電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。通電測(cè)試的結(jié)果反映了本電機(jī)的研制圓滿成功。經(jīng)過(guò)反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試，得到反電動(dòng)勢(shì)測(cè)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(shì)波形）。本電機(jī)的結(jié)構(gòu)屬于無(wú)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(jiǎn)單的平行充磁和等厚設(shè)計(jì)，所以測(cè)試得到的微電機(jī)的反電勢(shì)形狀接近正弦波。讀取反電勢(shì)波形可以得到電氣周期和反電勢(shì)幅值，進(jìn)而計(jì)算得到轉(zhuǎn)速和平均反電勢(shì)，最后得到本電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)為2.89×10-4V·s/rad，與設(shè)計(jì)值相差極小，證明本電機(jī)樣機(jī)試制成功，無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷。圖4

MEMS電機(jī)輸出反電勢(shì)測(cè)試堵轉(zhuǎn)測(cè)試得到轉(zhuǎn)子不同角度、不同電流對(duì)應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測(cè)試結(jié)果僅列出30°時(shí)的結(jié)果（轉(zhuǎn)子永磁體與線圈同極正對(duì)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(shí)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不為0。通過(guò)對(duì)應(yīng)的輸入電流和輸出的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的值進(jìn)行計(jì)算，得到不同角度的轉(zhuǎn)矩電流比如圖5（d）所示。可以得出，一個(gè)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(cè)得的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為2.67×10-4N·m/A，與設(shè)計(jì)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(jì)方案。圖5

MEMS電機(jī)堵轉(zhuǎn)測(cè)試耐溫測(cè)試的結(jié)果反映了本電機(jī)在實(shí)際使用時(shí)，不但可以長(zhǎng)時(shí)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(cè)試結(jié)果為：在0.98A穩(wěn)定電流下，CH1測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)較為平滑穩(wěn)定，后續(xù)測(cè)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(cè)點(diǎn)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(shí)也滿足電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。圖6

MEMS電機(jī)耐溫測(cè)試運(yùn)行測(cè)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(cè)試結(jié)果為：在0.3A電流下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為150r/min，在0.6A電流下，維持375r/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(lái)進(jìn)一步提升電機(jī)的性能。結(jié)束語(yǔ)

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)MEMS三維線圈永磁微電機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，