功率放大器航空用三維線圈永磁微電機(jī)性能測試系統(tǒng)
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。本期Aigtek安泰電子將為大家分享一篇國內(nèi)團(tuán)隊(duì)的研究成果，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)的完整測試系統(tǒng)
微電機(jī)的模型和實(shí)物
該研究團(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(shí)驗(yàn)室研制階段，所采用的試驗(yàn)方案、監(jiān)測參數(shù)有很大不同。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的測試方案，在保證微電機(jī)測試時(shí)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(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(shí)，給線圈通電，測量電機(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，能保證不會燒壞電機(jī)。硅的導(dǎo)熱性能非常好，可以利用單一測溫點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，用導(dǎo)熱膠將熱電偶黏接在測溫點(diǎn)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(yàn)。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(shí)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UNIPULSEUTMII-0.2Nm，精度為0.03%FS）來實(shí)現(xiàn)的測試。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)室研制階段的測試方案，同時(shí)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(shí)物測試的質(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(shí)，單個線圈平均電感值為0.837μH；鐵芯為1.2mm厚時(shí)，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(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。
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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(jì)，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(jì)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(jì)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4MEMS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(shí)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(shí)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(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(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5MEMS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(shí)際使用時(shí)，不但可以長時(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)。耐溫測試結(jié)果為：在0.98A穩(wěn)定電流下，CH1測點(diǎn)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(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6MEMS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)化控制器來進(jìn)一步提升電機(jī)的性能。
本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容原文引自：《航空用三維線圈永磁微電機(jī)性能測試》PerformanceTestingofMEMS3DCoilPermanentMagnetMicromotor（黃志平雷凱博桑濟(jì)昌徐天彤），侵刪
Aigtek長久以來，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）系統(tǒng)相關(guān)測試研究中都投入了很大精力，目前已形成了就為完善的測試系統(tǒng)，其中ATA-3000系列功率放大器作為一款理想的可放大交、直流信號的功率放大器。其最大輸出功率810Wp，可以驅(qū)動功率型負(fù)載。電壓增益數(shù)控可調(diào)，一鍵保存常用設(shè)置，為您提供了方便簡潔的操作選擇，可與主流的信號發(fā)生器配套使用，實(shí)現(xiàn)信號的放大。
ATA-3000系列功率放大器除了在超聲實(shí)驗(yàn)、電流測試、揚(yáng)聲器測試、亥姆霍茲線圈中應(yīng)用，也可應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中，幫助系統(tǒng)放大信號。
帶寬：（-3dB）DC~100kHz
電壓：90Vp-p（±45Vp）
電流：18Ap
功率：810Wp
壓擺率：≥20V/μs
可程控
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