功率放大器航空用三維線圈永磁微電機性能測試系統
微機電系統（MEMS）電磁電機因具備高功率密度的特點，作為微型驅動具有廣泛的應用前景，尤其是應用于微型航空推進方面。本期Aigtek安泰電子將為大家分享一篇國內團隊的研究成果，可應用于毫米級電磁微電機的測試，并為進一步拓展其未來的發展前景做出貢獻的完整測試系統
微電機的模型和實物
該研究團隊已經研制的基于MEMS三維鐵芯電磁線圈的徑向磁通永磁微電機如圖1所示。微電機由六槽定子和四極轉子組成，其中，六槽定子包含6組嵌硅線圈和插入的硅鋼鐵芯，每組線圈匝數為15，線徑寬度為100μm；四極轉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，包括深度反應離子刻蝕、硅-硅（Si-Si）直接鍵合和穿透硅通孔技術（TSV）鍍銅。微電機的尺寸為22.3mm×19.3mm×1.6mm，是尺寸比較小的徑向磁通BLDC電機。
圖1帶有三維鐵芯螺線管線圈的徑向磁通微電機
微電機的測試方案的構建
微電機的測試不同于大型電機，尤其是在實驗室研制階段，所采用的試驗方案、監測參數有很大不同。研究團隊構建的測試方案，在保證微電機測試時的穩定性、準確性的前提下，進行了靜態測試、通電測試、耐溫測試與運行測試等4部分測試，用以表征微電機研制進展，同時也反映了此種微電機樣機MEMS加工試制的成功。
靜態測試是針對微電機定子的測試，包括質量、電阻、插入鐵芯前的電感、插入鐵芯后的電感。定子的質量利用天平進行測量；6組嵌硅線圈的電阻利用四探針法進行測試；電感利用探針以及勝利儀器公司（VICTOR）VC4091C臺式數字電橋進行測試，利用三軸位移平臺、探針臺、樣品臺等搭建組合式測試臺，利用顯微系統觀察探針的位置，將其壓緊在嵌硅線圈的引腳上進行測試。
耐溫測試是在電機不轉動時，給線圈通電，測量電機表面的溫度變化，從而檢驗電機在堵轉時，仍能保持良好的散熱性能，能保證不會燒壞電機。硅的導熱性能非常好，可以利用單一測溫點的溫度來表示整個電機表面的溫度，因此直接利用熱電偶對電機的定子進行測溫。對于微電機來說，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。選取微電機定子表面距離較遠的兩個測點，用導熱膠將熱電偶黏接在測溫點處，搭建的耐溫測試系統如圖2所示，由微電機、熱電偶、直流電源、冰瓶、數據采集模塊、電腦構成。
圖2微電機耐溫測試系統
通電測試包括電機輸出反電勢和堵轉試驗。電機輸出反電勢方法是將伺服電機與扭矩傳感器的另一端連接，不接驅動器。將電機與伺服電機相連并起動，帶動本電機旋轉，將其中兩相繞組與示波器相連，輸出反電勢波形。堵轉轉矩測試方法為將電機轉子停在不同角度鎖緊電機，對電機施加額定電壓，電機停止的短時間內，測量電機的扭矩、電流等數據作為堵轉測試。運行測試是轉子在定子的磁場驅動下正常轉動的輸出量的測試。
通電測試和運行測試是借助扭矩傳感器（型號為UNIPULSEUTMII-0.2Nm，精度為0.03%FS）來實現的測試。按照設計轉子的軸徑尺寸，選取相同軸徑的扭矩傳感器，進而將扭矩傳感器的軸作為測試時微電機的轉子軸。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，測試的結果更精確。
測試系統的安裝順序如下：將永磁體直接貼附在扭矩傳感器的驅動軸作為轉子，并安裝于XY位移平臺上；將微電機定子置于轉接板上，由于微電機定子在加工過程中經過了研磨工藝，因此定子表面無法完成進行引線鍵合，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；調節XY位移平臺，將轉子對準定子內徑，調節Z軸位移平臺，使得轉子、定子完成配合。搭建的整體測試系統如圖3所示，由測試臺、驅動器、電腦和直流電源構成。
圖3微電機通電測試和運行測試系統
微電機的測試結果
靜態測試的結果反映了本電機工藝制作的精良。定子實物測試的質量為2.250g，與設計值2.277g的誤差僅有1.19%，這得益于MEMS工藝制作的高精度，轉子的質量取決于實際使用時轉軸的長短，如果取設計值6mm，則最終微電機的總質量為3.552g。由于微電機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，這表明本電機的MEMS線圈在加工時，可以控制在鍵合前的刻蝕工藝，實現不同深度的鐵芯槽，從而裝配時插入不同厚度的鐵芯，得到不同的電感值，有利于電機的特異化應用。與現有的小于100nH量級的MEMS線圈相比，儲存并轉化電能和磁能的能力明顯提高，也體現了本電機相對于采用平面線圈的電機的優勢。
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通電測試的結果反映了本電機的研制圓滿成功。經過反電動勢測試，得到反電動勢測試結果如圖4所示（伺服電機在3000r/min下，本電機的輸出反電勢波形）。本電機的結構屬于無刷直流電機，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計，所以測試得到的微電機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，進而計算得到轉速和平均反電勢，最后得到本電機的反電勢系數為2.89×10-4V·s/rad，與設計值相差極小，證明本電機樣機試制成功，無結構缺陷。
圖4MEMS電機輸出反電勢測試
堵轉測試得到轉子不同角度、不同電流對應的堵轉轉矩，堵轉轉矩測試結果僅列出30°時的結果（轉子永磁體與線圈同極正對偏轉角度為30°）如圖5（c）所示，因存在齒槽轉矩，電流為0時堵轉轉矩不為0。通過對應的輸入電流和輸出的堵轉轉矩的值進行計算，得到不同角度的轉矩電流比如圖5（d）所示。可以得出，一個狀態角內的平均堵轉轉矩電流比為0.267mN·m/A，即測得的轉矩系數為2.67×10-4N·m/A，與設計的轉矩系數誤差在合理范圍內，可知本電機結構完整，功能良好，基本符合設計方案。
圖5MEMS電機堵轉測試
耐溫測試的結果反映了本電機在實際使用時，不但可以長時間運行，而且在電機出現故障處于堵轉狀態下，也能不損壞電機。耐溫測試結果為：在0.98A穩定電流下，CH1測點的數據較為平滑穩定，后續測試以CH1的數據為準，如圖6（a）所示。圖6（b）中展示了不同電流下CH1測點的電機發熱情況，可知1.452A穩定電流（繞組發熱功率為3.29W，電機額定溫度為1.5A）下，本電機的靜子表面溫度能夠穩定在78℃，同時也滿足電機結構強度設計要求。
圖6MEMS電機耐溫測試
運行測試的結果反映了本電機的轉速可以隨電流的增加達到不同的轉速。運行測試結果為：在0.3A電流下，電機的轉速為150r/min，在0.6A電流下，維持375r/min轉速的穩定旋轉。電機轉速性能也與控制器有關，后續將優化控制器來進一步提升電機的性能。
本實驗內容原文引自：《航空用三維線圈永磁微電機性能測試》PerformanceTestingofMEMS3DCoilPermanentMagnetMicromotor（黃志平雷凱博桑濟昌徐天彤），侵刪
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