孫韶春，石庚辰
                                         (北京理工大學機電工程與控制******重點實驗室，：IE京100081)
       摘要：基于MEMs技術的微發電機體積小、可長期使用，成為研究的熱點。目前微發電機主要分為振動式和旋轉式兩大類：振動式微發電機結構簡單，但能量密度小；旋轉式微發電機可在高轉速下工作，產生高的能量密度。描述了旋轉式微發電機的工作原理與特點。著重介紹了旋轉式微發電機的研究現狀，列舉了典型的研究成果，總結了其所用的結構、材料和加工工藝。指出了旋轉式微發電機的發展趨勢，即尋求簡化裝配．適合大批量生產的材料與工藝。旋轉式微發電機的出現，使“小機器產生大功率”的設想成為可能。
　　關鍵詞：微機電系統(MEMs)；旋轉式發電機；結構；材料；工藝
      中圖分類號：TM359 9    文獻標志碼：A    文章編號：lOOl一6848(2010)8—0075—04
0  引  言
    近年來，微機電系統(MEMs)技術發展迅速，各類使用MEMs技術制造的微型傳感器、執行器以及構件不斷涌現。MEMs技術的發展使器件的尺寸不斷減小、成本不斷降低，為系統的設計與應用開辟了嶄新的領域。相比之下，能源裝置微小型化的發展比較緩慢。目前，MEMs系統的能源都是由傳統的電池或電源裝置提供。這樣，系統(如微型機器人)的體積和壽命很大程度上由能源供應決定。可以說，能源問題已經成為制約MEMs系統發展的瓶頸。
　　目前，微能源已成為國內外MEMs技術重要研究內容。微能源主要可分為微電池和微發電機兩大類，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。因此在某些應用場合，如分布式系統，微電池存在著難以彌補的缺陷。微發電機通過獲取外界環境的能量轉化為電能，可以長期使用，并且無污染，已經成為國內外研究、的熱點。從工作方式上劃分，微發電機可分為振動式和旋轉式兩類。重慶大學的唐彬、溫志渝等人對振動式微發電機的研究現狀和發展趨勢進行了系統的論述{2}。下面將對旋轉式微發電機的研究情況進行介紹。
1旋轉式微發電機研究現狀

    機械能是自然環境中****泛的能源，微發電機，包括振動式和旋轉式兩種，都是通過將外界環境的機械能轉換為電能。其中，振動式微發電機拾取環境的振動能，近年來已取得較多研究成果。其特點是結構簡單、可動件少，應用場合廣泛；但能量密度小(0．1～1W／cm。)，輸tfi功率小。旋轉式微發電機為電磁式發電機，其工作原理與宏觀電磁式發電機類似：轉子的轉動使轉子與定子之間產生交變的磁場，定子上的線圈不斷切割磁力線，根據法拉第電磁感應定律，線圖中產生感應電流，其工作原理如圖1所示…。其中，轉子持續轉動所需的旋轉機械能由微氣動渦輪機或微熱力發動機提供。由于體積和質量很小，旋轉式微發電機可以工作在很高的轉速(大于3×lO’r／rain)下，從而獲得比普通旋轉式發電機更高的能量密度(可大于200 W／era。，而典型的宏觀發電機為10～20 W／cm。)。旋轉式微發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典型的旋轉式徽發電機
英國帝國理工學院的Holmes等人設計了一種軸向風動微渦輪發電系統，如圖2所示。其核心為一永磁式發電機{4-5}。

    在這個設計中，氣動渦輪與發電機轉子加工為一體；使用傳統的毫米級尺寸釹鐵硼永磁體均勻地

電機轉子與渦輪為一體，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。
　　美國佐治亞理工學院和麻省理工學院聯合研制了兩種微發電機，將其與之前研制的微渦輪發動機結合工作，取得r較高的能量密度{8-10}。
　　圖4(a)為第一代微發電機的結構示意圖．．轉子包含環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，轉子采用精密加工制作技術。第二代微發電機改良r線圈的結構形式，如圖4(b)所示，從而獲得了更高的能量密度。