孙韶春，石庚辰
                                         (北京理工大学机电工程与控制******重点实验室，：IE京100081)
       摘要：基于MEMs技术的微发电机体积小、可长期使用，成为研究的热点。目前微发电机主要分为振动式和旋转式两大类：振动式微发电机结构简单，但能量密度小；旋转式微发电机可在高转速下工作，产生高的能量密度。描述了旋转式微发电机的工作原理与特点。着重介绍了旋转式微发电机的研究现状，列举了典型的研究成果，总结了其所用的结构、材料和加工工艺。指出了旋转式微发电机的发展趋势，即寻求简化装配．适合大批量生产的材料与工艺。旋转式微发电机的出现，使“小机器产生大功率”的设想成为可能。
　　关键词：微机电系统(MEMs)；旋转式发电机；结构；材料；工艺
      中图分类号：TM359 9    文献标志码：A    文章编号：lOOl一6848(2010)8—0075—04
0  引  言
    近年来，微机电系统(MEMs)技术发展迅速，各类使用MEMs技术制造的微型传感器、执行器以及构件不断涌现。MEMs技术的发展使器件的尺寸不断减小、成本不断降低，为系统的设计与应用开辟了崭新的领域。相比之下，能源装置微小型化的发展比较缓慢。目前，MEMs系统的能源都是由传统的电池或电源装置提供。这样，系统(如微型机器人)的体积和寿命很大程度上由能源供应决定。可以说，能源问题已经成为制约MEMs系统发展的瓶颈。
　　目前，微能源已成为国内外MEMs技术重要研究内容。微能源主要可分为微电池和微发电机两大类，国际上已开展研究的微电池有多种类型，包括微型锌镍电池、微型锂电池、微型热电池、微型太阳能电池和微型同位素电池等{1}。微电池的****问题是能量有限，需要更换或补充。因此在某些应用场合，如分布式系统，微电池存在着难以弥补的缺陷。微发电机通过获取外界环境的能量转化为电能，可以长期使用，并且无污染，已经成为国内外研究、的热点。从工作方式上划分，微发电机可分为振动式和旋转式两类。重庆大学的唐彬、温志渝等人对振动式微发电机的研究现状和发展趋势进行了系统的论述{2}。下面将对旋转式微发电机的研究情况进行介绍。
1旋转式微发电机研究现状

    机械能是自然环境中****泛的能源，微发电机，包括振动式和旋转式两种，都是通过将外界环境的机械能转换为电能。其中，振动式微发电机拾取环境的振动能，近年来已取得较多研究成果。其特点是结构简单、可动件少，应用场合广泛；但能量密度小(0．1～1W／cm。)，输tfi功率小。旋转式微发电机为电磁式发电机，其工作原理与宏观电磁式发电机类似：转子的转动使转子与定子之间产生交变的磁场，定子上的线圈不断切割磁力线，根据法拉第电磁感应定律，线图中产生感应电流，其工作原理如图1所示…。其中，转子持续转动所需的旋转机械能由微气动涡轮机或微热力发动机提供。由于体积和质量很小，旋转式微发电机可以工作在很高的转速(大于3×lO’r／rain)下，从而获得比普通旋转式发电机更高的能量密度(可大于200 W／era。，而典型的宏观发电机为10～20 W／cm。)。旋转式微发电机已有十余年的研究历史，已研制样机的尺寸与工作情况如表1所示{2-3}。

1.1典型的旋转式徽发电机
英国帝国理工学院的Holmes等人设计了一种轴向风动微涡轮发电系统，如图2所示。其核心为一永磁式发电机{4-5}。

    在这个设计中，气动涡轮与发电机转子加工为一体；使用传统的毫米级尺寸钕铁硼永磁体均匀地

电机转子与涡轮为一体，由整片永磁材料制成，其中一面使用电火花加工技术加工出叶片形状；定子由硅基底上电镀铜线圈形成，其能量密度达220W／cm’，是目前报道的****值。
　　美国佐治亚理工学院和麻省理工学院联合研制了两种微发电机，将其与之前研制的微涡轮发动机结合工作，取得r较高的能量密度{8-10}。
　　图4(a)为第一代微发电机的结构示意图．．转子包含环形永磁体和软磁背铁；定子由多圈平面线罔电镀在软磁基板上形成。1二作时，永磁体提供磁场，软磁背铁和软磁基板可减小磁阻。其中，定子采用MEMs加工技术，转子采用精密加工制作技术。第二代微发电机改良r线圈的结构形式，如图4(b)所示，从而获得了更高的能量密度。