An integrated electromagnetic micro-turbo-generator supported on encapsulated microball bearings
Enkapsüle mikrobilya rulmanlar ile desteklenmiş entegre elektromanyetik mikro-turbo-jeneratör
- Tez No: 712389
- Danışmanlar: PROF. DR. REZA GHODSSİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Maryland College Park
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 194
Özet
Bu tez MEMS (mikroelektromekanik sistemler) boyutlarında elektromekanik enerji dönüşümü için, enkapsüle mikrobilya rulmanlar ile desteklenmiş bir entegre elektromanyetik mikro-turbo-jeneratörün geliştirilmesini sunmaktadır. Aygıt manyetik özelliğe sahip malzemeleri içeren bir silikon türbin rotor, düzlemsel çok sarımlı üç faz bakır bobinlere sahip bir statör ve rotoru destekleyen mikrobilya rulmanlardan oluşmaktadır. Miro-turbo-jeneratör tasarımı, üç anahtar teknolojinin özgün bir şekilde entegrasyonunu içermektedir; bunlar enkapsüle mikrobilya rulmanlar, entegre edilmiş kalın manyetik malzemeler ve yonga kalınlığındaki statör bobinleridir. Enkapsüle mikrobilya rulmanlar kolay operasyon ve çalışma, sağlam bir destek mekanizması ve yüksek mekanik stabilite sağlamaktadır. Kalın manyetik malzemelerin aygıta entegrasyonu statörde yüksek manyetik akı yoğunluğuna neden olmaktadır. Yonga kalınlığındaki bobin tasarımı ise yüksek çıkış gücü için manyetik alan akışını optimize etmekte ve statörün iç empedansını minimize etmektedir. Geometrik tasarım ve aygıt parametreleri teorik analiz ve sonlu eleman simulasyonları ile optimize edilmiştir. 15 optik maske ve 110 işlem basamağı kullanılarak aygıt için bir mikrofabrikasyon akışı tasarlanmıştır, bu durum aygıt üretiminin kompleksliğini göstermektedir. İki adet 10 kutuplu ve kutup başına 2 ile 3 sarımlı aygıt üretilmiştir. Tek faz direnç bu iki aygıt için 46 ve 220 ohm olarak ölçülmüştür. Aygıt basınçlı azotun ilave bir silikon yongadan geçirilmesi ile çalıştırılmıştır. Testler için gaz akışını, basıncı, rotor hızını, çıkış voltajı ve gücünü ölçebilen bir test düzeneği kurulmuştur. Rulmandaki sürtünme torku 0-16 krpm hız aralığında, yavaşlayarak durma tekniği ile 5.5 - 33 mikronewtonmetre olarak ölçülmüştür. Maximum açık devre faz voltajı 23 krpm rotor hızında 0.1 V olarak ölçülmüş, ve eşlenik yüke 10 krpm hızda 10 mikrowatt aktarılabildiği gösterilmiştir, ki bu sonuçlar teorik analiz ve simulasyonlarla tamamen uyumludur. Bu çalışmada sunulan mikro-turbo-jeneratör gaz akışını elektriğe dönüştürebilmektedir, ve küçük boyutlu içten yanmalı bir motor ile bağlanarak yüksek enerji yoğunluklu hidrokarbon enerjisini elektriksel güce dönüştürme ve bu bağlamda taşınabilir elektriksel sistemler için yüksek yoğunluklu bir güç ünitesini gerçekleştirebilme potansiyeli ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
This dissertation presents the development of an integrated electromagnetic microturbo- generator supported on encapsulated microball bearings for electromechanical power conversion in MEMS (Microelectromechanical Systems) scale. The device is composed of a silicon turbine rotor with magnetic materials that is supported by microballs over a stator with planar, multi-turn, three-phase copper coils. The microturbo- generator design exhibits a novel integration of three key technologies and components, namely encapsulated microball bearings, incorporated thick magnetic materials, and wafer-thick stator coils. Encapsulated microball bearings provide a robust supporting mechanism that enables a simple operation and actuation scheme with high mechanical stability. The integration of thick magnetic materials allows for a high magnetic flux density within the stator. The wafer-thick coil design optimizes the flux linkage and decreases the internal impedance of the stator for a higher output power. Geometrical design and device parameters are optimized based on theoretical analysis and finite element simulations. A microfabrication process flow was designed using 15 optical masks and 110 process steps to fabricate the micro-turbogenerators, which demonstrates the complexity in device manufacturing. Two 10 pole devices with 2 and 3 turns per pole were fabricated. Single phase resistances of 46Ω and 220Ω were measured for the two stators, respectively. The device was actuated using pressurized nitrogen flowing through a silicon plumbing layer. A test setup was built to simultaneously measure the gas flow rate, pressure, rotor speed, and output voltage and power. Friction torques in the range of 5.5-33μNm were measured over a speed range of 0-16krpm (kilo rotations per minute) within the microball bearings using spin-down testing methodology. A maximum per-phase sinusoidal open circuit voltage of 0.1V was measured at 23krpm, and a maximum per-phase AC power of 10μW was delivered on a matched load at 10krpm, which are in full-agreement with the estimations based on theoretical analysis and simulations. The micro-turbogenerator presented in this work is capable of converting gas flow into electricity, and can potentially be coupled to a same-scale combustion engine to convert high-density hydrocarbon energy into electrical power to realize a high-density power source for portable electronic systems.
Benzer Tezler
- The design aspects of an optically powered CMOS receiver front-end for electrically isolated applications
Elektriksel yalıtılmış uygulamalar için optik olarak güçlendirilen bir CMOS alıcı ön-ucunun tasarım yönleri
OZAN AKTAN
Doktora
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNHAN DÜNDAR
- Design of a modified AFM setup with miniaturized-magnetic particle actuators for biomolecular applications
Biyomoleküler uygulamalar için küçültülmüş manyetik parcacık eyleyicili muaddel atomik kuvvet mikroskobu tasarımı
SEMİH SEVİM
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Bilim ve TeknolojiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ERTÜRK
YRD. DOÇ. DR. HAMDİ TORUN
- Optical and micromechanical design and characterization of a laser scanning capsule endoscope unit
Lazer taramalı kapsülü endoskop ünitesinin optik ve mikromekanik tasarımı ve karakterizasyonu
İSRAA DHAHRAN SALAH ELDIN SALAHELDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNAY BAŞAR
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- A fully-integrated and battery-free interface electronics for low voltage vibration-based electromagnetic energy harvesters
Düşük voltaj seviyelerinde çalışan titreşim tabanlı elektromanyetik enerji üreteçleri için tamamen entegre ve pil gerektirmeyen bir elektronik devre
HASAN ULUŞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
YRD. DOÇ. ALİ MUHTAROĞLU
- Electromagnetically actuated optical micro-mechatronic systems integrated on PCB
Baskı devre üzerine tümleşik elektromanyetik tahrikli optik mikro-mekatronik sistemler
SERHAN ÖMER IŞIKMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY