Geri Dön

An integrated electromagnetic micro-turbo-generator supported on encapsulated microball bearings

Enkapsüle mikrobilya rulmanlar ile desteklenmiş entegre elektromanyetik mikro-turbo-jeneratör

PDF İndir

  1. Tez No: 712389
  2. Yazar: MUSTAFA İLKER BEYAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. REZA GHODSSİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2011
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: University of Maryland College Park
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. 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

  1. Tez No

    286373

    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

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNHAN DÜNDAR

  2. Tez No

    433973

    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

    İngilizce

    2016

    Bilim ve TeknolojiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN ERTÜRK

    YRD. DOÇ. DR. HAMDİ TORUN

  3. Tez No

    676384

    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

    İngilizce

    2021

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNAY BAŞAR

    DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU

  4. Tez No

    340966

    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

    İngilizce

    2013

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALUK KÜLAH

    YRD. DOÇ. ALİ MUHTAROĞLU

  5. Tez No

    216307

    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

    İngilizce

    2008

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. HAKAN ÜREY

Geri Dön