基于效率的非接觸供電超聲振動(dòng)系統(tǒng)的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種采用非接觸旋轉(zhuǎn)電磁耦合器為超聲換能器供電的技術(shù)，特別 涉及一種謀求實(shí)現(xiàn)該非接觸能量傳輸系統(tǒng)的最大傳輸效率的電路補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)超聲波加工利用固結(jié)式金剛石工具（電鍍式或燒結(jié)式金剛石工具）作超聲振 動(dòng)，同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行加工。廣泛應(yīng)用于硬脆材料如工程陶瓷、復(fù)合材料、鈦合金等 的加工，旋轉(zhuǎn)超聲波加工可有效提高材料去除率、提高工件表面質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命。傳統(tǒng) 的旋轉(zhuǎn)超聲波機(jī)床多采用電刷滑環(huán)的供電方式。這種接觸式的供電方式易產(chǎn)生火花和磨 損，不能用于易燃易爆的惡劣環(huán)境中，且對(duì)主軸轉(zhuǎn)速有限制。非接觸式旋轉(zhuǎn)電磁耦合器可以 很好地解決這些問(wèn)題，并在旋轉(zhuǎn)超聲波設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。如公開(kāi)號(hào)為CN101213042A，公 開(kāi)日為2008年7月2日的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種《超聲波加工主軸裝置》，采用無(wú)磁芯結(jié) 構(gòu)為超聲波換能器供電。再如公告號(hào)為CN102151867B，公告日為2013年5月29日的中國(guó) 實(shí)用新型專利中公開(kāi)了《一種基于機(jī)床附件化的旋轉(zhuǎn)超聲波頭》，采用副邊單環(huán)磁芯的柱面 耦合旋轉(zhuǎn)電磁耦合器為換能器供電。再如，公開(kāi)號(hào)為CN1324713A，公開(kāi)日為2001年12月5 日的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種《有超聲適配器的工具機(jī)》，采用圓環(huán)狀U型同心磁芯柱面感 應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電磁耦合器為換能器供電。
[0003] 非接觸式旋轉(zhuǎn)電磁耦合器也存在著一些不足。由于主副邊磁芯之間存在間隙即磁 路中含有部分空氣路徑，使得非接觸旋轉(zhuǎn)電磁耦合器存在較大漏磁通。漏磁通使初級(jí)線圈 發(fā)射的能量不能完全被次級(jí)線圈吸收，有一部分儲(chǔ)存在耦合器內(nèi)部，不僅限制了其功率傳 輸能力，且增加了自身?yè)p耗。旋轉(zhuǎn)電磁耦合器的負(fù)載為超聲振動(dòng)系統(tǒng)（換能器、變幅桿及工 具），超聲振動(dòng)系統(tǒng)需工作于其諧振頻率處才能獲得最大的轉(zhuǎn)化效率和振幅，換能器在其諧 振頻率處表現(xiàn)為一容性元件而非純阻性，這必然會(huì)消耗大量的無(wú)功功率，降低了系統(tǒng)功率 因數(shù)及傳輸效率。要解決這些問(wèn)題必須增加補(bǔ)償元件即電感或電容，以補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功 率，改善功率傳輸性能。公告號(hào)為CN201393181Y，公告日為2010年1月27日的中國(guó)實(shí)用新 型專利中公開(kāi)了《回轉(zhuǎn)式非接觸超聲波電信號(hào)傳輸裝置》，包括外殼、原邊磁芯線圈、副邊磁 芯線圈和驅(qū)動(dòng)軸，外殼與原邊磁芯線圈的磁芯外圓周固定連接構(gòu)成定子部分，副邊磁芯線 圈與驅(qū)動(dòng)軸連接構(gòu)成轉(zhuǎn)子部分，原邊磁芯線圈與副邊磁芯線圈之間具有一定間隙。所述原 邊磁芯線圈和副邊磁芯線圈的磁芯同軸設(shè)置。采用罐狀磁芯端面感應(yīng)或圓環(huán)狀U型同心磁 芯柱面感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電磁耦合器為換能器供電，其中主邊電路單邊補(bǔ)償，副邊通過(guò)優(yōu)化線圈 自感（即線圈匝數(shù)）使其與換能器電容諧振提高系統(tǒng)的傳輸效率，主邊通過(guò)補(bǔ)償電感電容 以補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率，使電源輸出電壓電流同相位。但單邊補(bǔ)償由于限定了耦合器副邊 自感量，使耦合器的設(shè)計(jì)具有局限性，不能適用于所有的超聲振子，因此副邊也需要增加補(bǔ) 償元件，同時(shí)優(yōu)化補(bǔ)償元件值和副邊自感以實(shí)現(xiàn)最佳效率的傳輸，雙邊補(bǔ)償設(shè)計(jì)更靈活，更 適用于生產(chǎn)實(shí)踐。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種基于效率的非接觸供電超聲 振動(dòng)系統(tǒng)的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思路是基于副邊串聯(lián)電感或電容、副邊并聯(lián) 電感或電容兩種基本的雙邊補(bǔ)償拓?fù)?，采用主邊和副邊同時(shí)補(bǔ)償電感和/或電容的補(bǔ)償形 式，其中，主邊電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)用來(lái)補(bǔ)償電源的無(wú)功功率，使電源輸出電壓電流同相位，副邊 電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)用來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的傳輸效率。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提出的一種基于效率的非接觸供電超聲振動(dòng) 系統(tǒng)的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其中的非接觸供電超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括非接觸電磁耦合器，所述非接 觸電磁耦合器包括相互之間存在有間隙的主邊磁芯和副邊磁芯，所述主邊磁芯上纏繞有主 邊線圈，所述副邊磁芯上纏繞有副邊線圈，所述主邊線圈連接有主邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述副邊線 圈連接有由補(bǔ)償元件構(gòu)成的副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，超聲電源產(chǎn)生超聲頻交流電，經(jīng)過(guò)所述主邊補(bǔ) 償網(wǎng)絡(luò)將電能傳遞給主邊線圈，再通過(guò)電磁感應(yīng)原理傳輸給所述副邊線圈，所述副邊補(bǔ)償 網(wǎng)絡(luò)將超聲電能傳輸給超聲換能器，超聲換能器通過(guò)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的微小振動(dòng)經(jīng)變幅桿 放大振幅后將振動(dòng)傳輸振子。
[0006] 進(jìn)一步講，本實(shí)用新型基于效率的非接觸供電超聲振動(dòng)系統(tǒng)的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其 中：
[0007] 所述副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是由與副邊線圈串聯(lián)的補(bǔ)償元件構(gòu)成，所述補(bǔ)償元件為電感或 電容，其補(bǔ)償元件的電抗?jié)M足下式：
[0008] Xs=-?Ls_Xt
[0009] 其中：Xs_副邊串聯(lián)補(bǔ)償元件的電抗，Ls_副邊線圈自感，Xt_超聲振子等效電抗， ?-電源輸出信號(hào)的角頻率。
[0010] 所述副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是由與副邊線圈并聯(lián)的補(bǔ)償元件構(gòu)成，所述補(bǔ)償元件為電感或 電容，其補(bǔ)償元件的電納滿足下式：
[0011]
[0012] 其中：其中：Bs-副邊并聯(lián)補(bǔ)償元件的電納，電源輸出信號(hào)的角頻率，Rp-主邊 線圈交流電阻，Rs-副邊線圈交流電阻，Ls-副邊線圈自感，M-互感，xt-超聲振子等效電抗， Rt-超聲振子等效電阻。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：
[0014] 由于本實(shí)用新型的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是基于電磁耦合互感模型推導(dǎo)出來(lái)的，只關(guān)心非 接觸電磁耦合器的互感和自感等參數(shù)，而與耦合器的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)關(guān)，因此，可以適 用于各種不同結(jié)構(gòu)尺寸的非接觸電磁耦合器，如圖2所示的各種不同的非接觸旋轉(zhuǎn)電磁耦 合器。
[0015] 其次，本實(shí)用新型的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在推導(dǎo)過(guò)程中，只關(guān)心超聲振子的等效電阻Rt和等效電抗Xt兩個(gè)參數(shù)，而不涉及超聲振子的物理結(jié)構(gòu)尺寸，因此，可以適用于各種場(chǎng)合 的非接觸供電的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，不僅僅局限于圖1所示的超聲振子結(jié)構(gòu)。
[0016] 本實(shí)用新型的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中主邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是為了補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率，使電源 輸出電壓電流同相位，其結(jié)構(gòu)不受限制，只要具備這種功能的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)就可以。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1非接觸供電超聲波加工裝備的能量傳輸示意圖；
[0018] 圖2不同結(jié)構(gòu)形式的非接觸旋轉(zhuǎn)電磁耦合器；其中（a)是U型同心磁芯柱面感應(yīng) 線圈結(jié)構(gòu)形式，（b)是上下罐狀磁芯柱面感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)形式，（c)是上下罐狀磁芯端面感應(yīng) 線圈結(jié)構(gòu)形式，（d)是副邊單環(huán)磁芯柱面感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)形式，（e)是無(wú)磁芯柱面感應(yīng)線圈結(jié) 構(gòu)形式。
[0019] 圖3是圖1的等效電路模型；
[0020] 圖4是圖3所示互感耦合模型的簡(jiǎn)化形式；
[0021] 圖5雙邊補(bǔ)償拓?fù)?副邊串聯(lián)補(bǔ)償；
[0022] 圖6雙邊補(bǔ)償拓?fù)?副邊并聯(lián)補(bǔ)償；
[0023] 圖7耦合器繞線方式及磁芯結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖8實(shí)驗(yàn)測(cè)量的主邊線圈自感與線圈匝數(shù)的關(guān)系；
[0025] 圖9實(shí)驗(yàn)測(cè)量的副邊線圈自感與線圈匝數(shù)的關(guān)系；
[0026] 圖10實(shí)驗(yàn)測(cè)量主副邊交流電阻與線圈匝數(shù)的關(guān)系；
[0027] 圖11線圈及Litz線示意圖；
[0028] 圖12副邊串聯(lián)補(bǔ)償?shù)膫鬏斝逝c線圈匝數(shù)的關(guān)系；
[0029] 圖13副邊并聯(lián)補(bǔ)償?shù)膫鬏斝逝c線圈匝數(shù)的關(guān)系。
[0030] 圖中：
[0031] 1-超聲電源 2-主邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
[0032] 3-主邊線圈 4-副邊線圈
[0033] 5-副邊磁芯 6-主邊磁芯
[0034] 7-副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 8-換能器
[0035] 9-變幅桿 10-刀具
[0036] g_主、副邊磁芯之間的間隙 Ui_電源電壓
[0037] Ii_電源電流 Rp_主邊線圈交流電阻
[0038] Lp-主邊線圈自感 Ip-主邊線圈電流
[0039] M-互感 Rs_副邊線圈交流電阻
[0040] Ls-副邊線圈自感 Is-副邊線圈電流
[0041] It-換能器電流 R0-壓電陶瓷靜態(tài)電阻
[0042] C0-壓電陶瓷靜態(tài)電容 L1-超聲振子動(dòng)態(tài)電感
[0043] C1-超聲振子動(dòng)態(tài)電容 R1-超聲振子動(dòng)態(tài)電阻
[0044] RL-超聲振子的等效機(jī)械負(fù)載電阻Zt-超聲振子等效阻抗
[0045] Rt-超聲振子等效電阻 Xt-超聲振子等效電抗
[0046] Xs_副邊串聯(lián)補(bǔ)償元件的電抗 Bs_副邊并聯(lián)補(bǔ)償元件的電納
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的 具體實(shí)施例僅僅對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行解釋說(shuō)明，并不用以限制本實(shí)用新型。
[0048] 如圖1所示，本實(shí)用新型一種基于效率的非接觸供電超聲振動(dòng)系統(tǒng)的電路補(bǔ)償網(wǎng) 絡(luò)，其中的非接觸供電超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括非接觸電磁耦合器，所述非接觸電磁耦合器包括 相互之間存在有間隙g的主邊磁芯6和副邊磁芯5,所述主邊磁芯6上纏繞有主邊線圈3， 所述副邊磁芯5上纏繞有副邊線圈4,所述主邊線圈3連接有主邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2,其特征在于， 所述副邊線圈4連接有由補(bǔ)償元件構(gòu)成的副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)7,超聲電源1產(chǎn)生超聲頻交流電， 經(jīng)過(guò)所述主邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2將電能傳遞給主邊線圈3,再通過(guò)電磁感應(yīng)原理傳輸給所述副邊 線圈4,所述副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)7將超聲電能傳輸給超聲換能器，超聲換能器8通過(guò)逆壓電效應(yīng) 產(chǎn)生的微小振動(dòng)經(jīng)變幅桿9放大振幅后將振動(dòng)傳輸給超聲振子。
[0049]由于本實(shí)用新型的電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是基于電磁耦合互感模型推導(dǎo)出來(lái)的，只關(guān)心非 接觸電磁耦合器的互感和自感等參數(shù)，而與耦合器的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)關(guān)，因此，可以適 用于各種不同結(jié)構(gòu)尺寸的非接觸電磁耦合器，如圖2所示的各種不同的非接觸旋轉(zhuǎn)電磁耦 合器。
[0050] 壓電超聲振子的等效阻抗
[0051] 如圖3所示為圖1的等效電路模型。壓電陶瓷靜態(tài)電阻R。很大，通常被忽略。Lp CjPRi分別代表超聲振子的質(zhì)量、剛度和阻尼。超聲振子的等效阻抗可