基于效率的非接触供电超声振动系统的电路补偿网络的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种采用非接触旋转电磁耦合器为超声换能器供电的技术，特别 涉及一种谋求实现该非接触能量传输系统的最大传输效率的电路补偿方法。
【背景技术】
[0002] 旋转超声波加工利用固结式金刚石工具（电镀式或烧结式金刚石工具）作超声振 动，同时高速旋转的方式进行加工。广泛应用于硬脆材料如工程陶瓷、复合材料、钛合金等 的加工，旋转超声波加工可有效提高材料去除率、提高工件表面质量和延长刀具寿命。传统 的旋转超声波机床多采用电刷滑环的供电方式。这种接触式的供电方式易产生火花和磨 损，不能用于易燃易爆的恶劣环境中，且对主轴转速有限制。非接触式旋转电磁耦合器可以 很好地解决这些问题，并在旋转超声波设备中有广泛的应用。如公开号为CN101213042A，公 开日为2008年7月2日的中国专利申请公开了一种《超声波加工主轴装置》，采用无磁芯结 构为超声波换能器供电。再如公告号为CN102151867B，公告日为2013年5月29日的中国 实用新型专利中公开了《一种基于机床附件化的旋转超声波头》，采用副边单环磁芯的柱面 耦合旋转电磁耦合器为换能器供电。再如，公开号为CN1324713A，公开日为2001年12月5 日的中国专利申请公开了一种《有超声适配器的工具机》，采用圆环状U型同心磁芯柱面感 应的旋转电磁耦合器为换能器供电。
[0003] 非接触式旋转电磁耦合器也存在着一些不足。由于主副边磁芯之间存在间隙即磁 路中含有部分空气路径，使得非接触旋转电磁耦合器存在较大漏磁通。漏磁通使初级线圈 发射的能量不能完全被次级线圈吸收，有一部分储存在耦合器内部，不仅限制了其功率传 输能力，且增加了自身损耗。旋转电磁耦合器的负载为超声振动系统（换能器、变幅杆及工 具），超声振动系统需工作于其谐振频率处才能获得最大的转化效率和振幅，换能器在其谐 振频率处表现为一容性元件而非纯阻性，这必然会消耗大量的无功功率，降低了系统功率 因数及传输效率。要解决这些问题必须增加补偿元件即电感或电容，以补偿系统的无功功 率，改善功率传输性能。公告号为CN201393181Y，公告日为2010年1月27日的中国实用新 型专利中公开了《回转式非接触超声波电信号传输装置》，包括外壳、原边磁芯线圈、副边磁 芯线圈和驱动轴，外壳与原边磁芯线圈的磁芯外圆周固定连接构成定子部分，副边磁芯线 圈与驱动轴连接构成转子部分，原边磁芯线圈与副边磁芯线圈之间具有一定间隙。所述原 边磁芯线圈和副边磁芯线圈的磁芯同轴设置。采用罐状磁芯端面感应或圆环状U型同心磁 芯柱面感应的旋转电磁耦合器为换能器供电，其中主边电路单边补偿，副边通过优化线圈 自感（即线圈匝数）使其与换能器电容谐振提高系统的传输效率，主边通过补偿电感电容 以补偿系统的无功功率，使电源输出电压电流同相位。但单边补偿由于限定了耦合器副边 自感量，使耦合器的设计具有局限性，不能适用于所有的超声振子，因此副边也需要增加补 偿元件，同时优化补偿元件值和副边自感以实现最佳效率的传输，双边补偿设计更灵活，更 适用于生产实践。 【实用新型内容】
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于效率的非接触供电超声 振动系统的电路补偿网络，本实用新型的设计思路是基于副边串联电感或电容、副边并联 电感或电容两种基本的双边补偿拓扑，采用主边和副边同时补偿电感和/或电容的补偿形 式，其中，主边电路补偿网络用来补偿电源的无功功率，使电源输出电压电流同相位，副边 电路补偿网络用来实现最大的传输效率。
[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种基于效率的非接触供电超声振动 系统的电路补偿网络，其中的非接触供电超声振动系统包括非接触电磁耦合器，所述非接 触电磁耦合器包括相互之间存在有间隙的主边磁芯和副边磁芯，所述主边磁芯上缠绕有主 边线圈，所述副边磁芯上缠绕有副边线圈，所述主边线圈连接有主边补偿网络，所述副边线 圈连接有由补偿元件构成的副边补偿网络，超声电源产生超声频交流电，经过所述主边补 偿网络将电能传递给主边线圈，再通过电磁感应原理传输给所述副边线圈，所述副边补偿 网络将超声电能传输给超声换能器，超声换能器通过逆压电效应产生的微小振动经变幅杆 放大振幅后将振动传输振子。
[0006] 进一步讲，本实用新型基于效率的非接触供电超声振动系统的电路补偿网络，其 中：
[0007] 所述副边补偿网络是由与副边线圈串联的补偿元件构成，所述补偿元件为电感或 电容，其补偿元件的电抗满足下式：
[0008] Xs=-?Ls_Xt
[0009] 其中：Xs_副边串联补偿元件的电抗，Ls_副边线圈自感，Xt_超声振子等效电抗， ?-电源输出信号的角频率。
[0010] 所述副边补偿网络是由与副边线圈并联的补偿元件构成，所述补偿元件为电感或 电容，其补偿元件的电纳满足下式：
[0011]
[0012] 其中：其中：Bs-副边并联补偿元件的电纳，电源输出信号的角频率，Rp-主边 线圈交流电阻，Rs-副边线圈交流电阻，Ls-副边线圈自感，M-互感，xt-超声振子等效电抗， Rt-超声振子等效电阻。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0014] 由于本实用新型的电路补偿网络是基于电磁耦合互感模型推导出来的，只关心非 接触电磁耦合器的互感和自感等参数，而与耦合器的实际物理结构尺寸无关，因此，可以适 用于各种不同结构尺寸的非接触电磁耦合器，如图2所示的各种不同的非接触旋转电磁耦 合器。
[0015] 其次，本实用新型的电路补偿网络在推导过程中，只关心超声振子的等效电阻Rt和等效电抗Xt两个参数，而不涉及超声振子的物理结构尺寸，因此，可以适用于各种场合 的非接触供电的超声振动系统，不仅仅局限于图1所示的超声振子结构。
[0016] 本实用新型的电路补偿网络中主边补偿网络是为了补偿系统的无功功率，使电源 输出电压电流同相位，其结构不受限制，只要具备这种功能的补偿网络就可以。
【附图说明】
[0017] 图1非接触供电超声波加工装备的能量传输示意图；
[0018] 图2不同结构形式的非接触旋转电磁耦合器；其中（a)是U型同心磁芯柱面感应 线圈结构形式，（b)是上下罐状磁芯柱面感应线圈结构形式，（c)是上下罐状磁芯端面感应 线圈结构形式，（d)是副边单环磁芯柱面感应线圈结构形式，（e)是无磁芯柱面感应线圈结 构形式。
[0019] 图3是图1的等效电路模型；
[0020] 图4是图3所示互感耦合模型的简化形式；
[0021] 图5双边补偿拓扑-副边串联补偿；
[0022] 图6双边补偿拓扑-副边并联补偿；
[0023] 图7耦合器绕线方式及磁芯结构示意图；
[0024] 图8实验测量的主边线圈自感与线圈匝数的关系；
[0025] 图9实验测量的副边线圈自感与线圈匝数的关系；
[0026] 图10实验测量主副边交流电阻与线圈匝数的关系；
[0027] 图11线圈及Litz线示意图；
[0028] 图12副边串联补偿的传输效率与线圈匝数的关系；
[0029] 图13副边并联补偿的传输效率与线圈匝数的关系。
[0030] 图中：
[0031] 1-超声电源 2-主边补偿网络
[0032] 3-主边线圈 4-副边线圈
[0033] 5-副边磁芯 6-主边磁芯
[0034] 7-副边补偿网络 8-换能器
[0035] 9-变幅杆 10-刀具
[0036] g_主、副边磁芯之间的间隙 Ui_电源电压
[0037] Ii_电源电流 Rp_主边线圈交流电阻
[0038] Lp-主边线圈自感 Ip-主边线圈电流
[0039] M-互感 Rs_副边线圈交流电阻
[0040] Ls-副边线圈自感 Is-副边线圈电流
[0041] It-换能器电流 R0-压电陶瓷静态电阻
[0042] C0-压电陶瓷静态电容 L1-超声振子动态电感
[0043] C1-超声振子动态电容 R1-超声振子动态电阻
[0044] RL-超声振子的等效机械负载电阻Zt-超声振子等效阻抗
[0045] Rt-超声振子等效电阻 Xt-超声振子等效电抗
[0046] Xs_副边串联补偿元件的电抗 Bs_副边并联补偿元件的电纳
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的 具体实施例仅仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。
[0048] 如图1所示，本实用新型一种基于效率的非接触供电超声振动系统的电路补偿网 络，其中的非接触供电超声振动系统包括非接触电磁耦合器，所述非接触电磁耦合器包括 相互之间存在有间隙g的主边磁芯6和副边磁芯5,所述主边磁芯6上缠绕有主边线圈3， 所述副边磁芯5上缠绕有副边线圈4,所述主边线圈3连接有主边补偿网络2,其特征在于， 所述副边线圈4连接有由补偿元件构成的副边补偿网络7,超声电源1产生超声频交流电， 经过所述主边补偿网络2将电能传递给主边线圈3,再通过电磁感应原理传输给所述副边 线圈4,所述副边补偿网络7将超声电能传输给超声换能器，超声换能器8通过逆压电效应 产生的微小振动经变幅杆9放大振幅后将振动传输给超声振子。
[0049]由于本实用新型的电路补偿网络是基于电磁耦合互感模型推导出来的，只关心非 接触电磁耦合器的互感和自感等参数，而与耦合器的实际物理结构尺寸无关，因此，可以适 用于各种不同结构尺寸的非接触电磁耦合器，如图2所示的各种不同的非接触旋转电磁耦 合器。
[0050] 压电超声振子的等效阻抗
[0051] 如图3所示为图1的等效电路模型。压电陶瓷静态电阻R。很大，通常被忽略。Lp CjPRi分别代表超声振子的质量、刚度和阻尼。超声振子的等效阻抗可