旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法

本发明涉及超声加工设备，尤其是指一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法。

背景技术：

1、旋转超声加工技术(简称rum)是近年来兴起的一种新型加工技术，其在硬脆性难加工材料的精密高效加工中具有独特的优势。在旋转超声振动加工系统中，由超声换能器、变幅杆和加工工具构成的超声振子在机床主轴的带动下高速旋转，同时在超声电源的驱动下产生超声振动，从而实现旋转超声加工。在高速旋转的情况下，超声电源与超声振子之间的电能可靠传输是旋转超声振动加工系统稳定可靠工作的关键技术之一。传统的电刷-滑环结构难以适应高速旋转加工的要求。近年来提出的感应非接触电能传输装置(简称icpt)基于电磁感应原理，实现了超声电信号的非接触式传输。在超声电源和超声振子之间接入icpt后，由于超声换能器压电陶瓷和icpt线圈的影响，超声电源的输入阻抗包含电抗的成分，影响了电源的输出效率；副边回路阻抗也存在电抗成分，影响超声振子的输出效率和谐振状态。另外，由于原边和副边线圈之间存在间隙，会显著影响icpt的能量传输效率。因此，必须对旋转超声振动加工系统的电源输入负载阻抗和副边回路阻抗进行谐振匹配，使电源的负载阻抗虚部和副边回路阻抗虚部为零，消除无功损耗，实现电源和超声振子的最佳工作状态。

2、目前对传输装置的阻抗匹配方式的研究可以分为两大类：一类是在传输装置原边回路和副边回路分别加入匹配元件进行匹配的双边匹配法；另一类是仅对原边回路进行匹配的单边匹配法。其中，双边匹配法是分别在原边回路和副边回路并联或串联接入电抗元件，使两边回路在超声振子的谐振频率点分别实现串联谐振，从而使两边回路在谐振频率点的阻抗虚部都等于零(称为双边谐振)。基于这一思想，研究人员提出了在原边和副边回路分别采用并-并、并-串、串-并、串-串四种方式接入电抗元件的匹配方法，并对不同方法的电路传输特性进行了大量的研究，研究表明双边匹配方式可以实现双边谐振的理想效果，使电源和超声振子都具有最佳工作状态。但是需要在原边和副边回路都加入电抗元件，在旋转超声加工系统中，由于超声振子和副边线圈要做高速旋转，加之超声刀柄或主轴结构的限制，在副边回路加入匹配元件会给结构设计和回转部件的动平衡带来很大的困难，在实际中难以应用。单边匹配法只在原边回路接入电抗元件，避免了对副边回路的改动，便于在旋转超声振动加工系统中应用，与双边匹配方法相比具有明显的实用性。单边匹配的方法有采用单一电抗元件在原边串联或并联匹配的方式，也有采用l-c双元件或三元件在原边回路串-并联组合匹配的方式。单边匹配法在原边加入匹配元件后，虽然使原边回路达到谐振状态(称为原边谐振)，提高了超声电源的输出效率，但是副边回路并未达到谐振状态，仍存在无功损耗，超声振子输出效率和输出有用功率都受到影响。

3、因此，迫切需要提供一种创新的旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法以克服现有技术存在的上述技术缺陷。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的技术缺陷，而提出一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法，其不需要改变旋转部件的结构，只需在电源的输出端增加双电容匹配组合，就可以使旋转超声振动加工系统实现阻抗匹配，达到最佳输出特性，便于各种旋转超声振动加工系统的结构设计和实际应用。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路，旋转超声加工系统包括超声电源、感应传输器和超声振子，所述感应传输器包括与所述超声电源连接而构成原边回路的原边线圈和与所述超声振子连接而构成副边回路的副边线圈，匹配电路包括第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容与所述原边线圈串联，所述第二匹配电容与所述原边线圈并联；其中，存在特定的匹配电容参数以使原边回路和副边回路同时谐振。

3、在本发明的一个实施例中，所述超声振子包括静态电容，所述静态电容与所述副边线圈串联。

4、在本发明的一个实施例中，所述超声振子包括动态支路，所述动态支路包括串联的动态电容、动态电感和动态电阻，且串联的所述动态电容、动态电感和动态电阻与静态电容并联。

5、在本发明的一个实施例中，当超声电源的信号频率等于超声振子的谐振频率时，超声振子的动态支路产生串联谐振，其动态支路谐振阻抗表现为纯电阻，动态电阻与静态电容并联的阻抗为超声振子的谐振阻抗。

6、此外，本发明还提供一种旋转超声加工系统阻抗匹配方法，该方法基于如上述所述的旋转超声加工系统阻抗匹配电路实现，方法包括：

7、当原边回路和副边回路均产生谐振时，求解得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线；

8、将第一匹配电容的参数曲线和第二匹配电容的参数曲线的交点作为匹配电容参数。

9、在本发明的一个实施例中，求解得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线的方法，包括：

10、计算原边回路的阻抗和副边回路的感应电流；

11、根据原边回路的阻抗和副边回路的感应电流，分别计算得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线。

12、在本发明的一个实施例中，在计算满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线时，将超声电源按照理想恒压源进行计算。

13、在本发明的一个实施例中，计算原边回路的阻抗的方法，包括：

14、设原边线圈的阻抗为zp＝rp+jxp＝rp+ωj，副边线圈的阻抗为zs＝rs+jxs＝rs+ωj，其中，rp表示原边线圈内阻，ω表示超声电源的信号频率；lp表示原边线圈自感，rs表示副边线圈内阻，ls表示副边线圈自感；

15、由基尔霍夫定律，得到原边回路：

16、

17、

18、i＝i1+ip                                              (3)

19、式中，r表示超声电源内阻，i表示超声电源的输出电流，c表示第一匹配电容的电容值，zp表示原边线圈的阻抗，ip表示流过原边线圈的电流，jωmis表示副边回路在原边回路的感应电势，i1表示流过第二匹配电容的电流，c1表示第二匹配电容的电容值；

20、副边回路：

21、zstis-jωmip＝0                                       (4)

22、式中，zst表示副边线圈与超声振子的谐振阻抗，is表示副边线圈感应电流，jωmip表示原边回路在副边回路的感应电势；

23、根据式(1)～(4)求解得：

24、

25、

26、其中：

27、

28、

29、式中，m表示原副边线圈的互感，xst表示副边线圈与超声振子的谐振阻抗zst的虚部；；

30、根据式(5)得，原边回路的阻抗zy为：

31、

32、其中：

33、a＝rst-ωc1d

34、b＝xst+ωc1e

35、d＝xprst+xstrp

36、e＝(rprst-xpxst)+ω2m2；

37、式中，ry表示阻抗的实部，xy表示阻抗的虚部。

38、在本发明的一个实施例中，计算副边回路的感应电流的方法，包括：

39、根据式(6)得，副边感应电流为：

40、

41、式中，m表示原副边线圈的互感。

42、在本发明的一个实施例中，计算得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线的方法，包括：

43、当原边回路和副边回路均产生谐振时，根据式(7)和(8)得：

44、

45、ω(c+c1)[(xpxst-rprst)-ω2m2]-xst＝0                (10)

46、式中，xst表示副边线圈与超声振子的谐振阻抗zst的虚部；

47、联立式(9)和(10)，推得：

48、

49、

50、其中，h＝rst2+xst2；

51、根据式(11)和(12)计算不同icpt电感参数下双边谐振时的匹配电容。

52、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

53、本发明所述的一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法，其不需要改变旋转部件的结构，只需在电源的输出端增加双电容匹配组合，就可以使旋转超声振动加工系统实现阻抗匹配，达到最佳输出特性，便于各种旋转超声振动加工系统的结构设计和实际应用。