[實用新型]基于效率的非接觸供電超聲振動系統的電路補償網絡

有效

• 申請號: 201520383411.3
• 申請日: 2015-06-05
• 公開（公告）號: CN204732973U
• 公開（公告）日: 2015-10-28
• 發明（設計）人: 林彬;朱學明;劉禮平
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本實用新型涉及一種采用非接觸旋轉電磁耦合器為超聲換能器供電的技術，特別涉及一種謀求實現該非接觸能量傳輸系統的最大傳輸效率的電路補償方法。

背景技術

旋轉超聲波加工利用固結式金剛石工具(電鍍式或燒結式金剛石工具)作超聲振動，同時高速旋轉的方式進行加工。廣泛應用于硬脆材料如工程陶瓷、復合材料、鈦合金等的加工，旋轉超聲波加工可有效提高材料去除率、提高工件表面質量和延長刀具壽命。傳統的旋轉超聲波機床多采用電刷滑環的供電方式。這種接觸式的供電方式易產生火花和磨損，不能用于易燃易爆的惡劣環境中，且對主軸轉速有限制。非接觸式旋轉電磁耦合器可以很好地解決這些問題，并在旋轉超聲波設備中有廣泛的應用。如公開號為CN101213042A，公開日為2008年7月2日的中國專利申請公開了一種《超聲波加工主軸裝置》，采用無磁芯結構為超聲波換能器供電。再如公告號為CN102151867B，公告日為2013年5月29日的中國實用新型專利中公開了《一種基于機床附件化的旋轉超聲波頭》，采用副邊單環磁芯的柱面耦合旋轉電磁耦合器為換能器供電。再如，公開號為CN1324713A，公開日為2001年12月5日的中國專利申請公開了一種《有超聲適配器的工具機》，采用圓環狀U型同心磁芯柱面感應的旋轉電磁耦合器為換能器供電。

非接觸式旋轉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，使得非接觸旋轉電磁耦合器存在較大漏磁通。漏磁通使初級線圈發射的能量不能完全被次級線圈吸收，有一部分儲存在耦合器內部，不僅限制了其功率傳輸能力，且增加了自身損耗。旋轉電磁耦合器的負載為超聲振動系統(換能器、變幅桿及工具)，超聲振動系統需工作于其諧振頻率處才能獲得最大的轉化效率和振幅，換能器在其諧振頻率處表現為一容性元件而非純阻性，這必然會消耗大量的無功功率，降低了系統功率因數及傳輸效率。要解決這些問題必須增加補償元件即電感或電容，以補償系統的無功功率，改善功率傳輸性能。公告號為CN201393181Y，公告日為2010年1月27日的中國實用新型專利中公開了《回轉式非接觸超聲波電信號傳輸裝置》，包括外殼、原邊磁芯線圈、副邊磁芯線圈和驅動軸，外殼與原邊磁芯線圈的磁芯外圓周固定連接構成定子部分，副邊磁芯線圈與驅動軸連接構成轉子部分，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置。采用罐狀磁芯端面感應或圓環狀U型同心磁芯柱面感應的旋轉電磁耦合器為換能器供電，其中主邊電路單邊補償，副邊通過優化線圈自感(即線圈匝數)使其與換能器電容諧振提高系統的傳輸效率，主邊通過補償電感電容以補償系統的無功功率，使電源輸出電壓電流同相位。但單邊補償由于限定了耦合器副邊自感量，使耦合器的設計具有局限性，不能適用于所有的超聲振子，因此副邊也需要增加補償元件，同時優化補償元件值和副邊自感以實現最佳效率的傳輸，雙邊補償設計更靈活，更適用于生產實踐。

實用新型內容

針對現有技術中存在的問題，本實用新型提供一種基于效率的非接觸供電超聲振動系統的電路補償網絡，本實用新型的設計思路是基于副邊串聯電感或電容、副邊并聯電感或電容兩種基本的雙邊補償拓撲，采用主邊和副邊同時補償電感和/或電容的補償形式，其中，主邊電路補償網絡用來補償電源的無功功率，使電源輸出電壓電流同相位，副邊電路補償網絡用來實現最大的傳輸效率。

為了解決上述技術問題，本實用新型提出的一種基于效率的非接觸供電超聲振動系統的電路補償網絡，其中的非接觸供電超聲振動系統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償網絡，所述副邊線圈連接有由補償元件構成的副邊補償網絡，超聲電源產生超聲頻交流電，經過所述主邊補償網絡將電能傳遞給主邊線圈，再通過電磁感應原理傳輸給所述副邊線圈，所述副邊補償網絡將超聲電能傳輸給超聲換能器，超聲換能器通過逆壓電效應產生的微小振動經變幅桿放大振幅后將振動傳輸振子。

進一步講，本實用新型基于效率的非接觸供電超聲振動系統的電路補償網絡，其中：

所述副邊補償網絡是由與副邊線圈串聯的補償元件構成，所述補償元件為電感或電容，其補償元件的電抗滿足下式：

X_s＝-ωL_s-X_t

其中：Xs-副邊串聯補償元件的電抗，Ls-副邊線圈自感，Xt-超聲振子等效電抗，ω-電源輸出信號的角頻率。