[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

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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。

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：

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：

X_s＝-ωL_s-X_t

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，ω-电源输出信号的角频率。