微动式可调电感设计及其应用

莫远东，于兆勤，连海山，莫德云

（1.岭南师范学院机电工程研究所，广东湛江524048；2.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

微动式可调电感设计及其应用

莫远东1，于兆勤2，连海山1，莫德云1

（1.岭南师范学院机电工程研究所，广东湛江524048；2.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

设计了一款微动式可调电感，提供一种应用于超声电源调试中，寻找最佳匹配电感的新方式，以提高超声电源调试效率，降低电源制作成本。以超声振子两端电压和流过其回路电流波形的相位差作为参考指标，对超声电源进行调试实验。实验结果表明：该可调电感能连续可调，有助于在电源调试中方便、快速地得到所需匹配及提高电源调试效率，可满足超声电源实际调试应用要求。

可调电感；超声加工；调试；超声电源

超声加工技术在近年来得到高速发展，其应用已经渗透到生活的各个领域，如航天航空、建筑、无损检测、医学成像、超声治疗等[1]。超声加工即利用超声波特性，将其能量转换成工具头上的超声振动，工具头与工具间充有磨料混合液，在一定的压力作用下使工具头紧压在工件上，通过液体中微粒磨料撞击、打磨被加工表面以及超声空化的作用来去除材料而达到加工目的[2]。超声电源属于超声加工重要组成部分，其中匹配电感是超声电源的不可或缺的电子元器件，影响着超声电源的输出性能及加工效率[3-4]。

在超声电源调试前，根据阻抗分析仪测得超声振子理论阻抗值，从而可计算出所需的理论匹配电感值，但超声电源在实际工作中所需匹配电感值相对于理论值有偏差，偏差幅度是靠电源实际调试来决定，此时就需要一个可调电感进行对电源进行调试。虽然现在有采用源方式，可以实现阻抗变换的可调电感，但这种方式结构复杂，体积庞大、价格昂贵[5-6]；还有可以通过控制PWM电路进行的改变输出电感大小，但是这种电路方式复杂，使用不方便[7-8]。因此针对以上可调电感在调试电源存在的不足，设计了一款微调平台式可调电感，提供了一种新的应用于超声电源调试中寻找最佳匹配电感值方式，该可调电感能连续可调，有助于在电源调试中方便、快速地得到所需匹配电感值及提高电源调试效率，减低了电源制作成本。

1超声电源匹配网络基本介绍

超声换能器[9]属于超声加工系统中的振动部分，包括压电换能器、变幅杆和工具头等部分。压电换能器作用是将超声频电能转化为机械振动的机械能。在实际工作中，超声换能器在谐振工作状态时，是容性负载[10]。为了提高超声加工效率，减少能量损耗，必须抵消振子容抗分量的影响。在匹配网络中用一个电感元件与振子调谐，以使整个振子在谐振频率工作时，呈现纯阻态，此时电路中电压与电流同相位，保证换能器获得最大的电功率。本文采用电感串联匹配方式，其匹配网络等效电路及电路等效演变过程[11-12]如图1所示，图中Ls为匹配电感，C0为换能器静态电容，Lm、Cm、Rm分别为动态阻抗中的动态电感、动态电容、动态电阻。

图1 匹配网络等效电路及其等效演变过程

2微调平台式可调电感模型建立及设计计算

2.1 微动平台式可调电感模型建立

可调电感模型由微动平台、电感、磁芯左右挡板、过渡板、底座等部分组成，如下图2所示。其工作原理为：调节微动平台，微动面板带动左半磁芯运动，使左右半磁芯发生相对运动，以改变电感气隙，从而改变电感值大小。左半磁芯通过渡板固定在微动平台上，可随微动平台移动；右半磁芯固定在底座上。底座作用是支撑其它部分，使它们有相对准确的工作位置。

图2 微动平台式可调电感模型

2.2 电感参数计算[13]

电感设计参数为：峰值电流为I=2 A；最大磁感应强度为Bm=0.3 T；初始磁导率为μi=2 300；最大调节量程Ls：0~0.5mH，以下为电感设计参数计算过程。

气隙面积乘积为：

其中，S为所用磁芯的横截面积；δ为电感所需的气隙长度；μ0=4π×10-7N/A2为真空磁导率。

经计算得Sδ=27.93 mm3.

本调试电感选用EE42-21-20磁芯类型，其中磁芯有效截面积为Ae=235mm2，磁路长度为Le=97.80 mm，设定电感所需的气隙长度δ=0.8 mm，则实际磁路长度为：

气隙有效截面积为：Ag=（C+δ）（D+δ）

其中，C=19.85 mm、D=11.85 mm为磁芯中心柱尺寸。经计算Ag=26 122mm2.

磁导为：

取整N=35（匝）

利用磁导验证的电感值为：

只考虑气隙时的电感值为：

最大磁感应强度验证为：

满足要求。

当导线为圆铜线时，穿透深度为：

式中，超声振子谐振频率为fs=28.62 kHz；所需导线的截面积S' =I/J=0.4 mm2，其中电流密度J=5 A/mm2；所选导线线径d=0.6mm，则此d＜2△时满足设计要求。

导线实际截面积S''=0.25πd2=0.008 mm2，则所需的股数为

实际磁芯窗口面积为：

其中，D、E、F代表磁芯尺寸，D=11.85 mm，E=29.5mm，F=15.1mm.

实际导体面积为：Ac=nNS'' =20 mm2

所需窗口的面积表达式为：

其中，Kf为窗口填充系数，Kf=0.2，由此可知，Aw＞Aw'，满足设计要求。

3微动平台式可调电感在超声电源调试中应用

如下图3所示为调试的超声电源图，超声电源所驱动的超声振子谐振频率为28.62 kHz.在调试过程中，阻抗分析仪测试端子与电感输出端子连接，调节微动平台，改变电感大小，同时用示波器采集超声振子两端电压与流过其回路的电流波形图，通过观察波形图判断此时匹配电感值是否为最佳匹配值。

图3 微动平台式可调电感应用于超声电源调试中

在电源调试过程，随着微动平台移动，可调电感值也在不断地发生变化，通过示波器显示超声振子两端电压与流过其回路的电流波形相位差也不同。

图4为超声电源调试过程中某一时刻T1时，采集超声振子的波形图。

图4 T1时刻，超声振子两端电压与流过其回路的电流波形图

从图4波形可以看出此时超声振子两端电压与流过其回路的电流波形相位差并不为零，此时的电感值也不是最佳匹配电感值。

图5为超声电源调试过程中某一时刻T2时，采集超声振子的波形图。

图5 T2时刻，超声振子两端电压与流过其回路的电流波形图

从图5波形可以看出此时超声振子两端电压与流过其回路的电流波形相位差在实验误差范围内基本为零，此时整个电源运行良好，说明此时的电感值为最佳匹配电感值。然后再用阻抗分析仪测量出此时对应的电感值，并用相同值的定值电感取代，可以大大提高电源的调试效率。

4结束语

通过上述实验表明，微动式可调电感，在超声电源调试应用中，该可调电感能连续可调，有助于在电源调试中方便、快速地得到所需匹配电感值及提高电源调试效率，降低超声电源制作成本，具有一定实际应用价值。

[1]林仲茂.20世纪功率超声在国内外的发展[J].声学技术，2000，19（2）：101-105.

[2]任升峰，徐明刚，胡玉景，等.工件作超声振动时的磨削特性研究[J].电加工与模具，2006（3）：49-51.

[3]韩庆帮，林书玉，鲍善惠，等.超声换能器电匹配特性研究[J].陕西师范大学学报（自然科学版），1996，24（4）：114-115.

[4]鲍善惠，王艳东.压电换能器在并联谐振频率附近特性的研究[J].声学技术，2006，25（2）：165-168.

[5]刘骥，朱东柏．基于IGBT的无源无级调感技术[J]．哈尔滨理工大学学报，2004（2）：50-53．

[6]崔勇，朱东柏，刘骥．新型补偿电流控制方法在有源电力滤波器中的应用[J]．东北林业大学学报，2004（3）：72-74．

[7]李虹达，朱东柏，刘骥.基于PWM控制连续可调电感的电路设计[J].2006（8）：268-270.

[8]程汉湘，何绍洋，黄超宪．磁控电抗器的电磁特性分析[J]．变压器，2013，50（8）：1-4．

[9]潘仲明，祝琴.压电换能器阻抗匹配技术研究[J].应用声学，2007，26（6）：357-361.

[10]王磊.超声电源匹配特性的研究[D].太原：太原理工大学，2014.

[11]鲍善惠.压电换能器的动态匹配[J].应用声学，1998，17（2）：16-20.

[12]鲍善惠，王艳东.超声波清洗机的阻抗匹配电路[J].洗净技术，2004，2（5）：11-14.

[13]周洁敏，赵修科，陶思钰.开关电源磁性元件理论及设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

Design and App lication ofMicro Ad justable Inductance

MO Yuan-dong1，YU Zhao-qin2，LIAN Hai-shan1，MO De-yun1
（1.Electrical and Mechanical Engineering Institute，Lingnan Normal University，Zhanjiang Guangdong 524048，China；2.Faculty of Electrical and Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Designed a micro type adjustable inductance and provided a new way of finding the best matching inductance in the ultrasonic power supply debugging which can improve the efficiency of ultrasonic power supply debugging and reduce power production costs.With the phase of ultrasonic vibrator on both ends of the voltage and the flow through the loop currentwaveform as a reference index，debugging experiment of the ultrasonic power.The experimental results show that the adjustable inductance can continuous adjustable and helps access to the requiredmatching inductance in the power supply debugging easily and speedily which improves the efficiency and actual application requirements in power supply debugging well.

adjustable Inductance；ultrasonic machining；debugging；ultrasonic power supply

TG663

A

1672-545X（2016）12-0004-03

2016-09-19

广东省自然科学基金（S2013010013385）；湛江市非资助科技攻关计划项目（20616B01012）；岭南师范学院校级青年项目资助（QL1503）

作者介绍：莫远东（1988-），男，广东湛江人，硕士，助理实验师，主要研究方向：特种加工，超精密加工技术等；于兆勤（1960-），男，山东招远人，博士研究生，教授，主要研究方向：特种加工，超精密加工技术，先进制造技术等。