超声磨削系统中非接触电能传输特性对声学系统的影响

周 莲，李 华

（苏州科技大学 机械工程学院，江苏 苏州215009）

旋转超声加工在硬脆材料加工领域中是国际上公认的重要加工工艺之一[1]，和传统加工方法相比具有加工速度快、加工精度高、工具头磨损小等优点[2]。旋转超声加工系统的核心是超声振动系统，通常包括超声波发生器、换能器、变幅杆等部件[3]。加工过程中，超声波发生器是静止的，换能器、变幅杆和刀具随主轴旋转，比如超声铣削、磨削等，旋转部分和静止部分的电信号传输一般采用电刷和集流环连接的滑动接触式电信号传输。这种方式存在碳刷和集流环磨损较快、大量发热、积碳、电刷腐蚀快、易产生接触火花、导电体裸露等一系列安全隐患[4]。

非接触式电能传输技术（inductively coupled power transfer technology,ICPT）是利用电磁感应耦合原理实现电能传输的新方法，能有效克服接触式电能传输方式存在的弊端，广泛应用于医疗、汽车、通信等领域[5]。德国DMG公司于2007年研制出采用非接触式电能传输方式的ultrasonic 70五轴联动旋转超声加工机床，主轴转速可以达到6 000 r/min。刘礼平等提出了一套用于旋转超声的柱面感应非接触传输电能传输，进行了仿真分析和实验研究，尝试应用于超声加工主轴中[6]。王怀斌把非接触电能传输装置应用在超声铣削系统中，实现了对超声电信号的非接触传输[7]。李华、马付建等[8]把非接触电信号传输应用在超声内圆磨削系统中，并进行了仿真和实验。然而非接触电能传输装置仍存在很多问题，如传输效率低；对声学系统存在耦合影响，这些问题制约了其在旋转超声加工中的应用[9-10]。

超声振动加工中声学系统的稳定性对加工质量和精度有着重要的影响，甚至影响着超声振动系统的寿命，因此开展研究非接触电能传输装置对超声加工声学系统性能参数的耦合影响规律，探索非接触高效电能传输理论具有重要意义。本文提出了超声磨削系统中非接触电能传输装置的结构，应用理论计算和实验分析相结合的方法，研究了磁间间隙、径向偏移对传输效率、超声加工声学系统特性的影响。

1 超声磨削系统结构设计

本文提出的超声磨削系统如图1（a）所示，系统设计的额定功率为300 W，频率是34.58 kHz，非接触电能传输装置装配在超声磨削电主轴系统的后端部位，主要是给前端的超声磨削振子提供超声电信号。非接触电能传输装置具体结构如图1（b）所示，原边磁芯线圈固定在整个超声磨削系统的后端盖上保持不动，副边磁芯线圈随整个超声磨削系统的主轴一起旋转。

图1 系统结构

超声磨削系统中非接触电能传输单元的负载是一个超声磨削振子，主要由夹心式压电陶瓷换能器、四分之一波长变幅杆和工具头组成。超声磨削振动单元的性能参数如表1所列。

表1 阻抗特性参数

2 非接触电能传输装置设计

根据超声振动单元性能参数测试结果，结合超声磨削系统的额定功率，设计非接触超声传输单元的参数。非接触电能传输单元基本原理如图2所示，固定部分包括超声波信号发生器、原边匹配电路、原边磁芯和原边线圈；旋转部分包括超声振动单元、副边匹配电路、副边磁芯和副边线圈。原、副边磁芯和线圈构成可相对转动的松耦合变压器，是非接触电能传输系统的核心部件。

图2 非接触电能传输装置结构组成

综合超声磨削系统的工作情况，选用型号为R2KB的锰锌铁氧体作为非接触电能传输装置的磁芯材料。非接触电能传输装置的尺寸结构如表2所示。

计算线圈的匝数：

表2 非接触电能传输装置设计参数mm

式中，Ip为原边电流；J为线圈电流密度；Aw为磁芯窗口面积；KO为窗口使用系数，为线圈铜线实际占有面积与窗口面积之比，由导线截面积、匝数、层数、绝缘漆层厚及线圈纹距等决定，一般取KO=0.4。

为了保证超声磨削系统正常运行，并结合电路的实际情况，安全起见确定原边电流为2 A。计算得

线圈匝数Np=28.8，根据进位原则圆整为29圈。导线直径：Axp=Ip/J=2/4=0.5 mm。根据计算的线径查找常用铜导线直径系列，选用导线线径为0.51 mm。

由于在导线中通过交流电时，会产生导线横截面上的电流分布不均的现象，在工频情况下，这种效应的影响较小，可以忽略。而在高频时，就必须加以考虑。

校核导线的穿透深度δ；即导线在通过高频交变电流时，有效截面积的减少量。

式中，f为谐振频率；μ为导线的磁导率；γ为导线的电导率。在选用导线线径时，应使线径小于或等于2倍的穿透深度，即d≤2δ。当所需的导线线径大于2倍穿透深度时，则需要选用小直径的多股线并绕。

校核导线直径：

0.51 mm＜2δ=2×1.109=2.218 mm

则所选的导线线径0.51 mm满足通过高频交变电流时的截面要求。

计算导线的缠绕层数，表3是磁芯线架的尺寸参数。

经计算，每层可以绕9圈，共绕4层，高度2.04 mm，校核之后可以满足空间要求。

非接触电能传输装置磁芯的有效磁感面积为

A=23.5×3.14×3.5=258.27 mm2

根据法拉第电磁感应定律，磁芯通过磁感线的有效面积为

表3 非接触电能传输装置磁芯线架尺寸参数mm

式中，Vp为原边电压；Kf为波形系数，等于超声电能的有效平均值之比。波形为正弦波时为4.44，为方波时4；f为工作频率；Bmax为最大工作磁通密度；Np为原边线圈匝数。

计算可知非接触传输装置满足设计要求，副边和原边参数一样，得到实际设计结果如图3所示，为了模拟非接触电能传输装置的实际工作情况，在线圈表面用耐高温的环氧树脂AB胶密封。

图3 非接触磁芯分离图

3 非接触电能传输单元传输性能测试

3.1 实验装置

声学系统测试实验装置如图4所示，主要由超声磨削振子、阻抗分析仪、非接触电能传输装置和调整平台组成。声学系统测试实验是通过改变非接触电能传输装置的磁间间隙和径向偏移，用阻抗分析仪测出不同磁间间隙和径向偏移下超声磨削振子的机械品质因素、谐振频率等声学系统参数，以观察磁间间隙和径向偏移对声学系统特性的影响。

信号衰减测试实验装置如图5所示，由示波器、信号发生器、非接触电能传输装置和调整平台组成。信号衰减测试实验通过控制非接触电能传输装置的磁间间隙和径向偏移，用示波器测量不同磁间间隙和径向偏移下原、副边信号衰减情况，并进行定量的分析。

图4 声学系统测试

图5 信号衰减测试系统

3.2 实验结果与分析

机械品质因数Qm是衡量在谐振过程中能量损耗程度的一个性能参数。机械品质因素越高，说明能量的损耗就越少，反之，能量损耗就越大。图6（a）所示为非接触电能传输装置对机械品质因素的影响曲线。从图中可以看出，非接触电能传输装置对超声磨削声学系统的品质因素的影响比较明显，在超声磨削系统采用了非接触电能传输装置后，品质因素下降了21%，当非接触电能传输装置的磁间间隙逐渐增大时，品质因素会变小。在0～0.4 mm范围内，品质因素基本保持在700左右，大于0.4 mm时，品质因素突然下降，但速度较缓。因此可以认为，磁间间隙0.4 mm是影响品质因素的一个转折点，磁间间隙应尽量选取在0.4 mm内。图6（b）所示为当磁间间隙保持一定时，品质因素随径向偏移变化的曲线。从图中可以看出，径向偏移增大品质因素会变小。

图6 Qm的特性变化曲线

谐振频率是声学系统特性的一个重要参数之一，系统只有处在谐振状态，才有最大的输出功率。图7（a）所示为谐振频率随磁间间隙影响的变化曲线。由图可知，非接触电能传输装置会影响超声磨削系统的谐振频率，谐振频率下降了约0.2%。当磁间间隙在0～0.4 mm时，系统谐振频率基本在34.54 kHz；磁间间隙在0.4～0.8 mm时，谐振频率在34.56 kHz附近，增大幅度不超过0.1%；磁间间隙继续增大时，谐振频率保持在34.58 kHz不变。图7（b）所示为谐振频率随径向偏移影响的变化曲线。发现当磁间间隙不变时，谐振频率随径向偏移的增加而减小，但变化幅度较小。因此可以认为非接触电能传输装置的磁间间隙在0.4～1.2 mm、径向偏移5 mm内时超声磨削系统的声学系统谐振频率基本不会造成影响。

图7 Fs的特性变化曲线

如图8（a）、（b）所示超声磨削声学系统的静态电容随着磁间间隙和径向偏移的增大而增大，在一定范围内近似成线性关系关系，即磁间间隙每增大0.12 mm，静态电容相应增大21%；径向偏移增大0.5 mm，则静态电容相应增大4.5%。

图9（a）反映出动态电容会随磁间间隙的增大而减小，图9（b）所示为动态电容随径向偏移变化的曲线，在0～6 mm的范围内，动态电容随径向偏移增大减小，当径向偏移大于6 mm时，动态电容迅速下降。

图10（a）和图11（a）反映出动态电阻和动态电感随磁间间隙的增大而增大的曲线，在0.4 mm时增长幅度较大。图10（b）和图11（b）反映了动态电阻和动态电感在0～6 mm内随径向偏移的增大近似线性增大，当径向偏移大于6 mm时，动态电阻和动态电感迅速上升。

图8 C0的特性变化曲线

图9 C1的特性变化曲线

图10 R1的特性变化曲线

图11 L1的特性变化曲线

如图12（a）所示，系统电信号的损耗随着磁间间隙的增大而增大。这是由于磁间间隙增大导致原副边磁芯的耦合系数下降，当磁间间隙小于0.4 mm时，损耗率在18%以内。图12（b）表明径向偏移的增大会导致系统信号的损耗增加。

图12 信号损耗率η的变化曲线

4 结语

由实验结果的对比分析可知，磁间间隙对声学系统影响较大，当磁间间隙在0.4 mm以内，超声磨削系统的性能参数都比较稳定，非接触电能传输装置的损耗率也在18%以内，谐振频率的误差范围在0.1%以内。

径向偏移对声学系统同样有影响，在径向偏移在0～6 mm以内，声学系统的变化都比较稳定。实验表明了非接触电能传输装置在一定磁间间隙时保持同轴心对损耗降低有重要作用。