超聲磨削系統中非接觸電能傳輸特性對聲學系統的影響

周 蓮，李 華

（蘇州科技大學 機械工程學院，江蘇 蘇州215009）

旋轉超聲加工在硬脆材料加工領域中是國際上公認的重要加工工藝之一[1]，和傳統加工方法相比具有加工速度快、加工精度高、工具頭磨損小等優點[2]。旋轉超聲加工系統的核心是超聲振動系統，通常包括超聲波發生器、換能器、變幅桿等部件[3]。加工過程中，超聲波發生器是靜止的，換能器、變幅桿和刀具隨主軸旋轉，比如超聲銑削、磨削等，旋轉部分和靜止部分的電信號傳輸一般采用電刷和集流環連接的滑動接觸式電信號傳輸。這種方式存在碳刷和集流環磨損較快、大量發熱、積碳、電刷腐蝕快、易產生接觸火花、導電體裸露等一系列安全隱患[4]。

非接觸式電能傳輸技術（inductively coupled power transfer technology,ICPT）是利用電磁感應耦合原理實現電能傳輸的新方法，能有效克服接觸式電能傳輸方式存在的弊端，廣泛應用于醫療、汽車、通信等領域[5]。德國DMG公司于2007年研制出采用非接觸式電能傳輸方式的ultrasonic 70五軸聯動旋轉超聲加工機床，主軸轉速可以達到6 000 r/min。劉禮平等提出了一套用于旋轉超聲的柱面感應非接觸傳輸電能傳輸，進行了仿真分析和實驗研究，嘗試應用于超聲加工主軸中[6]。王懷斌把非接觸電能傳輸裝置應用在超聲銑削系統中，實現了對超聲電信號的非接觸傳輸[7]。李華、馬付建等[8]把非接觸電信號傳輸應用在超聲內圓磨削系統中，并進行了仿真和實驗。然而非接觸電能傳輸裝置仍存在很多問題，如傳輸效率低；對聲學系統存在耦合影響，這些問題制約了其在旋轉超聲加工中的應用[9-10]。

超聲振動加工中聲學系統的穩定性對加工質量和精度有著重要的影響，甚至影響著超聲振動系統的壽命，因此開展研究非接觸電能傳輸裝置對超聲加工聲學系統性能參數的耦合影響規律，探索非接觸高效電能傳輸理論具有重要意義。本文提出了超聲磨削系統中非接觸電能傳輸裝置的結構，應用理論計算和實驗分析相結合的方法，研究了磁間間隙、徑向偏移對傳輸效率、超聲加工聲學系統特性的影響。

1 超聲磨削系統結構設計

本文提出的超聲磨削系統如圖1（a）所示，系統設計的額定功率為300 W，頻率是34.58 kHz，非接觸電能傳輸裝置裝配在超聲磨削電主軸系統的后端部位，主要是給前端的超聲磨削振子提供超聲電信號。非接觸電能傳輸裝置具體結構如圖1（b）所示，原邊磁芯線圈固定在整個超聲磨削系統的后端蓋上保持不動，副邊磁芯線圈隨整個超聲磨削系統的主軸一起旋轉。

圖1 系統結構

超聲磨削系統中非接觸電能傳輸單元的負載是一個超聲磨削振子，主要由夾心式壓電陶瓷換能器、四分之一波長變幅桿和工具頭組成。超聲磨削振動單元的性能參數如表1所列。

表1 阻抗特性參數

2 非接觸電能傳輸裝置設計

根據超聲振動單元性能參數測試結果，結合超聲磨削系統的額定功率，設計非接觸超聲傳輸單元的參數。非接觸電能傳輸單元基本原理如圖2所示，固定部分包括超聲波信號發生器、原邊匹配電路、原邊磁芯和原邊線圈；旋轉部分包括超聲振動單元、副邊匹配電路、副邊磁芯和副邊線圈。原、副邊磁芯和線圈構成可相對轉動的松耦合變壓器，是非接觸電能傳輸系統的核心部件。

圖2 非接觸電能傳輸裝置結構組成

綜合超聲磨削系統的工作情況，選用型號為R2KB的錳鋅鐵氧體作為非接觸電能傳輸裝置的磁芯材料。非接觸電能傳輸裝置的尺寸結構如表2所示。

計算線圈的匝數：

表2 非接觸電能傳輸裝置設計參數mm

式中，Ip為原邊電流；J為線圈電流密度；Aw為磁芯窗口面積；KO為窗口使用系數，為線圈銅線實際占有面積與窗口面積之比，由導線截面積、匝數、層數、絕緣漆層厚及線圈紋距等決定，一般取KO=0.4。

為了保證超聲磨削系統正常運行，并結合電路的實際情況，安全起見確定原邊電流為2 A。計算得

線圈匝數Np=28.8，根據進位原則圓整為29圈。導線直徑：Axp=Ip/J=2/4=0.5 mm。根據計算的線徑查找常用銅導線直徑系列，選用導線線徑為0.51 mm。

由于在導線中通過交流電時，會產生導線橫截面上的電流分布不均的現象，在工頻情況下，這種效應的影響較小，可以忽略。而在高頻時，就必須加以考慮。

校核導線的穿透深度δ；即導線在通過高頻交變電流時，有效截面積的減少量。

式中，f為諧振頻率；μ為導線的磁導率；γ為導線的電導率。在選用導線線徑時，應使線徑小于或等于2倍的穿透深度，即d≤2δ。當所需的導線線徑大于2倍穿透深度時，則需要選用小直徑的多股線并繞。

校核導線直徑：

0.51 mm＜2δ=2×1.109=2.218 mm

則所選的導線線徑0.51 mm滿足通過高頻交變電流時的截面要求。

計算導線的纏繞層數，表3是磁芯線架的尺寸參數。

經計算，每層可以繞9圈，共繞4層，高度2.04 mm，校核之后可以滿足空間要求。

非接觸電能傳輸裝置磁芯的有效磁感面積為

A=23.5×3.14×3.5=258.27 mm2

根據法拉第電磁感應定律，磁芯通過磁感線的有效面積為

表3 非接觸電能傳輸裝置磁芯線架尺寸參數mm

式中，Vp為原邊電壓；Kf為波形系數，等于超聲電能的有效平均值之比。波形為正弦波時為4.44，為方波時4；f為工作頻率；Bmax為最大工作磁通密度；Np為原邊線圈匝數。

計算可知非接觸傳輸裝置滿足設計要求，副邊和原邊參數一樣，得到實際設計結果如圖3所示，為了模擬非接觸電能傳輸裝置的實際工作情況，在線圈表面用耐高溫的環氧樹脂AB膠密封。

圖3 非接觸磁芯分離圖

3 非接觸電能傳輸單元傳輸性能測試

3.1 實驗裝置

聲學系統測試實驗裝置如圖4所示，主要由超聲磨削振子、阻抗分析儀、非接觸電能傳輸裝置和調整平臺組成。聲學系統測試實驗是通過改變非接觸電能傳輸裝置的磁間間隙和徑向偏移，用阻抗分析儀測出不同磁間間隙和徑向偏移下超聲磨削振子的機械品質因素、諧振頻率等聲學系統參數，以觀察磁間間隙和徑向偏移對聲學系統特性的影響。

信號衰減測試實驗裝置如圖5所示，由示波器、信號發生器、非接觸電能傳輸裝置和調整平臺組成。信號衰減測試實驗通過控制非接觸電能傳輸裝置的磁間間隙和徑向偏移，用示波器測量不同磁間間隙和徑向偏移下原、副邊信號衰減情況，并進行定量的分析。

圖4 聲學系統測試

圖5 信號衰減測試系統

3.2 實驗結果與分析

機械品質因數Qm是衡量在諧振過程中能量損耗程度的一個性能參數。機械品質因素越高，說明能量的損耗就越少，反之，能量損耗就越大。圖6（a）所示為非接觸電能傳輸裝置對機械品質因素的影響曲線。從圖中可以看出，非接觸電能傳輸裝置對超聲磨削聲學系統的品質因素的影響比較明顯，在超聲磨削系統采用了非接觸電能傳輸裝置后，品質因素下降了21%，當非接觸電能傳輸裝置的磁間間隙逐漸增大時，品質因素會變小。在0～0.4 mm范圍內，品質因素基本保持在700左右，大于0.4 mm時，品質因素突然下降，但速度較緩。因此可以認為，磁間間隙0.4 mm是影響品質因素的一個轉折點，磁間間隙應盡量選取在0.4 mm內。圖6（b）所示為當磁間間隙保持一定時，品質因素隨徑向偏移變化的曲線。從圖中可以看出，徑向偏移增大品質因素會變小。

圖6 Qm的特性變化曲線

諧振頻率是聲學系統特性的一個重要參數之一，系統只有處在諧振狀態，才有最大的輸出功率。圖7（a）所示為諧振頻率隨磁間間隙影響的變化曲線。由圖可知，非接觸電能傳輸裝置會影響超聲磨削系統的諧振頻率，諧振頻率下降了約0.2%。當磁間間隙在0～0.4 mm時，系統諧振頻率基本在34.54 kHz；磁間間隙在0.4～0.8 mm時，諧振頻率在34.56 kHz附近，增大幅度不超過0.1%；磁間間隙繼續增大時，諧振頻率保持在34.58 kHz不變。圖7（b）所示為諧振頻率隨徑向偏移影響的變化曲線。發現當磁間間隙不變時，諧振頻率隨徑向偏移的增加而減小，但變化幅度較小。因此可以認為非接觸電能傳輸裝置的磁間間隙在0.4～1.2 mm、徑向偏移5 mm內時超聲磨削系統的聲學系統諧振頻率基本不會造成影響。

圖7 Fs的特性變化曲線

如圖8（a）、（b）所示超聲磨削聲學系統的靜態電容隨著磁間間隙和徑向偏移的增大而增大，在一定范圍內近似成線性關系關系，即磁間間隙每增大0.12 mm，靜態電容相應增大21%；徑向偏移增大0.5 mm，則靜態電容相應增大4.5%。

圖9（a）反映出動態電容會隨磁間間隙的增大而減小，圖9（b）所示為動態電容隨徑向偏移變化的曲線，在0～6 mm的范圍內，動態電容隨徑向偏移增大減小，當徑向偏移大于6 mm時，動態電容迅速下降。

圖10（a）和圖11（a）反映出動態電阻和動態電感隨磁間間隙的增大而增大的曲線，在0.4 mm時增長幅度較大。圖10（b）和圖11（b）反映了動態電阻和動態電感在0～6 mm內隨徑向偏移的增大近似線性增大，當徑向偏移大于6 mm時，動態電阻和動態電感迅速上升。

圖8 C0的特性變化曲線

圖9 C1的特性變化曲線

圖10 R1的特性變化曲線

圖11 L1的特性變化曲線

如圖12（a）所示，系統電信號的損耗隨著磁間間隙的增大而增大。這是由于磁間間隙增大導致原副邊磁芯的耦合系數下降，當磁間間隙小于0.4 mm時，損耗率在18%以內。圖12（b）表明徑向偏移的增大會導致系統信號的損耗增加。

圖12 信號損耗率η的變化曲線

4 結語

由實驗結果的對比分析可知，磁間間隙對聲學系統影響較大，當磁間間隙在0.4 mm以內，超聲磨削系統的性能參數都比較穩定，非接觸電能傳輸裝置的損耗率也在18%以內，諧振頻率的誤差范圍在0.1%以內。

徑向偏移對聲學系統同樣有影響，在徑向偏移在0～6 mm以內，聲學系統的變化都比較穩定。實驗表明了非接觸電能傳輸裝置在一定磁間間隙時保持同軸心對損耗降低有重要作用。