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      超聲磨削系統(tǒng)中非接觸電能傳輸特性對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)的影響

      2019-07-19 06:42:28蓮,李
      關(guān)鍵詞:磁芯聲學(xué)諧振

      周 蓮,李 華

      (蘇州科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009)

      旋轉(zhuǎn)超聲加工在硬脆材料加工領(lǐng)域中是國際上公認(rèn)的重要加工工藝之一[1],和傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)[2]。旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)的核心是超聲振動(dòng)系統(tǒng),通常包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿等部件[3]。加工過程中,超聲波發(fā)生器是靜止的,換能器、變幅桿和刀具隨主軸旋轉(zhuǎn),比如超聲銑削、磨削等,旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分的電信號(hào)傳輸一般采用電刷和集流環(huán)連接的滑動(dòng)接觸式電信號(hào)傳輸。這種方式存在碳刷和集流環(huán)磨損較快、大量發(fā)熱、積碳、電刷腐蝕快、易產(chǎn)生接觸火花、導(dǎo)電體裸露等一系列安全隱患[4]。

      非接觸式電能傳輸技術(shù)(inductively coupled power transfer technology,ICPT)是利用電磁感應(yīng)耦合原理實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)男路椒?,能有效克服接觸式電能傳輸方式存在的弊端,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車、通信等領(lǐng)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(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床,主軸轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6 000 r/min。劉禮平等提出了一套用于旋轉(zhuǎn)超聲的柱面感應(yīng)非接觸傳輸電能傳輸,進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究,嘗試應(yīng)用于超聲加工主軸中[6]。王懷斌把非接觸電能傳輸裝置應(yīng)用在超聲銑削系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲電信號(hào)的非接觸傳輸[7]。李華、馬付建等[8]把非接觸電信號(hào)傳輸應(yīng)用在超聲內(nèi)圓磨削系統(tǒng)中,并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。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(duì)聲學(xué)系統(tǒng)存在耦合影響,這些問題制約了其在旋轉(zhuǎn)超聲加工中的應(yīng)用[9-10]。

      超聲振動(dòng)加工中聲學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)加工質(zhì)量和精度有著重要的影響,甚至影響著超聲振動(dòng)系統(tǒng)的壽命,因此開展研究非接觸電能傳輸裝置對(duì)超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)的耦合影響規(guī)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(tǒng)中非接觸電能傳輸裝置的結(jié)構(gòu),應(yīng)用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法,研究了磁間間隙、徑向偏移對(duì)傳輸效率、超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)特性的影響。

      1 超聲磨削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      本文提出的超聲磨削系統(tǒng)如圖1(a)所示,系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)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(hào)。非接觸電能傳輸裝置具體結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,原邊磁芯線圈固定在整個(gè)超聲磨削系統(tǒng)的后端蓋上保持不動(dòng),副邊磁芯線圈隨整個(gè)超聲磨削系統(tǒng)的主軸一起旋轉(zhuǎn)。

      圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      超聲磨削系統(tǒng)中非接觸電能傳輸單元的負(fù)載是一個(gè)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(dòng)單元的性能參數(shù)如表1所列。

      表1 阻抗特性參數(shù)

      2 非接觸電能傳輸裝置設(shè)計(jì)

      根據(jù)超聲振動(dòng)單元性能參數(shù)測試結(jié)果,結(jié)合超聲磨削系統(tǒng)的額定功率,設(shè)計(jì)非接觸超聲傳輸單元的參數(shù)。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(hào)發(fā)生器、原邊匹配電路、原邊磁芯和原邊線圈;旋轉(zhuǎn)部分包括超聲振動(dòng)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(gòu)成可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的松耦合變壓器,是非接觸電能傳輸系統(tǒng)的核心部件。

      圖2 非接觸電能傳輸裝置結(jié)構(gòu)組成

      綜合超聲磨削系統(tǒng)的工作情況,選用型號(hào)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(jié)構(gòu)如表2所示。

      計(jì)算線圈的匝數(shù):

      表2 非接觸電能傳輸裝置設(shè)計(jì)參數(shù)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(shù),為線圈銅線實(shí)際占有面積與窗口面積之比,由導(dǎo)線截面積、匝數(shù)、層數(shù)、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(tǒng)正常運(yùn)行,并結(jié)合電路的實(shí)際情況,安全起見確定原邊電流為2 A。計(jì)算得

      線圈匝數(shù)Np=28.8,根據(jù)進(jìn)位原則圓整為29圈。導(dǎo)線直徑:Axp=Ip/J=2/4=0.5 mm。根據(jù)計(jì)算的線徑查找常用銅導(dǎo)線直徑系列,選用導(dǎo)線線徑為0.51 mm。

      由于在導(dǎo)線中通過交流電時(shí),會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均的現(xiàn)象,在工頻情況下,這種效應(yīng)的影響較小,可以忽略。而在高頻時(shí),就必須加以考慮。

      校核導(dǎo)線的穿透深度δ;即導(dǎo)線在通過高頻交變電流時(shí),有效截面積的減少量。

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

      校核導(dǎo)線直徑:

      0.51 mm<2δ=2×1.109=2.218 mm

      則所選的導(dǎo)線線徑0.51 mm滿足通過高頻交變電流時(shí)的截面要求。

      計(jì)算導(dǎo)線的纏繞層數(shù),表3是磁芯線架的尺寸參數(shù)。

      經(jīng)計(jì)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(jù)法拉第電磁感應(yīng)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(shù)mm

      式中,Vp為原邊電壓;Kf為波形系數(shù),等于超聲電能的有效平均值之比。波形為正弦波時(shí)為4.44,為方波時(shí)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(shù)。

      計(jì)算可知非接觸傳輸裝置滿足設(shè)計(jì)要求,副邊和原邊參數(shù)一樣,得到實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示,為了模擬非接觸電能傳輸裝置的實(shí)際工作情況,在線圈表面用耐高溫的環(huán)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(shí)驗(yàn)裝置

      聲學(xué)系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)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(diào)整平臺(tái)組成。聲學(xué)系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)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(jī)械品質(zhì)因素、諧振頻率等聲學(xué)系統(tǒng)參數(shù),以觀察磁間間隙和徑向偏移對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)特性的影響。

      信號(hào)衰減測試實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示,由示波器、信號(hào)發(fā)生器、非接觸電能傳輸裝置和調(diào)整平臺(tái)組成。信號(hào)衰減測試實(shí)驗(yàn)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(hào)衰減情況,并進(jìn)行定量的分析。

      圖4 聲學(xué)系統(tǒng)測試

      圖5 信號(hào)衰減測試系統(tǒng)

      3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

      機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是衡量在諧振過程中能量損耗程度的一個(gè)性能參數(shù)。機(jī)械品質(zhì)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(duì)機(jī)械品質(zhì)因素的影響曲線。從圖中可以看出,非接觸電能傳輸裝置對(duì)超聲磨削聲學(xué)系統(tǒng)的品質(zhì)因素的影響比較明顯,在超聲磨削系統(tǒng)采用了非接觸電能傳輸裝置后,品質(zhì)因素下降了21%,當(dāng)非接觸電能傳輸裝置的磁間間隙逐漸增大時(shí),品質(zhì)因素會(huì)變小。在0~0.4 mm范圍內(nèi),品質(zhì)因素基本保持在700左右,大于0.4 mm時(shí),品質(zhì)因素突然下降,但速度較緩。因此可以認(rèn)為,磁間間隙0.4 mm是影響品質(zhì)因素的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),磁間間隙應(yīng)盡量選取在0.4 mm內(nèi)。圖6(b)所示為當(dāng)磁間間隙保持一定時(shí),品質(zhì)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(zhì)因素會(huì)變小。

      圖6 Qm的特性變化曲線

      諧振頻率是聲學(xué)系統(tǒng)特性的一個(gè)重要參數(shù)之一,系統(tǒng)只有處在諧振狀態(tài),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(huì)影響超聲磨削系統(tǒng)的諧振頻率,諧振頻率下降了約0.2%。當(dāng)磁間間隙在0~0.4 mm時(shí),系統(tǒng)諧振頻率基本在34.54 kHz;磁間間隙在0.4~0.8 mm時(shí),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(xù)增大時(shí),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(fā)現(xiàn)當(dāng)磁間間隙不變時(shí),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(rèn)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(nèi)時(shí)超聲磨削系統(tǒng)的聲學(xué)系統(tǒng)諧振頻率基本不會(huì)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(xué)系統(tǒng)的靜態(tài)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(nèi)近似成線性關(guān)系關(guān)系,即磁間間隙每增大0.12 mm,靜態(tài)電容相應(yīng)增大21%;徑向偏移增大0.5 mm,則靜態(tài)電容相應(yīng)增大4.5%。

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

      圖10(a)和圖11(a)反映出動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電感隨磁間間隙的增大而增大的曲線,在0.4 mm時(shí)增長幅度較大。圖10(b)和圖11(b)反映了動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電感在0~6 mm內(nèi)隨徑向偏移的增大近似線性增大,當(dāng)徑向偏移大于6 mm時(shí),動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)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(tǒng)電信號(hào)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(dǎo)致原副邊磁芯的耦合系數(shù)下降,當(dāng)磁間間隙小于0.4 mm時(shí),損耗率在18%以內(nèi)。圖12(b)表明徑向偏移的增大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)信號(hào)的損耗增加。

      圖12 信號(hào)損耗率η的變化曲線

      4 結(jié)語

      由實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析可知,磁間間隙對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)影響較大,當(dāng)磁間間隙在0.4 mm以內(nèi),超聲磨削系統(tǒng)的性能參數(shù)都比較穩(wěn)定,非接觸電能傳輸裝置的損耗率也在18%以內(nèi),諧振頻率的誤差范圍在0.1%以內(nèi)。

      徑向偏移對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)同樣有影響,在徑向偏移在0~6 mm以內(nèi),聲學(xué)系統(tǒng)的變化都比較穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明了非接觸電能傳輸裝置在一定磁間間隙時(shí)保持同軸心對(duì)損耗降低有重要作用。

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