超聲加工的非接觸能量傳輸仿真與實(shí)驗(yàn)

隆志力，藺祥偉，王舒野，范 鵬

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，518055廣東深圳；2.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院，523808廣東東莞）

超聲加工的非接觸能量傳輸仿真與實(shí)驗(yàn)

隆志力1，藺祥偉1，王舒野1，范 鵬2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，518055廣東深圳；2.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院，523808廣東東莞）

為解決超聲加工中傳統(tǒng)的接觸式能量傳輸方式存在電刷磨損快且主軸不能高速旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，建立了非接觸能量傳輸系統(tǒng)的互感理論模型，基于Maxwell平臺(tái)構(gòu)建了系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電磁耦合實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，獲得了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、級(jí)間磁隙、超聲頻率以及諧振匹配參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能量傳遞效率的影響規(guī)律.仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，非接觸能量傳輸裝置的輸入和輸出功率能量傳遞效率可達(dá)80%，初、次級(jí)線圈繞組電流密度和磁芯磁通密度隨旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加并無(wú)顯著變化，傳遞效率的下降與磁隙近似成線性關(guān)系，傳遞效率隨著頻率呈現(xiàn)先升后降，對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選頻作用.應(yīng)用規(guī)律可為電磁感應(yīng)式超聲主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

超聲加工；非接觸電磁感應(yīng)；Maxwell仿真；諧振補(bǔ)償；負(fù)載匹配

旋轉(zhuǎn)超聲加工在國(guó)際上被公認(rèn)是硬脆性材料加工領(lǐng)域的重要加工工藝之一［1］，與傳統(tǒng)的加工方法相比具有加工速度快、加工精度高和工具頭磨損小等優(yōu)點(diǎn)［2］.隨著目前超聲加工設(shè)備對(duì)超聲信號(hào)供電可靠性、超聲主軸轉(zhuǎn)速的要求不斷提高，而傳統(tǒng)的接觸式電能傳輸方式存在電刷磨損腐蝕快、易產(chǎn)生接觸火花、導(dǎo)電體裸露等安全隱患［3］，導(dǎo)致主軸不能高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)而影響超聲加工精度和降低加工效率.因此，在旋轉(zhuǎn)超聲加工領(lǐng)域迫切需要采用非接觸式電信號(hào)傳輸方式，本文提出一種基于非接觸能量傳輸?shù)某暭庸ぱb置.

非接觸式能量傳輸技術(shù) （inductive contractless power transmission，ICPT）作為一種新型的電能傳輸模式，在電動(dòng)車充電［4］、機(jī)器人［5］、醫(yī)療電子［6］等行業(yè)逐漸得到廣泛應(yīng)用.在旋轉(zhuǎn)超聲加工領(lǐng)域，德國(guó)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［7］，其主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r／min.清華大學(xué)傅水根等設(shè)計(jì)的超聲機(jī)床工具頭轉(zhuǎn)速為700 r／min［1］，華僑大學(xué)鄭書(shū)友等研制的超聲加工機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1 500～2 500 r／min［8］.采用電刷和集流環(huán)的接觸式供電方式直接限制了超聲加工機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高，目前國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)非接觸電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于超聲加工的報(bào)道.由于非接觸式能量傳輸方式避免了導(dǎo)線物理上的直接摩擦和接觸［9］，因而能夠?qū)崿F(xiàn)完全氣密性，可靠性高，適用于超聲主軸高速旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，有效提高了超聲加工精度和加工效率.因此，開(kāi)展針對(duì)超聲加工設(shè)備的非接觸式供電方式的基礎(chǔ)研究具有重要意義.本文基于ICPT技術(shù)［10］，應(yīng)用互感模型理論和Maxwell仿真計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)非接觸式旋轉(zhuǎn)電磁機(jī)構(gòu)的耦合性能、傳輸效率以及初、次級(jí)的諧振補(bǔ)償措施進(jìn)行了深入的研究.

1 理論模型建立

基于電磁感應(yīng)原理的互感模型理論［11-12］，采用ICPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的非接觸式傳輸.初、次級(jí)線圈分別繞在相對(duì)分離且保持同軸心的磁芯上，初級(jí)線圈通以高頻的勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，次級(jí)線圈能夠感應(yīng)出同頻率的交流電信號(hào).若將初級(jí)磁芯固定，次級(jí)磁芯作高速旋轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則構(gòu)成了旋轉(zhuǎn)非接觸電磁耦合機(jī)構(gòu).采用互感模型理論對(duì)這一非接觸式感應(yīng)傳輸裝置進(jìn)行分析，圖1（a）為該電磁機(jī)構(gòu)抽象出的帶磁隙的互感電路模型，圖1（b）為其互感等效電路模型.

圖1 非接觸式電磁互感模型及其等效模型

根據(jù)磁路的互感模型理論和運(yùn)算電路的分析理論，推導(dǎo)出互感電路的回路電流基本方程［13-14］為

其中：RL、XL分別為負(fù)載的等效電阻和等效電抗；L1、R1分別為初級(jí)線圈繞組的電感和電阻；L2、R2分別為次級(jí)線圈繞組的電感和電阻；U1、I1分別為高頻勵(lì)磁電壓和電流；I2為次級(jí)感應(yīng)電流；M為帶有磁隙磁路的互感系數(shù)；ω為輸入交流信號(hào)的角頻率.

將次級(jí)線圈繞組的阻抗映射到初級(jí)繞組，如圖1（b）所示，獲得其互感等效電路的回路電流基本方程為

其中：次級(jí)繞組的反應(yīng)阻抗為

由式（1）～（3）式可以推得該系統(tǒng)的總阻抗為

應(yīng)用動(dòng)態(tài)電路的諧振分析理論和最大功率傳輸定理可知，反映阻抗的大小直接體現(xiàn)了系統(tǒng)傳輸有功功率的能力大小.系統(tǒng)等效輸出阻抗不僅包含R1和Rf所產(chǎn)生的有用功耗，而且存在L1和Xf所產(chǎn)生的無(wú)用功耗.為使高頻激勵(lì)信號(hào)的輸出功率達(dá)到最大和考慮在系統(tǒng)工作時(shí)的負(fù)載匹配問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)通過(guò)調(diào)整電路中各阻抗參數(shù)而使系統(tǒng)的無(wú)用功耗降為零.

通過(guò)在分析對(duì)比多種初、次級(jí)串并聯(lián)諧振補(bǔ)償和負(fù)載匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用性，確定其中一組最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即初級(jí)并聯(lián)諧振補(bǔ)償和次級(jí)并聯(lián)負(fù)載匹配方法，其等效的補(bǔ)償匹配電路模型如圖2所示.

圖2 非接觸式系統(tǒng)諧振補(bǔ)償和負(fù)載匹配電路模型

系統(tǒng)應(yīng)用諧振補(bǔ)償和負(fù)載匹配的電路回路電流基本方程為

由以上各式可推導(dǎo)出次級(jí)并聯(lián)諧振時(shí)的映射到初級(jí)的阻抗為

當(dāng)反應(yīng)阻抗的虛部為零時(shí)，次級(jí)回路的總阻抗僅含有實(shí)部，映射到初級(jí)的阻抗只有純電阻，通過(guò)對(duì)次級(jí)應(yīng)用負(fù)載匹配，可使次級(jí)繞組損耗的無(wú)功功率達(dá)到零值.此時(shí)流入匹配電容的電流與導(dǎo)納電流的無(wú)功分量相抵消，次級(jí)繞組端口近似等效于電壓源，端口輸出電流值可實(shí)時(shí)追蹤負(fù)載阻抗變化.在初級(jí)輸入電壓相同的情況下，次級(jí)負(fù)載匹配可以提高系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率.由并聯(lián)諧振的映射阻抗公式可得到次級(jí)補(bǔ)償電容值C2.同理，可進(jìn)一步推導(dǎo)出初級(jí)諧振補(bǔ)償電容C1，即

通過(guò)初級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償，流過(guò)并聯(lián)補(bǔ)償電容的電流抵消了初級(jí)繞組中電流的無(wú)功分量，降低了系統(tǒng)對(duì)供電電源的電流要求，可以有效提高初級(jí)繞組的最小視在輸入功率.因此，通過(guò)初級(jí)諧振補(bǔ)償和次級(jí)負(fù)載匹配措施，有效地提高了非接觸式電磁傳輸系統(tǒng)的傳遞效率.

2 仿真計(jì)算

基于Maxwell電磁場(chǎng)有限元仿真平臺(tái)，從模型建立、激勵(lì)源施加、邊界條件給定到后期的云圖提取，均模擬實(shí)際超聲加工機(jī)床的非接觸式能量傳輸系統(tǒng).應(yīng)用Maxwell瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析模塊，對(duì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)的互感耦合模型進(jìn)行仿真計(jì)算.采用旋轉(zhuǎn)的非接觸罐形磁芯作為仿真模型，剖面如圖3所示，次級(jí)運(yùn)動(dòng)類型選擇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)圍繞坐標(biāo)系為整體坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)方向選擇正方向，即逆時(shí)針?lè)较?基于仿真模型，研究旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、級(jí)間磁隙、超聲頻率、諧振補(bǔ)償參數(shù)等因素對(duì)互感耦合的影響規(guī)律.

圖3 非接觸式磁芯仿真模型剖面圖

在Maxwell仿真平臺(tái)下，繪制罐形磁芯的幾何模型，確定磁芯和線圈繞組的材料，模型采用軟磁鐵氧體磁芯，設(shè)定其相對(duì)磁導(dǎo)率為2 000，導(dǎo)電率為0.確定有限元計(jì)算的邊界條件為初級(jí)固定、次級(jí)旋轉(zhuǎn)，施加在初級(jí)線圈的激勵(lì)為高頻交流信號(hào).利用瞬態(tài)場(chǎng)求解器求解特定時(shí)間周期內(nèi)非接觸式電磁傳輸機(jī)構(gòu)初、次級(jí)磁芯的磁通與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，分別如圖4、5所示.求解旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模型中電壓源激勵(lì)為正弦波形時(shí)電流密度和次級(jí)感應(yīng)交流信號(hào)波形，分別如圖6、7所示.對(duì)改變繞組連接方式的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，采用單一變量的研究方法對(duì)比分析各因素對(duì)耦合機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)和電場(chǎng)的影響規(guī)律.

圖4 瞬態(tài)場(chǎng)0.05 s時(shí)刻磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

圖5 瞬態(tài)場(chǎng)0.05 s時(shí)刻磁芯中磁密B標(biāo)量分布云圖

圖6 瞬態(tài)場(chǎng)0.05 s時(shí)繞組電密矢量分布

圖7 次級(jí)感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度分布

通過(guò)Maxwell平臺(tái)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)瞬態(tài)求解，可得到系統(tǒng)傳輸效率的影響規(guī)律.

1）在保持同一交流信號(hào)激勵(lì)和相同的級(jí)間磁隙的仿真條件下，由圖6可以看出，在激磁繞組某一刻的電流密度基本是各處相等，大小約為3.928 9× 107A／m2.感應(yīng)繞組的電流密度也近似相等，為1.683 8×107A／m2.在0.05 s時(shí)刻，初級(jí)電流流向和次級(jí)流向相反.當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速由0增加至6 000 r／min，初、次級(jí)線圈繞組電流密度和磁芯磁通密度隨旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加并無(wú)顯著變化，傳遞效率可以達(dá)到90%以上，仿真適用于高轉(zhuǎn)速的能量傳輸系統(tǒng).

2）在保持同一交流信號(hào)激勵(lì)和相同的次級(jí)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的仿真條件下，由磁芯磁通密度B的矢量分布云圖得出，系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，隨著云圖顏色由橘黃到青綠色漸變，初級(jí)磁芯到次級(jí)磁芯的磁通密度逐級(jí)遞減，甚至出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的衰減，如磁密由初級(jí)的3.795 7×10-14T衰減到4.748 7×10-15T，磁芯磁密由內(nèi)側(cè)到外側(cè)亦是逐級(jí)遞減，說(shuō)明初級(jí)磁芯和磁芯外側(cè)的磁密較大.繼續(xù)查看磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的標(biāo)量云圖，次級(jí)磁芯和靠近內(nèi)側(cè)的磁密較小，分布也是不均勻的，這是由于磁隙的磁損耗和磁芯內(nèi)外側(cè)體積不一致引起.所以，在磁芯設(shè)計(jì)時(shí)要注意保持磁隙適當(dāng)間距，且要平衡磁芯內(nèi)外側(cè)的磁密分布，提高磁芯的利用率以滿足系統(tǒng)傳遞效率的要求.

3）在保持相同的次級(jí)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和相同的級(jí)間磁隙的仿真條件下，對(duì)于頻譜范圍大的高頻激勵(lì)信號(hào)，由圖7得出，次級(jí)感應(yīng)的交流信號(hào)始終保持同頻且波形不發(fā)生畸變和相位偏移.分析瞬態(tài)場(chǎng)求解時(shí)的端部補(bǔ)償效應(yīng)，因?yàn)槌?、次?jí)線圈繞組的互感電路相連的只是電感部分，將初級(jí)和次級(jí)的端部補(bǔ)償電容分別與繞組回路的電感并聯(lián)實(shí)現(xiàn)互感電路的諧振匹配.由于諧振電路對(duì)輸入的各高頻激勵(lì)信號(hào)具有選頻作用，次級(jí)線圈電流密度和磁芯磁密隨超聲頻率的提高呈現(xiàn)先密后疏的趨勢(shì)，系統(tǒng)傳遞效率在30 kHz左右達(dá)到最大，在兩側(cè)呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì).

基于Maxwell仿真平臺(tái)，對(duì)旋轉(zhuǎn)非接觸式能量傳輸系統(tǒng)的磁芯材料、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、級(jí)間磁隙、超聲頻率、諧振補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析得出當(dāng)輸出功率一定時(shí)，非接觸式電磁傳輸系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)：激勵(lì)信號(hào)頻率為30 kHz；負(fù)載阻抗為200 Ω；初級(jí)勵(lì)磁電感為235 μH；級(jí)間磁隙為0.5 mm；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為3 000 r／min；副邊感應(yīng)電感為230 μH；初級(jí)諧振補(bǔ)償電容理論值為182.63 nF，仿真值為183 nF；次級(jí)負(fù)載匹配電容理論值為32.13 nF，仿真值為33 nF.

3 優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證

根據(jù)電磁感應(yīng)原理的互感模型推導(dǎo)得到的最優(yōu)諧振補(bǔ)償參數(shù)和由Maxwell平臺(tái)仿真計(jì)算得出的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，模擬超聲加工機(jī)床中旋轉(zhuǎn)非接觸式超聲主軸的結(jié)構(gòu)，搭建了非接觸式電磁耦合實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)由初級(jí)固定磁芯及線圈、次級(jí)旋轉(zhuǎn)磁芯及線圈、集流環(huán)、高速電機(jī)、試驗(yàn)臺(tái)組成，如圖8所示.通過(guò)集流環(huán)采集次級(jí)交流信號(hào)電壓，測(cè)試并驗(yàn)證電磁因素對(duì)機(jī)構(gòu)傳遞效率的影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括超聲驅(qū)動(dòng)器和示波器，其中超聲驅(qū)動(dòng)器輸出正弦交流信號(hào)幅值為120 V、頻率為0～200 kHz，示波器選用Tektronix的MSO4000B系列，其采樣頻率達(dá)到1 GHz，滿足信號(hào)顯示要求.

工作時(shí)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的波形如圖9所示，從波形可知，次級(jí)電壓和電流波形的相位差近似為零，證明初級(jí)諧振補(bǔ)償電路和次級(jí)負(fù)載匹配電路的工作正常，系統(tǒng)處于諧振匹配狀態(tài).

圖8 非接觸式電磁耦合試驗(yàn)機(jī)構(gòu)

圖9 系統(tǒng)諧振工作時(shí)初次級(jí)電壓波形

3.1 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)傳遞效率的影響

單一變量是次級(jí)線圈繞組的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)采用第2節(jié)中的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù).仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的傳遞效率曲線如圖10所示.

圖10 隨轉(zhuǎn)速變化的傳遞效率曲線對(duì)比

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，兩者的傳遞效率曲線隨轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，實(shí)際能量傳遞效率保持在80%以上，但受實(shí)際測(cè)試環(huán)境影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真計(jì)算的傳遞效率相比下降5%左右.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相對(duì)分離且保持同軸心的非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)傳遞效率受旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的影響不大，即可以在高速旋轉(zhuǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，這為超聲加工電主軸的高轉(zhuǎn)速研究提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù).

3.2 級(jí)間磁隙對(duì)系統(tǒng)傳遞效率的影響

單一變量為初級(jí)和次級(jí)繞組線圈的級(jí)間磁隙，實(shí)驗(yàn)采用第2節(jié)中的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù).仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的傳遞效率曲線如圖11所示.

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了傳遞效率隨級(jí)間磁隙的變化規(guī)律，當(dāng)磁隙在一定間距內(nèi)，傳遞效率的下降與磁隙近似成線性關(guān)系，即磁隙增大0.5 mm，則系統(tǒng)傳遞效率相應(yīng)下降2%.當(dāng)磁隙大于5 mm時(shí)，系統(tǒng)傳遞效率迅速下降，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境對(duì)大間距非接觸式能量傳遞效率影響效果明顯.

圖11 隨磁隙變化的傳遞效率曲線對(duì)比

3.3 超聲頻率對(duì)系統(tǒng)傳遞效率的影響

單一變量為初級(jí)線圈高頻交流勵(lì)磁信號(hào)的頻率，實(shí)驗(yàn)采用第2節(jié)中的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù).仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的傳遞效率曲線如圖12所示.

圖12 隨超聲頻率變化的傳遞效率曲線對(duì)比

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，系統(tǒng)傳遞效率呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，在30 kHz左右達(dá)到峰值，這是由于初級(jí)并聯(lián)諧振補(bǔ)償電容C1和次級(jí)并聯(lián)的負(fù)載匹配電容C2組成系統(tǒng)諧振電路，對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選頻作用.驗(yàn)證了系統(tǒng)傳遞效率隨超聲頻率的變化規(guī)律，在一定的超聲頻率范圍內(nèi)，需要為提高傳遞效率而進(jìn)行必要的初級(jí)諧振補(bǔ)償和次級(jí)負(fù)載匹配.

由于存在級(jí)間間隙對(duì)初、次級(jí)線圈繞組自感的影響，會(huì)使得實(shí)驗(yàn)值要小于仿真值，但可以驗(yàn)證在初級(jí)線圈繞組和次級(jí)線圈繞組相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用最優(yōu)電磁參數(shù)設(shè)計(jì)的非接觸式旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)傳遞效率達(dá)到了仿真計(jì)算的要求.

4 結(jié) 論

1）提出并確定一組最優(yōu)的電能量傳遞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用到超聲加工領(lǐng)域.通過(guò)合理的設(shè)計(jì)磁耦合結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)諧振電路的補(bǔ)償匹配拓?fù)?，可以不斷改善初、次?jí)系統(tǒng)的供電性能，提高磁耦合能力，實(shí)現(xiàn)非接觸式傳輸系統(tǒng)工作在最佳諧振匹配狀態(tài)，從而提高應(yīng)用于超聲加工能量系統(tǒng)的傳遞效率.

2）通過(guò)仿真計(jì)算并驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、級(jí)間磁隙、超聲頻率、諧振補(bǔ)償、負(fù)載匹配等電磁參數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳遞效率的影響規(guī)律，得到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳遞效率達(dá)到80%.

3）仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試均模擬實(shí)際超聲加工機(jī)床的非接觸式能量傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下能量的傳輸，解決了旋轉(zhuǎn)超聲加工中傳統(tǒng)的直接接觸傳輸方式存在的缺陷，將非接觸式電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于超聲加工領(lǐng)域，可對(duì)感應(yīng)式超聲主軸供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

［1］戴向國(guó)，傅水根，王先逵.旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床的研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（4）：289-291.

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（編輯 魏希柱）

The simulation and experiment of new non-contract electromagnetic conversion device in ultrasonic machining

LONG Zhili1，LIN Xiangwei1，WANG Shuye1，F(xiàn)AN peng2
（1.Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，518055 Shenzhen，Guangdong，China；2.Manufacturing Engineering Institute，Dongguan Huazhong University of Science and Technology，523808 Dongguan，Guangdong，China）

In order to improve the speed of machine tool spindle and overcome the rapidly wearing off of the conventional electric brush in the rotary ultrasonic machining，research on non-contact power transmission system which based on the principle of electromagnetic induction has been conducted.Through the mutual inductance coupling theory and the simulation on Maxwell electromagnetic simulation software， the non-contact rotary electromagnetic coupling mechanism is established and the influence factor on the transfer efficiency of the rotary mutual inductance，such as rotation speed，inter-stage magnetic gap，matching compensation and the ultrasound frequency has been explored.It demonstrates that transfer efficiency of the energy from the primary to secondary forward load can achieve 80%with proper selection of matching parameter and magnetic gap at a high rotary speed. The electricity intensity in the coil and the magnetic flux shows no significant difference with the acceleration of the rotary speed，while the efficiency decreased with the magnetic gap.Furthermore，it shows that the coupling has an optimal frequency within the input frequency range of the ultrasonic excitation，where the transfer efficiency goes up initially and then turns backward as frequency increased.The research provides a reference for the optimal design of the ultrasonic spindle.

ultrasonic machining；non-contact electromagnetic induction；Maxwell simulation；resonance compensation；load match

TB552

A

0367-6234（2015）09-0008-05

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.09.002

2014-03-06.

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-廣東省人民政府自然科學(xué)聯(lián)合 基 金 （U1134004）；廣 東 省 重 大 科 技 專 項(xiàng)（2011A0808010004）；廣東省省部產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)資金（2012B091100022）；東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)資金（ 2012108102023）； 深 圳 市 基 礎(chǔ) 研 究（JCY201504030161923526，JCYJ20120613145622592）.

隆志力（1976—），男，博士，副教授.

隆志力，longworking＠163.com.