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

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。