非圆曲面孔用超磁致伸缩致动器非接触供电技术研究

摘要

基于超磁致伸缩材料的驱动器(Giant Magnetostrictive Actuator，GMA)，是非圆曲面型活塞销孔精密加工机床的关键执行部件，GMA致动器驱动电源性能的优劣，直接影响着活塞非圆曲面孔的加工精度。然而，现有的镗床加工活塞非圆曲面孔数控系统和其它旋转加工设备一样，是通过电刷配合集流环进行供电的，这种方式存在电刷和集流环滑动磨损较快、发热量大、导线裸露、转速不宜过高和容易打火等缺陷，甚至存在一定的安全隐患。为了克服上述的弊端，本论文引入非接触式电能传输的方法，提出将非接触式电能传输技术引入设备中，使镗床操作更加安全，可靠。
　　 本文对非接触式电能传输技术进行了理论和实验研究，主要工作包括以下几点:
　　 (1)介绍了采用超磁致伸缩材料开发的致动器用于镗床加工活塞非圆曲面孔的微进给机构。针对GMA驱动线圈供电方式存在的缺陷，调研了国内外非接触式电能传输技术的研究现状与前景。
　　 (2)建立了原、副边线圈可分离变压器的互感数学模型，对提高电能传输效率的补偿技术，推导出各类型补偿电容的计算公式，以及反映阻抗的计算。
　　 (3)对可分离变压器的磁芯选型、绕制方法、线圈匝数等参数进行设计与计算。
　　 (4)系统主电路的分析与设计。包括整流滤波电路、高频逆变电路。对几种谐振技术进行比较，选择全桥式串联谐振逆变电路为本设计的主电路。
　　 (5)设计了两种适合于安装在镗床主轴中的非接触传输装置结构。通过有限元软件ANSYS对两种结构进行磁场分析，在此基础上还分析了气隙对该系统传输效率的影响。最后对高速回转主轴内非接触供电系统结构做出改进设计。
　　 (6)用TINA软件对主电路进行了仿真，搭建了实验平台。记录相关数据并绘制了影响曲线图，通过实验证明了理论分析。
　　 本论文创新地将非接触式电能传输技术引用到镗床数控加工非圆曲面孔系统中，并设计及优化适用于安装在高速镗床主轴上包括变压器结构的供电系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超磁致伸缩致动器应用及研究概况

1．1．1 超磁致伸缩材料简介

1．1．2 超磁致伸缩致动器应用于非圆曲面孔精密加工

1．2 非接触供电技术概述

1．2．1 非接触供电技术简介

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 课题来源、意义及研究内容

1．3．1 项目背景及研究意义

1．3．2 本文的主要研究内容

第2章 非接触供电系统的构成及建模研究

2．1 非接触电能传输系统的构成

2．1．1 非接触电能传输系统的原理

2．1．2 可分离变压器的基本结构

2．2 可分离变压器数学模型

2．3 非接触电能传输系统的补偿

2．3．1 可分离变压器副边补偿

2．3．2 可分离变压器原边补偿

2．4 可分离变压器主要参数设计

2．4．1 可分离变压器材料及选型

2．4．2 可分离变压器匝数计算

2．5 本章小结

第3章 非接触电能传输系统主电路设计

3．1 直流部分参数设计

3．1．1 整流桥的选用

3．1．2 滤波电容Cd的选用计算

3．2 高频逆变拓扑结构的选择

3．3 电压源串联谐振逆变器

3．3．1 功率开关器件的选择

3．3．2 逆变电路工作原理

3．3．3 系统工作频率的选择

3．3．4 逆变电路参数设计

3．4 本章小结

第4章 可分离变压器结构设计及仿真

4．1 可分离变压器结构设计

4．2 可分离变压器磁场仿真

4．2．1 可分离变压器结构的二维静态磁场仿真

4．2．2 可分离变压器结构的三维仿真

4．2．3 气隙对传输效率的影响

4．3 镗床高速回转主轴的结构改进

4．4 本章小结

第5章 仿真与实验研究

5．1 直流电源部分仿真

5．2 高频逆变器的仿真分析

5．2．1 仿真模型的建立

5．2．2 仿真结果分析

5．3 实验测试

5．3．1 实验平台的建立

5．3．2 实验结果及分析

5．3．3 非接触电能传输特性功能演示

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究工作展望

附录一 罐形磁芯GU48参数

附录二 基于ANSYS对可分离变压器3D磁场分析的命令流

附录三 一种新型镗削刀具补偿装置专利受理通知书

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果及参加的科研项目