非接触式超声电能传递装置的设计理论及实验研究

摘要

超声珩齿技术是将超声振动引入齿轮珩齿加工中，从而发展起来的一门新技术。该技术的使用，可以使被加工出来的齿轮具有高承载力、高精度、高表面质量、长寿命等特点，顺应了当代工业对精度和寿命的要求。
　　 然而，现有的超声珩齿机和其他旋转超声加工设备一样，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。
　　 针对现有超声珩齿机中供电方式的不足，本论文提出将非接触式电能传输技术引入设备中，来克服上述弊端，使操作机床更加安全，可靠。
　　 论文的主要研究内容如下：
　　 (1)介绍超声波珩齿技术的起源、现状、发展趋势以及超声加工的特点，并对现有超声珩齿机床的机构进行简要的分析，揭示出该供电方式的不足之处，进而提出改进方案。
　　 (2)介绍非接触式能量传输技术的原理、系统各组成部分以及可分离变压器的基本结构形式；给出可分离变压器的数学模型；分析系统的补偿网络和制约该技术实际应用的诸多因素。
　　 (3)为了能够对超声珩齿机的电气系统有足够的认识，为下一步可分离变压器的设计创造条件，本文对超声波发生器的内部电路进行测绘，绘制出超声电源的电路图，并通过实验的方式对超声发生器性能进行测试。
　　 (4)讨论压电换能器和变幅杆的结构及特性，推导出力电等效原理及换能器和变幅杆的等效电路图，并研究温度和负载对压电换能器的阻抗和谐振频率的影响。
　　 (5)在电源和换能器性能参数测量结果的基础上，进行可分离变压器和补偿网络的设计，包括磁芯材料和结构、线圈线径和匝数以及补偿网络拓扑结构的选择。然后，对现有超声珩齿设备的振动尾架部分，进行机械构造的改进，来适应非接触式电能传输系统对结构的要求。
　　 (6)利用PSIM软件对系统的电路进行电路仿真，得出电源中不同位置处的电压与电流波形。利用MAXWELL软件对可分离变压器的磁路进行磁路仿真，分析了空隙和线圈绕制方法对变压器耦合系数的影响。
　　 (7)建立实验平台，验证计算和仿真的结果。