基于非接触能量传输的旋转超声波加工关键技术研究

摘要

旋转超声波加工是一种精密、高效的硬脆材料及复合材料加工方法，研制高转速、高效、大功率旋转超声波加工设备是目前研究热点。相比于传统非旋转超声波加工，旋转运动的加入使得超声能量传递与耦合变得复杂和困难，这大大限制了旋转超声波加工技术应用。基于电磁感应的非接触能量传输方式能够替代传统碳刷滑环为超声振子提供电能，这种非接触能量传输方式安全、稳定，且对转速没有限制。相对于传统的紧耦合变压器，非接触电磁耦合器漏感大，耦合能力较差，使其传输效率和传输功率受到了限制。其次，旋转超声波加工过程中切削力的变化常引起振幅衰减，影响了超声加工效果。
　　为解决以上问题，本文进行了以下几方面研究工作：
　　1)基于磁阻模型、漏感模型和互感模型，分析非接触电磁耦合器的耦合机理，分析损耗的类型及产生的原因，优化非接触旋转电磁耦合器磁芯及线圈结构。
　　2)基于真实的超声振子电学特性，建立电路补偿拓扑结构，建立传输效率与传输功率的数学模型，建立实现最大传输效率的补偿元件计算方法，理论和实验研究补偿元件值及其等效内阻ESR对能量传输性能的影响规律和影响机制。
　　3)基于最大传输效率的电路补偿前提下，建立传输效率、传输功率、电源负载阻抗、补偿元件两端电压与线圈匝数的关系模型，分析线圈匝数对功率传输性能的影响规律，进而建立控制电源负载阻抗和补偿元件两端电压的线圈匝数优化方法，在兼顾效率的前提下，实现非接触供电超声振动系统的最大功率输出能力及功率传输的安全性。
　　4)针对旋转超声波加工过程中切削力不恒定引起的振幅衰减问题，研究切削力对超声振子电学参数的影响规律，研究切削力对传输效率、功率和功率因数的影响规律和内在作用机制，给出能够实现输出功率随切削力增大而自适应增大的电路补偿拓扑和补偿元件调试方法，针对线圈匝数优化后的电磁耦合器，进行轴向切削力对能量传输性能影响的实验研究。
　　5)进行不同功率极限的压电超声振子及不同补偿状态下的非接触电磁耦合器温升实验研究，设计新型的超声波加工专用工具夹头，以实现超声能量的有效传递和刀具的灵活更换；完成附件化非接触供电旋转超声波加工头的研制。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2旋转超声波加工的国内外发展概况

1.3非接触能量传输技术的国内外发展概况

1.4旋转式非接触电磁耦合技术的发展概况

1.5主要研究内容及创新点

第二章 非接触旋转电磁耦合器特性的分析与优化

2.1引言

2.2非接触电磁耦合器模型

2.3非接触电磁耦合器损耗分析

2.4磁芯与线圈结构设计与优化

2.5本章小结

第三章 基于效率的非接触供电RUM系统电路补偿方法研究

3.1引言

3.2接触式供电超声换能器的电路补偿与阻抗匹配原理

3.3非接触供电超声换能器单边电路补偿原理

3.4非接触供电超声换能器双边电路补偿原理

3.5本章小结

第四章 基于功率的非接触电磁耦合器线圈匝数优化研究

4.1电磁耦合器参数与线圈匝数的映射关系

4.2耦合器能量传输性能与线圈匝数的关系

4.4线圈匝数优化实验研究

4.5匝数优化后的频率特性研究

4.6本章小结

第五章 超声波加工的机械负载对功率传输的影响

5.1引言

5.2纯阻性机械等效载荷对能量传输的影响

5.3切削力对超声振子电学参数的影响

5.4切削力对非接触能量传输性能的影响

5.5基于优化匝数的切削力实验研究

5.6本章小节

第六章 附件化非接触供电旋转超声波加工头的研制

6.1非接触供电超声振动系统温升实验研究

6.2附件化旋转超声波加工头机械结构设计

6.3本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢