非接触式超声电能传递装置的设计理论及实验研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声波平行轴硬珩齿工艺
• 1.1.1 珩齿原理及工艺特点
• 1.1.2 超声加工技术
• 1.1.3 超声波平行轴硬珩齿设备
• 1.2 课题背景及意义
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 非接触式电能传输
• 2.1 非接触式电能传输系统的原理及构成
• 2.1.1 非接触式电能传输技术的原理
• 2.1.2 可分离变压器的基本结构形式
• 2.2 非接触式电能传输系统的数学模型
• 2.2.1 可分离变压器的数学模型
• 2.2.2 非接触式电能传输系统的主电路
• 2.3 非接触式电能传输系统的补偿网络
• 2.3.1 副边补偿
• 2.3.2 原边补偿
• 2.4 制约非接触电能传输技术的诸多因素
• 第三章 超声振动尾架的改进设计
• 3.1 超声振动尾架
• 3.1.1 超声波发生器
• 3.1.2 超声换能器
• 3.1.3 超声变幅杆
• 3.2 力电等效电路原理
• 3.2.1 压电陶瓷的力电等效电路
• 3.2.2 换能器的力电等效电路
• 第四章 系统设计及参数的确定
• 4.1 实验装置性能的测试
• 4.1.1 超声换能器的阻抗测量
• 4.1.2 超声波发生器的性能测量
• 4.2 可分离变压器参数设计
• 4.2.1 实验用品选择
• 4.2.2 可分离变压器参数设计
• 4.3 超声振动尾架的改进设计
• 第五章 仿真分析
• 5.1 电路仿真
• 5.1.1 整流滤波电路
• 5.1.2 功放电路
• 5.1.3 匹配电路
• 5.2 磁路仿真
• 5.2.1 线圈绕制
• 5.2.2 气隙
• 第六章 实验分析
• 6.1 实验目的
• 6.2 主要实验设备
• 6.3 实验台的建立
• 6.4 实验结果
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 附录1 DMR40 材料特性
• 附录2 超声发生器电路图
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文