CN103008219A - 垂振式高能超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明是利用GMM超磁致伸缩材料的杰出特性，开发的一种新产品——垂振式高能超声波换能器。通过变幅杆(1)上的螺孔与焊接在清洗机不锈钢桶底的螺柱相连接，把垂振式高能超声波换能器垂直吊装在清洗桶的下面，其发出的超声波透射到清洗桶内的液体中，产生空化作用，冲刷和剥离被清洗物内外表面的污渍，从而彻底清洁被清洗物。垂振式高能超声波换能器的振动源由GMM驱动棒(11)、上永磁片(3)、下永磁片(4)、及驱动线圈(8)组成。在具有功率与频率跟踪、反馈功能的超声波发生器驱动下，沿GMM驱动棒(11)轴向产生磁致伸缩振动位移，经下永磁片(4)、下顶帽(5)、压盖(10)及与其螺纹连接的外壳(7)、蝶形弹簧(2)作用在输出轴(6)上，再通过变幅杆(1)激振清洗桶的底板，产生超声波振荡。具有功率大、能量高、体积小、工作稳定可靠、适用范围广泛、并能显著提高清洗效果的特点。

Description

垂振式高能超声波换能器

技术领域

本发明专利涉及超声波清洗设备领域中的换能器技术，是利用稀土超磁致伸缩合金的杰出特性开发出的、可用于多种清洗设备上的新产品。

背景技术

超声波传输到液体中时，以每秒两万次以上的压缩力和减压力相间交互的变换方式向液体进行透射。在减压力作用时液体中产生大量的真空核群泡，在压缩力作用时真空核群泡被压碎而产生强大的冲击力，即瞬间产生几百度的高温和高达上千大气压的压力，这就是超声波清洗的核心机理-空化作用。用超声波强大的冲击力来清洗和冲刷工件内外表面，剥离被清洗物表面的污垢，可达到精密洗净目的，特别是对形状复杂零件的清洗，如深孔、盲孔、凹凸槽清洗是最理想的方法，且不影响零件的材质及精度。超声波还具有乳化中和作用，能更有效防止被清洗掉的油污重新附在被清洗物体上。同时在生化，物理，化学，医学，科研实验中可作为提取，脱气，混匀，细胞粉碎，纳米分解之用，尤其是采用这一技术后，可减少化学溶剂的用量，从而大大降低环境污染。因此，超声波清洗相比其它一些清洗方式显示出了巨大的优越性，并已广泛应用于系列工业制品及果蔬、衣物等民生用品的众多清洗领域，促成了当代超声波技术的鼎盛应用和快速发展。

超声波的性能主要取决于安装在清洗设备上的超声波振子，即超声波换能器，它是把超声频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过导出装置辐射超声波。

目前应用最广泛的是压电陶瓷(PZT)超声波换能器，它是利用其压电效应将电信号转换为机械波。早在上个世纪60年代到70年代，压电陶瓷就得到不断改进，逐趋完美，这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。到了80年代，自美国ETREMA公司生产销售Terfenol-D稀土合金棒材以来，由于其杰出的超磁致伸缩特性而在众多领域展示了广阔的应用前景，这种超磁致伸缩材料(GMM)被视为21世纪在国际高科技领域具有战略性的功能材料。超磁致伸缩材料比压电陶瓷材料的物理性能优越，其功能元件的磁致伸缩应变量比压电陶瓷元件的电致伸缩应变量大5～10倍；能量密度大14～30倍；居里点高达387℃；机电耦合系数达0.7；对磁化和应力的响应快速敏锐，达微妙级；且可在几十伏以下的低电压下工作，而压电陶瓷则需要上千伏以上的高压驱动，因此GMM超声波换能器不存在压电陶瓷因极化引起的失效问题，其稳定性好、频率特性好、可靠性高、无时效、无疲劳、无过热失效问题，可开发出大功率、体积小的GMM应用器件。

发明内容

本发明专利的外观特征如图1所示。垂振式高能超声波换能器借助放大超声波振幅的变幅杆(1)上的螺孔垂直连接在清洗桶的底板下面，使垂振式高能超声波换能器的纵向振动波透射到清洗桶内的液体中，产生空化作用，冲刷和剥离被清洗物内外表面的污渍，从而彻底清洁被清洗物。

本发明专利的结构如图2所示，它由GMM驱动棒(11)、上永磁片(3)、下永磁片(4)、及驱动线圈(8)组成超声波换能器的振动源，沿GMM驱动棒(11)轴向产生的磁致伸缩振动位移经下永磁片(4)、顶帽(5)、压盖(10)及与其螺纹连接的外壳(7)、蝶形弹簧(2)作用在输出轴(6)上，通过变幅杆(1)激振清洗桶的底板，产生所需的超声波振荡。

本发明专利所研制的“垂振式高能超声波换能器”功率大、能量高、体积小、工作稳定可靠、适用范围广泛，并能显著提高被清洗物的清洁度。

附图说明

图1——垂振式高能超声波换能器的外观图。

图2——垂振式高能超声波换能器的结构图。

图中编号表示如下：1-变幅杆；2-蝶形弹簧；3-上永磁片；4-下永磁片；5-顶帽；6-输出轴；7-外壳；8-驱动线圈；9-螺钉；10-压盖；11-GMM驱动棒。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明专利采用了优化高能超声波换能器的结构设计。

1.调整超声波换能器的弹簧振子参数。在谐振状态下，振子的质量是外壳(7)、驱动线圈(8)、压盖(10)及螺钉(9)的质量之和，振子的弹簧刚度取决于蝶形弹簧(2)的规格和叠加数量，因此可根据清洗设备所设定的谐振频率参数，选择不同的振子质量组件和蝶形弹簧的规格、数量，来改变振子的质量和弹簧刚度，从而优化超声波换能器的频率响应特性。

2.提高GMM驱动元件的性能。通过稀土超磁致伸缩功能材料的配方、冶炼工艺、结晶取向的不同，优化GMM驱动棒(14)的磁致伸缩系数Lambda(入)和磁致伸缩应变率(d33)，达到最佳的超声波输出。

3.优化超声波换能器的响应输出。根据测试GMM驱动元件相对静、动态磁场的响应特性，选取最佳的磁致伸缩应变曲线部分，以确定最佳的场强范围和机械偏压值。借助可调的压盖(10)，调节蝶形弹簧(2)的应变量，并通过顶帽(5)、下永磁片(4)施压于GMM驱动棒(11)，达到最佳的机械偏压值，以优化超声波输出。经调试达到优质的超声波输出时，即可旋紧固定螺钉(9)来稳定换能器的组装位置。

4.设定最佳的静、动态磁场合成。为了优化换能器的超声波输出，需使超声波换能器的超声波输出避开在低场强下的低效响应和降低交流线圈的安匝值。这就需要预加磁偏压，即借助上永磁片(3)、下永磁片(4)产生的永磁分量，与驱动线圈(8)的交变磁场耦合成大于某一限定值的动态磁场，实现静、动态磁场的耦合放大，既能优化超声波输出，又可显著降低线圈的阻抗发热。

5.高效的闭合磁路。在GMM驱动棒(11)轴向方向产生的静、动态交变磁场，应在上永磁片(3)、输出轴(6)、外壳(7)、压盖(10)、顶帽(5)、下永磁片(4)之间形成磁回路，从而要求相关组件的材料磁导率、导磁截面、磁通量等参数有利于形成均衡、高效的闭合磁路。

本发明专利的实施结论：通过不同规格的超声波换能器的试验，本专利所公开的“垂振式高能超声波换能器”，在具有功率与频率跟踪反馈功能的超声波发生器驱动下，可按谐振频率稳定工作，其机电耦合系数高，能量密度大。可开发出功率大、体积小、重量轻的GMM高效超声波换能器，根据清洗机的类型和功率大小，可安装多个超声波换能器以优化清洗液中超声波辐射的综合作用，达到精密清洗的目的。

Claims (5)

1.一种垂振式高能超声波换能器，其特征是：连接变幅杆(1)上的螺孔与焊接在清洗机不锈钢桶底的螺柱，则垂振式高能超声波换能器被垂直吊装在清洗桶底板的下面，它的纵向振动波即可透射到清洗桶内的液体中。

2.根据权利要求1中所述的一种垂振式高能超声波换能器，其特征在于：由GMM驱动棒(11)、上永磁片(3)、下永磁片(4)、及驱动线圈(8)组成超声波换能器的振动源，沿GMM驱动棒(11)轴向产生的磁致伸缩振动位移，经下永磁片(4)、顶帽(5)、压盖(10)及与其螺纹连接的外壳(7)、蝶形弹簧(2)作用在输出轴(6)上，并通过变幅杆(1)激振清洗桶的底板，产生超声波振荡。

3.根据权利要求1中所述的一种垂振式高能超声波换能器，其特征是：通过调整外壳(7)、驱动线圈(8)、压盖(10)及螺钉(9)组成的振子质量、蝶形弹簧(2)的规格和叠加数量形成的振子弹簧刚度，来优化换能器振子的谐振特性。

4.根据权利要求1中所述的一种垂振式高能超声波换能器，其特征是：借助可调的压盖(10)，调节蝶形弹簧(2)的应变量，并通过顶帽(5)及下永磁片(4)施压于GMM驱动棒(11)而形成机械偏压。

5.根据权利要求1中所述的一种垂振式高能超声波换能器，其特征是：在上永磁片(3)、输出轴(6)、外壳(7)、压盖(10)、顶帽(5)、下永磁片(4)之链接间形成磁回路，并借助上永磁片(3)、下永磁片(4)产生的永磁分量，与驱动线圈(8)的交变磁场形成静、动态磁场的耦合放大。

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