CN105529836B - 一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置主要包括原边、副边。所述原边与所述副边的空间位置关系布置为内外同心圆式，且二者之间不存在任何的机械连接，其中所述原边的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构。所述副边通过优化设计，在不额外增加补偿元件的情况下，利用所述副边线圈的漏感抗与超声振动系的等效容抗在超声振动系统的工作振频率处实现了互相补偿。所述非接触式感应供电装置结构紧凑、转动惯量小、可以进行扩展安装，能够满足超声铣削加工可自动换刀、主轴高速旋转、超声振动系统功率大的工作要求；安装两组所述非接触式感应供电装置，还可满足椭圆超声铣削加工的供电需求。

Description

一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置

技术领域

本发明涉及一种非接触式感应供电装置，特别涉及一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置。属于超声铣削加工技术领域。

背景技术

传统的超声铣削加工中超声振动系统多采用接触式的供电方式如：采用导电滑环的供电方式，有四大缺陷：一是滑环与供电电刷始终接触导致磨损或损伤严重，不能确保稳定且高可靠性的超声铣削加工作业；二是因供电电刷的接触电火花，同样不能确保稳定且高可靠性的超声铣削加工作业；三是为了减轻滑环的磨损或损伤，对其转速有限制，再加上密封环后，转速更无法提高，因此无法满足超声铣削主轴高速旋转的要求；四是供电装置中旋转部分与静止部分之间存在机械连接，不能满足数控加工中心自动换刀的要求。

基于松耦合变压器研制的非接触式感应供电装置，其供电部分是分开的，可以解决由于摩擦引起的上述问题，在很多旋转超声加工装备中有应用。公告号为：CN102151867B，公告号为2013年5月29日的中国发明专利中公开了《一种基于机床附件化的旋转超声波头》，采用了基于松耦合变压器的非接触式感应供电装置。再如：公告号为CN201393181Y，公告日为2010年1月27日的中国实用新型专利中公开了《回转式非接触超声波电信号传输装置》，采用了罐型磁芯端面感应或同轴圆环磁芯柱面感应的松耦合变压器为超声振动系统进行供电，在不增加任何补偿元件的情况下，利用副边线圈的自感与超声振动系统的容抗实现了副边回路的谐振补偿。

但现有技术方案中的非接触式感应供电装置的特征是：旋转部分与静止部分存在机械接；旋转部分的回转半径与质量均较大；利用副边线圈的自感与超声振动系统的容抗实现副边回路的谐振补偿；若用于超声铣削加工则存在着以下缺点：

1)无法满足数控加工中心自动换刀的要求；

2)旋转部分的回转稳定性低，安装在标准主轴超声铣刀柄上后，无法满足超声铣削主轴高速旋转的要求；

3)副边回路采用的谐振补偿方案在理论上存在缺陷，非接触式感应供电装置的传输能力受限，无法满足大功率超声振动系统的工作需求。

发明内容

(一)发明目的：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置，以满足超声铣削加工可自动换刀、主轴高速旋转、超声振动系统功率大的工作要求。本发明的非接触式感应供电装置旋转部分与静止部分之间没有任何的机械连接，可以满足数控加工中心的自动换刀的要求；结构简单、紧凑，旋转部分的回转半径与质量较小，可以安装在标准主轴超声铣刀柄上，满足超声铣削主轴高速旋转的要求；副边回路采用了经过理论修正的谐振补偿方案，非接触式感应供电装置的传输能力得到提升，满足大功率超声振动系统的工作需求。(二)技术方案：

为实现上述目的，本发明拟采取以下技术方案：

依据附图1、附图2、附图3对本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置的各组成部分及各组成部分之间的连接关系做如下说明：

依据附图1、附图2可以看出，本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置由原边、副边两部分组成。所述原边是静止部分与超声电源连接，超声铣削加工过程中相对于数控加工中心的机座静止不动；所述副边是旋转部分与超声振动系统连接，超声铣削加工过程中随数控加工中心的主轴一同旋转。

如附图2(a)所示，所述原边与所述副边的空间位置关系布置为内外同心圆式，且所述原边在所述副边的外侧；所述原边与所述副边相互之间不存在任何的机械连接，且二者的感应供电部分位于同一水平面上；所述原边的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构，所述副边的结构是完整的圆环柱状结构；所述原边的内径比所述副边的外径略大，使得二者在径向上有一较小的间隙。

依据附图3可以看出所述原边由原边磁芯座、原边磁芯、原边线圈构成。该原边磁芯座固定安装在数控加工中心的主轴座上，是确定所述原边空间位置的零件。该原边磁芯与该原边线圈安装在该原边磁芯座内部，是所述原边的感应供电部分。该原边线圈缠绕在该原边磁芯上，是所述原边与超声电源连接的部分。

该原边磁芯座的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构，其内径比副边磁芯座的外径略大，使得所述原边与所述副边在径向上有一较小的间隙。该原边磁芯座内圆面上加工有台阶内圆槽，原边磁芯与原边线圈安装在台阶内圆槽内部；外表面上加工设有定位与紧固结构，能通过支架、拨叉等零件将该原边磁芯座安装在数控加工中心的主轴座上。

该原边磁芯的结构是周向上只有大约1/3圆周的不完整圆环柱状结构，其内径比副边磁芯的外径略大，使得所述原边与所述副边在径向上有一较小的间隙。该原边磁芯的内圆面上加工有U型内圆槽，原边线圈缠绕于U型内圆槽内以及外圆面上；外圆面的外圆尺寸与原边磁芯座台阶内圆槽的较小的内圆尺寸是配合关系，用于将该原边磁芯安装在原边磁芯座上。

该原边线圈缠绕于原边磁芯的侧壁上，其一半位于原边磁芯的U型内圆槽内，一半在原边磁芯的外部紧靠着外圆面。该原边线圈的始端和末端与超声电源连接。

依据附图3可以看出所述副边由副边磁芯座、副边磁芯座端盖、副边磁芯、副边线圈构成。该副边磁芯座，固定安装在标准主轴超声铣刀柄上，是确定所述副边空间位置的零件。该副边磁芯座端盖安装在该副边磁芯座另一侧的端部，与该副边磁芯座一同构成一U型外圆槽，如附图4所示。该副边磁芯与该副边线圈安装在U型外圆槽内，是所述副边的感应供电部分。该副边线圈缠绕在该副边磁芯上，是所述副边与负载(即集成在标准主轴超声铣刀柄内部的超声振动系统)连接的部分。

该副边磁芯座的结构是一侧有端面法兰，另一侧加工有螺纹，中心加工有孔的圆环柱状结构；其端面法兰的外径比原边磁芯座的内径略小，使得所述原边与所述副边在径向上有一较小的间隙。该副边磁芯座端面法兰上加工有定位与紧固结构，可将该副边磁芯座安装固定在标准主轴超声铣刀柄上；其中心加工的内孔可以避免与集成在标准主轴超声铣刀柄内部的超声振动系统产生位置干涉。

该副边磁芯座端盖的结构是中心加工有内螺纹的圆形板状结构，其外径与副边磁芯座端面法兰的外径相等。该副边磁芯座端盖通过内螺纹安装在副边磁芯座上，并与副边磁芯座一同构成一U型外圆槽。

该副边磁芯的结构是完整的圆环柱状结构；其外径比原边磁芯座的内径略小，使得所述原边与所述副边在径向上有一较小的间隙。该副边磁芯的外圆面上加工有U型外圆槽，副边线圈缠绕在U型外圆槽内；其内圆面的内圆尺寸与副边磁芯座的外圆面的外圆尺寸构成配合关系，该副边磁芯与副边线圈安装在副边磁芯座与副边磁芯座端盖构成的U型外圆槽内。

该副边线圈缠绕于副边磁芯的U型外圆槽内。该副边线圈的始端和末端与负载(即集成在标准主轴超声铣刀柄内部的超声振动系统)连接。

综合以上所述，可知本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置，其结构与传统变压器类似，但由于本发明所述的非接触式感应供电装置的原边磁芯与副边磁芯之间是分开的，造成所述原边与所述副边之间存在不可忽略的漏感。本发明所述的非接触式感应供电装置的等效电路图如附图5所示，需要在所述非接触式感应供电装置连接补偿电路，以消除漏感对所述非接触式感应供电装置传输能力造成的不利影响。

以下对本发明所述的非接触式感应供电装置的补偿电路进行介绍。

依据附图1可知所述补偿电路由原边补偿电路与副边补偿电路组成。所述原边补偿电路连接在超声电源与原边线圈之间；所述副边补偿电路连接在副边线圈与超声振动系统之间。

所述原边补偿电路的主要目的是补偿原边线圈的漏感L_δ1造成的无功功率损耗。原边补偿电路采用的补偿方案可以是在原边回路中串联或并联相应的原边补偿匹配电容C_p，原边补偿匹配电容C_p的值在理论上近似满足下式：

式中ω_s＝2πf_s，f_s为超声振动系统的工作频率。

本发明中所述的非接触式感应供电装置副边线圈的负载是超声振动系统。超声振动系统在工作频率f_s处的等效电路如附图6所示。超声振动系统正常工作时，需要用感抗L对超声振动系统进行阻抗匹配，如附图7所示。

超声振动系统阻抗匹配后的总阻抗Z为：

令回路总阻抗虚部为零，可得匹配电感L的值为：

综合以上，所述负载(即超声振动系统)需要用感性元件进行阻抗匹配的工作特点，所述副边补偿电路的主要目的是补偿副边线圈的漏感L_δ2造成的无功功率损耗，同时满足所述负载(即超声振动系统)的阻抗匹配需求。由于副边补偿元件需要安装在标准主轴超声铣刀柄上，为避免其对标准主轴超声铣刀柄回转稳定性带来的不利影响，所述副边补偿电路采用了不额外增加补偿元件，利用副边线圈的漏感抗X_Lδ2与超声振动系统的等效容抗X_C在超声振动系统的工作频率f_s处实现互相补偿的方案。

超声振动系统的等效容抗X_C与副边线圈的漏感抗X_Lδ2满足下式：

X_C+X_Lδ2＝0

式中，X_Lδ2＝jω_sL_δ2，可以推导出所述副边线圈漏感L_δ2与超声振动系统的参数之间的互相关系如下式：

式中，L_δ2为副边回路中的漏感抗，C₀为超声振动系统的静态电容，R_m为超声振动系统动态电阻，ω_s为超声振动系统正常工作时的角频率ω_s＝2πf_s。

综上对本发明非接触式感应供电装置所述补偿电路的说明，其中一种可用的补偿电路，如附图8所示。

(三)优点和功效：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)所述原边与所述副边空间位置关系布置为内外同心圆式，所述副边在内侧，减小了标准主轴超声铣刀柄的回转半径，降低了其回转惯量，提升了标准主轴超声铣刀柄的回转稳定性。

(2)所述原边的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构，可以避开换刀机械手的工作空间，且所述原边与所述副边相互之间不存在任何的机械连接，可在不对数控加工中心机床结构进行改动的情况下，满足自动换刀条件。

(3)所述副边补偿电路采用了不额外增加补偿元件，利用超声振动系统的等效容抗X_C与副边线圈的漏感抗X_Lδ2在超声振动系统的工作频率f_s处实现互相补偿的方案。该方案节省了标准主轴超声铣刀柄的质量与空间，避免了额外增加的补偿元件(尤其是感性补偿元件)对标准主轴超声铣刀柄造成的空间增大、回转质量增加、结构设计复杂度增大等不利影响，进一步提升了标准主轴超声铣刀柄的回转稳定性。

(4)所述非接触式感应供电装置可以进行扩展安装。安装一组所述非接触式感应供电装置可满足纵振超声铣削加工的供电需求，安装两组所述非接触式感应供电装置可满足椭圆超声铣削加工的供电需求。

附图说明

附图1为本发明所述非接触式感应供电装置系统原理图。

附图2(a)为本发明所述非接触式感应供电装置总体结构俯视图。

附图2(b)为本发明所述非接触式感应供电装置总体结构示意图。

附图3为本发明所述非接触式感应供电装置总体结构爆炸图。

附图4为所述副边磁芯座与所述副边磁芯端盖构成U型外圆槽的示意图。

附图5为松耦合变压器的等效电路模型。

附图6为超声振动系统正常工作时的等效电路图。

附图7为超声振动系统的阻抗匹配原理图。

附图8为所述补偿电路可用的一种补偿方案电路原理图。

附图9为本发明所述非接触式感应供电装置的一种应用实例。

图中序号、符号、代号说明如下：

1-超声电源 2-原边补偿电路

3-原边 4-副边

5-副边补偿电路 6-超声振动系统

7-主轴座 8-主轴

9-标准主轴超声铣刀柄 10-支架

11-副边磁芯座 11.1-副边磁芯座中心孔

11.2-副边磁芯座紧固孔 11.3-副边磁芯座端面法兰

11.4-副边磁芯座外圆面 11.5-副边磁芯座外螺纹

12-副边磁芯 12.1-副边磁芯内圆面

12.2-副边磁芯U型外圆槽 13-原边磁芯座

13.1-原边磁芯座台阶内圆槽 13.2-原边磁芯座内圆

13.3-原边磁芯座定位与紧固结构 14-原边磁芯

14.1-原边磁芯外圆 14.2-原边磁芯U型内圆槽

15-原边线圈 16-副边线圈

17-副边磁芯座端盖 17.1-副边磁芯座端盖内螺纹

u₁-原边输入电压 i₁-原边回路电流

u₂副边输出电压 i₂-副边回路电流

e₁-原边线圈感应电动势 e₂-副边线圈感应电动势

L_δ1-原边回路中的漏感 L_δ2-副边回路中的漏感

L_M-原边励磁电感 i_M-原边励磁电流

n-松耦合变压器原、副边线圈匝数比 C₀-超声振动系统的静态电容

R_m-超声振动系统机的动态电阻 L_m-超声振动系统机的动态电感

C_m-声振动系统机的动态电容 L-超声振动系统的匹配电感

f_s-超声振动系统的工作频率 ω_s-超声振动系统的工作频率

Z-超声振动系统阻抗匹配后的总阻抗 C_p-原边补偿电容

X_Lδ2-副边线圈的漏感抗 X_C-超声振动系统的等效容抗

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细地描述，所描述具体实例仅仅对本发明进行解释说明，并不用于限制本发明。

依据附图1、附图2(a)、图2(b)、附图3对本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置的工作原理、各组成部分及各组成部分之间的连接关系做如下说明：

附图1是本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置的系统原理图。本发明的非接触式感应供电装置正常工作时，超声电源1将50Hz的工频交流电转换为超声频率(>＝20KHz)的交流电，通过原边补偿电路2将电能输入到所述原边3；所述原边3基于电磁感应原理产生同频率的交变磁场，将磁场能量以非接触的方式耦合到所述副边4；所述副边4基于楞次定律产生同频率的交流电，通过副边补偿电路5将电能输入到超声振动系统6；超声振动系统6将接收到的电能转换为超声振动系统6的机械振动，最终在数控加工中心的平台上实现超声铣削加工。

依据附图1可以看出，本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置由原边3、副边4两部分组成。所述原边3是供电装置中的静止部分，与超声电源1连接，超声铣削加工过程中相对于数控加工中心的机座静止不动；所述副边4是供电装置中的旋转部分，与集成在标准主轴超声铣刀柄9内部的超声振动系统6连接，超声铣削加工过程中随数控加工中心的主轴8一同旋转。

如附图2(a)所示，所述原边3与所述副边4的空间位置关系布置为内外同心圆式，且所述原边3在所述副边4的外侧；所述原边3与所述副边4相互之间不存在任何的机械连接，且二者的感应供电部分位于同一水平面上；所述原边3的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构，所述副边4的结构是完整的圆环柱状结构；所述原边3的内径比所述副边4的外径略大，使得二者在径向上有一较小的间隙。

依据附图3可以看出所述原边3由原边磁芯座13、原边磁芯14、原边线圈15构成。该原边磁芯座13固定安装在数控加工中心的主轴座7上，是确定所述原边3空间位置的零件。该原边磁芯14与该原边线圈15安装在该原边磁芯座13内部，是所述原边3的感应供电部分。该原边线圈15缠绕在该原边磁芯14上，是所述原边3与超声电源1连接的部分。

该原边磁芯座13的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构，其内径比副边磁芯座11的外径略大，使得所述原边3与所述副边4在径向上有一较小的间隙。该原边磁芯座13内圆面上加工有台阶内圆槽13.1，原边磁芯14与原边线圈15安装在台阶内圆槽13.1内部；外表面上加工有定位与紧固结构13.3可通过支架10将该原边磁芯座13安装在数控加工中心的主轴座7上。由于原边磁芯座13的结构在周向上不到一半，当安装在主轴座7上的适当位置，可以避开换刀机械手的工作空间，以满足自动换刀条件。为避免对所述原边3与所述副边4相互之间磁场耦合的影响，该原边磁芯座13选用的材料为磁导率很低的材料如：铝合金、尼龙等。

该原边磁芯14的结构是周向上只有大约1/3圆周的不完整圆环柱状结构，其内径比该副边磁芯12的外径略大，使得所述原边3与所述副边4在径向上有一较小的间隙。该原边磁芯14的内圆面上加工有U型内圆槽14.2，原边线圈15缠绕于U型内圆槽14.2内以及外圆面上；外圆面的外圆14.1的尺寸与原边磁芯座13台阶内圆槽13.1的内圆13.2的尺寸是配合关系，用于将该原边磁芯14安装在原边磁芯座13上。该原边磁芯14在周向上的尺寸比原边磁芯座13小，可以保证该原边磁芯14以及原边线圈15完全在原边磁芯座13内，避免外漏对换刀机械手的工作空间造成干涉。为增强所述原边3与所述副边4相互之间磁场耦合，并且避免磁场对其他部分的影响，该原边磁芯14选用的材料为磁导率高且电阻率高的材料如：铁氧体、铁基非金合金等，以起到聚合磁力线与磁屏蔽的作用。该原边磁芯14的具体结构与材料参数还需要根据超声铣削加工中超声振动系统6所需要的传输功率来进行综合确定。

该原边线圈15缠绕于原边磁芯14的侧壁上，其一半位于原边磁芯14的U型内圆槽14.2内，一半在原边磁芯14的外部紧靠着外圆面。该原边线圈15的始端和末端与超声电源1连接。由于超声振动系统6的工作频率比较高，电流的趋肤效应会对线圈的载流能力造成影响，所以该原边线圈15选用可以降低趋肤效应影响的利兹线，具体选用的利兹线型号以及线圈的匝数还需要根据超声铣削加工中超声振动系统6所需要传输的功率来进行综合确定。

所述副边4由副边磁芯座11、副边磁芯座端盖17、副边磁芯12、副边线圈16构成。该副边磁芯座11固定安装在标准主轴超声铣刀柄9上，是确定所述副边4空间位置的零件。该副边磁芯座端盖17安装在该副边磁芯座11另一侧的端部，与该副边磁芯座11一同构成一U型外圆槽，如附图4所示。该副边磁芯12与该副边线圈16安装在U型外圆槽内，是所述副边4的感应供电部分。该副边线圈16缠绕在该副边磁芯12上，是所述副边4与集成在标准主轴超声铣刀柄9内部的超声振动系统6连接的部分。

该副边磁芯座11的结构是一侧有端面法兰11.3，另一侧加工有外螺纹11.5，中心加工有孔11.1的圆环柱状结构；其端面法兰11.3的外径比原边磁芯座13的内径略小，使得所述原边3与所述副边4在径向上有一较小的间隙。该副边磁芯座11的端面法兰11.3上加工有定位与紧固结构11.2，可将该副边磁芯座11安装固定在标准主轴超声铣刀柄9上；其中心加工的内孔11.1可以避免与集成在标准主轴超声铣刀柄9内部的超声振动系统6产生位置干涉。为避免对所述原边3与所述副边4相互之间磁场耦合的影响，该副边磁芯座11选用的材料为磁导率很低的材料如：铝合金、尼龙等。

该副边磁芯座端盖17的结构是中心加工有内螺纹17.1的圆形板状结构，其外径与该副边磁芯座11的端面法兰11.3的外径相等。该副边磁芯座端盖17通过内螺纹17.1安装在该副边磁芯座11上，并与该副边磁芯座11一同构成一U型外圆槽，如附图4所示。为增强所述原边3与所述副边4相互之间磁场耦合，并且避免磁场对其他部分的影响，该副边磁芯座端盖17选用的材料为磁导率很低的材料如：铝合金等。

该副边磁芯12的结构是完整的圆环柱状结构；其外径比该原边磁芯13的内径略小，使得所述原边3与所述副边4在径向上有一较小的间隙。该副边磁芯12的外圆面上加工有U型外圆槽12.2，该副边线圈16缠绕在U型外圆槽12.2内；其内圆面12.1的内圆尺寸与该副边磁芯座11的外圆面11.4的外圆尺寸构成配合关系，该副边磁芯12与该副边线圈16安装在该副边磁芯座11与该副边磁芯座端盖17构成的如附图4所示的U型外圆槽内。为增强所述原边3与所述副边4相互之间磁场耦合，并且避免磁场对其他部分的影响，该副边磁芯12选用的材料为磁导率高且电阻率高的材料如：铁氧体、铁基非金合金等，以起到聚合磁力线与磁屏蔽的作用。该副边磁芯12的具体结构与材料参数还需要根据超声铣削加工中超声振动系统6所需要传输的功率来进行综合确定。

该副边线圈16缠绕于该副边磁芯12的U型外圆槽12.2内。该副边线圈16的始端和末端与集成在标准主轴超声铣刀柄9内部的超声振动系统6连接。该副边线圈16的始端和末端与超声电源1连接。由于超声振动系统6的工作频率比较高，电流的趋肤效应会对线圈的载流能力造成影响，该副边线圈16选用可以降低趋肤效应影响的利兹线，具体选用的利兹线型号以及线圈的匝数还需要根据超声铣削加工中超声振动系统6所需要传输的功率来进行综合确定。

综合以上所述，可知本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置，其工作方式及结构与传统变压器类似，但由于本发明所述的非接触式感应供电装置的原边磁芯14与副边磁芯12之间是分开的，造成所述原边3与所述副边4之间存在不可忽略的漏感。本发明所述的非接触式感应供电装置的等效电路如附图5所示，其原边回路与副边回路中存在很大的漏感L_δ1、L_δ2，将在原边回路与副边回路中引起较大的无功功率消耗，造成所述非接触式感应供电装置传输能力的降低，因此需要在所述非接触式感应供电装置连接补偿电路，以消除漏感对所述非接触式感应供电装置的传输能力造成的不利影响。

以下对本发明所述的非接触式感应供电装置的补偿电路进行介绍。

依据图1可知所述补偿电路由原边补偿电路2与副边补偿电路5组成。所述原边补偿电路2连接在超声电源1与原边3之间；所述副边补偿电路5连接在副边4与超声振动系统6之间。

所述原边补偿电路2的主要目的是补偿原边线圈15的漏感L_δ1造成的无功功率消耗，原边补偿电路2采用的补偿方案可以是在原边回路中串联或并联相应的原边补偿匹配电容C_p，原边补偿匹配电容C_p的值在理论上近似满足下式：

式中ω_s＝2πf_s，f_s为超声振动系统6的工作频率。

原边补偿匹配电容C_p在实际使用过程中的具体值，还需要根据实际使用条件在理论近似值附近进行调整，使得原边回路的输入电压与输入电流同相位，补偿原边线圈15的漏感抗造成的无功功率消耗。

考虑到本发明中所述的非接触式感应供电装置副边线圈16的负载是超声振动系统6。超声振动系统6在正常工作状态下的等效电路如附图6所示，其在工作频率f_s处的等效电路偏容性，等效容抗会在超声振动系统6的回路中起无功功率消耗，为保证超声振动系统6正常工作，需要用感抗L对超声振动系统6进行阻抗匹配，如附图7所示。

超声振动系统阻抗匹配后的总阻抗Z为：

令回路总阻抗虚部为零，可得匹配电感L的值为：

综合以上所述超声振动系统6需要用感性元件进行阻抗匹配的工作特点，所述副边补偿电路5的主要目的是补偿副边线圈16的漏感L_δ2造成的无功功率损耗，同时满足所述超声振动系统6的阻抗匹配需求。所述副边线圈16漏感L_δ2在所述超声振动系统6工作频率下的电学特性为感性；所述超声振动系统6在其工作频率下的电学特性为容性。副边补偿元件(尤其是体积、重量较大的感性补偿元件)需要与副边4一起安装在标准主轴超声铣刀柄9上，会对标准主轴超声铣刀柄9的回转稳定性造成的不利影响。为避免所述不利影响，所述副边补偿电路5采用了不额外增加补偿元件，利用超声振动系统6的等效容抗X_C与副边线圈16的漏感抗X_Lδ2在超声振动系统6的工作频率f_s处实现互相补偿的方案。

超声振动系统6的等效容抗X_C与副边线圈16的漏感抗X_Lδ2满足下式：

X_C+X_Lδ2＝0

式中，X_Lδ2＝jω_sL_δ2，可以推导出所述副边线圈16漏感L_δ2与超声振动系统6的参数之间的互相关系如下式：

式中，L_δ2为副边回路中的漏感抗，C₀为超声振动系统6的静态电容，R_m为超声振动系统6的动态电阻，ω_s为超声振动系统6正常工作时的角频率ω_s＝2πf_s。

综合上述副边补偿电路5的补偿方案，所述副边4的各具体参数在设计时还需要考虑所述副边补偿电路5补偿方案的要求。

综上对本发明非接触式感应供电装置所述补偿电路的说明，其中一种可用的补偿电路，如附图8所示。

实施例1

附图9为本发明的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置的一种具体实施例。

依据附图9可以看出，所述非接触式感应供电装置由原边3、副边4两部分组成。

所述原边3固定安装在数控加工中心的主轴座7上，并与超声电源1连接；所述副边4固定安装在标准主轴超声铣刀柄9上，并与集成在标准主轴超声铣刀柄9内部的超声振动系统6连接。

如附图2(a)所示，所述原边3与所述副边4的空间位置关系布置为内外同心圆式，且所述原边3在所述副边4的外侧；所述原边3与所述副边4相互之间不存在任何的机械连接，且二者的感应供电部分位于同一水平面上；所述原边3的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构，所述副边4的结构是完整的圆环柱状结构；所述原边3的内径比所述副边4的外径略大，使得二者在径向上有一较小的间隙。

所述原边3由原边磁芯座13、原边磁芯14、原边线圈15构成。该原边磁芯座13通过支架10安装在数控加工中心的主轴座7上；该原边磁芯14与该原边线圈15安装在该原边磁芯座13内部；该原边线圈15缠绕在该原边磁芯14上，并与超声电源1连接。

该原边磁芯座13的结构是周向上只有大约2/5圆周的不完整圆环柱状结构，其内径比该副边磁芯座11的外径略大。该原边磁芯座13内圆面上加工有台阶内圆槽13.1，原边磁芯14与原边线圈15安装在台阶内圆槽13.1内部；外表面上加工有定位与紧固结构13.3可通过支架10安装在数控加工中心的主轴座7上。该原边磁芯座13选用的材料为铝合金。

该原边磁芯14的结构是周向上只有大约1/3圆周的不完整圆环柱状结构；其内径比该副边磁芯12的外径略大；该原边磁芯14的内圆面上加工有U型内圆槽14.2。该原边磁芯14选用的材料为铁氧体。

该原边线圈15缠绕于该原边磁芯14的侧壁上，其一半位于该原边磁芯14的U型内圆槽14.2内，一半在该原边磁芯14的外部紧靠着外圆面。该原边线圈15的始端和末端与超声电源1连接。该原边线圈15选用利兹线绕制。

所述副边4由副边磁芯座11、副边磁芯座端盖17、副边磁芯12、副边线圈16构成。该副边磁芯座11，固定安装在标准主轴超声铣刀柄9上；该副边磁芯座端盖17安装在该副边磁芯座11另一侧的端部，与该副边磁芯座11一同构成一U型外圆槽，如附图4所示；该副边磁芯12与该副边线圈16安装在如附图4所示的U型外圆槽内；该副边线圈16缠绕在该副边磁芯12上，并与集成在标准主轴超声铣刀柄9内部的超声振动系统6连接。

该副边磁芯座11的结构是一侧有端面法兰11.3，中心加工有孔11.1的圆环柱状结构；其端面法兰11.3的外径比原边磁芯座13的内径略小。该副边磁芯座11通过端面法兰11.3上的紧固孔11.2，固定安装在标准主轴超声铣刀柄9上；其中心加工的内孔11.1可以穿过超声振动系统6；其外圆面11.4远离端面法兰11.3的一侧加工有外螺纹11.5。该副边磁芯座11选用的材料为铝合金。

该副边磁芯座端盖17的结构是中心加工有内螺纹17.1圆形板状结构，其外径与该副边磁芯座11的端面法兰11.3的外径相等。该副边磁芯座端盖17通过内螺纹17.1安装在该副边磁芯座11上，并与该副边磁芯座11一同构成一U型外圆槽，如附图4所示。该副边磁芯座端盖17的材料为铝合金。

该副边磁芯12的结构是完整的圆环柱状结构；其外径比原边磁芯座13的内径略小。该副边磁芯12的外圆面上加工有U型外圆槽12.2；其内圆面12.1的内圆尺寸与副边磁芯座11的外圆面11.4的外圆尺寸构成配合关系。该副边磁芯12选用的材料为铁氧体。

该副边线圈16缠绕于该副边磁芯12的U型外圆槽12.2内。该副边线圈16的始端和末端与集成在标准主轴超声铣刀柄9内部的超声振动系统6连接。该副边线圈16选用利兹线绕制。

实施例1中非接触式感应供电装置采用的补偿电路如附图8所示。

所述补偿电路由原边补偿电路2与副边补偿电路5组成。所述原边补偿电路2连接在超声电源1与原边线圈15之间；所述副边补偿电路5连接在副边线圈16与超声振动系统6之间。

所述原边补偿电路2为在原边回路中串联原边补偿匹配电容C_p以补偿原边线圈15的漏感L_δ1造成的无功功率消耗。原边补偿匹配电容C_p的值在理论上近似满足下式：

式中ω_s＝2πf_s，f_s为超声振动系统6的工作频率。

所述副边补偿电路5不额外增加补偿元件，利用超声振动系统6的等效容抗X_C与副边线圈16的漏感抗X_Lδ2在超声振动系统6的工作频率f_s处实现互相补偿。要求所述副边线圈16漏感L_δ2的理论值满足下式：

式中，C₀为超声振动系统6的静态电容，R_m为超声振动系统6的动态电阻，ω_s为超声振动系统6正常工作时的角频率ω_s＝2πf_s。

这里需要注意的是原边补偿匹配电容C_p与所述副边线圈16漏感L_δ2的具体值，还需要在理论近似值附近进行调整，直到满足超声振动系统6的工作要求为止。

在实施例1进行超声铣削加工时，本发明所述的非接触式感应供电装置原边3相对于数控加工中心的机座静止不动；副边4随数控加工中心的主轴8一同旋转；同时超声电源1将50Hz的工频交流电转换为超声频率(>＝20KHz)的交流电，通过原边补偿电路2将电能输入到所述原边3；所述原边3基于电磁感应原理产生同频率的交变磁场，将磁场能量以非接触的方式耦合到所述副边4；所述副边4基于楞次定律产生同频率的交流电，将电能输入到超声振动系统6；超声振动系统6将接收到的电能转换为超声振动系统6的机械振动，最终在数控加工中心的平台上实现超声铣削加工。

Claims (4)

1.一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置，其特征在于：它是由原边、副边两部分组成；所述原边是静止部分，所述原边与超声电源连接，在超声铣削加工过程中相对于数控加工中心的机座静止不动；所述副边是旋转部分，所述副边与超声振动系统连接，在超声铣削加工过程中随数控加工中心的主轴一同旋转；

所述原边与副边的空间位置关系布置为内外同心圆式，且该原边在副边的外侧；原边与副边相互之间不存在任何的机械连接，且二者的感应供电部分位于同一水平面上；所述原边的结构是周向上只有2/5圆周的不完整圆环柱状结构，所述副边的结构是完整的圆环柱状结构；所述原边的内径比副边的外径大，使得二者在径向上有一小的间隙；

所述原边由原边磁芯座、原边磁芯、原边线圈构成；该原边磁芯座固定安装在数控加工中心的主轴座上，是确定原边空间位置的零件；该原边磁芯与该原边线圈安装在该原边磁芯座内部，是该原边的感应供电部分；该原边线圈缠绕在该原边磁芯上，是该原边与超声电源连接的部分；

该原边磁芯座的结构是周向上只有2/5圆周的不完整圆环柱状结构，其内径比副边磁芯座的外径大，使得该原边与副边在径向上有一小的间隙；该原边磁芯座内圆面上设有台阶内圆槽，原边磁芯与原边线圈安装在台阶内圆槽内部；外表面上加工设有定位与紧固结构，能通过支架、拨叉将该原边磁芯座安装在数控加工中心的主轴座上；

该原边磁芯的结构是周向上只有1/3圆周的不完整圆环柱状结构，其内径比副边磁芯的外径大，使得该原边与副边在径向上有一小的间隙；该原边磁芯的内圆面上设有U型内圆槽，原边线圈缠绕于U型内圆槽内以及外圆面上；外圆面的外圆尺寸与原边磁芯座台阶内圆槽的较小的内圆尺寸是配合关系，用于将该原边磁芯安装在原边磁芯座上；

该原边线圈缠绕于原边磁芯的侧壁上，其一半位于原边磁芯的U型内圆槽内，一半在原边磁芯的外部紧靠着外圆面；该原边线圈的始端和末端与超声电源连接；

所述的副边由副边磁芯座、副边磁芯座端盖、副边磁芯、副边线圈构成；该副边磁芯座，固定安装在标准主轴超声铣刀柄上，是确定所述副边空间位置的零件；该副边磁芯座端盖安装在该副边磁芯座另一侧的端部，与该副边磁芯座一同构成一U型外圆槽；该副边磁芯与该副边线圈安装在U型外圆槽内，是该副边的感应供电部分；该副边线圈缠绕在该副边磁芯上，是所述副边与负载即集成在标准主轴超声铣刀柄内部的超声振动系统连接的部分；

该副边磁芯座的结构是一侧有端面法兰，另一侧设有螺纹，中心设有孔的圆环柱状结构；其端面法兰的外径比原边磁芯座的内径小，使得该原边与该副边在径向上有一小的间隙；该副边磁芯座端面法兰上设有定位与紧固结构，能将该副边磁芯座安装固定在标准主轴超声铣刀柄上；其中心加工的内孔能避免与集成在标准主轴超声铣刀柄内部的超声振动系统产生位置干涉；

该副边磁芯座端盖的结构是中心设有内螺纹的圆形板状结构，其外径与副边磁芯座端面法兰的外径相等；该副边磁芯座端盖通过内螺纹安装在副边磁芯座上，并与副边磁芯座一同构成一U型外圆槽；

该副边磁芯的结构是完整的圆环柱状结构；其外径比原边磁芯座的内径小，使得该原边与副边在径向上有一小的间隙；该副边磁芯的外圆面上设有U型外圆槽，副边线圈缠绕在U型外圆槽内；其内圆面的内圆尺寸与副边磁芯座的外圆面的外圆尺寸构成配合关系，该副边磁芯与副边线圈安装在副边磁芯座与副边磁芯座端盖构成的U型外圆槽内；

该副边线圈缠绕于副边磁芯的U型外圆槽内，该副边线圈的始端和末端与负载即集成在标准主轴超声铣刀柄内部的超声振动系统连接；

考虑到本供电装置的原边磁芯与副边磁芯之间是分开的，造成该原边与副边之间存在有不可忽略的漏感，所以设置连接有补偿电路，以消除漏感对本供电装置传输能力造成的不利影响。

2.根据权利要求1所述的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置，其特征在于：所述的补偿电路是由原边补偿电路与副边补偿电路组成；该原边补偿电路连接在超声电源与原边线圈之间；该副边补偿电路连接在副边线圈与超声振动系统之间。

3.根据权利要求2所述的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置，其特征在于：所述的原边补偿电路是补偿原边线圈的漏感L_δ1造成的无功功率损耗；原边补偿电路采用的补偿方案是在原边回路中串联或并联相应的原边补偿匹配电容C_p，原边补偿匹配电容C_p的值满足下式：

<mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mi>p</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow>

式中ω_s＝2πf_s，f_s为超声振动系统的工作频率；ω_s为超声振动系统正常工作时的角频率。

4.根据权利要求2所述的一种用于超声铣削加工的非接触式感应供电装置，其特征在于：所述的副边补偿电路是补偿副边线圈的漏感L_δ2造成的无功功率损耗，同时满足所述负载即超声振动系统的阻抗匹配需求；由于副边补偿元件需要安装在标准主轴超声铣刀柄上，所以副边补偿电路采用了不额外增加补偿元件，利用副边线圈的漏感抗X_Lδ2与超声振动系统的等效容抗X_C在超声振动系统的工作频率f_s处实现互相补偿的方案；

超声振动系统的等效容抗X_C与副边线圈的漏感抗X_Lδ2满足下式：

X_C+X_Lδ2＝0

式中，X_Lδ2＝jω_sL_δ2，推导出所述副边线圈漏感L_δ2与超声振动系统的参数之间的互相关系如下式：

<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <msup> <msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，L_δ2为副边回路中的漏感抗，C₀为超声振动系统的静态电容，R_m为超声振动系统动态电阻，ω_s为超声振动系统正常工作时的角频率，ω_s＝2πf_s，f_s为超声振动系统的工作频率。