CN113102209B - 一种超磁致伸缩换能器及其温控方法 - Google Patents

一种超磁致伸缩换能器及其温控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超磁致伸缩换能器及其温控方法，换能器包括：外壳，为筒体；压盖，所述压盖连接在外壳的一端；输出盘，连接在所述外壳的另一端；以及同轴设置在所述外壳内的多个片状超磁致伸缩体、多个片状永磁体和线圈，所述片状永磁体与所述片状超磁致伸缩体堆叠设置，且有片状永磁体位于两端；线圈，围绕在所述片状超磁致伸缩体和片状永磁体的外围；其中，所述压盖和所述输出盘分别与对应端的片状永磁体接触。本发明可极大地抑制涡流效应，减小热损耗，提高能量利用率；本发明在大功率加工的情况下，依然能够起到良好的冷却效果。

Description

一种超磁致伸缩换能器及其温控方法
技术领域
本发明属于超声精密特种加工技术领域，特别涉及一种超磁致伸缩换能器及其温控方法。
背景技术
旋转超声加工技术是在加工中给工具头施加沿某一方向以一定规律周期性变化的超声振动，以改善加工效果。与传统的不施加超声振动的加工方法相比，旋转超声加工在很多方面存在显著的优点，如提高加工效率和精度、降低切削力，延长刀具寿命等。
磁致伸缩现象是铁磁体在磁场中受磁场影响尺寸发生变化的现象。由于磁致伸缩现象，超磁致伸缩体可以在施加的交变磁场作用下反复伸长与缩短，从而产生振动，实现从电磁能转到机械能或声能的能量转换，基于上述原理，超磁致伸缩体可以应用于换能器。
在旋转超声振动系统中，实现将电信号转换为振动信号的超声换能器是核心部件，为使换能器能有稳定输出的振幅，需要使超磁致伸缩体处于稳定状态。在高频工作情况下，由于超磁致伸缩体为导电材料因此内部会产生较大的涡流，并会产生涡流损耗，同时超磁致伸缩体在工作过程中还会产生磁滞损耗以及线圈在高频交流电下会产生焦耳热，同时由于换能器工作时内部环境较为封闭，损耗会产生较多的热量，导致换能器温度显著升高。超磁致伸缩体对于温度比较敏感，随温度升高，其磁致伸缩系数会产生显著降低，导致输出振幅显著降低，同时随着温度升高，超磁致伸缩体会产生热变形，严重影响换能器的输出性能。
目前，现有的换能器存在以下技术缺点：
在涡流抑制方面，现有技术中，对换能器内部的超磁致伸缩体进行了切片处理，有效抑制了超磁致伸缩体的涡流损耗与集肤效应，但并未考虑永磁体上产生的涡流损耗，而这是现在涡流产热的主要来源；
在温度控制方面，现有技术中仅能实现在加工过程中的气冷，气冷对温升的抑制效果较为有限，无法在大功率下实现温控，而目前提出的水冷均为管道式水冷，需将水管置于换能器内部，无法应用于旋转超声加工系统。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种超磁致伸缩换能器，包括：
外壳，为筒体；
压盖，所述压盖连接在外壳的一端；
输出盘，连接在所述外壳的另一端；
以及同轴设置在所述外壳内的多个片状超磁致伸缩体、多个片状永磁体和线圈，
所述片状永磁体与所述片状超磁致伸缩体堆叠设置，且有片状永磁体位于两端；
线圈，围绕在所述片状超磁致伸缩体和片状永磁体的外围；
其中，所述压盖和所述输出盘分别与对应端的片状永磁体接触。
可选地，所述压盖设有螺纹孔，并通过穿过所述螺纹孔的预紧螺栓将压盖连接在外壳的所述一端，还具有预紧块，所述预紧块分别接触设置在所述两端的片状永磁体的外端，所述压盖和所述输出盘分别通过对应的预紧块与片状永磁体接触。
可选地，所述片状超磁致伸缩体和所述片状永磁体的厚度都满足以下公式：
Figure BDA0003028737740000021
其中，δ为片状超磁致伸缩体或片状永磁体的厚度；
ω为激励频率；
μ0为通过真空磁导率；
μr为与δ对应的材料相对磁导率；
σ为与δ对应的材料的电导率。
可选地，所述线圈安装在线圈骨架上；
在所述线圈的轴向两端分别设置有导磁片，在线圈的径向外侧套设有导磁套筒，所述导磁片、导磁套筒均采用导磁材料；
所述输出盘、外壳、压盖均采用不导磁的材料。
可选地，片状永磁体的数量大于片状超磁致伸缩体的数量，且所述片状永磁体的平面与所述片状超磁致伸缩体的平面平行。
可选地，所述压盖、导磁片上具有用以穿过给线圈供电的线圈导线的通孔，所述线圈导线与固定在换能器外侧的副边线圈连接，副边线圈通过松耦合的形式与固定在机床上的原边线圈组合形成非接触式电能传输机构，为换能器提供电能。
可选地，还包括：
冷却控温机构，所述冷却控温机构包括：
无线温度传感器，贴附于所述片状超磁致伸缩体上，用于测量所述换能器内部的温度；
第一冷却通道，设置在所述压盖的轴线上并穿透压盖；
第二冷却通道，设置在安装在所述压盖的外端的刀柄上，
雾化喷嘴，所述雾化喷嘴分别通过管路与液体通道、气体通道连通，所述雾化喷嘴依次通过所述第二冷却通道、所述第一冷却通道向所述外壳内喷射气雾，
所述输出盘上沿节面位置延伸出法兰盘，且所述法兰盘上设置有出气孔。
可选地，还包括：
各片状超磁致伸缩体、各片状永磁体和预紧块采用环氧树脂胶同轴粘接在一起，且片状超磁致伸缩体、片状永磁体都与线圈骨架之间具有气隙。
可选地，还包括控制模块，所述控制模块中预设有换能器内部的温度与所述液体通道的理论液体流量对应关系曲线，所述对应关系曲线将换能器内部的温度划分为多个温度区间，同一温度区间采用相同的理论液体流量，不同的温度区间采用不同的理论液体流量，
所述控制模块接收超磁致伸缩体表面的温度数据，当所述温度数据低于所选温度区间时不进行冷却，当所述温度数据达到所述所选温度区间，所述控制模块依据所选温度区间的理论液体流量控制冷却，当所述温度数据高于所选温度区间，所述控制模块调节与所述液体通道连通的冷却水泵，提高理论液体流量直至所述温度数据恢复到所选温度区间。
本发明还提供一种超磁致伸缩换能器的温控方法，包括：
事先将换能器内部的温度与液体通道的理论液体流量建立对应关系曲线，所述对应关系曲线将换能器内部的温度划分为多个温度区间，同一温度区间采用相同的理论液体流量，不同的温度区间采用不同的理论液体流量；
当所述温度数据低于所选温度区间时不进行冷却，当所述温度数据达到所述所选温度区间，依据所选温度区间的理论液体流量控制冷却，当所述温度数据高于所选温度区间，调节与所述液体通道连通的冷却水泵，提高理论液体流量直至所述温度数据恢复到所选温度区间。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、本发明的超磁致伸缩换能器，在进行工件加工过程中可极大地抑制涡流效应，减小热损耗，提高能量利用率；
2、本发明的冷却控温机构，在大功率加工的情况下，依然能够起到良好的冷却效果。
3、冷却温控装置使用单片机进行控制，可以实现将换能器精确控制到所需温度。
4、本发明采用的超磁致伸缩体、永磁体切片的方式，以及冷却控温机构，可以广泛应用于各式换能器和刀具上，具有通用性。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是根据本发明实施例的超磁致伸缩换能器的剖视图；
图2是根据本发明实施例的超磁致伸缩振动装置的结构示意图；
图3是根据本发明实施例冷却控温机构的三维示意图；
图4是根据本发明实施例的冷却控温机构进行控温的逻辑框图；
图5是根据本发明实施例的换能器内部的温度与液体通道的液体流量对应关系曲线。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图不一定按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
如图1-图4共同所示，本实施例提供了一种超磁致伸缩换能器，换能器1包括外壳10、片状超磁致伸缩体、片状永磁体、线圈骨架11、线圈7、导磁套筒8、导磁片9、输出盘14、压盖15、预紧块12、预紧螺栓16。
其中外壳10为筒体，例如圆筒状。外壳10上端面和压盖15都具有螺纹孔，例如沿圆周设置一圈螺纹孔，且压盖15的螺纹孔穿透压盖，预紧螺栓16穿过螺纹孔与外壳10的螺纹孔连接，从而把压盖15安装在外壳10的一端。外壳10下端面外侧具有螺纹，输出盘14上端面内侧设有螺纹，通过螺纹拧紧把输出盘14安装在外壳10的另一端。外壳10下端面内部设有台阶面101，用于换能器内部结构的定位。
在外壳10内同轴堆叠有片状永磁体和片状超磁致伸缩体，且在两端都有片状永磁体。下面以两个片状超磁致伸缩体和三个片状永磁体来说明其结构。下文中，以输出盘14所在的一端为前。前预紧块121、下部片状永磁体131、下部超磁致伸缩体62、中部片状永磁体132、上部超磁致伸缩体61、上部片状永磁体133、后预紧块122依次由下至上同轴堆叠且互相贴合，且同轴连接设置在外壳10的轴线上。压盖15中部向下凸起柱状体，输出盘14中部向上凸起柱状体，后预紧块122上表面与压盖15中部的柱状体下表面贴合，前预紧块121下表面与输出盘14中部的柱状体上表面贴合。优选地，为保证预紧块12、片状永磁体及片状超磁致伸缩体的同轴度，可将其之间使用环氧树脂胶进行粘接。
可通过调节不同位置的预紧螺栓16的预紧力调节整体的预紧力的大小及方向，由此实现换能器内部结构与外壳10之间的同轴度，以及使超磁致伸缩体处于最佳预应力状态。压盖15通过对后预紧块122施加预紧力，使其将预紧力传递到片状超磁致伸缩体，使片状超磁致伸缩体处于最佳预应力状态，同时预紧力会使片状超磁致伸缩体的振动传递到前预紧块121从而传递到输出盘14，实现换能器对外输出振动。
为抑制换能器的涡流损耗，本实施例对超磁致伸缩体及永磁体均进行切片处理而形成片状超磁致伸缩体和片状永磁体。若只对超磁致伸缩体进行切片，由于永磁体也为圆柱型，且其电导率与超磁致伸缩体相近，因此在永磁体上也会产生涡流，通过计算及仿真得到永磁体上会具有较大的涡流损耗，永磁体成为换能器的主要产热组件，因此需同时对永磁体进行切片处理，切片处理对产生涡流的圆形回路进行了分割，抑制了涡流的产生，从而减小了涡流损耗，所述片状超磁致伸缩体和所述片状永磁体的厚度都满足以下公式：
Figure BDA0003028737740000061
其中，δ为片状超磁致伸缩体或片状永磁体的厚度；
ω为激励频率；
μ0为通过真空磁导率；
μr为与δ对应的材料相对磁导率；
σ为与δ对应的材料的电导率。
优选地，片状永磁体的数量应大于片状超磁致伸缩体的数量，并且在装配时通过保证片状永磁体的平面与片状超磁致伸缩体的平面平行，以起到最佳涡流抑制效果。
下导磁片92下表面与外壳10内部台阶面贴合进行定位，导磁套筒8下表面与下导磁片92贴合。线圈骨架11套设在片状超磁致伸缩体和片状永磁体的外周，其下表面与下导磁片92上表面贴合，线圈骨架11上绕有线圈7，用于产生交变磁场。上导磁片91下表面与导磁套筒8上表面及线圈骨架11上表面贴合进行定位，上下导磁片9及导磁套筒8均需采用适用于高频工况下的导磁材料，线圈骨架11需采用环氧树脂材料。在压盖15上开设有第二通孔151，上导磁片91开设有第三通孔(未示出)，线圈导线依次穿过第三通孔和第二通孔与固定在换能器外侧的副边线圈连接，副边线圈工作时随换能器一同旋转，副边线圈通过松耦合的形式与固定在机床上的原边线圈组合形成非接触式电能传输装置，原边线圈与电源连接，为换能器提供电能。为避免换能器内部磁路泄露，输出盘14、外壳10、压盖15均需采用不导磁的材料，其中，输出盘14需采用声阻抗较小的轻金属材料，有利于提高装置的输出振幅。
本发明还提供一种超磁致伸缩振动装置，包括以上所述的换能器，并且还包括连接螺栓2、变幅杆3，变幅杆3的上端面具有螺纹孔，输出盘的下端面中心具有螺纹孔，通过两端具有螺纹的连接螺栓2，与输出盘14的螺纹孔拧紧进行装配定位，拧紧后变幅杆3和输出盘14的外沿平面紧密贴合，传递振动。优选地，变幅杆3采用声阻抗较小的轻金属材料，有利于提高装置的输出振幅。换能器1产生超声频率的振动，刀具可以采用热装的方式安装在变幅杆3的端部，振动通过变幅杆3传递到刀具。在换能器的安装压盖的一端，还连接有刀柄，所述刀柄用于与机床连接。
所述超磁致伸缩振动装置还包括冷却控温机构，所述冷却控温机构主要包括气体通道51、液体通道52，安装在液体通道52上的流量计4，以及设置在压盖15上的第一冷却通道152，设置在刀柄上的第二冷却通道(未示出)。所述气体通道51与空气压缩机连接，液体通道52经由流量计4与冷却水泵连接，雾化喷嘴5可以固定在机床上，不随换能器1旋转而旋转。所述第二冷却通道、第一冷却通道为换能器冷却提供气路通道，气雾经刀柄的气路通道进入压块的气路通道。
雾化喷嘴5的喷头部分与第二冷却通道贴近，并保持2至3mm的距离，两者不接触且不通过管道等方式连接。冷却水泵将低温冷却水传输到雾化喷嘴5，同时雾化喷嘴5接收来自气体通道51的高压空气，将气液两相混合形成喷雾，在加工时，雾化喷嘴5在非接触的情况下将喷雾喷射至第二冷却通道中，气雾依次经第二冷却通道、第一冷却通道进入换能器，从而实现对换能器1内部喷射冷却雾，使换能器1在喷雾冷却的情况下进行降温从而实现在非接触的情况下的高效冷却。
进一步地，输出盘14在设计频率下的节面位置延伸出法兰141，法兰141上开设有出气孔，以形成开放气路，提换能器内部的换热能力。所述节面位置是指振动位移为零的位置。
进一步地，片状超磁致伸缩体、片状永磁体与线圈骨架11之间存在气隙，用以形成通路实现换热。
进一步地，线圈7做防水处理，各片状超磁致伸缩体及片状永磁体表面均做防锈处理。
进一步地，片状超磁致伸缩体表面贴有无线温度传感器以实时测量换能器内部温度。
进一步地，还包括控制模块，所述控制模块可以是单片机，优选单片机stm32，通过控制模块来控制雾化喷嘴5的喷雾冷却能力。所述控制模块中预设有换能器内部的温度与所述液体通道的液体流量对应关系曲线(如图5所示)所述对应关系曲线将换能器内部的温度划分为多个温度区间，同一温度区间采用相同的理论液体流量，不同的温度区间采用不同的理论液体流量，流量为在常用超声振幅下能将换能器控制在该温度区间的理论液体流量。如图5中，以每5℃来划分温度区间，温度区间40℃-45℃对应的理论液体流量为10m3/秒，温度区间45℃-50℃对应的理论液体流量为8m3/秒。其中所述常用超声振幅是指对于工件所施加的比较常用的超声振幅，其根据不同的工件可能是不同的。
控制模块先选定希望控制达到的温度区间，所述控制模块接收所述无线温度传感器采集的超磁致伸缩体表面的温度数据，当所述温度数据低于所选区间时不进行冷却，当所述温度数据达到所选温度区间后，控制模块控制与所述液体通道连通的冷却水泵开始依据所选温度区间的理论液体流量进行冷却，以此实现将温度控制在所选温度区间内。若工作时使用的不是常用超声振幅，使用所选温度区间对应的理论液体流量进行冷却后，超磁致伸缩体表面的温度仍在升高且进入了下一温度区间，控制模块调节与所述液体通道连通的冷却水泵，逐步提高理论液体流量直至所述温度数据恢复到所选温度区间。例如，所选温度区间为40℃-45℃，那么其采用的理论液体流量应为10m3/秒，温度达到区间进行冷却后测得温度数据为42℃，并未超过预设区间，则保持10m3/秒的理论液体流量。
并且，所述控制模块还接收所述液体通道52上的流量计4的实际液体流量，并根据所述实际液体流量和所述温度数据查看是否与所述对应关系曲线匹配，若匹配，则继续执行该理论液体流量，否则所述控制模块根据实际液体流量与理论液体流量的偏差对冷却水泵发出补偿流量偏差值的控制信号，直至使得实际液体流量与所述温度数据相匹配。
例如，实际液体流量为9.5m3/秒，则显然，将温度数据42℃与实际液体流量9.5m3/秒在所述对应关系曲线上并不匹配，则可以根据实际液体流量与理论液体流量的偏差对冷却水泵发出补偿流量偏差值的控制信号使得冷却水泵提高其排量，使液体通道的流量发生进一步改善，使得流量与温度相匹配，保证工作时流量的稳定，从而实现对冷却能力的控制。
本发明还提供一种换能器冷却控温方法，
事先将换能器内部的温度与液体通道的液体流量建立对应关系曲线，所述对应关系曲线将换能器内部的温度划分为多个温度区间，同一温度区间采用相同的理论液体流量，不同的温度区间采用不同的理论液体流量，所述理论液体流量为在常用超声振幅下能将换能器控制在该温度区间的流量；
使用温度控制模块时先选定希望控制达到温度区间，所述控制模块接收所述无线温度传感器采集的超磁致伸缩体表面的温度数据，当所述温度数据未达所选区间时不进行冷却，当所述温度数据达到所选区间后，控制模块控制与所述液体通道连通的冷却水泵开始依据所选温度区间的理论液体流量进行冷却，以此实现将温度控制在预设区间内。若工作时使用的不是常用超声振幅，使用预设的理论液体流量进行冷却后，超磁致伸缩体表面的温度仍在升高且进入了下一区间，控制模块调节与所述液体通道连通的冷却水泵，逐步提高理论液体流量直至所述温度数据恢复到所选温度区间；
具体在调节冷却水泵时，根据接收的所述液体通道上的流量计的实际液体流量，并根据所述实际液体流量和所述温度数据查看是否与所述对应关系曲线匹配，若匹配，则继续执行该理论液体流量，否则根据实际液体流量与理论液体流量的偏差对冷却水泵发出补偿流量偏差值的控制信号，直至使得实际液体流量与所述温度数据相匹配。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超磁致伸缩换能器，其特征在于，包括：
外壳，为筒体；
压盖，所述压盖连接在外壳的一端；
输出盘，连接在所述外壳的另一端；
以及同轴设置在所述外壳内的多个片状超磁致伸缩体、多个片状永磁体和线圈，
所述片状永磁体与所述片状超磁致伸缩体堆叠设置，且有片状永磁体位于两端；
线圈，围绕在所述片状超磁致伸缩体和片状永磁体的外围；
其中，所述压盖和所述输出盘分别与对应端的片状永磁体接触，
还包括：
冷却控温机构，所述冷却控温机构包括：
无线温度传感器，贴附于所述片状超磁致伸缩体上，用于测量所述换能器内部的温度；
第一冷却通道，设置在所述压盖的轴线上并穿透压盖；
第二冷却通道，设置在安装在所述压盖的外端的刀柄上，
雾化喷嘴，所述雾化喷嘴分别通过管路与液体通道、气体通道连通，所述雾化喷嘴依次通过所述第二冷却通道、所述第一冷却通道向所述外壳内喷射气雾，
所述输出盘上沿节面位置延伸出法兰盘，且所述法兰盘上设置有出气孔。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器，其特征在于，
所述压盖设有螺纹孔，并通过穿过所述螺纹孔的预紧螺栓将压盖连接在外壳的所述一端，还具有预紧块，所述预紧块分别接触设置在所述两端的片状永磁体的外端，所述压盖和所述输出盘分别通过对应的预紧块与片状永磁体接触。
3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器，其特征在于，
所述片状超磁致伸缩体和所述片状永磁体的厚度都满足以下公式：
Figure FDA0003267897750000021
其中，δ为片状超磁致伸缩体或片状永磁体的厚度；
ω为激励频率；
μ0为通过真空磁导率；
μr为与δ对应的材料相对磁导率；
σ为与δ对应的材料的电导率。
4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器，其特征在于，
所述线圈安装在线圈骨架上；
在所述线圈的轴向两端分别设置有导磁片，在线圈的径向外侧套设有导磁套筒，所述导磁片、导磁套筒均采用导磁材料；
所述输出盘、外壳、压盖均采用不导磁的材料。
5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器，其特征在于，
片状永磁体的数量大于片状超磁致伸缩体的数量，且所述片状永磁体的平面与所述片状超磁致伸缩体的平面平行。
6.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器，其特征在于，
所述压盖、导磁片上具有用以穿过给线圈供电的线圈导线的通孔，所述线圈导线与固定在换能器外侧的副边线圈连接，副边线圈通过松耦合的形式与固定在机床上的原边线圈组合形成非接触式电能传输机构，为换能器提供电能。
7.根据权利要求4所述的超磁致伸缩换能器，其特征在于，还包括：
各片状超磁致伸缩体、各片状永磁体和预紧块采用环氧树脂胶同轴粘接在一起，且片状超磁致伸缩体、片状永磁体都与线圈骨架之间具有气隙。
8.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器，其特征在于，
还包括控制模块，所述控制模块中预设有换能器内部的温度与所述液体通道的理论液体流量对应关系曲线，所述对应关系曲线将换能器内部的温度划分为多个温度区间，同一温度区间采用相同的理论液体流量，不同的温度区间采用不同的理论液体流量，
所述控制模块接收超磁致伸缩体表面的温度数据，当所述温度数据低于所选温度区间时不进行冷却，当所述温度数据达到所述所选温度区间，所述控制模块依据所选温度区间的理论液体流量控制冷却，当所述温度数据高于所选温度区间，所述控制模块调节与所述液体通道连通的冷却水泵，提高理论液体流量直至所述温度数据恢复到所选温度区间。
9.超磁致伸缩换能器的温控方法，其特征在于，采用权利要求1所述的超磁致伸缩换能器，所述温控方法包括：
事先将换能器内部的温度与液体通道的理论液体流量建立对应关系曲线，所述对应关系曲线将换能器内部的温度划分为多个温度区间，同一温度区间采用相同的理论液体流量，不同的温度区间采用不同的理论液体流量；
接收超磁致伸缩体表面的温度数据，当所述温度数据低于所选温度区间时不进行冷却，当所述温度数据达到所述所选温度区间，依据所选温度区间的理论液体流量控制冷却，当所述温度数据高于所选温度区间，调节与所述液体通道连通的冷却水泵，提高理论液体流量直至所述温度数据恢复到所选温度区间。
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