CN114709055B - 一种多发射型抗偏移松耦合变压器及其补偿电路 - Google Patents

一种多发射型抗偏移松耦合变压器及其补偿电路

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Abstract

本发明公开了一种应用于旋转超声加工的多发射型抗偏移松耦合变压器，包括呈环形的副边磁芯和三个弧形的主边磁芯，所述副边磁芯的径向外壁绕接有副边线圈，所述主边磁芯上设置有主边线圈，若干所述主边磁芯等分排列设置在副边磁芯的径向外壁，所述副边磁芯与主边磁芯的相对侧之间设有间隙。多发射型松耦合变压器的主边磁芯呈等角度排列在副边磁芯周围，不仅提高了变压器的耦合系数，并且使得原副边磁芯的磁通分布均匀，无论副边磁芯向哪个方向发生一定偏移，变压器的整体耦合系数波动范围都很小。

Description

一种多发射型抗偏移松耦合变压器及其补偿电路
技术领域
本发明涉及非接触式电能传输领域技术领域，具体指一种应用于旋转超声加工的多发射型抗偏移松耦合变压器及其补偿电路。
背景技术
随着材料科学的不断发展，以蓝宝石、碳纤维复合材料、新型陶瓷为代表的新型硬脆材料由于其耐高温、耐磨和高硬度的特点，在消费电子、先进光学和航空航天等领域得到广泛的应用。但是正因其优异的物理特性，给加工带来了极大的难度。旋转加工加工技术作为新型特种加工技术，具有刀具寿命长、加工质量好、加工精度高等特点，已经被证明是加工新型硬脆材料的有效方法。
与传统机床的刀具不同，超声刀具内部通常集成换能器，通过超声波电源驱动，通过逆压电效应将电能转换为机械能，从而在刀具端部产生微米级振幅辅助加工。现有给超声刀具供电的方案分为两种：以碳刷和导电滑环为代表的接触式电能传输和以旋转松耦合变压器为代表的非接触式电能传输。其中非接触式电能传输具有无转速限制，无摩擦，安全性好等优点，正在逐步取代前者。在实际加工过程中经常需要根据实际的加工工艺更换多种超声刀具，为了满足自动换刀的灵活性，学者和工程师们设计了一种主边磁芯为弧形的松耦合变压器，例如专利CN107104514A和CN107124042A，从而实现机床加工过程中的自动换刀。但是在实际应用中发现，这种新型松耦合变压器不仅耦合系数低，容易引起磁芯饱和，而且对机床的装配精度要求极高，在换刀后原副边磁芯产生的微小偏移都会导致变压器耦合系数的大幅波动，影响传输效率和输出功率，最终影响被加工工件的一致性。
发明内容
本发明针对新型松耦合变压器的现有不足，提出一种多发射型抗偏移松耦合变压器及其补偿电路，不仅提高了松耦合变压器的耦合系数，而且即使原副边磁芯发生了一定的相对偏移，也能实现稳定的电能传输，同时也保持了机床自动换刀的灵活性。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种多发射型抗偏移松耦合变压器，包括呈环形的副边磁芯和三个弧形的主边磁芯，所述副边磁芯的径向外壁绕接有副边线圈，所述主边磁芯上设置有主边线圈，三个所述主边磁芯等分排列设置在副边磁芯的径向外壁，所述副边磁芯与主边磁芯的相对侧之间设有间隙。
作为优选，所述主边磁芯的内侧设置有凹槽，所述主边线圈沿着凹槽绕接在主边磁芯上。
作为优选，所述副边磁芯的径向外壁设置有环形槽，所述副边线圈绕接在环形槽上。
作为优选，所述主边磁芯的磁芯角α为60°。
作为优选，三个所述主边磁芯的主边线圈的绕线方向和线圈匝数相同。
本发明还公开了一种上述多发射型抗偏移松耦合变压器的补偿电路，包括电源输入电压Ui、三个主边线圈的等效串联电阻RP1、RP2、RP3、三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3、副边线圈的自感LS、副边线圈的等效串联电阻RS、超声换能器的等效阻抗Rt和等效容抗Xt，所述电源输入电压Ui的输出端分别与三个等效串联电阻RP1、RP2、RP3的一端相连接，三个所述等效串联电阻RP1、RP2、RP3的另一端分别与对应的三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3的一端相连接，三个所述主边线圈的自感LP1、LP2、LP3的另一端接地，所述副边线圈的自感LS、副边线圈的等效串联电阻RS、超声换能器的等效阻抗Rt和等效容抗Xt依次串联，所述副边线圈的自感LS与相配合的三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3互感。
作为优选，所述电源输入电压Ui与三个主边线圈的等效串联电阻RP1、RP2、RP3之间增设有主边补偿电容CP。
作为优选，所述副边线圈的自感LS与等效容抗Xt之间设置有副边补偿电容CS。
本发明具有以下的特点和有益效果：
采用上述技术方案，多发射型松耦合变压器的主边磁芯呈等角度排列在副边磁芯周围，不仅提高了变压器的耦合系数，并且使得原副边磁芯的磁通分布均匀，无论副边磁芯向哪个方向发生一定偏移，变压器的整体耦合系数波动范围都很小。其次提供了一种适用于多发射型松耦合变压器的抗偏移补偿电路，副边电容用于匹配副边线圈电感，而单一主边电容用于匹配所有主边线圈的电感，从而将所有主边线圈视为一个整体，降低偏移时的电感变化量，最终使得系统的输出功率和传输效率保持在一个稳定的范围内，保证旋转超声加工的加工质量的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施例一种多发射型抗偏移松耦合变压器磁芯结构示意图。
图2本发明实施例一种多发射型抗偏移松耦合变压器整体示意图。
图3本发明实施例一种多发射型非接触式电能传输互感耦合模型。
图中，1-副边磁芯、2-主边磁芯、3-凹槽、4-环形槽、5-间隙、6-主边线圈、7-副边线圈。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种多发射型抗偏移松耦合变压器，如图1和图2所示，包括呈环形的副边磁芯1和三个弧形的主边磁芯2，所述副边磁芯1的径向外壁绕接有副边线圈7，所述主边磁芯2上设置有主边线圈6，三个所述主边磁芯2等分排列设置在副边磁芯1的径向外壁，所述副边磁芯1与主边磁芯2的相对侧之间设有间隙5。所述主边磁芯2的内侧设置有凹槽3，所述主边线圈6沿着凹槽绕接在主边磁芯2上。所述副边磁芯1的径向外壁设置有环形槽4，所述副边线圈7绕接在环形槽4上。所述主边磁芯2的磁芯角α为60°。三个所述主边磁芯的主边线圈6的绕线方向和线圈匝数相同。
具体的，三个主边磁芯2以360°/3＝120°为间隔围绕在副边磁芯1周围。
可以理解的，上述技术方案在实际应用中，三个主边磁芯2装配在超声机床上，当需要进行换刀时，可通过移动其中1个或数个主边磁芯，从而使得装配有副边磁芯1的超声刀具可横向或纵向移动，满足换刀的灵活性需求。如本案例中，移动主边磁芯2后副边磁芯1即可和超声刀具横向移动。
进一步的，副边磁芯1中央有贯穿孔用于装配超声刀具。
上述技术方案，多发射型松耦合变压器的主边磁芯呈等角度排列在副边磁芯周围，不仅结构简单，并且提高了变压器的耦合系数，同时使得原副边磁芯的磁通分布均匀，无论副边磁芯向哪个方向发生一定偏移，变压器的整体耦合系数波动范围都很小，使得系统的输出功率和传输效率保持在一个稳定的范围内，保证旋转超声加工的加工质量的一致性。
本发明还公开了一种上述多发射型抗偏移松耦合变压器的补偿电路，如图3所示，包括电源输入电压Ui、三个主边线圈的等效串联电阻RP1、RP2、RP3、三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3、副边线圈的自感LS、副边线圈的等效串联电阻RS、超声换能器的等效阻抗Rt和等效容抗Xt，所述电源输入电压Ui的输出端分别与三个等效串联电阻RP1、RP2、RP3的一端相连接，三个所述等效串联电阻RP1、RP2、RP3的另一端分别与对应的三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3的一端相连接，三个所述主边线圈的自感LP1、LP2、LP3的另一端接地，所述副边线圈的自感LS、副边线圈的等效串联电阻RS、超声换能器的等效阻抗Rt和等效容抗Xt依次串联，所述副边线圈的自感LS与相配合的三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3互感。
通过上述技术方案可以得到，LP1和LP2、LP2和LP3、LP1和LP3之间的互感得到M12，M23，M13；LP1、LP2、LP3与LS之间的互感分别得到M1S、M2S和M3S。
根据多发射型松耦合变压器的耦合系数计算公式
得到当原副边磁芯发生偏移时，由于将所有的主边磁芯视为一个整体，因此耦合系数K波动不大。
进一步的，为了补偿整个电路中存在的无功功率，降低电源的电流应力，需要对整个电流进行补偿。本发明中这种多发射型非接触式电能传输的耦合模型，提出了串—串联电容的抗偏移补偿方法，
具体的，所述电源输入电压Ui与三个主边线圈的等效串联电阻RP1、RP2、RP3之间增设有主边补偿电容CP。
可以理解的，和传统补偿方法不同，本发明的抗偏移补偿方法并不是对每一个主边线圈进行单独补偿，而是将主边线圈自感LP1、LP2、LP3进行并联等效，由于LP1＝LP2＝LP3＝LPi，LPi为第i个主边线圈对应的自感，其中i＝1,2,3…n,，并联等效后主边电感LP＝LP1/n，因此主边补偿电容值为
在原副边磁芯发生一定的相对偏移时，必定会导致一部分主边线圈自感减小而另一部主边线圈自感增大，最终使得等效主边电感LP波动不大，从而使得主边补偿电容CP仍然可以对存在一定偏移情况下的电路进行无功补偿。
具体的，所述副边线圈的自感LS与等效容抗Xt之间设置有副边补偿电容CS。
可以理解的，其中副边补偿电容CS主要用于补偿副边线圈自感LS和换能器等效容抗Xt，因此其中ωs＝2πfs为所接换能器的串联谐振频率fs对应的角频率，Xts为换能器工作在谐振频率的等效容抗。
本实施例中通过表1和表2对上述技术方案进行具体分析：
表1多发射型松耦合变压器在偏移时的参数表
表1为多发射型松耦合变压器在偏移时的耦合系数波动图，可以看到，在发生微小偏移时，耦合系数K仅仅略微增大，变化非常小。
传输效率 输出功率
初始状态 91.18％ 4.6028
(横向 74.50％ 4.2945
(横向 68.24％ 4.155
表2多发射型松耦合变压器在偏移时的传输效率和输出功率变化表
表2为多发射型松耦合变压器在偏移时的传输效率和输出功率变化表，可以看到，即使发生了微小偏移时，采用本发明的多发射型抗偏移松耦合变压器及其补偿电路可以保持输出功率和传输效率的相对稳定，保证旋转超声加工的加工质量。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多发射型抗偏移松耦合变压器，其特征在于，包括呈环形的副边磁芯(1)和三个弧形的主边磁芯(2)，所述副边磁芯(1)的径向外壁绕接有副边线圈(7)，所述主边磁芯(2)上设置有主边线圈(6)，三个所述主边磁芯(2)等分排列设置在副边磁芯(1)的径向外壁，所述副边磁芯(1)与主边磁芯(2)的相对侧之间设有间隙(5)，所述主边磁芯(2)的内侧设置有凹槽(3)，所述主边线圈(6)沿着凹槽绕接在主边磁芯(2)上，所述副边磁芯(1)的径向外壁设置有环形槽(4)，所述副边线圈(7)绕接在环形槽(4)上，三个所述主边磁芯(2)上的主边线圈(6)的绕线方向和线圈匝数相同。
2.根据权利要求1所述的多发射型抗偏移松耦合变压器，其特征在于，所述主边磁芯(2)的磁芯角α为60°。
3.一种权利要求1或2所述多发射型抗偏移松耦合变压器的补偿电路，其特征在于，包括电源输入电压Ui、三个主边线圈的等效串联电阻RP1、RP2、RP3、三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3、副边线圈的自感LS、副边线圈的等效串联电阻RS、超声换能器的等效阻抗Rt和等效容抗Xt，所述电源输入电压Ui的输出端分别与三个等效串联电阻RP1、RP2、RP3的一端相连接，三个所述等效串联电阻RP1、RP2、RP3的另一端分别与对应的三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3的一端相连接，三个所述主边线圈的自感LP1、LP2、LP3的另一端接地，所述副边线圈的自感LS、副边线圈的等效串联电阻RS、超声换能器的等效阻抗Rt和等效容抗Xt依次串联，所述副边线圈的自感LS与相配合的三个主边线圈的自感LP1、LP2、LP3互感。
4.根据权利要求3所述的多发射型抗偏移松耦合变压器补偿电路，其特征在于，所述电源输入电压Ui与三个主边线圈的等效串联电阻RP1、RP2、RP3之间增设有主边补偿电容CP。
5.根据权利要求3所述的多发射型抗偏移松耦合变压器补偿电路，其特征在于，所述副边线圈的自感LS与等效容抗Xt之间设置有副边补偿电容CS。
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