一种电能传输装置结构及其参数优化设计方法与流程

1.本发明属于电能传输装置中松耦合变压器设计领域，具体涉及一种应用于旋转超声加工的组合式松耦合变压器及其结构参数和综合效率优化设计方法。


背景技术：

2.旋转超声加工与传统高速切削加工相比，旋转超声加工具有切削力小、切削热低、被加工材料表面质量好以及加工效率高等优点，不仅可以有效延长刀具的使用寿命，而且加工过程的稳定性好。正因如此，旋转超声加工作为新兴的特种加工技术是目前机械加工行业的重点研究和发展方向。
3.与传统机床旋转切削加工不同，旋转超声加工的刀具内部包含有换能器，需要对其通入高频交流电，从而在刀具端部产生微米级的超声振幅。目前应用较多的电能传输方案有两种，一种是传统的采用碳刷和导电滑环的接触式电能传输，该方法的主要缺点是寿命短、导体裸露、电能传输不稳定和只能在较低转速下使用，精度低。另一种方案是采用以旋转松耦合变压器为核心的非接触式电能传输，变压器原副边之间存在一定气隙，无摩擦，无转速限制，加工精度高，正逐步取代传统接触式电能传输。应用于旋转超声加工的松耦合变压器不同于传统变压器，原副边存在的气隙会使得变压器漏感增大，需要设计补偿电路来提高传输效率，其次特殊的磁芯结构也使得它无法根据现有的通用变压器设计规范进行设计。另外在实际应用过程中，常常需要根据加工工艺更换多种超声刀具，为每一把超声刀具单独配备一套电路补偿和松耦合变压器是不现实的，也会极大提高机床自动换刀的难度。


技术实现要素：

4.本发明针对现有不足，提出一种电能传输装置结构及其结构参数优化设计方法。
5.本发明的一方面提供了一种电能传输装置结构，具体涉及一种组合式松耦合变压器，它由主边磁芯和副边磁芯构成。
6.所述副边磁芯呈完整的环形，中央贯穿用于装配超声刀具，侧面有一圈环形凹槽用于填充副边线圈；
7.所述主边磁芯由多片导磁材料薄片组合而成，通过增加或降低薄片数量改变铁芯角α，从而调整输出功率和电能传输效率从而适配多种超声刀具；
8.所述主边磁芯的内部凹槽用于填充主边线圈，副边线圈环绕在副边磁芯周围，与主边磁芯有一定气隙，从而保证两者不会发生碰撞；
9.所述副边线圈采用线圈板的形式，每一层线圈板印有一定匝数的线圈，通过调整线圈板的层数可动态调整副边线圈的匝数。
10.本发明的另一方面还提供了上述装置结构参数优化设计方法，包括步骤如下：
11.步骤1、确定松耦合变压器的磁芯和线圈材料。
12.步骤2、确定非接触式传输系统的设计参数，包括需要适配的超声刀具数n，线圈最
大电流密度j，松耦合变压器额定容量s
o
，工作频率f，主边线圈匝数n，工作磁通密度b，其中额定容量s
o
＝max{s1,s2,s3…
s
n
},s
i
为第i把超声刀具的额定功率。
13.后续下标i表示第i把超声刀具对应的参数，i＝1,2,3
…
n。
14.主边线圈匝数其中u为松耦合变压器输入电压，k为经验常数，对于松耦合变压器，k＝0.8～1.0；工作磁通密度b＝0.95b
sat
，b
sat
为所选磁芯材料的饱和磁通密度。
15.步骤3、设计变压器结构，建立变压器磁阻模型,计算耦合系数和互感；
16.磁阻r＝l/μs，l为磁路长度，μ为磁导率，s为磁路截面积；耦合系数k
p
和k
s
分别为原、副边耦合系数,α
i
为适配第i个换能器的变压器主边铁芯角,a为考虑磁通边缘效应的调整系数，a＝1.05～1.1；互感l
p
和l
s
分别为原副边自感。
17.步骤4、采用原副边串联电容的方法搭建补偿电路，建立变压器的互感模型,计算输出功率p
oi
和传输效率η
i
。
18.步骤5、根据实际加工过程中n把超声刀具的使用频率，确定刀柄的权重系数c1,c2…
c
n
。
19.第i把超声刀具的权重系数式中t
i
为松耦合变压器要适配的第i把超声刀具的使用频率。
20.步骤6、建立模型优化约束条件，主要包含松耦合变压器适配单超声刀具效率大于80％，min{η1,η2,η3,
…
η
n
}≥80％；满足所有变压器的额定容量不低于超声换能器的额定功率p
0i
≥s
i
，以及变压器的尺寸满足要求。
21.步骤7、建立系统综合效率评价函数采用遗传算法进行优化求解，最终得到组合式松耦合变压器的结构参数和补偿电容的参数。
22.相比现有技术，本发明的有益效果体现在：针对应用于旋转超声加工的松耦合变压器无法根据现有的变压器通用设计规范进行设计的问题，提供了一种组合式松耦合变压器及结构参数和综合效率优化设计方法。该优化设计方法通过建立组合式松耦合变压器的磁阻模型和互感模型，建立了变压器结构参数和补偿参数与超声换能器传输效率和输出功率之间的映射关系，最后通过遗传算法进行优化求解。通过采用本发明的优化设计方法，可实现一套电路补偿和动态调整组合式松耦合变压器的主边铁芯角和副边线圈板层数从而适配多种超声刀具，有效降低加工成本和机床换刀难度，提高加工效率和电能利用率。在实际应用中，通过在切换超声刀具的同时切换对应的主边供电磁芯，保证超声加工的高效运行。
附图说明
23.图1组合式松耦合变压器磁芯结构示意图；
24.图2组合式松耦合变压器线圈板结构示意图；
25.图3组合式松耦合变压器组合完成示意图；
26.图4组合式松耦合变压器结构参数和综合效率优化设计方法流程图；
27.图5组合式松耦合变压器磁阻模型建立示意图；
28.图6组合式松耦合变压器互感模型建立示意图。
29.图中：1、副边磁芯；2、贯穿孔；3、副边磁芯凹槽；4、主边磁芯；5、磁芯薄片；6、气隙；7、主边磁芯凹槽；8、线圈；9、线圈板；10、主边线圈。
具体实施方式
30.下面结合附图和案例对本发明做进一步详述：
31.如图1、图2和图3所示，一种组合式松耦合变压器，由主边磁芯4和副边磁芯1构成。副边磁芯呈完整的环形，中央的贯穿孔2用于装配超声刀具，侧面有一圈环形凹槽用于填充副边线圈。主边磁芯装配在机床上，由多片导磁材料薄片5组合而成(图1中为8片)，可通过增加或降低薄片数量改变铁芯角α调整输出功率和电能传输效率从而适配多种超声刀具，主边磁芯凹槽7用于填充主边线圈10。副边线圈环绕在副边磁芯凹槽3内，与主边磁芯有一定气隙6，从而保证两者不会发生碰撞。如图2所示，副边线圈采用线圈板的形式，每一层线圈板9印有一定匝数的线圈8，通过调整线圈板的层数可动态调整副边线圈的匝数。
32.如图4所示，本发明中的优化设计方法，具体是：
33.第一步：确定组合式松耦合变压器的磁芯材料以及线圈材料，由于主边磁芯是由组合式薄片组成，磁芯因选择硬度相对较大的材质，如非晶合金、硅钢片等。
34.第二步：根据实际的工况需要，确定非接触式传输系统的设计参数，主要包括需要适配的超声刀具数n，线圈最大电流密度j，松耦合变压器额定容量s
o
，工作频率f，主线圈匝数n，工作磁通密度b，其中额定容量s
o
＝max{s1,s2,s3…
s
n
},s
i
为第i把超声刀具的额定功率。
35.后续下标i表示第i把超声刀具对应的结构参数，i＝1,2,3
…
n。
36.其中主边线圈匝数，其中u为松耦合变压器输入电压，k为经验常数，对于松耦合变压器，k＝0.8～1.0；考虑饱和磁通密度下损耗增加，工作磁通密度b＝0.95b
sat
，b
sat
为所选磁芯材料的饱和磁通密度。
37.第三步：设计变压器结构，建立变压器磁阻模型,如图3所示，f
p
和f
s
分别为主副边的感应电动势。其中磁芯磁阻分别为：
[0038][0039]
[0040]
气隙磁阻为：
[0041]
主、副边耦合系数：
[0042]
耦合系数α
i
为变压器主边铁芯角度,a为考虑磁通边缘效应的调整系数，a＝1.05～1.1。
[0043]
主、副边电感为：
[0044]
互感
[0045]
第四步：采用原副边串联电容的方法搭建补偿电路，建立变压器的互感模型,如图4所示。u
i
为输入电压，i
p
,i
s
分别为主副边电流，r
p
,r
si
分别为主副边线圈的交流电阻，c
p
,c
s
分别为主副边串联电容，l
p
,l
si
分别为主副边电感。
[0046]
r
i
,x
i
分别为第i个换能器的等效阻抗和等效电抗，可通过阻抗分析仪测得各个换能器的机械参数l
1i
,c
1i
,r
1i
,c
0i
,r
0i
，从而可计算r
i
,x
i
：
[0047][0048]
上式中w＝2πf。
[0049]
反射阻抗r
ri
和电抗x
ri
计算如下：
[0050][0051]
传输效率
[0052]
输出功率
[0053]
第五步：根据实际加工过程中n把超声刀具的使用频率，确定刀柄的权重系数c1,c2…
c
n
；第i把超声刀具的权重系数式中t
i
为松耦合变压器要适配的第i把超声刀具的使用频率。
[0054]
第六步：建立模型优化约束条件，主要包含松耦合变压器适配单超声刀具效率大于80％，min{η1,η2,η3,
…
η
n
}≥80％；满足所有超声换能器的额定功率p
0i
≥s
i
。
[0055]
变压器尺寸要求：(1)所有结构参数均大于0，min{l1,l2,l3,l4,l5,α
i
}>0；(2)为保留一定气隙余量，气隙大于1mm，即l
g
>1；(3)为减少漏感，磁芯长度应为窗口深度的3倍以上，即l3≥3l2；(4)磁芯内径大于所有换能器的直径，l5≥l
hi
。
[0056]
第七步：建立系统综合效率评价函数采用matlab优化工具箱中的遗传算法进行优化求解，最终得到组合式松耦合变压器的结构参数l1,l2,l3,l4,l5,α
i
,n
si
和主
副边补偿电容参数c
p
,c
s
。
[0057]
上面结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。