摘 要

本文主要对超声加工中的高转速主轴的传能问题进行了研究，针对传统的电刷式传能方式的诸多缺点，提出了一种更方便可靠的无线电能传输系统。

本文对基于电磁感应原理的无线电能传输系统进行了设计研究，主要做了以下几个方面的工作：

1. 首先对目前超声加工中的高速主轴的传能问题进行了分析，提出了传统的电刷式传输方式的诸多不足，并提出了一种新的面向高速旋转主轴的电能传输方式。对这种新的电能传输方式进行了分析，并做了文献调研和国内外现状分析，发现将这种技术用于超声加工中的例子比较少，具有研究意义；
2. 接下来对无线电能传输系统进行了理论分析，包括建立符合松耦合变压器系统的电路模型，分析的模型的传输性能包括反应阻抗分析、电压增益分析、传输功率分析、传输效率分析等。另外提出了可以有效提高电路传输效果的电路的补偿结构，并计算出补偿参数值；
3. 然后结合实际应用情况进行了非接触电能传输系统的设计，并对设计结果进行了电磁学仿真分析，仿真结果表明设计完全满足使用要求；
4. 最后进行了实验平台的搭建并进行试验研究，对传输过程中磁芯间的不同间隙、不同偏摆、不同偏心量、不同激励频率等因素对传输能力的影响进行了研究，最终得到相应的实验数据，经分析实验结果满足设计要求。

本文不仅对无线电能传输系统进行了理论和仿真分析，还设计了一套应用于超声加工的系统进行了实验研究，并将实验结果与理论和仿真相结合证明理论和仿真结果是可信的。实验结果表明，磁芯间隙对系统传输能力的影响要比其他因素更大一点，在实际应用中要在满足使用条件的情况下尽量减小间隙，还要根据不同的使用场合进行相应的系统补偿。

关键词：非接触电能传输；超声加工；传输效率；耦合系数

Abstract

In this paper, the transmission of high speed spindle in ultrasonic machining is studied, and a more convenient and reliable ICPT system is presented in this paper.

In this paper, based on the principle of electromagnetic induction of ICPT system design research, mainly to do the following aspects of the work

1. the first of the ultrasonic machining of high speed spindle can problem are analyzed, put forward the shortcomings of traditional brush type transmission mode, and puts forward a new oriented to high speed rotating spindle power transmission mode. This new power transmission mode is analyzed, and the literature research and analysis of the status quo at home and abroad, it is found that this technology is used for ultrasonic processing of the case is relatively small, with research significance；
2. next to the ICPT system has carried on the theoretical analysis, including established in accordance with the ICPT system circuit model, the analysis of the model of the transmission performance, including reaction impedance analysis, analysis, transmission power analysis, transmission efficiency analysis of voltage gain. In addition, the compensation structure of the circuit which can effectively improve the transmission effect of the circuit is proposed, and the value of the compensation parameter is calculated；
3. and then combined with the actual application of the non contact power transmission system design, and the design results of the electromagnetic simulation analysis, simulation results show that the design fully meet the use requirements；
4. Finally, the experimental platform was built and experimental study, the transmission process in the core to different space, different yaw, different eccentricity, different excitation frequency and other factors on the transmission capacity of were studied finally obtained the corresponding experimental data. Through the analysis of the experimental results meet the design requirements.

Research results show that: the effect of core gap on the transmission capability of the system to be a little larger than other factors, in practical application, the gap should be reduced as far as possible, and also use different compensation structures on different occasions.

Key Words：contactless power transmission；ultrasonic machining；couplingcoefficient；transmission efficiency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 超声加工中的电能传输问题 1

1.3 无线电能传输技术国内外研究现状 2

1.3.1 理论研究 3

1.3.2 仿真分析 4

1.3.3 实验研究与应用 5

1.4 本章小结 6

第2章 非接触电能传输理论分析 7

2.1 无线电能传输系统的结构组成 7

2.2 ICPT系统初、次级耦合模型分析 8

2.3 初次级能量交换中的参数分析 11

2.3.1 带有纯电阻负载的电路耦合模型 11

2.3.2 ICPT系统的反应阻抗分析 12

2.3.3 ICPT系统的电压增益 14

2.3.4 ICPT系统的初级输入视在功率 16

2.3.5 ICPT系统的输出功率 17

2.3.6 ICPT系统的传输效率 18

2.4 ICPT系统的补偿 19

2.4.1 电路补偿原理 20

2.4.2 单边补偿分析 21

2.4.3 双边补偿分析 23

2.4.4 最优补偿分析 24

2.5 本章小结 27

第3章 无线电能传输系统的结构设计 28

3.1 工作环境的介绍 28

3.2 磁性材料的选择 28

3.3 电路中各个参数的计算 29

3.3.1 副边电路的计算 29

3.3.2 原边电路的计算 30

3.4 电磁结构设计 30

3.4.1 匝数比计算 30

3.4.2 磁芯尺寸规格设计 31

3.4.3 匝数设计 32

3.4.4 漆包线的选择 32

3.4.5 漆包线股数的选择 33

3.5 最终结果确定 33

3.6 本章小结 34

第4章 无线电能传输系统建模仿真 35

4.1 仿真模型分析 35

4.2 仿真条件设置 36

4.3 仿真设计与仿真结果分析 39

4.3.1 仿真结果查看 39

4.3.2 磁芯截面的最大磁感密度分析 41

4.3.3 磁芯间隙对各参数的影响 42

4.3.4 偏心量对各参数的影响 43

4.3.5 轴线偏摆对各参数的影响 45

4.3.6 工作频率对各参数的影响 46

4.3.7 外加补偿电路时频率对传输效率的影响 47

4.4 本章小结 47

第5章 非接触式电能传输系统的实验研究 48

5.1 实验平台的搭建 48

5.2 不同磁芯间隙对各参数的影响实验研究 50

5.3 不同偏心量对各参数的影响实验研究 51

5.4 不同偏摆对各参数的影响实验研究 52

5.5 不同频率对各参数的影响实验研究 53

5.6 外加补偿结构对各参数的影响研究 54

5.7 本章小结 55

第6章 总结 56

致谢 57

参考文献 58

附件 60

绪论

课题背景

随着社会的发展，如今的材料领域出现了大量新型的材料，其中有些材料如石英、工程陶瓷和单晶硅、碳纤维复合材料等硬度较大的材料或复合材料，以其优良的性能，被越来越广泛的应用在各行各业里^[1]。这些材料的应用是科技高速发展的主力军，在军事、航空航天、电子信息、医疗等领域中这些材料具有不可替代的作用，例如使用碳纤维复合材料可以大幅度降低火箭、飞机、舰船、卫星、导弹等国防武器装备的结构重量，可以显著提高燃料效率。

但这些材料性能优良的同时，也存在加工困难的问题。使用传统的加工方法会使得加工成本变得很大，而且刀具磨损剧烈、切削热过大、容易产生切屑瘤以及切削力偏大而容易产使振动，导致加工表面质量不高^[2]。所以现在有很多人在寻找新的加工方法来代替传统的加工方法，其中超声加工就是一种很有效的加工难加工材料的特种加工方法。

超声加工是在普通加工刀具的基础上，对加工刀具加上一个超声振动信号，使刀具加工过程中边加工边振动，通过振动将加工材料震碎，通过切削液将去除的材料带走，以达到使材料切除的目的。由于使用的是超声加工，从而从根本上改善了加工效果，减小了切削力、加工发热量，在减少了刀具的磨损同时，加工精度以及表面损伤都得到了改善^[2]。

超声加工中的电能传输问题