微動(dòng)式可調(diào)電感設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

莫遠(yuǎn)東，于兆勤，連海山，莫德云

（1.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程研究所，廣東湛江524048；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

微動(dòng)式可調(diào)電感設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

莫遠(yuǎn)東1，于兆勤2，連海山1，莫德云1

（1.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程研究所，廣東湛江524048；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

設(shè)計(jì)了一款微動(dòng)式可調(diào)電感，提供一種應(yīng)用于超聲電源調(diào)試中，尋找最佳匹配電感的新方式，以提高超聲電源調(diào)試效率，降低電源制作成本。以超聲振子兩端電壓和流過(guò)其回路電流波形的相位差作為參考指標(biāo)，對(duì)超聲電源進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該可調(diào)電感能連續(xù)可調(diào)，有助于在電源調(diào)試中方便、快速地得到所需匹配及提高電源調(diào)試效率，可滿足超聲電源實(shí)際調(diào)試應(yīng)用要求。

可調(diào)電感；超聲加工；調(diào)試；超聲電源

超聲加工技術(shù)在近年來(lái)得到高速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活的各個(gè)領(lǐng)域，如航天航空、建筑、無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、超聲治療等[1]。超聲加工即利用超聲波特性，將其能量轉(zhuǎn)換成工具頭上的超聲振動(dòng)，工具頭與工具間充有磨料混合液，在一定的壓力作用下使工具頭緊壓在工件上，通過(guò)液體中微粒磨料撞擊、打磨被加工表面以及超聲空化的作用來(lái)去除材料而達(dá)到加工目的[2]。超聲電源屬于超聲加工重要組成部分，其中匹配電感是超聲電源的不可或缺的電子元器件，影響著超聲電源的輸出性能及加工效率[3-4]。

在超聲電源調(diào)試前，根據(jù)阻抗分析儀測(cè)得超聲振子理論阻抗值，從而可計(jì)算出所需的理論匹配電感值，但超聲電源在實(shí)際工作中所需匹配電感值相對(duì)于理論值有偏差，偏差幅度是靠電源實(shí)際調(diào)試來(lái)決定，此時(shí)就需要一個(gè)可調(diào)電感進(jìn)行對(duì)電源進(jìn)行調(diào)試。雖然現(xiàn)在有采用源方式，可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換的可調(diào)電感，但這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大、價(jià)格昂貴[5-6]；還有可以通過(guò)控制PWM電路進(jìn)行的改變輸出電感大小，但是這種電路方式復(fù)雜，使用不方便[7-8]。因此針對(duì)以上可調(diào)電感在調(diào)試電源存在的不足，設(shè)計(jì)了一款微調(diào)平臺(tái)式可調(diào)電感，提供了一種新的應(yīng)用于超聲電源調(diào)試中尋找最佳匹配電感值方式，該可調(diào)電感能連續(xù)可調(diào)，有助于在電源調(diào)試中方便、快速地得到所需匹配電感值及提高電源調(diào)試效率，減低了電源制作成本。

1超聲電源匹配網(wǎng)絡(luò)基本介紹

超聲換能器[9]屬于超聲加工系統(tǒng)中的振動(dòng)部分，包括壓電換能器、變幅桿和工具頭等部分。壓電換能器作用是將超聲頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)的機(jī)械能。在實(shí)際工作中，超聲換能器在諧振工作狀態(tài)時(shí)，是容性負(fù)載[10]。為了提高超聲加工效率，減少能量損耗，必須抵消振子容抗分量的影響。在匹配網(wǎng)絡(luò)中用一個(gè)電感元件與振子調(diào)諧，以使整個(gè)振子在諧振頻率工作時(shí)，呈現(xiàn)純阻態(tài)，此時(shí)電路中電壓與電流同相位，保證換能器獲得最大的電功率。本文采用電感串聯(lián)匹配方式，其匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路及電路等效演變過(guò)程[11-12]如圖1所示，圖中Ls為匹配電感，C0為換能器靜態(tài)電容，Lm、Cm、Rm分別為動(dòng)態(tài)阻抗中的動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻。

圖1 匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路及其等效演變過(guò)程

2微調(diào)平臺(tái)式可調(diào)電感模型建立及設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 微動(dòng)平臺(tái)式可調(diào)電感模型建立

可調(diào)電感模型由微動(dòng)平臺(tái)、電感、磁芯左右擋板、過(guò)渡板、底座等部分組成，如下圖2所示。其工作原理為：調(diào)節(jié)微動(dòng)平臺(tái)，微動(dòng)面板帶動(dòng)左半磁芯運(yùn)動(dòng)，使左右半磁芯發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以改變電感氣隙，從而改變電感值大小。左半磁芯通過(guò)渡板固定在微動(dòng)平臺(tái)上，可隨微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)；右半磁芯固定在底座上。底座作用是支撐其它部分，使它們有相對(duì)準(zhǔn)確的工作位置。

圖2 微動(dòng)平臺(tái)式可調(diào)電感模型

2.2 電感參數(shù)計(jì)算[13]

電感設(shè)計(jì)參數(shù)為：峰值電流為I=2 A；最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm=0.3 T；初始磁導(dǎo)率為μi=2 300；最大調(diào)節(jié)量程Ls：0~0.5mH，以下為電感設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算過(guò)程。

氣隙面積乘積為：

其中，S為所用磁芯的橫截面積；δ為電感所需的氣隙長(zhǎng)度；μ0=4π×10-7N/A2為真空磁導(dǎo)率。

經(jīng)計(jì)算得Sδ=27.93 mm3.

本調(diào)試電感選用EE42-21-20磁芯類(lèi)型，其中磁芯有效截面積為Ae=235mm2，磁路長(zhǎng)度為L(zhǎng)e=97.80 mm，設(shè)定電感所需的氣隙長(zhǎng)度δ=0.8 mm，則實(shí)際磁路長(zhǎng)度為：

氣隙有效截面積為：Ag=（C+δ）（D+δ）

其中，C=19.85 mm、D=11.85 mm為磁芯中心柱尺寸。經(jīng)計(jì)算Ag=26 122mm2.

磁導(dǎo)為：

取整N=35（匝）

利用磁導(dǎo)驗(yàn)證的電感值為：

只考慮氣隙時(shí)的電感值為：

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度驗(yàn)證為：

滿足要求。

當(dāng)導(dǎo)線為圓銅線時(shí)，穿透深度為：

式中，超聲振子諧振頻率為fs=28.62 kHz；所需導(dǎo)線的截面積S' =I/J=0.4 mm2，其中電流密度J=5 A/mm2；所選導(dǎo)線線徑d=0.6mm，則此d＜2△時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。

導(dǎo)線實(shí)際截面積S''=0.25πd2=0.008 mm2，則所需的股數(shù)為

實(shí)際磁芯窗口面積為：

其中，D、E、F代表磁芯尺寸，D=11.85 mm，E=29.5mm，F(xiàn)=15.1mm.

實(shí)際導(dǎo)體面積為：Ac=nNS'' =20 mm2

所需窗口的面積表達(dá)式為：

其中，Kf為窗口填充系數(shù)，Kf=0.2，由此可知，Aw＞Aw'，滿足設(shè)計(jì)要求。

3微動(dòng)平臺(tái)式可調(diào)電感在超聲電源調(diào)試中應(yīng)用

如下圖3所示為調(diào)試的超聲電源圖，超聲電源所驅(qū)動(dòng)的超聲振子諧振頻率為28.62 kHz.在調(diào)試過(guò)程中，阻抗分析儀測(cè)試端子與電感輸出端子連接，調(diào)節(jié)微動(dòng)平臺(tái)，改變電感大小，同時(shí)用示波器采集超聲振子兩端電壓與流過(guò)其回路的電流波形圖，通過(guò)觀察波形圖判斷此時(shí)匹配電感值是否為最佳匹配值。

圖3 微動(dòng)平臺(tái)式可調(diào)電感應(yīng)用于超聲電源調(diào)試中

在電源調(diào)試過(guò)程，隨著微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，可調(diào)電感值也在不斷地發(fā)生變化，通過(guò)示波器顯示超聲振子兩端電壓與流過(guò)其回路的電流波形相位差也不同。

圖4為超聲電源調(diào)試過(guò)程中某一時(shí)刻T1時(shí)，采集超聲振子的波形圖。

圖4 T1時(shí)刻，超聲振子兩端電壓與流過(guò)其回路的電流波形圖

從圖4波形可以看出此時(shí)超聲振子兩端電壓與流過(guò)其回路的電流波形相位差并不為零，此時(shí)的電感值也不是最佳匹配電感值。

圖5為超聲電源調(diào)試過(guò)程中某一時(shí)刻T2時(shí)，采集超聲振子的波形圖。

圖5 T2時(shí)刻，超聲振子兩端電壓與流過(guò)其回路的電流波形圖

從圖5波形可以看出此時(shí)超聲振子兩端電壓與流過(guò)其回路的電流波形相位差在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)基本為零，此時(shí)整個(gè)電源運(yùn)行良好，說(shuō)明此時(shí)的電感值為最佳匹配電感值。然后再用阻抗分析儀測(cè)量出此時(shí)對(duì)應(yīng)的電感值，并用相同值的定值電感取代，可以大大提高電源的調(diào)試效率。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)表明，微動(dòng)式可調(diào)電感，在超聲電源調(diào)試應(yīng)用中，該可調(diào)電感能連續(xù)可調(diào)，有助于在電源調(diào)試中方便、快速地得到所需匹配電感值及提高電源調(diào)試效率，降低超聲電源制作成本，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design and App lication ofMicro Ad justable Inductance

MO Yuan-dong1，YU Zhao-qin2，LIAN Hai-shan1，MO De-yun1
（1.Electrical and Mechanical Engineering Institute，Lingnan Normal University，Zhanjiang Guangdong 524048，China；2.Faculty of Electrical and Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Designed a micro type adjustable inductance and provided a new way of finding the best matching inductance in the ultrasonic power supply debugging which can improve the efficiency of ultrasonic power supply debugging and reduce power production costs.With the phase of ultrasonic vibrator on both ends of the voltage and the flow through the loop currentwaveform as a reference index，debugging experiment of the ultrasonic power.The experimental results show that the adjustable inductance can continuous adjustable and helps access to the requiredmatching inductance in the power supply debugging easily and speedily which improves the efficiency and actual application requirements in power supply debugging well.

adjustable Inductance；ultrasonic machining；debugging；ultrasonic power supply

TG663

A

1672-545X（2016）12-0004-03

2016-09-19

廣東省自然科學(xué)基金（S2013010013385）；湛江市非資助科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（20616B01012）；嶺南師范學(xué)院校級(jí)青年項(xiàng)目資助（QL1503）

作者介紹：莫遠(yuǎn)東（1988-），男，廣東湛江人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：特種加工，超精密加工技術(shù)等；于兆勤（1960-），男，山東招遠(yuǎn)人，博士研究生，教授，主要研究方向：特種加工，超精密加工技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)等。