超磁致伸缩超声振动系统的机电转换效率研究

为提高超声振动系统的能量转换效率和功率容量,提出超磁致伸缩超声振动系统的设计方法,研究导磁体材料特性对超声系统振动性能的影响规律。采用硅钢、铁氧体和磁粉心三种磁性材料设计导磁体,并建立超声振动系统的等效电路模型;通过阻抗分析建立3种超声振动系统的阻抗圆曲线,得到谐振频率和机电转换系数等参数,提出导磁材料特性对系统机电能量转换效率的影响规律。为验证阻抗分析结果的正确性,试验测定3种超声系统在不同电压幅值激励下的振幅-电流灵敏度与频率的关系曲线,验证导磁材料参数与系统机电能量转换效率之间的关系。结果表明:高磁导率铁氧体材料可提高超声振动系统在小功率工作条件下的机电能量转换效率,而对于大功率超声振动系统而言,需要兼顾磁导率和饱和磁通密度,使导磁体工作于非磁饱和状态,以提高系统换能效率,这有助于指导不同功率大小超声振动系统的导磁体材料选择。

两级阶梯形变幅杆设计及优化

基于ANSYS workbench多目标驱动优化模块对两级阶梯形变幅杆进行优化设计。基于解析法设计两级阶梯形变幅杆,建立参数化变幅杆模型;在静力学分析基础上对变幅杆进行模态、谐响应分析。通过52个设计点仿真分析获得谐振频率、放大系数、最大应力与变幅杆结构尺寸关系,并优化变幅杆尺寸。研究表明,变幅杆谐振频率小于理论设计频率,振幅放大系数小于理论值,超声能量损耗较大。优化所得变幅杆的谐振频率接近理论设计频率,提高放大系数。为大功率、大振幅的超声变幅杆优化设计提供新的设计、优化思路。

超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究

为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。

压电陶瓷驱动快刀机构的性能影响规律实验研究

介绍了一种自主构建的快刀机构,并基于该机构进行了大量的实验研究,获得了一些影响快刀机构性能的影响规律,包括预紧力、偏置电压、驱动频率对压电陶瓷灵敏度的影响;快刀机构的系统刚度影响规律;系统位移的传递规律;铰链刚度对传递效率的影响等。

GMM旋转超声加工系统的部分耦合式非接触电能传输设计与补偿

非接触电能传输是旋转超声加工系统的重要组成部分。对于传统的完全耦合式非接触电能传输系统,完整的原边磁芯与自动换刀系统结构上的干涉影响了超声刀柄的自动换刀。建立了部分耦合式非接触电能传输模型,依据模型设计出电能传输的原、副边结构和线圈参数,并对其进行了电学仿真。为提升电能传输的效率,对部分耦合式非接触电能传输的电学补偿进行了研究。针对一种使用超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)的旋转超声加工系统,结合其电学特性设计出电路补偿网络,试验验证了部分耦合式电能传输及其补偿的有效性。研究表明,由于结构问题造成原、副边线圈间的漏磁较多,部分耦合式的电能传输效率和系统输出振幅均稍小于全耦合式的电能传输方式,但是通过合理的电学补偿方式完全可以满足超声加工的要求。对于GMM旋转超声加工系统,采用单边串联补偿方式能够在简化系统设计的同时,保证较高的电能传输能力。

基于非定常机电转换系数的超磁致伸缩换能器输出振幅模型

为实现对超磁致伸缩超声换能器输出振幅的准确预测,由换能器的等效电路推导得到输出振幅模型,并通过阻抗分析辨识出模型中的等效参数。为提高模型的准确性,研究了激励信号的频率和电压幅值对机电转换系数的影响。通过实验建立机电转换系数与激励频率的关系曲线,插值得到不同频率激励下换能器的机电转换系数,由振幅模型得到换能器输出振幅与激励电流幅值的关系曲线。结果表明:基于阻抗分析结果建立的振幅模型能够较准确地预测换能器在谐振状态下的输出振幅,验证了振幅模型的正确性。基于插值法得到的振幅-电流幅值曲线与实验结果一致,验证了所建立的机电转换系数与激励频率之间关系的正确性,提高了振幅模型在不同频率下的准确性。