关于椭圆形超声工具夹持器高效非接触式能量传输方法的研究

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Research on an Efficient Noncontact Power Transfer Method for Elliptical Ultrasonic Tool Holders

研究提出并实验验证了采用双通道旋转变压器实现非接触电力传输的椭圆超声振动辅助铣削工具 holder（EUTH），解决了传统导电滑环限制转速的问题。通过有限元分析优化椭圆超声换能器的模态特性、阻抗匹配及温度漂移特性，结合补偿电路设计，开发基于Class D放大器的双通道超声发生器（DCUG）与模糊PID算法实现自动共振频率跟踪，实验表明系统在低于40kHz时输出电压达300Vp-p，X/Y方向振幅均约20μm，验证了非接触传输方案的有效性。

　　

摘要：

椭圆形超声工具夹具（EUTH）是椭圆形超声振动辅助铣削中的关键核心部件。传统的EUTH使用导电滑环进行能量传输，这严重限制了铣削速度。本研究探讨了一种高效的非接触式能量传输方法，采用双通道旋转变压器替代导电滑环。电能通过旋转变压器的初级侧和次级侧之间的空气耦合进行传输，这种无摩擦的能量传输方式消除了对铣削速度的限制。通过建立椭圆形超声换能器的有限元模型，分析了其模态形状、阻抗以及共振频率随温度的变化特性，从而确定了换能器的共振频率、振动幅度和节点位置。旋转变压器采用高磁导率、低电导率的铁氧体材料制成，以减少涡流损耗。同时建立了EUTH的等效电路模型，并设计了补偿电路以提高非接触式能量传输的效率。开发了一种双通道超声发生器（DCUG），该发生器使用D类放大器，能够调节电压幅度、相位和频率。实现了基于模糊PID算法的自动共振频率跟踪功能。最后，搭建了一个铣削平台进行椭圆形超声振动辅助铣削实验，其中DCUG驱动EUTH。实验结果表明，在40 kHz以下频率范围内，双通道超声发生器的最大驱动电压可达300 Vp-p，工具尖端在X轴和Y轴方向的振动位移均约为20 μmp-p。输出电流幅度保持稳定，系统在铣削过程中能够自动跟踪EUTH的共振频率。这种方法为...

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引言

随着硬质和脆性复合材料在航空航天及精密仪器等领域的广泛应用，椭圆形超声振动辅助铣削技术因其在加工这些材料时能够显著降低切削力并提高工件表面质量而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。然而，传统的椭圆形超声工具夹具（EUTH）[5]仍依赖导电滑环进行摩擦式能量传输。过高的旋转速度会导致滑环快速磨损和失效。因此，能够实现非接触式能量传输的双通道旋转变压器[6]已成为高速旋转应用的关键解决方案。该非接触式超声辅助铣削系统由双通道超声发生器（DCUG）和EUTH组成。EUTH包括椭圆形超声换能器（以下简称换能器）以及旋转变压器。系统的工作原理是：旋转变压器的初级侧接收DCUG产生的双通道交流（AC）电压信号，这些信号通过空气间隙传递到连接到换能器的次级侧，使换能器的工具尖端产生可变的椭圆形振动轨迹，从而实现辅助铣削。