用式（1)-(5)表示， 因此圖3可以簡化成圖4所示。
[0057] 為了獲得最大的電聲轉化效率和振幅，超聲振子一般工作在其機械諧振頻率處 (?s)：
[0058] =1/sjLtCt (6)
[0059] 將式（6)帶入式（4)和（5)，可得到諧振頻率下超聲振子的等效電阻和電抗：
[0060]
:(7)
[0061] (1)副邊串聯(lián)補償
[0062] 所述副邊補償網(wǎng)絡7是由與副邊線圈4串聯(lián)的補償元件構成，所述補償元件為電 感或電容，如圖5所示為副邊串聯(lián)補償網(wǎng)絡的等效電路圖。
[0063] 副邊電路對主邊的作用可以用反射阻抗Zr來表示，反射阻抗Zr獲得的功率就是 主邊傳輸給副邊的功率。反射阻抗的實部為反射電阻Rr代表主邊傳輸給副邊的有功功率， 反射阻抗的虛部為反射電抗Xr代表主邊傳輸給副邊的無功功率。
[0064] 副邊電路的阻抗Zs可以定義為
[0065]1 =RS+Rt+j(?Ls+Xs+Xc) (8)
[0066] 反射阻抗的表達式為
[0078] 其中：Xs_副邊串聯(lián)補償元件的電抗，Ls_副邊線圈自感，Xt_超聲振子等效電抗， ?-電源輸出信號的角頻率。
[0079]當副邊串聯(lián)補償元件的電抗值Xs滿足公式（14)時，即為實現(xiàn)最大傳輸效率的最 優(yōu)副邊串聯(lián)補償元件電抗，補償元件可能是電感或電容這要由最終的計算結果來確定。Xs =c〇L或-l/c〇C，其中L和C分別是串聯(lián)補償元件的電感值和電容值。
[0080] (2)副邊并聯(lián)補償
[0081] 所述副邊補償網(wǎng)絡7是由與副邊線圈4并聯(lián)的補償元件構成，所述補償元件為電 感或電容，如圖6所示為副邊并聯(lián)補償網(wǎng)絡的等效電路圖。
[0082] 副邊電路的阻抗（Zs)可以定義為
[0083]
('⑴
[0084] 將式（15)帶入式（9)可得
[0085]
[0086] 非接觸電磁耦合器的功率傳輸效率為
[0094] 其中：Bs_副邊并聯(lián)補償元件的電納，電源輸出信號的角頻率，Rp_主邊線圈交 流電阻，Rs_副邊線圈交流電阻，Ls-副邊線圈自感，M-互感，Xt-超聲振子等效電抗，Rt-超 聲振子等效電阻。
[0095]當副邊并聯(lián)補償元件的電納值Bs滿足公式（20)時，即為實現(xiàn)最大傳輸效率的最 優(yōu)副邊并聯(lián)補償元件電納，補償元件可能是電感或電容這要由最終的計算結果來確定。Bs =c〇C或-1/coL，其中L和C分別是并聯(lián)補償元件的電感值和電容值。
[0096] 實施例：
[0097] 下面以圖7所示U型同心磁芯柱面感應電磁耦合器為例，說明補償元件及線圈優(yōu) 化的具體方法，該非接觸電磁耦合器采用錳鋅鐵氧體PC40材料，尺寸參數(shù)見表1，所用換 能器電學參數(shù)見表2。實驗所測量的耦合器線圈自感及交流電阻與線圈匝數(shù)的關系見圖 8-10,線圈之間耦合系數(shù)k見表3。
[0098] 表1U型同心磁芯柱面感應電磁耦合器的尺寸參數(shù)（mm)
[0099]
[0100] 表2超聲振子電學參數(shù)
[0101]
[0102] 表3親合系數(shù)k與線圈匝數(shù)的關系
[0103]
[0104]可見，當采用靠外繞線方式時，即保持主副線圈之間的間隙不變時，耦合器的耦合 系數(shù)也基本保持不變，約為〇. 975。因此依據(jù)實驗測量結果可以擬合出如下線圈自感及交流 電阻與線圈匝數(shù)之間的關系公式
[0107] 耦合器互感的計算公式見（23)
[0108]
(23)
[0109] 將（21)帶入（23)就建立了互感與線圈匝數(shù)之間的關系式，其中，k取0.975,這樣 圖5和圖6中所涉及到的電磁耦合器參數(shù)就都可以用線圈匝數(shù)來表達，式（12)和（18)的 傳輸效率就可以轉化為線圈匝數(shù)的函數(shù)。
[0110] 除了實驗測量法，還可通過理論計算得到耦合器自感、互感及交流電阻與線圈匝 數(shù)之間的關系。理論方法基于下列公式：
[0115] 其中：Np-主邊線圈匝數(shù)，Ns-副邊線圈匝數(shù)，Rmp-主邊磁路磁阻，Rms-副邊磁路 磁阻，k-主副邊之間的耦合系數(shù)，（i>M-耦合磁通，（K-漏磁通，Ra。-線圈交流電阻，Rd。-線圈 直流電阻，nstl-Litz線中單根細線的個數(shù)，dstl-單根細線的直徑（見圖11)，Dutz-Litz線 的總外徑（見圖11)，匕換能器串聯(lián)諧振頻率。
[0116] 磁路的磁阻和耦合系數(shù)可以仿照《中國電機工程學報》第30卷第27期發(fā)表的論 文"新型非接觸變壓器的磁路模型及其優(yōu)化"一文中的方法進行計算。
[0117] 將基于效率的最優(yōu)補償參數(shù)（公式14和20)帶入傳輸效率的表達式（12)和（18)， 即無論線圈匝數(shù)為多少始終保持補償元件為最優(yōu)值。同時，將公式（21) (22) (23)待入輸效 率的表達式（12)和（18)，便可得到傳輸效率與線圈匝數(shù)的關系。如圖12和圖13所示。
[0118] 若設計要求耦合器的傳輸效率在0. 98以上，那么取圖12和圖13中，0. 98等高線 包圍的區(qū)域即可，有多組主副邊匝數(shù)滿足要求，這樣耦合器的設計會更加靈活和易于實現(xiàn)。
[0119] 如電磁親合器阻數(shù)設計為Ns= 8，Np= 60,即Ls= 64. 627yH，Lp= 3. 7mH，M= 478. 27yH。
[0120] 副邊串聯(lián)補償電容431. 33nF，效率為0. 9833。
[0121] 副邊并聯(lián)補償電容60. 61InF，效率為0. 9817。
[0122] 對比例
[0123] 公告號為CN201393181Y，公告日為2010年1月27日的中國實用新型專利《回轉 式非接觸超聲波電信號傳輸裝置》中副邊的補償條件為：
[0124]
(28)
[0125] 對于表2所示換能器，可得Ls= 1.7744iiH，那么根據(jù)式（19)可計算出副邊線圈 匝數(shù)為
[0126]
[0127] 可見耦合器采用磁芯結構是很難得到這么小的自感的。根據(jù)《內(nèi)蒙古師大學報自 然科學（漢文）版》1999年3月第28卷第1期的"單匝線圈電感的計算"，可知對于單匝空 心線圈當其半徑為38mm時，自感約為1. 7744yH。若采用無磁芯的空心線圈，漏磁通會很 大，沒有封閉的磁路，漏磁通會在周圍金屬介質中產(chǎn)生渦流損耗。除了會產(chǎn)生較大的電磁輻 射外，耦合系數(shù)也較低，這反而降低了耦合器的傳輸效率。由下面的傳輸效率計算公式也可 看出，僅僅優(yōu)化副邊自感是不夠的，傳輸效率也與互感系數(shù)有關，互感系數(shù)M越大，傳輸效 率越高，較低的自感會導致較低的互感，反而會降低傳輸效率。
[0128]
[0129] 因此了可以看出，本對比例中，副邊自補償是不適用的。
[0130] 盡管上面結合附圖對本實用新型進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的 【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術 人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這 些均屬于本實用新型的保護之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于效率的非接觸供電超聲振動系統(tǒng)的電路補償網(wǎng)絡，其中的非接觸供電超聲 振動系統(tǒng)包括非接觸電磁禪合器，所述非接觸電磁禪合器包括相互之間存在有間隙的主邊 磁忍（6)和副邊磁忍巧），所述主邊磁忍（6)上纏繞有主邊線圈（3)，所述副邊磁忍（5)上 纏繞有副邊線圈（4)，所述主邊線圈（3)連接有主邊補償網(wǎng)絡（2)，其特征在于，所述副邊線 圈（4)連接有由補償元件構成的副邊補償網(wǎng)絡（7)，超聲電源（1)產(chǎn)生超聲頻交流電，經(jīng)過 所述主邊補償網(wǎng)絡（2)將電能傳遞給主邊線圈（3)，再通過電磁感應原理傳輸給所述副邊 線圈（4)，所述副邊補償網(wǎng)絡（7)將超聲電能傳輸給超聲換能器，超聲換能器做通過逆壓 電效應產(chǎn)生的微小振動經(jīng)變幅桿（9)放大振幅后將振動傳輸給超聲振子。2. 根據(jù)權利要求1所述一種基于效率的非接觸供電超聲振動系統(tǒng)的電路補償網(wǎng)絡，其 特征在于，所述副邊補償網(wǎng)絡（7)是由與副邊線圈（4)串聯(lián)的補償元件構成，所述補償元件 為電感或電容。3. 根據(jù)權利要求1所述一種基于效率的非接觸供電超聲振動系統(tǒng)的電路補償網(wǎng)絡，其 特征在于，所述副邊補償網(wǎng)絡（7)是由與副邊線圈（4)并聯(lián)的補償元件構成，所述補償元件 為電感或電容。4. 根據(jù)權利要求2所述一種基于效率的非接觸供電超聲振動系統(tǒng)的電路補償網(wǎng)絡，其 特征在于，補償元件的電抗?jié)M足下式： Xs=-wLs-Xt 其中：Xs-副邊串聯(lián)補償元件的電抗，Ls-副邊線圈自感，Xt-超聲振子等效電抗，CO-電 源輸出信號的角頻率。5. 根據(jù)權利要求3所述一種基于效率的非接觸供電超聲振動系統(tǒng)的電路補償網(wǎng)絡，其 特征在于，補償元件的電納滿足下式：其中：Bs-副邊并聯(lián)補償元件的電納，電源輸出信號的角頻率，化-主邊線圈交流電 阻，Rs-副邊線圈交流電阻，Ls-副邊線圈自感，M-互感，Xt-超聲振子等效電抗，Rt-超聲 振子等效電阻。
【專利摘要】本實用新型公開了一種謀求實現(xiàn)最大傳輸效率的非接觸供電超聲振動系統(tǒng)的電路補償網(wǎng)絡，包括主邊補償網(wǎng)絡和副邊補償網(wǎng)絡，所述主邊補償網(wǎng)絡連接于超聲波電源與非接觸電磁耦合器主邊線圈之間，用以補償系統(tǒng)無功功率，使電源輸出電壓電流同相位，所述副邊補償網(wǎng)絡連接于非接觸電磁耦合器副邊線圈與超聲振子之間，通過優(yōu)化副邊補償元件參數(shù)，實現(xiàn)最高效率的能量傳輸，所述的補償元件為電感和/或電容。本實用新型可應用于旋轉超聲波加工、超聲波焊接等需要采用非接觸電磁耦合器為超聲振子供電的場合，通過優(yōu)化補償元件參數(shù)實現(xiàn)最高效率的能量傳輸。
【IPC分類】H02J17/00
【公開號】CN204732973
【申請?zhí)枴緾N201520383411
【發(fā)明人】林彬, 朱學明, 劉禮平
【申請人】天津大學
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年6月5日