一种宽频压电振动能量采集器的解析模型与试验研究

为提高单频压电振动能量采集器的能量转换效率和工作频带,以带有弹性放大器的宽频压电悬臂梁振动能量采集器为研究对象,提出一种改进的集总参数机电耦合解析模型,通过引入参数修正因子和考虑悬臂梁的振型信息,利用能量守恒原理和曲线拟合方法确定解析模型的等效参数,并根据力学、电学平衡原理建立系统的运动控制方程、频率特性方程和电功率输出表达式;仿真分析能量采集器质量比、刚度比、阻尼比以及负载电阻等对系统振动特性、电输出特性及负载特性的影响;研制宽频压电悬臂梁振动能量采集器原理样机,搭建试验系统,对解析模型进行验证。结果表明:增大弹性放大器与压电悬臂梁的刚度比和质量比以及减小弹性放大器与压电悬臂梁的阻尼比可以提高能量采集器的转换效率和工作频带。     

多场耦合多方向振动俘能器建模及响应分析

针对多方向振动俘能器对低频、低幅值激励的响应输出性能低等问题,在振动俘能结构中引入非线性磁吸力,提高俘能器的响应频带和能量转换效率。研究了非线性磁振子模型,建立了基于广义Hamilton变分原理的横、纵向振动系统机电耦合模型,对系统动力学方程进行无量纲化并数值求解。搭建了振动俘能器性能测试平台,开展了多场耦合振动俘能器频谱特性及响应输出的分析实验。结果表明,引入磁铁可显著提高系统能量转换效率,当磁铁间距15mm、激励幅值0.5m/s~2时,相比无磁力输入的情况,系统响应电压提高了6倍左右,谐振频率从18Hz降至9.5Hz左右,解决了压电俘能器频带窄、响应频率高及输出电压低等问题。     

摆动式电磁能量收集装置的设计与仿真

为了实现无线传感网络节点的自供电,提出一种摆动式电磁振动能量收集装置。经Ansoft Maxwell静态仿真,分析装置气隙宽度、导磁材料相对磁导率和摆动磁轭磁齿的厚度对铁芯中磁感应强度的影响,得出参数的优化值。动态仿真显示装置在1 Hz摆动下,可产生感应电动势为2.24 V,最大有效功率为103.2 mW。该装置很适合为无线网络节点供电。     

双线圈超磁致伸缩换能器三维磁场分析与优化

针对超磁致伸缩换能器工作性能以及磁场环境问题,对超磁致伸缩换能器磁场强度、漏磁以及超磁致伸缩材料(GMM)棒磁场均匀率进行了研究,并基于GMM设计了一种双线圈换能器。在分析了GMM特性以及超磁致伸缩换能器工作原理的基础上,提出了以增大GMM棒磁场强度、减少漏磁和提高磁场均匀率为设计原则,将GMM棒轴线方向上磁场强度作为评价标准,采用COMSOL Multiphysic有限元仿真软件对双线圈超磁致伸缩换能器进行三维磁场仿真,分析了超磁致伸缩换能器在工作过程中上下导磁体和导磁回路的结构参数对磁场均值大小和磁场均匀率大小的影响规律。研究结果表明:随着导磁体半径的增加,GMM棒磁场均匀率先增加然后增幅缓慢趋于平衡,磁场均值先不变,然后大幅降低;随着导磁回路相对磁导率增加,GMM棒磁场强度均值大幅增加,当相对磁导率达到1 500时,磁场强度均值基本趋于平衡,经过优化,磁场均匀率从59.7%提高到90.5%,增幅为30.8%。     

微波加热Mn-Zn铁氧体粉末压坯的微观机制及特点分析

采用频率为2.45 GHz的微波对Mn-Zn铁氧体粉末压坯进行加热,详细探讨微波加热过程微波场与电介质作用的微观机制以及软磁铁氧体在微波场中的电、磁损耗机理;探讨Mn-Zn氧体粉末压坯在微波场中加热的特点以及微波场E、磁导率μi、介电常数εr等对微波加热温度的影响。Mn-Zn铁氧体是磁性混合介质,在微波场中被加热的根本原因是Mn-Zn铁氧体粉末压坯在微波场作用下,微波电磁能以损耗的方式转化为热能对材料进行加热,这种损耗主要是介电损耗、磁损耗;影响损耗的主要电场因素包括微波电磁场的强度和频率,在特定频率(2.45 GHz)的微波场中,微波功率是Mn-Zn铁氧体加热烧结温度的主要影响因素,功率改变,加热烧结曲线随着变化;影响损耗的材料因素主要是磁导率μi、介电常数εr,两者随温度、频率变化。     

压电分流阻尼控制悬臂梁振动的参数优化分析

采用阻抗分析技术,根据压电材料的机电耦合特性和RLC电路的电学阻抗特性,详细推导了RLC串联压电分流阻尼系统的机械阻抗特性,研究了作单模态振动的悬臂梁在粘贴压电片后形成的压电悬臂梁系统的位移传递函数特性。借助于调谐质量阻尼减振理论,进行了压电分流阻尼系统的参数优化分析,并通过算例验证了参数优化前后压电分流阻尼系统对悬臂梁振动的被动控制效果。     

复合L形宽频压电悬臂梁的建模与仿真

为提高单频压电悬臂梁的振动能量采集转换效率,提出一种复合L形压电悬臂梁的宽频拓展技术,通过在单频压电悬臂梁水平结构中增加一个辅助垂直悬臂梁,组成L形压电悬臂梁,通过控制L形压电悬臂梁的结构和材料参数使悬臂梁的2阶模态频率为1阶模态频率的2倍,将1阶、2阶模态频率串联起来形成一个宽频的谐振带。利用拉格朗日方程和模态假设法建立了L形压电悬臂梁的频率方程和振动方程,通过数值仿真分析了L形压电悬臂梁结构和材料参数对其频率特性和振动特性的影响,并确定了系统的最佳结构和材料参数,实例验证了悬臂梁宽频拓展方法的正确性。     

气浮负载匹配的超声微细孔加工影响因素研究

为探究加载力、超声功率百分比等因素对硬脆材料的旋转超声微细孔加工质量与效率的影响,采用正交试验设计法设计试验方案,以铁氧体和石英玻璃为工件材料,运用超声加工系统和具有加载力控制功能的气浮负载匹配系统进行旋转超声微细孔加工试验。分析并比较加载力、超声功率百分比、游离磨料等参数对不同材料加工后的微细孔直径和孔深的影响规律。试验结果表明,加载力过大会导致加工效率较低;加工过程中能量输入以声能为主;超声的影响区域略大于刀具本体;过大地游离磨料颗粒不易进入加工区域,过小颗粒无法携带足够能量,所以游离磨料直径过大或过小都会导致加工质量和效率都较低。     

超磁致伸缩功率超声换能器振动系统分析

稀土超磁致伸缩材料（GMM）是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有磁致伸缩应变大、磁机耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优异特性,已在机电领域显示出良好的应用前景。介绍了超磁致伸缩功率超声换能器的结构以及工作原理,利用有限元方法建立了换能器的振动模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,其数学模型与ANSYS仿真表明所建立的仿真模型可以反映出换能器结构与谐振频率之间的关系。结果表明该方法是可行的,开辟了求解磁致伸缩问题的新思路。     

基于并联谐振匹配的超声电机阻抗特性

针对目前对超声电机及其驱动系统的阻抗特性测试均局限于单定子和低电压的现状,提出了超声电机及驱动器组成的并联等效电路整体模型,通过电学仿真得到机电系统的阻抗特性。通过傅里叶分解的方法对电机驱动电压和驱动电流信号进行处理,得到超声电机实际工作中的阻抗特性。通过仿真分析和实验可知:机电系统随着驱动频率的降低,阻抗呈单调增大的趋势,同时电机负载扭矩(小于额定扭矩)越大,系统阻抗越小;机电系统谐振匹配频率越小,系统阻抗越小,同时谐振匹配点越靠近电机共振频率,系统阻抗模随着驱动频率的减小,增大得越快。最后,通过机电系统阻抗特性提出超声电机实际工作的理想频率和驱动器的谐振匹配频率均应略大于电机共振频率的频率点。     

A high-voltage pulse transformer with a modular ferrite core

A high ratio (winding ratio of 1:80) pulse transformer with a modular ferrite core was developed for a repetitive resonant charging system. The magnetic core is constructed from 68 small blocks of ferrites, glued together by epoxy resin. This allows a high degree of freedom in choosing core shape and size. Critical issues related to this modular design are the size tolerance of the individual ferrite blocks, the unavoidable air gap between the blocks, and the saturation of the core. To evaluate the swing of the flux density inside the core during the charging process, an equivalent circuit model was introduced. It was found that when a transformer is used in a resonant charging circuit, the minimal required volume of the magnetic material to keep the core unsaturated depends on the coupling coefficient of the transformer and is independent of the number of turns of the primary winding. Along the flux path, 17 small air gaps are present due to the inevitable joints between the ferrite blocks. The total air gap distance is about 0.67 mm. The primary and secondary windings have 16 turns and 1280 turns, respectively, and the actually obtained ratio is about 1:75.4. A coupling coefficient of 99.6% was obtained. Experimental results are in good agreement with the model, and the modular ferrite core works well. Using this transformer, the high-voltage capacitors can be charged up to more than 70 kV from a low-voltage capacitor with an initial charging voltage of about 965 V. With 26.9 J energy transfer, the increased flux density inside the core was about 0.23 T, and the core remains unsaturated. The energy transfer efficiency from the primary to the secondary was around 92%.     

大振幅电磁振动机械的电磁分析

大振幅电磁振动机械是运行在机电共振状态并能实现大振动位移的振动系统，分析大振幅电磁振动机械的电磁关系是对电磁振动机械进行结构参数优化设计的基础。为了获得大振幅电磁振动机械的电磁物理关系，依据大振幅电磁振动机械的磁路模型，利用等效磁路分析方法，详细推导了气隙磁通与电流的关系、电磁力和电流有效值，最后验证了等效磁路分析方法的正确性。     

超声换能器过固有谐振区匹配理论

超声压电换能器是一个能量转换系统,在超声波振动加工中将超声波电源输出的电能转换为机械振动,由于超声压电换能器是一个容性负载,为保证超声电源输出的电能有效地转换为超声压电换能器的机械振动,需要在超声电源和超声压电换能器之间加一个适当大小的电感进行匹配,但超声压电换能器又是一个强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗特性以及机械振动特性差别显著,因此如何将超声压电换能器匹配在一个恰当的工作频率,是提高振动加工质量的关键.通过正确选取超声压电换能器的等效电路模型,并对由此推导出的阻抗圆进行深入分析、研究,可以得出:如将换能器工作频率匹配在大于其内部固有谐振频率的某一频段,可以使换能器振幅最大,振动波形质量也最好,是换能器的最佳工作频段,从而提出超声压电换能器"过固有谐振区"匹配理论.试验结果证明该理论正确.     

超声振动改善气体介质电火花加工的机理研究

提出了超声振动-气体介质电火花复合加工技术,在简述其加工原理的基础上分析了超声振动在改善气体介质电火花加工中的作用,以及相关的理论机理。实验结果表明,附加超声振动能改善放电间隙状态,减少短路、拉弧现象,提高了材料的去除率。进行了超声振动-气体介质电火花加工单脉冲实验设计。     

Characteristics of chip generation by ultrasonic vibration cutting with extremely low cutting velocity

Recently, mirror-surface machining of brittle materials such as ferrite, glass, and optical plastics has become more important, as these materials are used in optical communications and precision devices. Non-ferrous metals such as aluminium and copper were readily turned with diamond tools, but as the need for both infra-red and reflective optics escalated, the need to machine brittle materials arose. In this paper, ultrasonic vibration cutting at 20 kHz at extremely low cutting velocity for the precision machining of brittle plastics used for optical lenses is suggested and tested. The mechanism of chip generation, and characteristics of surfaces in the ductile mode, machined by ultrasonic vibration cutting are investigated. As a result, when micro cutting by ultrasonic vibration, it was confirmed that the chips generated by ductile mode cutting are obtained at 1/40 of the critical cutting velocity of the ultrasonic vibration cutting system, which is an extremely low cutting velocity.     

电感电压部分补偿交流功率法测量磁心损耗研究

磁性元件作为功率变换器的重要组成部分,其磁心损耗的精确测量对磁性元件的优化具有重要意义。为了提高传统双绕组交流功率法测量高频激磁磁心损耗的测量精度,本文详细分析电感电压补偿交流功率法的测量原理及其误差来源,基于电感电压补偿交流功率法在非完全补偿的情况下测量高阻抗角磁性元件磁心损耗时误差仍很大的问题,本文提出了电感电压部分补偿交流功率法精确测量任意波形激励下的磁性元件磁心损耗。最后建立测量平台,在非完全补偿条件下,该方法测量50 kHz正弦波激磁的金属磁粉芯磁心损耗的最大相对误差为13.54%,50 kHz矩形波激磁的金属磁粉芯磁心损耗的最大相对误差为9.8%,实验验证该方法可精确测量正弦波激磁和方波激磁的高阻抗角金属磁粉芯的磁心损耗。     

变幅杆连接工艺对旋转超声加工质量影响的研究

超声旋转加工是一种适用于脆硬材料加工的新技术,它强化了原加工过程,其加工效率随着材料脆性的增大而提高,实现了低耗能的目标。在超声旋转加工中,超声加工工具与变幅杆的连接对超声振动共振频率和超声波加工性能有很大影响。本文在深入研究旋转超声加工基本原理的基础上,分析了旋转超声加工时能量传递系统的关键制件-变幅杆和工具杆对超声加工精度的影响,并对变幅杆和工具杆制造工艺及连接的方法进行了初步研究。     

Nd-Fe-B 永磁体材料的金刚石工具套料加工

对Nd-Fe-B烧结永磁体材料的金刚石工具套料钻削加工进行了比较详细的研究。实验结果表明,在选择合适的进给压力和充分冷却的条件下,应尽量提高金刚石工具的转速,以便获得较高的加工效率、加工精度和加工表面质量。如果套料加工的工件厚度较大,必须认真考虑排屑问题。     

铁磁性构件缺陷的脉冲涡流检测传感机理研究

铁磁性构件的脉冲涡流检测法是一种融合了漏磁检测与涡流检测的新的复合磁传感检测法。建立了脉冲涡流复合传感有限元仿真模型,仿真分析了铁磁性构件电导率、磁导率和导入直流电流激励大小对脉冲涡流响应信号的影响规律。实验结果表明:随着导入直流电流激励增加,铁磁性构件表面缺陷漏磁场和电流密度引起扰动磁场的复合场对脉冲涡流响应信号的影响更显著,而铁磁构件亚表面埋藏缺陷随着缺陷深度的增大而增大,缺陷漏磁及电流扰动磁场的复合场对脉冲涡流响应信号的影响变小,涡流响应信号占主导地位,为脉冲涡流传感器设计奠定理论基础。     

Research on unbounded abrasive polishing process with assisted ultrasonic vibration of workpiece

Ultrasonic-assisted machining was an effective method to improve the material removal quality especially to difficult-to-cut metal materials. The ultrasonic vibration was usually superimposed on the machining tool but seldom on the workpiece, although the ultrasonic vibration of workpiece could improve the processability of material more effectively. In this paper, a rectangle hexahedron ultrasonic sonotrode with optimized slots was developed as a platform to realize the assisted ultrasonic vibration of workpiece and the ultrasonic-assisted polishing process of austenitic stainless steel was also studied. The unbounded abrasive was selected as polishing medium, and the path compensation strategy of soft polishing tool was carried out for getting uniform polishing force. The orthogonal experiments were designed to study the optimization of ultrasonic polishing parameters and the relation between different types of ultrasonic polishing path and polishing quality. The results appear that the horizontal ultrasonic vibration of workpiece can reduce polishing force and improve polished surface roughness, which can also reinforce the proportion of plastic shear effect in the material removal process. The ultrasonic polishing path keeping consistent with workpiece vibration direction can get more uniform polishing force and better surface roughness. And the 45° oblique crossing ultrasonic path can get the maximum average polishing force reduction by 75.2 %.