磁致伸缩式高频换能器关键技术研究
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• 1、 基于移相控制方式的方波逆变器 • 特点：结构简单控制方便来源于感应加热技术，可方便实 现PFM以及锁相控制。
研究方案以及技术路线--电源方案
• 2、三电平逆变器
研究方案以及技术路线--电源方案
• 纯正正弦波逆变
研究方案以及技术路线--电源方案
• 4、高频链电流源正弦波逆变器
研究方案以及技术路线--电源方案
磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念
• • • • • • • 按材料分： 1、压电材料换能器 2、磁致伸缩换能器 按工作频率分： 低频（1~几百Hz）换能器 中频（几kHz~十几kHz）换能器 高频/超声（20kHz）换能器
磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念
•
低频
声呐
中频
声音放大 装置 震动研磨 装置 焊接装置
频率范围（Hz） 最大输出力（N） 温度范围（℃）
DC~2500 1100 -20~100
目前国内外研究及应用现状
• 其它相关研究及应用
高频换能器的关键技术
具有良好高频性能的磁致伸缩材料 的研究、制备以及加工工艺 具有良好机械输出性能的换能器磁路 及机械结构设计 高频换能器驱动电源及控制技术
高 频 换 能 器
高频换能器的关键技术
材料 1、工作频率（最终目标能达到20kHz以上。） 2、磁致伸缩（在高频下仍能产生有效的磁致伸缩） 3、涡流损耗（涡流损耗小） 4、机械性能 磁路与机械结构 1、磁场设计（交流磁场的设计，偏执磁场的设计、磁场 的强度，均匀性，设计与仿真） • 3、机械结构（壳体结构） • 4、散热 • • • • • • •
磁致伸缩式高频换能器 关键技术研究
--方案汇报
汇报人：赵冉
主要内容
• • • • • 1、磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念 2、目前国内外研究及应用现状 3、高频换能器的关键技术 4、研究方案以及技术路线 5、项目推进的主要时间节点
磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念
• 基本概念 • 换能器：实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换 为另一种形式的能量的装置称为换能器，也称有源传感器。 • 磁致伸缩换能器：采用TbDyFe,FeGa,FeNi等具有磁致伸 缩效应作为驱动核心的换能器。 • 性能参数：共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效 率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射 及接收灵敏度等。
DSP控制单元
电流反馈 IGBT驱 动模块 逆变
三相整流 U V W
电压反馈
Z
直流变换
研究方案以及技术路线--电源方案
• 锁相技术
研究方案以及技术路线--电源方案
• 电容主动补偿技术
f
1 2 LC
C
f
项目推进的主要时间节点
2014.11~2015.1 逆变器硬件开发与实验 2015.3~2015.8 驱动电源最终完成 2015.9~2016.1 仿真，实验，磁路与机械结构设计 2016.3~2016.8 标准件--高频磁致伸缩样机完成
Flextensional Under Water Acoustic Transducer
Down Hole Acoustic Transducer used in Oil Exploration
目前国内外研究及应用现状
hydraulic valve driver
Terfenol-D driven hydraulic pump
±2.0
4.8 32 88 125
Cup Yoke式执行器
目前国内外研究及应用现状
• Moritrix-schott 日本肖 特公司产品
品名 MO-24BR
AC 入力電圧(V)
入力周波数(Hz) 出力電流(A) 出力電圧(V) 出力帯域幅 過電流保護(A) 加熱保護(℃) 外形高さ(mm) 横幅(mm) 奥行き(mm) 重量(kg)
震动时效装置及其 控制电源
目前国内外研究及应用现状
• 甘肃天星公司产品
震动焊接设备
目前国内外研究及应用现状
• 甘肃天星公司产品
精密致动器
TXAC50A/B 最大位移（μm） (±25)/50 TXTXAC100A/B AC150A/B (±50)/10 0 DC~2500 1100 -20~100 (±75)/150 (±100)/200 DC~2500 1100 -20~100 DC~2500 1100 -20~100 (±125)/25 0 DC~2500 1100 -20~100 TXAC200A/B TXAC250A/B
80
50, 60 ±3(リミッターによ り制限) 0～40 アクチュエータの駆 動電流に依存 ＜±3 ＞50 133 215 330 約5.5
入力制御電圧(V) ±5
目前国内外研究及应用现状
• Moritrix-schott 日本肖 特公司产品
震动发电机
目前国内外研究及应用现状
• 甘肃天星公司产品
• 两阶段
PS-PWM 逆变器
高频链电流源 正弦波 逆变器
研究方案以及技术路线--电源方案
工作原理
1、频率调节利 用逆变部分实现。 2、电流幅值调 节利用直流变换 部分实现 技术参数 1、输出功率 500VA~3kVA 2、频率调节DC25kHz 3、输出电压 Vmax 300V 4、输出电流 Imax 10A
目前国内外研究及应用现状
Etrema 公司系列产品
目前国内外研究及应用现状
• CU18A Ultrasonic Actuator
The CU18A is a magnetostrictive transducer that can supply vibrations up to 20 kHz. An internal thermal monitor protects the drive coil from overheating by limiting the current driven into the transducer. The transducer can be driven by any low impedance power amplifier including linear and switching power amplifier topographies.
目前国内外研究及应用现状
• AC Power Supply
目前国内外研究及应用现状
• Moritrix-schott 日本肖 特公司产品
品名 MA25／ 6-ac 20 MA50／ 6-ac 40 460
最大変位 （µm）
460 ブロックド フォース（N）
入力電流（A） ±2.0
DC抵抗（Ω） 2.5 外筒半径 *D+(mmΦ) 外筒高 [L1](mm) 最大高 [L2](mm) 32 79 96
研究方案以及技术路线
压电换能器
材料
电源
散热
时 间 磁路与机械设计
自感知
现有 磁致伸缩换能器
频率
研究方案以及技术路线
• • • • • 电源方案 1、 基于移相控制方式的方波逆变器 2、三电平逆变器 3、纯正正弦波逆变器 4、高频链电流源正弦波逆变器
• 难度由低到高
研究方案以及技术路线--电源方案
高频
超声焊接 装置
震动时效 装置 震动发电 装置
超声清洗 装置 超声乳化、 雾化装置
目前国内外研究及应用现状
Serials prodcuts from Active Signal Technology.
The WQC-6,a communications transducer for TrΒιβλιοθήκη Baidudent Submarines, was designed and built for the Navy Noise Augmentation (NAU) applications
研究方案以及技术路线
• • • • • 电路及控制 1、频率可变的正弦交流电流源（1~20kHz以上) 2、阻抗匹配（寻找磁致伸缩执行器的谐振点） 3、主动电容补偿技术（提高电源驱动能力以及电源效率） 4、控制（自感知技术：温度，磁场，位移）
• 技术难点：电流跟踪控制，宽范围的频率调节，负载为大 感性负载，电源效率低
研究方案以及技术路线--电源方案
• 2、三电平逆变器
研究方案以及技术路线--电源方案
• 纯正正弦波逆变
研究方案以及技术路线--电源方案
• 4、高频链电流源正弦波逆变器
研究方案以及技术路线--电源方案
磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念
• • • • • • • 按材料分： 1、压电材料换能器 2、磁致伸缩换能器 按工作频率分： 低频（1~几百Hz）换能器 中频（几kHz~十几kHz）换能器 高频/超声（20kHz）换能器
磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念
•
低频
声呐
中频
声音放大 装置 震动研磨 装置 焊接装置
频率范围（Hz） 最大输出力（N） 温度范围（℃）
DC~2500 1100 -20~100
目前国内外研究及应用现状
• 其它相关研究及应用
高频换能器的关键技术
具有良好高频性能的磁致伸缩材料 的研究、制备以及加工工艺 具有良好机械输出性能的换能器磁路 及机械结构设计 高频换能器驱动电源及控制技术
高 频 换 能 器
高频换能器的关键技术
材料 1、工作频率（最终目标能达到20kHz以上。） 2、磁致伸缩（在高频下仍能产生有效的磁致伸缩） 3、涡流损耗（涡流损耗小） 4、机械性能 磁路与机械结构 1、磁场设计（交流磁场的设计，偏执磁场的设计、磁场 的强度，均匀性，设计与仿真） • 3、机械结构（壳体结构） • 4、散热 • • • • • • •
磁致伸缩式高频换能器 关键技术研究
--方案汇报
汇报人：赵冉
主要内容
• • • • • 1、磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念 2、目前国内外研究及应用现状 3、高频换能器的关键技术 4、研究方案以及技术路线 5、项目推进的主要时间节点
磁致伸缩换能器的基本原理、相关概念
• 基本概念 • 换能器：实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换 为另一种形式的能量的装置称为换能器，也称有源传感器。 • 磁致伸缩换能器：采用TbDyFe,FeGa,FeNi等具有磁致伸 缩效应作为驱动核心的换能器。 • 性能参数：共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效 率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射 及接收灵敏度等。
DSP控制单元
电流反馈 IGBT驱 动模块 逆变
三相整流 U V W
电压反馈
Z
直流变换
研究方案以及技术路线--电源方案
• 锁相技术
研究方案以及技术路线--电源方案
• 电容主动补偿技术
f
1 2 LC
C
f
项目推进的主要时间节点
2014.11~2015.1 逆变器硬件开发与实验 2015.3~2015.8 驱动电源最终完成 2015.9~2016.1 仿真，实验，磁路与机械结构设计 2016.3~2016.8 标准件--高频磁致伸缩样机完成
Flextensional Under Water Acoustic Transducer
Down Hole Acoustic Transducer used in Oil Exploration
目前国内外研究及应用现状
hydraulic valve driver
Terfenol-D driven hydraulic pump
±2.0
4.8 32 88 125
Cup Yoke式执行器
目前国内外研究及应用现状
• Moritrix-schott 日本肖 特公司产品
品名 MO-24BR
AC 入力電圧(V)
入力周波数(Hz) 出力電流(A) 出力電圧(V) 出力帯域幅 過電流保護(A) 加熱保護(℃) 外形高さ(mm) 横幅(mm) 奥行き(mm) 重量(kg)
震动时效装置及其 控制电源
目前国内外研究及应用现状
• 甘肃天星公司产品
震动焊接设备
目前国内外研究及应用现状
• 甘肃天星公司产品
精密致动器
TXAC50A/B 最大位移（μm） (±25)/50 TXTXAC100A/B AC150A/B (±50)/10 0 DC~2500 1100 -20~100 (±75)/150 (±100)/200 DC~2500 1100 -20~100 DC~2500 1100 -20~100 (±125)/25 0 DC~2500 1100 -20~100 TXAC200A/B TXAC250A/B
80
50, 60 ±3(リミッターによ り制限) 0～40 アクチュエータの駆 動電流に依存 ＜±3 ＞50 133 215 330 約5.5
入力制御電圧(V) ±5
目前国内外研究及应用现状
• Moritrix-schott 日本肖 特公司产品
震动发电机
目前国内外研究及应用现状
• 甘肃天星公司产品
• 两阶段
PS-PWM 逆变器
高频链电流源 正弦波 逆变器
研究方案以及技术路线--电源方案
工作原理
1、频率调节利 用逆变部分实现。 2、电流幅值调 节利用直流变换 部分实现 技术参数 1、输出功率 500VA~3kVA 2、频率调节DC25kHz 3、输出电压 Vmax 300V 4、输出电流 Imax 10A
目前国内外研究及应用现状
Etrema 公司系列产品
目前国内外研究及应用现状
• CU18A Ultrasonic Actuator
The CU18A is a magnetostrictive transducer that can supply vibrations up to 20 kHz. An internal thermal monitor protects the drive coil from overheating by limiting the current driven into the transducer. The transducer can be driven by any low impedance power amplifier including linear and switching power amplifier topographies.
目前国内外研究及应用现状
• AC Power Supply
目前国内外研究及应用现状
• Moritrix-schott 日本肖 特公司产品
品名 MA25／ 6-ac 20 MA50／ 6-ac 40 460
最大変位 （µm）
460 ブロックド フォース（N）
入力電流（A） ±2.0
DC抵抗（Ω） 2.5 外筒半径 *D+(mmΦ) 外筒高 [L1](mm) 最大高 [L2](mm) 32 79 96
研究方案以及技术路线
压电换能器
材料
电源
散热
时 间 磁路与机械设计
自感知
现有 磁致伸缩换能器
频率
研究方案以及技术路线
• • • • • 电源方案 1、 基于移相控制方式的方波逆变器 2、三电平逆变器 3、纯正正弦波逆变器 4、高频链电流源正弦波逆变器
• 难度由低到高
研究方案以及技术路线--电源方案
高频
超声焊接 装置
震动时效 装置 震动发电 装置
超声清洗 装置 超声乳化、 雾化装置
目前国内外研究及应用现状
Serials prodcuts from Active Signal Technology.
The WQC-6,a communications transducer for TrΒιβλιοθήκη Baidudent Submarines, was designed and built for the Navy Noise Augmentation (NAU) applications
研究方案以及技术路线
• • • • • 电路及控制 1、频率可变的正弦交流电流源（1~20kHz以上) 2、阻抗匹配（寻找磁致伸缩执行器的谐振点） 3、主动电容补偿技术（提高电源驱动能力以及电源效率） 4、控制（自感知技术：温度，磁场，位移）
• 技术难点：电流跟踪控制，宽范围的频率调节，负载为大 感性负载，电源效率低