تصاميم مثبتات المحول

المحول فوق الصوتي هو جهاز تحويل طاقة يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية المُدخلة إلى طاقة ميكانيكية (أي الموجات فوق الصوتية) لنقلها، مع استهلاكه لكمية ضئيلة جدًا من الطاقة.

يقوم المولد فوق الصوتي (المعروف أيضًا باسم مصدر طاقة فوق صوتية) بتحويل التيار الكهربائي 220 فولت تيار متردد إلى تيار عالي التردد، ويتم إرسال هذا التيار إلى السيراميك الكهروإجهادي. ويستخدم السيراميك الكهروإجهادي، الذي يهتز عند الترددات فوق الصوتية، تأثير الكهروإجهاد لتحويل الإشارات الكهربائية إلى اهتزازات ميكانيكية خطية. ومن ثم يتم تضخيم (أو تقليل) هذه الاهتزازات من حيث السعة باستخدام قرون فوق صوتية قبل أن تُنقل إلى رأس الأداة لتشغيلها. وعادةً ما تكون أجهزة التحويل فوق الصوتية على شكلين: أحدهما قائم على التمدد المغناطيسي والآخر على السيراميك الكهروإجهادي. وتستخدم شركتنا بشكل حصري أجهزة تحويل كهروإجهادية.

التمدد المغناطيسي: التأثير الذي تتشوه فيه المواد تحت تأثير مجال مغناطيسي أو تولّد مجالاً مغناطيسياً عندما تشوه. تحتوي هذه المواد عادةً على النيكل، الذي يظهر انكماشاً مغناطيسياً قوياً. تستفيد أجهزة الاستشعار المغناطيسية من مواد مغناطيسية (عادةً ما تكون على شكل طبقات). بسبب التيارات الدوامية، يكون لمحولات الطاقة المغناطيسية خسائر أعلى بشكل عام مقارنةً بمحولات الطاقة الكهروضغطية، مما يستدعي متطلبات أكثر صرامة للتبريد.

تركيب محولات الموجات فوق الصوتية

يتم تصنيع معظم المحولات الكهروضغطية المستخدمة في الموجات فوق الصوتية ذات القدرة العالية بطريقة لانجفين، أي أن واحداً أو أكثر من الخزف الكهروضغطي يتم ضغطها ميكانيكياً (مسبقة الإجهاد) بين سائق أمامي وسائق خلفي.

تتكون المحوّلات فوق الصوتية بشكل رئيسي من عناصر مركزية خزفية كهروإجهادية، وأغطية معدنية أمامية وخلفية، ومسامير مسبقة التحميل، وأوراق قطب كهربائي، وأنابيب عازلة، كما هو موضح في الرسم البياني أدناه. تكاد تكون جميع المحولات الكهروإجهادية المستخدمة في التطبيقات فوق الصوتية من النوع لانجفين (Langevin)، والتي تتضمن ضغطًا ميكانيكيًا (ما قبل الإجهاد) على عنصر أو أكثر من العناصر الخزفية الكهروإجهادية بين سائق أمامي وسائق خلفي.

السائق الخلفي: عنصر أسطواني موجود على الجانب الخلفي من المحول الكهروإجهادي. يكون السائق الخلفي بجانب القطعة الأخيرة من السيراميك الكهروإجهادي، وعادةً ما يطبق ضغطًا أوليًا عبر مسامير متراكمة.

لوح القطب الكهربائي: قرص موصل رقيق يتم وضعه بين السيراميك الكهروإجهادي المتتالي داخل المحول. يتم تطبيق جهد تشغيل المحول عبر هذه الأقطاب الكهربائية.

السائق الأمامي: ينقل الطاقة فوق الصوتية للمحول إلى рожك أو رأس الأداة، وعادةً ما يتضمن السائق الأمامي شفة تركيب لتوصيله بالهيكل.

مسمار مسبق التجهيز: يمر مسمار ذو طية واحدة عبر الثقب المركزي في السيراميك. بعد شد هذا المسمار، سيتم ضغط السيراميك بين السائق الخلفي والمحرك الأمامي، مما يطبق الإجهاد المسبق المطلوب على السيراميك.

السيراميك الكهروإجهادي: السيراميك الكهروإجهادي هو القلب النابض للمحولات، حيث يقوم بتحويل الإشارات الكهربائية الصادرة من المولدات فوق الصوتية إلى اهتزازات ميكانيكية خطية.

قرص سيراميك كهروإجهادي

المكونات الأساسية للمحول

تنقسم المواد الكهروإجهادية عمومًا إلى 'ناعمة' أو 'صلبة'. تُستخدم المواد الكهروإجهادية الصلبة في التطبيقات الكهربائية. هناك نوعان أساسيان من المواد الكهروإجهادية الصلبة، ويشار إليهما عادةً باسم PZT-4 وPZT-8 (حيث يرمز PZT إلى زirconate التيتانيوم الرصاصي، وهو مكوّن السيراميك الكهروإجهادي). جميع محولاتنا تستخدم سيراميك PZT-8. يتمتع سيراميك PZT-8 بمعامل جودة Qm أعلى، ودرجة حرارة تشغيل آمنة أعلى (درجة كوري)، وفقدان عازل أقل (tanδ).

أداء السيراميك الكهروإجهادي تحت ظروف المجال الكهربائي المنخفض

القلب في تصنيع المحولات

بسبب قوة الشد الضعيفة في السيراميك الكهروإجهادي، عندما تتعرض المحولة للاهتزاز فوق الصوتي، يجب تطبيق ضغط مسبق ساكن لمنع تعرض السيراميك الكهروإجهادي لضغط شد. بالإضافة إلى ذلك، يضمن هذا الضغط المسبق التماس الجيد بين واجهات السيراميك الكهروإجهادي، مما يسمح بانتقال الموجات الصوتية بأقل خسارة ممكنة. ويجب أن يكون الضغط المسبق كافيًا لمنع تعرض السيراميك الكهروإجهادي لضغط شد فوق صوتي ومنع الانزلاق الجانبي للسيراميك الكهروإجهادي. وللضغط المسبق دور حاسم في جودة المحولات فوق الصوتية أثناء تصنيعها.

الطريقة التقليدية لتشديد المحولة

بعد شدّ البراغي المسبقة التوتر، يمكن تطبيق توتر مسبق على مادة البايزو keramika. عادةً ما تُستخدم مفتاح العزم لضبط قيمة عزم معينة قبل شد البراغي المسبقة التوتر؛ ولكن يتأثر هذا المعامل بعوامل كثيرة وغالبًا ما يؤدي إلى انحرافات. حتى عند استخدام نفس عزم الدوران، فإن مستوى تشحيم البراغي والمشغلات الأمامية والخلفية يؤثر على مقدار التوتر المطبق على ألواح السيراميك.

الحالة المسبقة التوتر تتأثر بانزلاق البراغي.

تأثير التوتر المسبق على المحولات

تستقر مقاومة وتردد البايزوسراميك مع زيادة الحمل الأولي. يمكن أن يقلل الحمل الأولي الأعلى من مقاومة المحول. إذا لم يتم تثبيت البايزوسراميك بشكل كافٍ، فسوف تزداد مقاومة المحول.

هل صحيح أن التوتر المسبق للمحول يجب أن يكون مرتفعًا قدر الإمكان؟

يمكن أن يقلل التوتر المسبق المفرط من أداء المحول، ويظهر ذلك بشكل رئيسي في الجوانب التالية:

تتغير خصائص السيراميك الكهربائي الضغطي تحت تأثير التحميل الانضغاطي. على وجه الخصوص، قد تنخفض درجة الحرارة القصوى الآمنة لتشغيل المادة بشكل ملحوظ، وقد يؤدي الإجهاد الانضغاطي العالي إلى خفض درجة كوري.

يمكن أن تؤدي القوة الأولية المفرطة إلى إزالة الاستقطاب بشكل كبير، كما يمكن أن تسبب عدم استقرار في المعاوقة وتدهورها مع الوقت.

يمكن أن تقلل القوة الأولية المفرطة من عمر المحول (Transducer)، وفي الحالات الشديدة، قد تؤدي إلى تشقق صفائح السيراميك داخل المحول.

في البداية، قد تؤدي القوة الأولية المفرطة في المحول إلى انخفاض المعاوقة، ولكن بمرور الوقت تتدهور خصائص المحول، ويصاحب ذلك ارتفاع في المعاوقة.

تصنيع محولات HCSONIC

ثبتنا المُحَوِّل على banco الاختبار، ثم قمنا بتوصيل الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة لصفيحة الإلكترود بالمعدات الخاصة. وبعد إدخال المعاملات المناسبة، استخدمنا مفتاحًا ربط خاصًا لشد البراغي ما قبل التجهيز. عندما تصل القوة إلى القيمة المطلوبة، سيقوم الجهاز بإرسال إشعار لإيقاف التشغيل، مما ينتج عنه محولات فوق صوتية عالية الجودة مناسبة لمختلف بيئات العمل. تعد المحولات فوق الصوتية هي المكون الأساسي في تصنيع الأجهزة فوق الصوتية.

يمكننا تخصيص مختلف المحولات ذات الترددات المختلفة وفقًا لاحتياجات العملاء، حيث تتراوح نطاقات التردد بين 15 كيلوهرتز إلى 120 كيلوهرتز، وتُستخدم في اللحام فوق الصوتي والقطع فوق الصوتي والرش الضبابي فوق الصوتي ومعالجة السوائل كيميائيًا باستخدام الموجات فوق الصوتية، وغيرها من التطبيقات. توفر محولات HCSONIC فوق صوتية خدمة ضمان لمدة سنة واحدة.