随着材料科学的发展，硬脆材料（工程陶瓷、光学玻 璃、陶瓷基复合材料等）在不同领域得到了越来越广泛 的应用。旋转超声加工作为一种加工硬脆材料的有效 方式，得到了国内外广泛关注 [1]。与其他加工方式相比， 旋转超声加工能够有效降低切削力、减小加工损伤、提 高加工效率和精度、延长刀具寿命 [2]。

超声振动系统是旋转超声加工得以实现的基础，由 超声电源、电能传输系统、换能器等部分组成。超声电 源为超声换能器提供超声电能。非接触电能传输系统 包括原边线圈和副边线圈，其中原边线圈固定在机床主 轴壳体上并与超声电源相连，副边线圈固定在刀柄上部 随刀柄一同旋转。副边线圈与原边线圈之间存在气隙， 原边线圈通过非接触的方式将电能传输到副边线圈。换能器位于刀柄内部，并与副边线圈相连，这样电能就 通过电能传输系统从超声电源传输到换能器。与碳刷 – 滑环等接触式的电能传输方式相比，非接触电能传输具 有无接触火花、无转速限制、电能传输平稳等优点。

 超声系统中的非接触电能传输系统属于松耦式的 电能传输系统，原、副边之间存在气隙。因此其电能的 传输效率与传统紧耦合变压器相比有较大的差距。同 时，原、副边线圈和换能器均为储能元件，在工作时表现 为感性或容性，使电学系统难以达到谐振状态，在工作 时会产生较多的无功损耗。

因此需要对电学系统进行 补偿，以提升电能传输的效率和换能器工作时的输出振 幅。Wang 等 [3–4] 研究了负载为纯阻时非接触电能传输 系统的功率传输能力，并给出了 4 种电路补偿方式以及 每种补偿方式下补偿元件的计算方式。Zhu 等 [5–6] 以压 电超声振子作为负载，研究了非接触超声振动系统中电 能传输效率的问题，并给出了原、副边线圈匝数对电能 传输效率的影响。

申昊等 [7] 结合超声振子的等效电路， 建立了非接触超声振动系统的电学模型，分析了电路补 偿的原理，为补偿网络的设计提供了理论依据。目前，对非接触电能传输的研制主要集中在完全耦 合式的电能传输系统，即原、副边磁芯和线圈均为完整 的圆环，在结构上相互对称。这种结构由于原边磁芯与 换刀系统的干涉，无法做到超声刀柄的自动换刀，因此 限制了加工效率。本文提出了一种部分耦合式的非接 触电能传输系统设计方案（即原边磁芯和线圈为部分圆 环，仅与圆环形副边的一部分进行电磁耦合），对其进行 电学仿真和试验研究，并进一步针对超磁致伸缩换能器 研究了对应的非接触电能传输电路补偿网络，使系统的 传输效率达到最佳状态。国内外对部分耦合式非接触电能传输的研究报道 不多。

DMG 公司最先在其超声加工装备中使用了部分 耦合式的非接触电能传输系统，但由于技术保密等原因 无法看到其具体的设计方法。Luan等 [8] 设计了柱面感 应形式的部分耦合式电能传输系统，并讨论了基于线圈 匝数优化的电路补偿方法。陈曦等 [9] 设计了半环槽型 的非接触电能传输模型，对其特性进行了仿真分析，并 研究了磁芯间隙、磁芯轴线偏移及磁芯轴线偏转对耦合 系数和传输效率的影响。袁文等 [10]设计了新型旋转式 电磁变换器，研究了磁芯间隙及转速变化对传递效率的影响。

 常见的非接触电能传输系统一般为全耦合的形式， 此种形式的电能传输系统原、副边为对称的圆盘式结 构。而对于部分耦合式的电能传输系统，因为机床自动 换刀时换刀机械手需要一定的空间以抓取刀柄，所以原 边线圈无法做成与副边对称的结构。根据部分耦合式 非接触电能传输的特点，设计了图 1 所示的磁芯结构。