CN104681712B - 轴向振动功率型压电陶瓷变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴向振动功率型压电陶瓷变压器，其是包括输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体，在输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体之间以及输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体的外侧分别设置有金属圆柱体，本发明利用金属圆柱体，有效改善变压器的散热效果，增大变压器的功率容量，大大提高其机电性能的作用，同时借助于改变压电陶瓷变压器中金属圆柱的几何尺寸，可以很方便的改变此类新型的压电陶瓷变压器的工作频率，以适应不同的应用场合，因而还可以降低成本。
Description
技术领域
本发明属于压电变压器技术领域，特别涉及一种轴向振动功率型压电陶瓷变压器。
背景技术
目前，传统的升高或降低交变电压的途径是利用电磁变压器。电磁变压器主要由铁芯以及围绕铁芯的线圈组成。在电磁变压器中，初级和次级线圈是通过磁芯而实现电磁耦合的。在一些电力及大功率电子应用技术中，大型的电磁变压器是非常有效的。然而，随着科学技术的发展以及电子器件小型化的进程开始，电子工业中的许多应用都需要外形尺寸较小的高效元器件，因而对小型高效变压器的需求量越来越大。由于其固有原因，例如导体的趋肤效应损失、细导线的传导损失以及磁性材料中的弛豫损耗随着变压器的尺寸减小而迅速增大等，使得现有的电磁变压器很难实现高效小型化。目前，电磁变压器已经成为电路板上体积最大的电子器件，并且成为了电子器件小型化的最大障碍之一。另外，电磁变压器所固有的漏磁现象及电磁辐射等问题对于环境都会造成一定的污染，因而也不利于环保的要求。
为了克服这一问题，实现电子器件的小型化，人们提出了压电陶瓷变压器的概念。压电陶瓷变压器基本上是由两个机械部分相互耦合而电路部分相互绝缘的压电陶瓷共振器(或压电陶瓷换能器以及压电陶瓷致动器)组成。压电陶瓷变压器是一种新型的电压或电流变换器件，其工作原理与传统的电磁变压器不同。在压电陶瓷变压器中，初级与次级之间的耦合不是通过传统的电磁效应，而是借助于机械耦合以及压电材料的压电效应来实现的。传统的压电陶瓷变压器基本上都是由输入压电陶瓷元件和输出压电陶瓷元件两部分直接耦合而成，由于压电陶瓷材料本身热传导能力较弱，因此常常出现压电陶瓷变压器过热等现象，从而影响压电陶瓷变压器的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够改善变压器散热、增大变压器的功率容量以及提高其机电性能的轴向振动功率型压电陶瓷变压器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是该变压器包括输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体，在输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体之间以及输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体的外侧分别设置有金属圆柱体，金属圆柱体与输入压电陶瓷体、输出压电陶瓷体同轴设置且金属圆柱体与输入压电陶瓷体、输出压电陶瓷体叠加的总高度H满足：H>4Rmax，Rmax为最大直径的金属圆柱体所对应的半径，所述输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体的半径小于等于与之临接的金属圆柱体的半径。
上述输入压电陶瓷体与输出压电陶瓷体之间最好能够采用轴向延伸的预应力螺栓连接，以加强各部分之间的连接强度。
上述输入压电陶瓷体和输出压电陶瓷体分别是由偶数个压电陶瓷片层叠而成。
上述金属圆柱体可以是铝、钢、铜、铝合金、钛合金或不锈钢材质的圆柱体。
当给定压电陶瓷变压器各部分的材料和尺寸后，利用共振频率设计方程(1)就可以设计不同频率、不同振动模式、不同几何尺寸以及不同变压比的压电陶瓷变压器，同时利用变压器的电压变换比方程(2)就可以得出压电变压器的电压变换比大小。
本发明得出的压电陶瓷变压器的共振频率设计方程为式(1)，
压电变压器的电压变换比方程为式(2)，
在式(1)及(2)方程中，包含了该压电陶瓷变压器组成材料的材料参数、几何尺寸参数以及变压器的振动模态信息，设定自上而下第一个金属圆柱体的高度为l1，第二个金属圆柱体的高度为l2，第三个金属圆柱体的高度为l3，第一个压电陶瓷体是由若干个压电陶瓷片层叠组成，其中每个压电陶瓷片的厚度为l01，第二个压电陶瓷体是由若干个压电陶瓷片层叠组成，其中每个压电陶瓷片的厚度为l02，两个压电陶瓷体中任意一个为输入压电陶瓷体、另一个是输出压电陶瓷体；ω＝2πf，表示角频率，f表示频率，n1及n2表示输入压电陶瓷体和输出压电陶瓷体的机电转换系数；C1及C2表示其静态电容；
其中K33，d33，分别表示压电陶瓷材料的自由介电常数，机电耦合系数，压电常数以及弹性柔顺系数。
jD＝jZ1tan(k1l1)，jA＝jZ3tan(k3l3)，Z11＝Z12＝jZ1tan(k1l1/2)，Z13＝Z1/[j sin(k1l1)]Z21＝Z22＝jZ2tan(k2l2/2)，Z23＝Z2/[j sin(k2l2)]，Z31＝Z32＝jZ3tan(k3l3/2)Z33＝Z3/[j sin(k3l3)]，Z1＝ρ1c1S1，Z2＝ρ2c2S2，Z3＝ρ3c3S3；
其中，R1，R2，R3分别表示三段金属圆柱的横截面半径；k1＝ω/c1，k2＝ω/c2，k3＝ω/c3，c1＝(E1/ρ1)1/2,c2＝(E2/ρ2)1/2，c3＝(E3/ρ3)1/2,E1，E2，E3，ρ1，ρ2，ρ3，c1，c2，c3分别为自上而下设置的金属圆柱体的杨氏模量、密度和声波在其中传播时的声速，k1，k2，k3为波数；
Zp11＝Zp12＝jZ01tan(p1k01l01/2)，
Zp13＝Z01/[jsin(p1k01l01)]，
Zp21＝Zp22＝jZ02tan(p2k02l02/2)
Zp23＝Z02/[jsin(p2k02l02)]
Z01＝ρ01c01S01，Z02＝ρ02c02S02,S01＝πr1 2,S02＝πr2 2，r1和r2分别表示输入及输出压电陶瓷体的横截面半径，k01＝ω/c01，k02＝ω/c02，c01＝(E01/ρ01)1/2，c02＝(E02/ρ02)1/2，E01，E02，ρ01，ρ02，c01,c02分别为两个压电陶瓷体的杨氏模量、密度和声波在其中传播时的声速，k01,k02为波数，p1、p2分别表示两个压电陶瓷体的压电陶瓷片数目；
Z-jG＝[(VX-WY)(-RωC2)+WX+VY-j(WX+VY)RωC2-j(VX-WY)]Z23F(Zp11+jD)(Zp22+jA)
K+jT＝-Zp13(Z21+Zp11+jX+jD)-(Zp11+jD)(Z21+jX)+Y(Zp13+Zp11+jD)
H+jQ＝-Zp12(Z22+Z23+jV)-Z23(Z22+jV)+W(Z23+Zp23)
M+jP＝-Zp21(Zp22+Zp23+jA-jFRωC2)-(Zp22+jA)(Zp23-jFRωC2)+F(Zp21+Zp22+jA)
其中X，Y，V，W，Z，G，K，T，H，Q，M，P为简化计算引入的中间参量，R表示变压器的负载电阻。
本发明的轴向振动功率型压电陶瓷变压器，是通过在输入压电陶瓷器件和输出压电陶瓷器件之间以及外侧均增加金属圆柱体，并且将输入压电陶瓷器件和输出压电陶瓷器件通过预应力螺栓紧固连接，从而实现机电转换，通过设置预应力螺栓使压电陶瓷变压器的轴向产生一定大小的固定预应力，该预应力能够确保压电变压器各部分始终处于紧固状态，有效地避免了压电陶瓷元件的断裂及损耗，保证各部分接触面之间的完全接触，从而实现压电变压器的机械损耗低，机械品质因数较高，确保变压器的性能稳定及较高的能量转换效率，此外利用金属圆柱体，有效改善变压器的散热效果，而且便于预应力螺栓固定，增大变压器的功率容量，大大提高其机电性能的作用，本发明借助于改变压电陶瓷变压器中金属圆柱的几何尺寸，可以很方便的改变此类新型的压电陶瓷变压器的工作频率，以适应不同的应用场合，因而还可以降低成本。
附图说明
图1为压电陶瓷变压器结构示意图。
具体实施方式
现结合实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
如图1所示，本实施例的轴向振动功率型压电陶瓷变压器是由第一金属圆柱体1、输入压电陶瓷体2、第二金属圆柱体3、输出压电陶瓷体4以及第三金属圆柱体5自上而下层叠构成。
其中，第一金属圆柱体1、输入压电陶瓷体2、第二金属圆柱体3、输出压电陶瓷体4以及第三金属圆柱体5同轴安装并用预应力螺栓6紧固，具体是在输入压电陶瓷体2和输出压电陶瓷体4的中心位置加工有螺孔，预应力螺栓6的两端分别穿过输入压电陶瓷体2和输出压电陶瓷体4的螺孔，延伸至第一金属圆柱体1和第三金属圆柱体5内紧固，保证输入压电陶瓷体2、金属圆柱体以及输出压电陶瓷体4始终处于紧固状态。本实施例的第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5的半径分别为R1、R2、R3，且第一金属圆柱体1的高度为l1，第二金属圆柱体3的高度为l2，第三金属圆柱体5的高度为l3，第一金属圆柱体1与第二金属圆柱体3之间安装有输入压电陶瓷体2，输入压电陶瓷体2的半径为r1，其是由厚度为l01的压电陶瓷片层叠而成，均是采用PZT-4材料制成，第二金属圆柱体3与第三金属圆柱体5之间安装输出压电陶瓷体4，输出压电陶瓷体4的半径为r2，其是由厚度为l02的压电陶瓷片层叠而成，也是采用PZT-4材料制成。预应力螺栓6属于细长的结构，其所产生的影响可以忽略不计。
实施例1
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝l3＝0.02m；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.01m，其是由2个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由2个厚度为l02＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成；其中l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为25656Hz，反共振频率为27458Hz，变压比为1.0002。
实施例2
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝0.04m，l3＝0.01m；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.01m，其是由2个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由2个厚度为l02＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为19071Hz，反共振频率为20283Hz，变压比为1.728。
实施例3
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝0.01m，l3＝0.04m；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.01m，其是由2个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由2个厚度为l02＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为26211Hz，反共振频率为27178Hz，变压比为0.588。
实施例4
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝0.01m，l3＝0.04；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.01m，其是由2个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由2个厚度为l02＝0.01m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为23596Hz，反共振频率为24285Hz，变压比为0.552。
实施例5
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝0.04m，l3＝0.01；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.01m，其是由2个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由2个厚度为l02＝0.01m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为17033Hz，反共振频率为17923Hz，变压比为1.465。
实施例6
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝0.04m，l3＝0.01；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.01m，其是由2个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由4个厚度为l02＝0.01m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为13947Hz，反共振频率为14443Hz，变压比为0.569。
实施例7
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝0.04m，l3＝0.01；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.01m，其是由4个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由2个厚度为l02＝0.01m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为15145Hz，反共振频率为16627Hz，变压比为3.106。
实施例8
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径相等分别为R1＝R2＝R3＝0.01m，l1＝l2＝0.04m，l3＝0.01；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.008m，其是由2个厚度为l01＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.008m，其是由2个厚度为l02＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为19368Hz，反共振频率为21404Hz，变压比为1.98。
实施例9
第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5均是采用硬铝材料制成，其半径分别为R1＝0.01,R2＝R3＝0.012m，l1＝l2＝0.04m，l3＝0.01；输入压电陶瓷体2的半径r1＝0.008m，其是由2个厚度为l01＝0.005m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体4的半径r2＝0.01m，其是由2个厚度为l02＝0.006m的压电陶瓷片层叠而成；l1+l2+l3+2l01+2l02>4R1。
当变压器的负载电阻为50欧姆时，利用本发明得出的共振频率方程以及变压比公式，可得变压器的共振频率为20160Hz，反共振频率为22369Hz，变压比为1.88。
上述的第一金属圆柱体1、输入压电陶瓷体2、第二金属圆柱体3、输出压电陶瓷体4以及第三金属圆柱体5之间还可以采用强力环氧树脂胶粘结，保证相互之间紧固。
上述实施例中的第一金属圆柱体1、第二金属圆柱体3以及第三金属圆柱体5还可以采用铜、钢、铝合金、钛合金或不锈钢材料制成，其材质只要能够满足导电金属的任何市售材料均可。
Claims (2)
1.一种轴向振动功率型压电陶瓷变压器，包括输入压电陶瓷体(2)与输出压电陶瓷体(4)，其特征在于：在输入压电陶瓷体(2)与输出压电陶瓷体(4)之间以及输入压电陶瓷体(2)与输出压电陶瓷体(4)的外侧分别设置有金属圆柱体，输入压电陶瓷体(2)与输出压电陶瓷体(4)之间通过轴向延伸的预应力螺栓(6)连接，金属圆柱体与输入压电陶瓷体(2)、输出压电陶瓷体(4)同轴设置，且金属圆柱体与输入压电陶瓷体(2)、输出压电陶瓷体(4)叠加的总高度H满足：H>4Rmax，Rmax为最大直径的金属圆柱体所对应的半径，所述输入压电陶瓷体(2)与输出压电陶瓷体(4)的半径小于等于与之临接的金属圆柱体的半径。
2.根据权利要求1所述的轴向振动功率型压电陶瓷变压器，其特征在于：所述的输入压电陶瓷体(2)与输出压电陶瓷体(4)之间设置的金属圆柱体为第二金属圆柱体(3)，输入压电陶瓷体(2)外侧设置的金属圆柱体为第一金属圆柱体(1)，输出压电陶瓷体(4)外侧设置的金属圆柱体为第三金属圆柱体(5)；所述的第一金属圆柱体(1)、第二金属圆柱体(3)以及第三金属圆柱体(5)采用硬铝材料制成，其半径R1、R2、R3为0.01m，高度l1和l2为0.04m、l3为0.01；输入压电陶瓷体(2)的半径r1为0.01m、由4个厚度为l01为0.006m的压电陶瓷片层叠而成，输出压电陶瓷体(4)的半径r2为0.01m、由2个厚度为l02为0.01m的压电陶瓷片层叠而成。
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2015
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