CN111180570B - 一种可实现不同升压比的单层压电变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现不同升压比的单层压电变压器，涉及变压器技术领域。本发明中：压电陶瓷片包括矩形压电陶瓷片和圆形压电陶瓷片；变压器本体的上下两表面中间均设有间隙；间隙的一侧为输入端；输入端上设置有输入电极；输入端对应的变压器本体下表面接地；间隙的另一侧为输出端，输出端由n段相同宽度的输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；输出端口上均设置有输出电极；输出端一侧为第一输出电极端口；输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。本发明通过设置等分n段的输出电极；实单层压电变压器就可实现可调升压比的功能，在保持器件体积小的同时还能保证能够获得高额的升压比以及功率和效率。

Description

一种可实现不同升压比的单层压电变压器
技术领域
本发明属于变压器技术领域，特别是涉及一种可实现不同升压比的单层压电变压器。
背景技术
当今世界，人类社会已迈进移动互联网络的信息时代，电子产品以前所未有的速度向小型化、轻量化和集成化方向发展，这就要求构成电子产品的基本元器件具有体积小、重量轻、高效节能、安全可靠、易于集成等特点。
变压器是电子产品中广泛使用的基本元器件，传统的电磁变压器由于结构、材料等方面的原因，使得现有产品很难满足高效小型化的设计需求，已经成为制约电子产品小型化的最大障碍之一。压电变压器以机械振动为媒介，通过两个机械部分相互耦合而电路部分相互绝缘的压电陶瓷谐振体之间的机电耦合作用，实现输入、输出电压或电流之间的隔离和变换，具有体积小、重量轻、高转换效率等优点。另外，压电变压器耐辐射、无电磁噪声、不易燃的优点，使得其在空间技术应用上也具有独特的优势。
自从1954年美国的Rosen提出压电变压器概念以来，不同材料、振型和尺寸的压电变压器相继得到发展，在电子产品中有着越来越广泛的应用前景。现有的压电变压器根据输入和输出部分压电陶瓷的工作方式，大致可分为类型：长条状的Rosen型、矩形的厚度振动型、圆形的径向振动型。如果需要实现较高的升压比，往往需要进行多层设计，胶黏剂和烧结工序使得工艺复杂，体积较大，不利于一些小型化的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现不同升压比的单层压电变压器，通过，解决了现有的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种可实现不同升压比的单层压电变压器，包括变压器本体，所述变压器本体由压电陶瓷片组成；所述压电陶瓷片包括矩形压电陶瓷片和圆形压电陶瓷片；
所述变压器本体的上下两表面中间均设有一由硝酸腐蚀出的间隙；所述间隙的一侧为输入端；所述输入端上设置有输入电极；所述输入端对应的变压器本体下表面接地；
所述间隙的另一侧为输出端，所述输出端由n段相同宽度的输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；所述输出端口上均设置有输出电极；
所述输出端一侧为第一输出电极端口；所述输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
进一步地，所述矩形压电陶瓷片的上下两表面中间均设有一由硝酸腐蚀出的间隙；所述间隙的一侧为输入端；所述输入端上设置有输入电极；所述输入端对应的变压器本体下表面接地；
所述间隙的另一侧为输出端，所述输出端由n段相同宽度的输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；所述输出端口上均设置有输出电极；
所述输出端一侧为第一输出电极端口；所述输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
进一步地，所述圆形压电陶瓷片的上下两表面均通过一由硝酸腐蚀出的环形间隙分割为内圆和外圆环；所述内圆为输入端；所述输入端上设置有输入电极；所述输入端对应的变压器本体下表面接地；
所述外圆环为输出端，所述输出端沿径向等分为n个输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；所述输出端口上均设置有输出电极；
所述输出端一侧为第一输出电极端口；所述输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
进一步地，所述矩形压电陶瓷片上的输入电极的长度和厚度与矩形压电陶瓷片相同，且宽度为矩形压电陶瓷片宽度的一半；
所述矩形压电陶瓷片上的输出电极厚度与矩形压电陶瓷片相同，所述矩形压电陶瓷片上的输出电极宽度为为矩形压电陶瓷片宽度的一半，且长度为矩形陶瓷片长度的1/n。
进一步地，所述圆形压电陶瓷片上的输入电极为圆形，且半径与厚度和圆形压电陶瓷片的內圆相同；
所述圆形压电陶瓷片上的输出电极为扇形，所述圆形压电陶瓷片上的输出电极的厚度与圆形压电陶瓷片相同；所述扇形的短弧为內圆周长的1/n，所述扇形的长弧为圆形压电陶瓷片周长的1/n，所述扇形的弦长为R-r；其中， R为圆形压电陶瓷片的半径，r为內圆的半径。
进一步地，相邻所述输出电极按极化方向进行首尾串联，且留出两端的输出电极。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过设置等分n段的输出电极；实单层压电变压器就可实现可调升压比的功能，在保持器件体积小的同时还能保证能够获得高额的升压比以及功率和效率。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用矩形压电陶瓷片的单层压电变压器的结构示意图；
图2为采用圆形压电陶瓷片的单层压电变压器的结构示意图；
图3为本发明单层1:4升压比矩形压电变压器结构示意图；
图4为本发明单层1:4升压比矩形压电变压器不同阻抗下的效率实验结果示意图；
图5为本发明单层1:4升压比矩形压电变压器最大效率阻抗下随频率变化的升压比曲线示意图；
图6为本发明单层1:3升压比圆形压电变压器结构示意图；
图7为本发明单层1:3升压比圆形压电变压器不同阻抗下的效率实验结果示意图；
图8为本发明单层1:3升压比圆形压电变压器最大效率阻抗下随频率变化的升压比曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-2所示，本发明为一种可实现不同升压比的单层压电变压器，包括变压器本体，变压器本体由压电陶瓷片组成；压电陶瓷片包括矩形压电陶瓷片和圆形压电陶瓷片；
变压器本体的上下两表面中间均设有一由硝酸腐蚀出的间隙；间隙的一侧为输入端；输入端上设置有输入电极；输入端对应的变压器本体下表面接地；
间隙的另一侧为输出端，输出端由n段相同宽度的输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；输出端口上均设置有输出电极；
输出端一侧为第一输出电极端口；输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
进一步地，矩形压电陶瓷片的上下两表面中间均设有一由硝酸腐蚀出的间隙；间隙的一侧为输入端；输入端上设置有输入电极；输入端对应的变压器本体下表面接地；
间隙的另一侧为输出端，输出端由n段相同宽度的输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；输出端口上均设置有输出电极；
输出端一侧为第一输出电极端口；输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
进一步地，圆形压电陶瓷片的上下两表面均通过一由硝酸腐蚀出的环形间隙分割为内圆和外圆环；内圆为输入端；输入端上设置有输入电极；输入端对应的变压器本体下表面接地；
外圆环为输出端，输出端沿径向等分为n个输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；输出端口上均设置有输出电极；
输出端一侧为第一输出电极端口；输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
进一步地，矩形压电陶瓷片上的输入电极的长度和厚度与矩形压电陶瓷片相同，且宽度为矩形压电陶瓷片宽度的一半；
矩形压电陶瓷片上的输出电极厚度与矩形压电陶瓷片相同，矩形压电陶瓷片上的输出电极宽度为为矩形压电陶瓷片宽度的一半，且长度为矩形陶瓷片长度的1/n。
进一步地，圆形压电陶瓷片上的输入电极为圆形，且半径与厚度和圆形压电陶瓷片的內圆相同；
圆形压电陶瓷片上的输出电极为扇形，圆形压电陶瓷片上的输出电极的厚度与圆形压电陶瓷片相同；扇形的短弧为內圆周长的1/n，扇形的长弧为圆形压电陶瓷片周长的1/n，扇形的弦长为R-r；其中，R为圆形压电陶瓷片的半径，r为內圆的半径。
进一步地，相邻输出电极按极化方向进行首尾串联，且留出两端的输出电极。
实施例一：如图1所示，本实施例为一种可实现不同升压比的单层压电变压器；本实施中的单层压电变压器为单层1:n升压比矩形压电变压器1，其中单层1:n升压比矩形压电变压器通过间隙4和间隙5分割为输入端2、输入端3、输出端6和输出端21；其中输出端6和输出端21均等分成n个输出端口，n为根据所需升压比等分的数目，间隙作用是隔绝输入与输出的，相邻两段输出端口间同样用硝酸腐蚀隔开；
如1图所示，通过间隙7、间隙9、间隙11、间隙13、间隙15、间隙17、间隙19将输出端6和输出端21分割为输出端口8、输出端口10、输出端口 12、输出端口14、输出端口16、输出端口18、输出端口20和、输出端口21；且该压电变压器均沿厚度方向极化，且输出部分相邻两段之间极化方向相反；
实施例二：如图2所示，本实施为一种可实现不同升压比的单层压电变压器，本实施中的单层压电变压器为单层1:n升压比圆形压电变压器23；单层1:n圆形压电变压器通过间隙30和间隙40分割为输入端29、输入端41，输出端24和输出端26，输出端24个输出端26为最外侧圆环部分，输出端 24和输出端26可等分为n个输出端口，n为根据所需升压比等分的数目；相邻的输出端口为避免电极联通，同样用硝酸腐蚀成间隙；
如图2所示，通过间隙31、间隙32、间隙33、间隙34、间隙35、间隙 36、间隙37、间隙38、间隙39将输出端24和输出端26分割为若干个输出端口。
实施例三：如图3所示，本实施为单层1:4升压比矩形压电变压器；本实施中矩形压电变压器采用单片矩形压电陶瓷片，其中，单片矩形压电陶瓷片上下表面分别利用硝酸从宽度1/2处沿长度方向腐蚀一条宽度为0.2mm的间隙8b和间隙9b，将单片矩形压电陶瓷片划分为输入端1b、输入端2b和输出端，输入端和输出端相互绝缘；输出端通过间隙10b、间隙11b和间隙12b 分割出输出端口3b、输出端口4b、输出端口5b、输出端口6b和输出端口7b；
压电陶瓷片表面渡设输入电极和输出电极；输出部分极化方向为反向，输出端相当于串联；
实施例四：如图4所示，本实施例为单层1:4升压比矩形压电变压器在不同阻抗下效率的变化曲线，由图4可以看出，当阻抗为3400Ω时，效率最大为76.7％。
实施例五：如图5所示，本实施例为单层1:4升压比矩形压电变压器在阻抗为3400Ω下随频率变化的升压比曲线。由图可以看出，在谐振频率88KHz 下，电压增益达到最大为4.21。
实施例六：如图6所示，本实施为单层1:3升压比圆形压电变压器；本实施中单层1:3升压比圆形压电变压器采用单片圆形压电陶瓷片，其中，单片矩形压电陶瓷片上下表面分别利用硝酸沿轴向腐蚀一条宽度为0.2mm的间隙7b和间隙8b将单片矩形压电陶瓷片划分为输入端1、输入端2和输出端，输入端和输出端相互绝缘；
输出端通过间隙9b、间隙10b、间隙11b和间隙12b分割出输出端口3b、输出端口4b、输出端口5b和输出端口6b；其中输出端口5b和输出端口6b 为输出端共地；
压电陶瓷片表面渡设输入电极和输出电极；输出部分极化方向为反向，输出端相当于串联；
实施例七：如图7所示，本实施例为单层1:3升压比圆形压电变压器在不同阻抗下效率的变化曲线，由图8可以看出，当阻抗为5600Ω时，效率最大为96.1％。
实施例八：如图8所示，本实施例为单层1:3升压比圆形压电变压器在阻抗为5600Ω下随频率变化的升压比曲线。由图可以看出，在谐振频率 108.3KHz下，电压增益达到最大为3.335。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种可实现不同升压比的单层压电变压器，包括变压器本体，其特征在于：所述变压器本体由压电陶瓷片组成；所述压电陶瓷片包括矩形压电陶瓷片和圆形压电陶瓷片；
所述变压器本体的上下两表面中间均设有一由硝酸腐蚀出的间隙；所述间隙的一侧为输入端；所述输入端上设置有输入电极；所述输入端对应的变压器本体下表面接地；
所述间隙的另一侧为输出端，所述输出端由n段相同宽度的输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；所述输出端口上均设置有输出电极；
所述输出端一侧为第一输出电极端口；所述输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口；
相邻所述输出电极按极化方向进行首尾串联，且留出两端的输出电极。
2.根据权利要求1所述的一种可实现不同升压比的单层压电变压器，其特征在于，所述矩形压电陶瓷片的上下两表面中间均设有一由硝酸腐蚀出的间隙；所述间隙的一侧为输入端；所述输入端上设置有输入电极；所述输入端对应的变压器本体下表面接地；
所述间隙的另一侧为输出端，所述输出端由n段相同宽度的输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；所述输出端口上均设置有输出电极；
所述输出端一侧为第一输出电极端口；所述输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
3.根据权利要求1所述的一种可实现不同升压比的单层压电变压器，其特征在于，所述圆形压电陶瓷片的上下两表面均通过一由硝酸腐蚀出的环形间隙分割为内圆和外圆环；所述内圆为输入端；所述输入端上设置有输入电极；所述输入端对应的变压器本体下表面接地；
所述外圆环为输出端，所述输出端沿径向等分为n个输出端口组成，且相邻的输出端口设置相反的极化方向；所述输出端口上均设置有输出电极；
所述输出端一侧为第一输出电极端口；所述输出端另一侧根据升压比要求选择一输出端口为第二输出电极端口。
4.根据权利要求2所述的一种可实现不同升压比的单层压电变压器，其特征在于，所述矩形压电陶瓷片上的输入电极的长度和厚度与矩形压电陶瓷片相同，且宽度为矩形压电陶瓷片宽度的一半；
所述矩形压电陶瓷片上的输出电极厚度与矩形压电陶瓷片相同，所述矩形压电陶瓷片上的输出电极宽度为为矩形压电陶瓷片宽度的一半，且长度为矩形陶瓷片长度的1/n。
5.根据权利要求3所述的一种可实现不同升压比的单层压电变压器，其特征在于，所述圆形压电陶瓷片上的输入电极为圆形，且半径与厚度和圆形压电陶瓷片的内圆相同；
所述圆形压电陶瓷片上的输出电极为扇形，所述圆形压电陶瓷片上的输出电极的厚度与圆形压电陶瓷片相同；所述扇形的短弧为内圆周长的1/n，所述扇形的长弧为圆形压电陶瓷片周长的1/n，所述扇形的弦长为R-r；其中，R为圆形压电陶瓷片的半径，r为内圆的半径。
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