CN1275781A - 扩张振模的多输出复合结构压电变压器 - Google Patents

扩张振模的多输出复合结构压电变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扩张振模的多输出复合结构压电变压器,其特点是:初级压电陶瓷组件,多输出的次级压电陶瓷级线和绝缘隔离结构中的隔离层层迭并由高分子聚合物结合结构构成夹层结构;压电陶瓷组件中电极由引出结构引出构成输入及输出端子,隔离层与覆盖于压电陶瓷组件电极引出结构的外表面的绝缘材料完全隔离,具有初次级匹配系数容易调整,输出功率和转换效率高等优点。

Description

扩张振模的多输出复合结构压电变压器
本发明涉及一种压电变压器，尤其是扩张振模的多输出复合结构压电变压器。
以往的压电陶瓷变压器多以一次烧成的单一或多层结构的压电陶瓷制成。由于构成材料单一，在制造工艺和性能上很难得到满意的结果，特别是降压型压电变压器，由于需要广泛适应各种输入及输出匹配，需要调整压电变压器的初级及次级各项参数，这就要求初次级采用不同的压电材料及不同的结构设计参数，而不同材料的烧结要求不同，因此，一次烧成工艺很难得到理想的压电变压器。
以往的降压型压电陶瓷变压器往往采用厚度振动模式，以图利用压电材料33方向的压电性能，同时也可以得到很高的工作频率。但是由于厚度振动模式造成的应力分布使得初级和次级的排列十分困难，往往会造成电荷抵消和不平衡，影响变压器的工作状态，难以得到满意的输出。
另一方面，以往的压电陶瓷变压器结构中虽然也有初级和次级间的隔离层，但是隔离层造成的初次级间隔离电容太大，形成交流通道，只能起到隔离直流的作用，对于高频工作的压电陶瓷变压器实际起不到隔离作用；有的隔离层虽然减小了初次级间的电容量，但经常造成应力传递困难、损耗加大或限制功率输出等等不利影响。同时，由于压电变压器本身体积很小，特别是厚度仅为数毫米，即使变压器的内部隔离的绝缘强度足够高，也可能因为外部初次级间距离过近而引起空间击穿或表面爬电，使隔离失效，从而造成设备损坏甚至人身伤害事故。
以往的压电变压器多为单一输出模式，而电子设备往往要求多输出。这也限制了压电变压器的应用范围。
本发明的目的是针对上述不足，设计一种扩张振模复合结构的多输出压电变压器，其初次级匹配参数容易调整，输出功率和转换效率高，初次级间的隔离可靠，可以满足降压型电源的实际应用需要。
一种扩张振模的多输出复合结构压电变压器，由初级压电陶瓷组件和次级压电陶瓷组件组成，其特征在于：本扩张振模的多输出复合结构压电变压器还包括高分子结合结构，绝缘隔离结构和电极引出结构，所述初级压电陶瓷组件、次级压电陶瓷组件以及绝缘隔离结构中的隔离层层迭并由高分子聚合物结合结构紧密粘合在一起组成夹层结构；压电陶瓷件由电极引出结构引出电极，构成输入及输出端子；压电陶瓷组件、电极引出结构的外表面由高分子绝缘材料膜覆盖，该绝缘材料层与隔离层一起构成连续、完整的绝缘隔离结构。
所述扩张振模的多输出压电陶瓷与高分子聚合物复合结构的压电变压器，其初级和次级构成夹层结构：将初级压电陶瓷组件分为相同的两组，分别置于压电变压器的上、下两侧，次级压电陶瓷组件构成一组，处于两个初级压电陶瓷组件中间。次级压电陶瓷组件组上下两面分别通过一个隔离层与上下两侧的初级压电陶瓷组件相连，所有压电陶瓷组件及隔离层由高分子结合结构紧密粘合在一起，构成夹层结构。该结构也可以是次级压电陶瓷组件在两侧，初级压电陶瓷组件居中。这种夹层结构可以保证变压器工作时不会因初级和次级的阻尼状态不同而产生弯曲振动，确保单一的扩张振动模式。
所述绝缘隔离结构由隔离层和绝缘膜构成。隔离层处于初级和次级之间，必要时也用于多路输出时的不同次级组之间，直径略大于压电陶瓷组件，起变压器内部电隔离作用，隔离层用陶瓷、玻璃或复合材料膜片制成，其特点是隔离层的弹性模量值必须处于所用的压电陶瓷材料的弹性模量值的十分之一至十倍的范围内，以保证隔离层不会影响变压器的工作状态。绝缘膜处于初级和次级压电陶瓷组件组的外表面及引出电极的裸露表面并与隔离层结合，与隔离层一起形成完全包覆压电陶瓷组件组并与之紧密结合的绝缘隔离结构，达到防止变压器内部电击穿和外部空气击穿及表面爬电而引起的绝缘失败。绝缘膜采用环氧类树脂，酚醛、脲醛、聚胺脂、聚脂、聚酰亚胺等高分子聚合物材料，采用涂敷或喷涂等工艺制成。
采用上述方案后，由于是复合结构的多输出变压器，使其初次级匹配参数容易调整，输出功率和转换效率高，初次级间的隔离可靠，可以满足降压型电源的实际应用需要。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述：
图1是  压电陶瓷片结构示意图；
图2是  输出压电陶瓷部件结构示意图；
图3是  共地的正负输出的次级组的压电陶瓷圆片的排布方法示意图；
图4是  输出压电陶瓷部件引出侧电极排布示意图；
图5是  次极压电陶瓷组件引出电极结构示意图；
图6是  输入压电陶瓷组件与输出压电陶瓷组件以及隔离片构成压电变压器主体结构的示意图；
图7是  初级电极引出结构示意图；
图8是  隔离绝缘结构的示意图；
图9是  压电变压器的结构与电连接示意图；
如图1所示，所述压电陶瓷组件为直径相同的圆形薄片103，其上下两个平面均制备金属电极101，105，侧面制备两个引出电极102，104并分别与上下两个平面电极相连构成引出电极结构的一部分。压电陶瓷圆形薄片沿厚度方向极化。初级压电陶瓷组件由单片或厚度相同的多片压电陶瓷圆片组成，各片按相邻片极化方向相反，相邻电极相连的方式层迭构各成初级组，压电陶瓷圆片的厚度和数量由输入阻抗匹配、输入电压及输入功率匹配要求确定。次级压电陶瓷组件根据输出端子数量的要求分为相应的次级组；每一组均由厚度相同的同种材料的压电陶瓷片组成，不同组间厚度和所用压电陶瓷材料可以不同；每一组的数量、厚度及压电陶瓷材料种类均根据输出电压、功率及输出阻抗匹配要求确定；单一输出或独立输出的次级组均按相邻片极化方向相反，相邻电极相连的方式层迭构成如图2所示；共的正负输出的次级组的压电陶瓷圆片的排布方法如图3所示，正负输出组内的压电陶瓷片排列方式与单一输出的次极组相同，正负输出组结合面两侧分属正负输出组的两个陶瓷片34，35按极化方向相同的方式排列，34，35的相邻面的引出侧电极方向相同。分别与34，35的相邻面的引出侧电极属于同组的正负输出组的侧电极组由端子片相联作为双输出的共同地33。正负输出组的另一个侧电极组分别构成正负输出组的输出极31，32。各次级组间可以有隔离层隔离。
如图4所示，所述电极引出结构分为两部分：其中一部分为压电陶瓷圆片侧面的分别与压电陶瓷圆片上下两个平面电极相连的侧电极41和42，同组压电陶瓷圆片的侧电极引出方向相同，以便于相互连接；另一部分是作为输入和输出连线的端子片，一端与对应压电陶瓷组件组的侧电极以焊接方式相连，将同组的同方向侧电极连接在一起；另一端则作为输入或输出接口。
所述高分子结合结构是处于初级压电陶瓷组件、次级压电陶瓷组件和绝缘隔离结构中的隔离层的单个圆片之间的粘合层。它可以由环氧，酚醛，脲醛，聚醚，聚酰亚胺及其他耐高温的杂环聚合物树脂构成；采用表面涂敷，迭片，固化的方式或采用灌注的工艺制成。
以下是实施例：
实施例1：
一种适用于170伏至250伏驱动电压，输出电压12伏，最佳匹配阻抗为8欧姆的压电变压器，其次级压电陶瓷组件由P5压电陶瓷材料制成，共十层，每层均为如图1所示圆薄片103，厚度为0.3毫米，直径为26毫米，上下两面制备银电极101及105，在侧面分别制备了分别与上下两个银电极相联的引出电极102及104，上下两个电极面及引出电极之间均保证有不小于0.3毫米的距离以保证两个电极之间的隔离。如图2所示，十层压电陶瓷圆薄片层层相迭，相邻两片的极化方向P相反。每一层的极化正方向的面电极的引出电极2011，2024，2092，2104均置于同一角度，构成次极压电陶瓷组件的正引出侧电极组42(见图4)，极化负方向的面电极的引出电极2015，2022，2095，2102均置于另一角度，构成次极压电陶瓷组件的负引出侧电极，以便于电极引出组件的引出。相邻面电极均为极化方向相同的面电极(2014，2021；……，2094，2101)所有十层均由环氧树脂粘和剂层2016，2026，……，2090粘结成为一个整体。
如图5所示，次极压电陶瓷组件引出电极结构示意图，图中51，57为引出焊片，它们分别通过钎料52，56与次极压电陶瓷组件54的两个侧电极组53和55焊接在一起，使得侧电极组中的每一个侧电极与本组的其它侧电极导通，通过引出焊片构成变压器的输出电极。
初级压电陶瓷组件由两片厚1.6毫米，直径26毫米的P8压电陶瓷材料构成，其两平面均制备银电极，侧面制备两个分别与两个面电极相联的引出电极。结构示意图同图一。
隔离绝缘组件中的隔离片由玻璃制成，其厚度为0.3毫米，直径为27毫米。
图6为输入压电陶瓷组件与输出压电陶瓷组件以及隔离片构成压电变压器主体结构的示意图。初级压电陶瓷组件61，69，分别位于变压器上下面，次极压电陶瓷组件65位于中间，初极压电陶瓷组件与次极压电陶瓷组件之间由隔离片63，67隔离。以上各部分由环氧黏合剂层62，64，66，68紧密粘结在一起。
图7为初级电极引出结构示意图，端子片71，72的两端分别与初级压电陶瓷组件的侧电极74通过焊锡73焊接在一起，端子片将初极压电陶瓷组件的同极端连接，同时端子片构成输入电极。
图8为隔离绝缘结构的示意图。
在上下两个隔离片81，83之间的次级压电陶瓷组件的裸露表面及次级电极引出结构和输出导线的裸露表面上完全涂覆一层0.3毫米厚的环氧型包封胶82，81、82与83形成一个完全封闭的包覆，将次级与外界完全绝缘，从而实现与初级之间的可靠隔离。
该变压器的工作参数如下：
工作频率：90KHz
最大输出功率：45W
输出电压：12V
最高效率：98％
初次极间绝缘强度：5000伏直流，漏流小于80微安
实施例2：
通过实验，制成了一种适用于110伏50赫兹输入，同时具有正15伏，正负5伏三输出的压电电源的三输出扩张振模复合结构压电变压器。
图9为该压电变压器的结构与电连接示意图。
为适应110伏输入电压，初极压电陶瓷组件由的每一个部分均由两片厚度为0.6毫米，直径为30毫米的二元系PZT压电陶瓷圆片913，914及915，916构成，其排列方法和侧电极的布置方法如图九所示。所有极化正方向的侧电极全部由端子片连接在一起，构成输入端的一极902，所有极化负方向的侧电极全部由端子片连接在一起构成输入端的另一极901。
15伏输出次极压电陶瓷组件由六片厚度为0.3毫米直径为30毫米的P5系列PZT压电陶瓷制成，其结构与图一相同。其两组侧电极组分别构成15伏输出的独立两极904，905。
共地的正负5伏次极压电陶瓷组件分别由三片和两片厚度为0.12毫米，直径为30毫米的P4系列压电陶瓷片构成。其中，三片组为正5伏输出组，两片为负5伏输出组。两组相邻的压电陶瓷片910和911的极化方向相同。正5伏输出组的极化正方向的侧电极组与负5伏输出组的极化负方向的侧电极组由端子片相联构成正负输出的共同地908。正5伏输出组的极化负方向的侧电极由端子片相联构成正5伏输出极907，负5伏输出组的极化正方向的侧电极组由端子片相联构成负5伏输出极909。初极压电陶瓷组件与次极压电陶瓷组件之间由超硬玻璃制成的厚度为0.3毫米，直径为32毫米的隔离片903，912隔离。15伏输出组与正负5优输出组之间由原属为0.2毫米，直径为31毫米的隔离片906隔离。
所有压电陶瓷组件以及隔离片均由改性酚醛树脂黏合剂粘结在一起。所有次极压电陶瓷组件的侧面均由环氧树脂涂覆，环氧树脂涂覆层与隔离片形成封闭结构，将初极与次极完全隔离。
该压电变压器的主要参数如下：
工作频率：72千赫兹
15伏输出最大功率：45瓦
正5伏输出最大功率：8瓦
负5伏输出最大功率：5瓦
最高工作效率：98％
尺寸：32×5.2毫米

Claims (5)

1.一种扩张振模的多输出复合结构压电变压器，由初级压电陶瓷组件和次级压电陶瓷组件组成，其特征在于：本扩张振模的多输出复合结构压电变压器还包括高分子结合结构，绝缘隔离结构和电极引出结构，所述初级压电陶瓷组件、次级压电陶瓷组件以及绝缘隔离结构中的隔离层层迭并由高分子聚合物结合结构紧密粘合在一起组成夹层结构；压电陶瓷件由电极引出结构引出电极，构成输入及输出端子；压电陶瓷组件、电极引出结构的外表面由高分子绝缘材料膜覆盖，该绝缘材料层与隔离层一起构成连续、完整的绝缘隔离结构。
2.根据权利要求1所述的扩张振模的多输出复合结构压电变压器，其特征在于：压电变压器可以具有多路输出，对于独立的输出压电陶瓷组件，由隔离片与其它输出压电陶瓷组件相互隔离，组件内相邻压电陶瓷片的极化方向相反；对于共地的正负输出压电陶瓷组件之间，则采用两组件间相联的压电陶瓷片极化方向相同，组件组内仍采用相邻片极化方向相反的方式排列构成，正输出压电陶瓷组件中与负输出压电陶瓷组件相邻的电极面方向相同的电极面的引出侧电极由引出组件相联，并与负输出压电陶瓷组件中与正输出压电陶瓷组件相联的电极面的极化方向相同的电极面的侧电极相连，构成输出共同地，而正负输出压电陶瓷组件中的另一组侧电极则分别由引出组件引出，分别构成正输出及负输出的另一极。
3.根据权利要求1所述的扩张振模的多输出复合结构压电变压器，其特征在于：具有由初级压电陶瓷组件、次级压电陶瓷组件和隔离绝缘组件中的隔离片构成的夹层结构。其中初级压电陶瓷组件分为两组，分别位于夹层结构的最外侧。次级压电陶瓷组件位于中间，隔离绝缘组件中的隔离片位于初级压电陶瓷组件和次级压电陶瓷组件的所有结合面及不同次级压电陶瓷组件组间的结合面之间。
4.根据权利要求1所述的扩张振模的多输出复合结构压电变压器，其特征在于：其中的次级压电陶瓷组件被处于其外侧的隔离片和绝缘膜完全包覆，可靠地与初级压电陶瓷组件隔离，隔离片可由玻璃，陶瓷，高分子材料膜片以及复合材料膜片等低介电常数，高绝缘电阻及高击穿电场强度的材料制成，其外型与初级压电陶瓷组件相同，尺寸大于初级压电陶瓷组件，厚度可以保证所要求的绝缘强度，弹性模量大于压电陶瓷弹性模量的十分之一，小于压电陶瓷弹性模量的十倍，绝缘膜包覆于次级压电陶瓷组件的侧面裸露部分，与隔离片紧密结合，形成封闭结构，绝缘膜为环氧，酚醛，聚胺酯类材料。
5.根据权利要求1所述的扩张振模的多输出复合结构压电变压器，其特征在于变压器具有独立可靠的电极引出组件，该组件由压电陶瓷片上的侧电极和引出端子片构成。引出端子片一端与压电陶瓷片的侧电极通过钎焊的方式牢固焊接，同时将需要连接在一起的侧电极连接在一起，端子片的另一端与输入输出导线压接，构成牢固可靠的输入及输出端子，端子片由铜或钢制成，与压电陶瓷片侧电极焊接部分制成与需连接的侧电极或侧电极组的形状相同，面积相同或略小。
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