[發明專利]軸向振動功率型壓電陶瓷變壓器

有效

• 申請號: 201510072903.5
• 申請日: 2015-02-11
• 公開（公告）號: CN104681712B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 林書玉
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: H01L41/113
• 分類號: H01L41/113;H01L41/053;H01L41/083;H02N2/00
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司61201
• 代理人: 曹宇飛

技術領域

本發明屬于壓電變壓器技術領域，特別涉及一種軸向振動功率型壓電陶瓷變壓器。

背景技術

目前，傳統的升高或降低交變電壓的途徑是利用電磁變壓器。電磁變壓器主要由鐵芯以及圍繞鐵芯的線圈組成。在電磁變壓器中，初級和次級線圈是通過磁芯而實現電磁耦合的。在一些電力及大功率電子應用技術中，大型的電磁變壓器是非常有效的。然而，隨著科學技術的發展以及電子器件小型化的進程開始，電子工業中的許多應用都需要外形尺寸較小的高效元器件，因而對小型高效變壓器的需求量越來越大。由于其固有原因，例如導體的趨膚效應損失、細導線的傳導損失以及磁性材料中的弛豫損耗隨著變壓器的尺寸減小而迅速增大等，使得現有的電磁變壓器很難實現高效小型化。目前，電磁變壓器已經成為電路板上體積最大的電子器件，并且成為了電子器件小型化的最大障礙之一。另外，電磁變壓器所固有的漏磁現象及電磁輻射等問題對于環境都會造成一定的污染，因而也不利于環保的要求。

為了克服這一問題，實現電子器件的小型化，人們提出了壓電陶瓷變壓器的概念。壓電陶瓷變壓器基本上是由兩個機械部分相互耦合而電路部分相互絕緣的壓電陶瓷共振器(或壓電陶瓷換能器以及壓電陶瓷致動器)組成。壓電陶瓷變壓器是一種新型的電壓或電流變換器件，其工作原理與傳統的電磁變壓器不同。在壓電陶瓷變壓器中，初級與次級之間的耦合不是通過傳統的電磁效應，而是借助于機械耦合以及壓電材料的壓電效應來實現的。傳統的壓電陶瓷變壓器基本上都是由輸入壓電陶瓷元件和輸出壓電陶瓷元件兩部分直接耦合而成，由于壓電陶瓷材料本身熱傳導能力較弱，因此常常出現壓電陶瓷變壓器過熱等現象，從而影響壓電陶瓷變壓器的性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠改善變壓器散熱、增大變壓器的功率容量以及提高其機電性能的軸向振動功率型壓電陶瓷變壓器。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是該變壓器包括輸入壓電陶瓷體與輸出壓電陶瓷體，在輸入壓電陶瓷體與輸出壓電陶瓷體之間以及輸入壓電陶瓷體與輸出壓電陶瓷體的外側分別設置有金屬圓柱體，金屬圓柱體與輸入壓電陶瓷體、輸出壓電陶瓷體同軸設置且金屬圓柱體與輸入壓電陶瓷體、輸出壓電陶瓷體疊加的總高度H滿足：H>4Rmax，Rmax為最大直徑的金屬圓柱體所對應的半徑，所述輸入壓電陶瓷體與輸出壓電陶瓷體的半徑小于等于與之臨接的金屬圓柱體的半徑。

上述輸入壓電陶瓷體與輸出壓電陶瓷體之間最好能夠采用軸向延伸的預應力螺栓連接，以加強各部分之間的連接強度。

上述輸入壓電陶瓷體和輸出壓電陶瓷體分別是由偶數個壓電陶瓷片層疊而成。

上述金屬圓柱體可以是鋁、鋼、銅、鋁合金、鈦合金或不銹鋼材質的圓柱體。

當給定壓電陶瓷變壓器各部分的材料和尺寸后，利用共振頻率設計方程(1)就可以設計不同頻率、不同振動模式、不同幾何尺寸以及不同變壓比的壓電陶瓷變壓器，同時利用變壓器的電壓變換比方程(2)就可以得出壓電變壓器的電壓變換比大小。

本發明得出的壓電陶瓷變壓器的共振頻率設計方程為式(1)，

壓電變壓器的電壓變換比方程為式(2)，

在式(1)及(2)方程中，包含了該壓電陶瓷變壓器組成材料的材料參數、幾何尺寸參數以及變壓器的振動模態信息，設定自上而下第一個金屬圓柱體的高度為l₁，第二個金屬圓柱體的高度為l₂，第三個金屬圓柱體的高度為l₃，第一個壓電陶瓷體是由若干個壓電陶瓷片層疊組成，其中每個壓電陶瓷片的厚度為l₀₁，第二個壓電陶瓷體是由若干個壓電陶瓷片層疊組成，其中每個壓電陶瓷片的厚度為l₀₂，兩個壓電陶瓷體中任意一個為輸入壓電陶瓷體、另一個是輸出壓電陶瓷體；ω＝2πf，表示角頻率，f表示頻率，n₁及n₂表示輸入壓電陶瓷體和輸出壓電陶瓷體的機電轉換系數；C₁及C₂表示其靜態電容；

其中K₃₃，d₃₃，分別表示壓電陶瓷材料的自由介電常數，機電耦合系數，壓電常數以及彈性柔順系數。