[发明专利]轴向振动功率型压电陶瓷变压器

说明书

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。