一种径向振动环状压电陶瓷复合变压器制造技术

本发明专利技术涉及一种径向振动环状压电陶瓷复合变压器，其包括压电陶瓷内环和压电陶瓷外环，在压电陶瓷内环与压电陶瓷外环之间同轴设置金属导电环，压电陶瓷内环、压电陶瓷外环以及金属导电环的上、下端面在同一平面内，压电陶瓷内环、压电陶瓷外环以及金属导电环的高度H≤压电陶瓷外环外径的D/6，本发明专利技术提出的新型的径向振动压电陶瓷变压器，在输入和输出压电陶瓷器件之间增加了一个金属圆环，可以起到改善变压器散热，增大变压器的功率容量，以及提高其机电性能的作用，同时利用径向极化的压电陶瓷圆环，使压电陶瓷圆环的极化以及激励方向一致，属于一种纵效应的振动模态，即类似于Kt振动模态，可以提高压电陶瓷变压器的机电激发及转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种径向振动环状压电陶瓷复合变压器
本专利技术属于复合变压器
，特别涉及一种径向振动环状压电陶瓷复合变压器。
技术介绍
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。压电陶瓷变压器的概念是由美国的Rosen于1954年提出的，但是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。此外，传统的环形压电陶瓷变压器中压电陶瓷元件基本上都是轴向极化的，即沿着压电陶瓷圆环的高度方向；同时圆环的振动沿着径向方向，此时压电陶瓷圆环的振动模态属于横效应的Kp振动模态。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用径向极化的压电陶瓷圆环使压电陶瓷圆环的极化以及激励方向保持一致，从而提高压电陶瓷变压器的机电激发及转换效率的径向振动环状压电陶瓷复合变压器。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案包括同轴设置的压电陶瓷内环和压电陶瓷外环，在压电陶瓷内环与压电陶瓷外环之间设置有金属导电环，压电陶瓷内环、压电陶瓷外环以及金属导电环的上、下端面在同一平面内，压电陶瓷内环、压电陶瓷外环以及金属导电环的高度H≤压电陶瓷外环外径D/6。上述金属导电环是铝环、钢环、铜环、铝合金或钛合金环、不锈钢环中的任意一种。上述压电陶瓷外环和压电陶瓷内环均是由发射型压电换能材料制成的压电陶瓷环。本专利技术的径向振动环状压电陶瓷复合变压器当在压电陶瓷内环的内、外表面施加一个交变电压Vi时，借助于逆压电效应，将在其共振频率附近产生机械振动，同时在其外部输出压电陶瓷外环的内外表面，由于正压电效应，将产生一个与输入电压同频率的输出电压信号Vo，从而实现电压或电流的变换。参见图1，图1为本专利技术的径向振动环状压电陶瓷复合变压器的机电等效电路，在图1中，ab线的左侧部分表示复合变压器中的输入压电陶瓷环，即压电陶瓷内环，ab线与cd线之间的部分表示金属圆环，cd线的右侧部分表示压电陶瓷变压器的输出压电陶瓷环，即压电陶瓷外环，因此，压电陶瓷内环的内半径a、金属导电环的内半径b、压电陶瓷外环的内半径c、压电陶瓷外环的外半径d以及金属导电环的高度h。当给定材料以及几何尺寸后，利用共振频率方程(1)就可以设计不同频率以及不同几何尺寸的压电陶瓷变压器，同时利用变压器的电压变换比方程(2)就可以得出复合变压器的电压变换比大小。本专利技术的共振频率方程为式(1)，电压变换比方程为式(2)，式(2)在式(1)及(2)方程中，包含了该径向振动环状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。在(1)式中，ω＝2πf，表示角频率，f表示频率；N1表示压电陶瓷变压器输入压电陶瓷环的机电转换系数；C1表示输入静态电容。Z1m＝R1m+jX1m,表示输入压电陶瓷环的内表面的等效机械阻抗，其具体表达式为，Z2m表示金属导电环内表面的等效机械阻抗，其表达式为，Z3m表示输出压电陶瓷环内表面的等效机械阻抗，其表达式为，R1m表示输入压电陶瓷环内表面的等效机械阻；X1m表示输入压电陶瓷环内表面的等效机械抗；Zc表示输出压电陶瓷环的反射电阻抗，其表达式为，N2表示压电陶瓷变压器输出压电陶瓷环的机电转换系数；C2表示输出静态电容；其中Zc中的R表示复合变压器的负载阻抗；n1及n2分别表示输入及输出压电陶瓷环的机电等效电路中等效变压器的变换比；另外，Z11，Z12，Z13；Z21，Z22，Z23和Z31，Z32，Z33分别表示输入压电陶瓷环，金属导电环以及输出压电陶瓷环的等效机械阻抗，其具体的表达式为，另外，在上述各式中，τ1＝Jν(kc)Yν(kd)-Jν(kd)Yν(kc)b1,b3,b4及b5是一些常数；k表示波数；Jν(kc)表示特殊函数中的贝塞尔函数；Yν(kd)表示诺依曼函数；s-2,v-1等表示隆美尔函数。本专利技术的径向振动环状压电陶瓷复合变压器具有以下几个优点：(1)利用径向极化的压电陶瓷圆环，使压电陶瓷圆环的极化以及激励方向一致，属于一种纵效应的振动模态，即类似于Kt振动模态，可以提高压电陶瓷变压器的机电激发及转换效率。(2)本专利技术提出的新型的径向振动压电陶瓷变压器，在输入和输出压电陶瓷器件之间增加了一个圆形金属导电环，可以起到改善变压器散热，增大变压器的功率容量，以及提高其机电性能的作用。(3)借助于压电陶瓷变压器中的金属导电环，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。(4)通过改变压电陶瓷变压器的几何尺寸，可以实现输入电压的升高或降低。同时，也可以通过变压器几何尺寸的优化设计，实现复合变压器电压变换比的有效改变，达到电压变化的目的，而且其给出了此类新型的压电陶瓷变压器的工程设计理论及方法。借助于此理论可以方便迅速地给出此类复合变压器的工作频率、电压变换比以及有效机电耦合系数等。附图说明图1为本专利技术的径向振动环状压电陶瓷复合变压器的机电等效电路。图2为本专利技术的径向振动环状压电陶瓷复合变压器结构示意图。图3为图2的俯视图。具体实施方式现结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行进一步说明，但是本专利技术不仅限于下述的实施情形。参见图2和图3，本专利技术的径向振动环状压电陶瓷复合变压器是由压电陶瓷内环3和压电陶瓷外环1以及金属导电环2连接构成。本实施例的压电陶瓷内环3是圆形环状体，在其外侧面用耐高温环氧树脂粘结剂与金属导电环2的内壁紧密粘结，金属导电环2的外侧面用同样的方式与压电陶瓷外环1的内壁紧密粘结，使导电金属环与压电陶瓷内环3、压电陶瓷外环1同轴设置，并且导电金属环的高度与压电陶瓷外环1、压电陶瓷内环3的高度相等，即压电陶瓷内环3、压电陶瓷外环1以及金属导电环2的上、下端面在同一平面内，设定压电陶瓷内环3的内半径为a，金属导电环2的内半径为b，压电陶瓷外环1的内半径为c，压电陶瓷外环1的外半径为d，压电陶瓷内环3、压电陶瓷外环1以及金属导电环2的高度均为h。具体的工程设计实例参见如下：实例1：a＝0.01m，b＝0.012m，c＝0.02m，d＝0.024m，h＝0.005m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种径向振动环状压电陶瓷复合变压器，其特征在于：包括同轴设置的压电陶瓷内环(3)和压电陶瓷外环(1)，在压电陶瓷内环(3)与压电陶瓷外环(1)之间设置有金属导电环(2)，压电陶瓷内环(3)、压电陶瓷外环(1)以及金属导电环(2)的上、下端面在同一平面内，压电陶瓷内环(3)、压电陶瓷外环(1)以及金属导电环(2)的高度H≤压电陶瓷外环(1)外径D/6。

【技术特征摘要】
1.一种径向振动环状压电陶瓷复合变压器，其特征在于：包括同轴设置的压电陶瓷内环(3)和压电陶瓷外环(1)，在压电陶瓷内环(3)与压电陶瓷外环(1)之间设置有金属导电环(2)，压电陶瓷内环(3)、压电陶瓷外环(1)以及金属导电环(2)的上、下端面在同一平面内，压电陶瓷内环(3)、压电陶瓷外环(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：林书玉，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61