一种径向振动环状压电陶瓷复合变压器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合变压器技术领域，特别涉及一种径向振动环状压电陶瓷复合变压 器。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 为了实现上述目的，本发明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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 本发明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\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V。，从而实现电压或电流的变换。参见图1，图1为本发明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〇
[0010] 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。
[0011] 本发明的共振频率方程为式（1)，
[0012]
【主权项】
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 环做和压电陶瓷外环（1)，在压电陶瓷内环做与压电陶瓷外环（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)化及金属导电环（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) W及金属导电环（2)的高度H《压电陶瓷外环 (1)外径 D/6。
2. 根据权利要求1所述的径向振动环状压电陶瓷复合变压器，其特征在于：所述金属 导电环（2)是侣环、钢环、铜环、侣合金或铁合金环、不诱钢环中的任意一种。
3. 根据权利要求1所述的径向振动环状压电陶瓷复合变压器，其特征在于：所述压电 陶瓷外环（1)和压电陶瓷内环（3)均是由发射型压电换能材料制成的压电陶瓷环。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】H01L41-107, H01L41-04
【公开号】CN104538546
【申请号】CN201410828737
【发明人】林书玉
【申请人】陕西师范大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月26日