本發(fā)明屬于變壓器，具體涉及一種具有多輸出端的徑向振動壓電陶瓷變壓器。

背景技術(shù)：

目前，傳統(tǒng)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(xiàn)電磁耦合的。在一些電力及大功率電子應(yīng)用技術(shù)中，大型的電磁變壓器是非常有效的。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及電子器件小型化的進程開始，電子工業(yè)中的許多應(yīng)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(dǎo)體的趨膚效應(yīng)損失、細導(dǎo)線的傳導(dǎo)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(xiàn)有的電磁變壓器很難實現(xiàn)高效小型化。目前，電磁變壓器已經(jīng)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(xiàn)象及電磁輻射等問題對于環(huán)境都會造成一定的污染，因而也不利于環(huán)保的要求。

為了克服這一問題，實現(xiàn)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、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(tǒng)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(tǒng)的電磁效應(yīng)，而是借助于機械耦合以及壓電材料的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)的。

但是，在現(xiàn)有的壓電陶瓷變壓器中，基本上都只有一個輸入端和一個輸出端，無法產(chǎn)生多個不同的輸出電壓。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服壓電陶瓷變壓器的這一問題，實現(xiàn)壓電陶瓷變壓器的多端口輸入及輸出問題，本發(fā)明提出了一種具有多輸出端的徑向振動壓電陶瓷變壓器。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

具有多輸出端的徑向振動壓電陶瓷變壓器，由多個壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)沿徑向復(fù)合構(gòu)成，其中，相鄰的兩個所述壓電陶瓷圓環(huán)之間均設(shè)置有一個金屬圓環(huán)，選取任意一個所述壓電陶瓷圓環(huán)作為輸入端，其余每個壓電陶瓷圓環(huán)分別構(gòu)成一個輸出端，所述壓電陶瓷圓環(huán)內(nèi)外圓柱面上均鍍有銀電極，且沿徑向極化。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述壓電陶瓷圓環(huán)與金屬圓環(huán)軸向高度相等，且上下端面均處于同一平面內(nèi)，所述軸向高度小于壓電陶瓷圓環(huán)最大直徑的五分之一

作為本發(fā)明的進一步說明，所述壓電陶瓷圓環(huán)均是由壓電系數(shù)高的發(fā)射型壓電陶瓷材料制成。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述金屬圓環(huán)由鋁合金、鋁鎂合金、鈦合金和銅中的任意一種制成。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)之間通過高強度膠粘接。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)之間通過嚴格控制所述壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)的尺寸，借助不同材料的熱脹冷縮特性，使各部件緊密結(jié)合。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1、通過采用多層壓電陶瓷圓環(huán)及金屬圓環(huán)的復(fù)合，實現(xiàn)了壓電陶瓷變壓器的多端口電信號輸入及輸出，從而實現(xiàn)了單一壓電陶瓷變壓器多抽頭和多輸出信號的功能。

2、通過壓電陶瓷圓環(huán)壁厚的改變，實現(xiàn)了壓電陶瓷變壓器不同輸出端口的不同輸出電壓及變壓比改變；通過壓電陶瓷圓環(huán)以及金屬圓環(huán)幾何尺寸的改變，可以實現(xiàn)壓電陶瓷變壓器的共振頻率的改變。

3、壓電陶瓷圓環(huán)之間金屬圓環(huán)的插入，可以改善傳統(tǒng)的壓電陶瓷變壓器的發(fā)熱問題。

4、在壓電陶瓷變壓器中，沿著徑向周期性的疊加多個壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)，可以實現(xiàn)多組電壓輸出，對于由n個壓電陶瓷圓環(huán)組成的壓電陶瓷變壓器，可以產(chǎn)生n-1個不同的輸出電壓。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的具有多輸出端的徑向振動壓電陶瓷變壓器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的具有多輸出端的徑向振動壓電陶瓷變壓器機電等效電路圖。

圖中：1、輸出壓電圓環(huán)二；2、金屬圓環(huán)二；3、輸出壓電圓環(huán)一；4、金屬圓環(huán)一；5、輸入壓電圓環(huán)。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明的具有多輸出端的徑向振動壓電陶瓷變壓器結(jié)構(gòu)示意圖，由多個壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)沿徑向復(fù)合構(gòu)成，其中，相鄰的兩個所述壓電陶瓷圓環(huán)之間均設(shè)置有一個金屬圓環(huán)，選取任意一個所述壓電陶瓷圓環(huán)作為輸入端，其余每個壓電陶瓷圓環(huán)分別構(gòu)成一個輸出端，所述壓電陶瓷圓環(huán)內(nèi)外圓柱面上均鍍有銀電極，且沿徑向極化，壓電陶瓷圓環(huán)與金屬圓環(huán)軸向高度相等，且上下端面均處于同一平面內(nèi)，其軸向高度小于壓電陶瓷圓環(huán)最大直徑的五分之一。

本發(fā)明采用多層壓電陶瓷圓環(huán)與金屬圓環(huán)的復(fù)合，實現(xiàn)了壓電陶瓷變壓器的多端口信號輸入及輸出，從而實現(xiàn)了單一壓電陶瓷變壓器多抽頭和多輸出信號的功能。

實施例2：

在實施例1的基礎(chǔ)上，壓電陶瓷圓環(huán)均是由壓電系數(shù)高的發(fā)射型壓電陶瓷材料制成，如PZT-4或PZT-8，要求材料的介電損耗和機械損耗低，彈性好，機電轉(zhuǎn)換系數(shù)高，居里溫度高，溫度穩(wěn)定性高；金屬圓環(huán)由鋁合金、鋁鎂合金、鈦合金和銅等任意一種材料制成，要求材料彈性好，損耗低，振動傳輸性能好以及傳熱性能強，以增加變壓器的散熱性能。

壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)之間通過高強度膠粘接，或者通過嚴格控制所述壓電陶瓷圓環(huán)和金屬圓環(huán)的尺寸，借助不同材料的熱脹冷縮特性，使各部件緊密結(jié)合。

實施例3：

在上述實施例的基礎(chǔ)上，如圖1所示，圖為一種由三個壓電陶瓷圓環(huán)和兩個金屬圓環(huán)復(fù)合而成的壓電陶瓷變壓器，由外向內(nèi)依次為輸出壓電圓環(huán)二1、金屬圓環(huán)二2、輸出壓電圓環(huán)一3、金屬圓環(huán)一4和輸入壓電圓環(huán)5。

當(dāng)在上述壓電變壓器的輸入壓電圓環(huán)5的內(nèi)外表面施加一個交變電壓Vi時，借助于逆壓電效應(yīng)，壓電變壓器將產(chǎn)生機械振動。當(dāng)壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動電壓頻率等于壓電陶瓷變壓器的共振頻率時，變壓器的機械振動達到最大，此時變壓器的輸入功率和效率都達到最大，壓電陶瓷變壓器都應(yīng)工作在其共振頻率上。

當(dāng)壓電陶瓷變壓器產(chǎn)生機械共振時，其內(nèi)部將產(chǎn)生一定的振動模態(tài)分布。此時，由于壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)，在變壓器的輸出壓電圓環(huán)一3和輸出壓電圓環(huán)二1中將會產(chǎn)生一定的電勢分布，因而在其內(nèi)外金屬電極上就會出現(xiàn)一定幅度的電壓V₀₁和V₀₂，該電壓的頻率等于變壓器的輸入電壓頻率，而電壓的幅度則與壓電陶瓷圓環(huán)的內(nèi)外半徑以及壓電陶瓷材料的壓電系數(shù)等有關(guān)系。

由于壓電陶瓷變壓器中各個壓電陶瓷圓環(huán)的幾何尺寸，如內(nèi)外半徑等是不同的，因此對應(yīng)不同的壓電陶瓷圓環(huán)，會產(chǎn)生不同的輸出電壓。因此，具有多輸出端的壓電陶瓷變壓器就是通過合理設(shè)計不同的壓電陶瓷圓環(huán)來實現(xiàn)多個不同的電壓及電流變換的。同時，借助于壓電陶瓷變壓器各部分幾何尺寸的改變，可以實現(xiàn)輸入電壓的升高或降低，達到電壓變化的目的。

實施例4：

如圖2所示，為實施例3提供的壓電陶瓷變壓器的機電等效電路圖，三個壓電陶瓷圓環(huán)的機電等效電路分別由三個六端機電等效電路來表示，其等效的電阻抗分別為Z_p11，Z_p12,Z_p13、Z_p21，Z_p22,Z_p23以及Z_p31，Z_p32,Z_p33。兩個金屬圓環(huán)的等效電路由兩個T型四端網(wǎng)絡(luò)來表示，其等效的電阻抗分別是Z₁₁，Z₁₂,Z₁₃及Z₂₁，Z₂₂,Z₂₃。

C₁，C₂,C₃分別是三個壓電陶瓷圓環(huán)的靜態(tài)電容，N₁，N₂,N₃是機電轉(zhuǎn)換系數(shù)，n₁₂，n₂₁,n₂₂,n₃₁分別是三個不同的壓電陶瓷圓環(huán)的機械轉(zhuǎn)換系數(shù)。V₁，V₂,V₃分別是變壓器的輸入及輸出電壓，R₁，R₂是壓電陶瓷變壓器兩個不同的輸出端的負載阻抗。

借助于電阻抗的串并聯(lián)關(guān)系，可以得出上述壓電陶瓷變壓器的輸入電阻抗Z_i，

$Z_i=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}\×(\frac{Z_m}{N_1^2}-\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1})\×\frac{N_1^2}{Z_m}---\left(1\right)$

在(1)式中，Z_m是壓電陶瓷變壓器的輸入機械阻抗，其具體的表達式為，

$Z_m=Z_{p13}+\frac{Z_{p11}\·(Z_{p12}+Z_{m1})}{Z_{m1}+Z_{p11}+Z_{p12}}---\left(2\right)$

在(2)式中，

$Z_{m1}=n_{12}^2{Z}_{m2},Z_{m2}=Z_{11}+\frac{Z_{13}\·(Z_{12}+2_{m3})}{Z_{12}+Z_{13}+Z_{m3}},Z_{m3}=\frac{Z_{m4}}{n_{21}^2},$

$Z_{m4}=Z_{p21}+\frac{(Z_{p23}+Z_{c2})\·(Z_{p22}+Z_{m5})}{Z_{p23}+Z_{p22}+Z_{c2}+Z_{m5}},Z_{c2}=N_2^2\·(\frac{R_1\·\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}-\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}),$

$Z_{m5}=n_{22}^2{Z}_{m6},Z_{m6}=Z_{21}+\frac{Z_{23}\·(Z_{22}+Z_{m7})}{Z_{22}+Z_{23}+Z_{m7}},Z_{m7}=n_{31}^2{Z}_{m8},$

$Z_{m8}=Z_{p31}+\frac{(Z_{p33}+Z_{c3})\·Z_{p32}}{Z_{p33}+Z_{p32}+Z_{c3}},Z_{c3}=N_3^2\·(\frac{R_2\·\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3}}{R_2+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3}}-\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_3}).$

基于(1)式，可以看出壓電陶瓷變壓器的輸入電阻抗是一個復(fù)數(shù)，而且與電信號的頻率有關(guān)系。當(dāng)電阻抗的模值分別達到最小和最大值時，就可以得出壓電陶瓷變壓器的共振頻率和反共振頻率方程，共振頻率方程：Abs(Z_i)＝minimum (3)

反共振頻率方程：Abs(Z_i)＝maximum (4)

基于上述分析及公式，設(shè)計了如下四個壓電陶瓷變壓器：

例1：壓電陶瓷變壓器的工作頻率為40千赫茲。三個壓電陶瓷圓環(huán)的材料為PZT-4，兩個金屬圓環(huán)材料為鋁合金。壓電陶瓷變壓器的厚度為10mm,由內(nèi)到外壓電陶瓷圓環(huán)以及金屬圓環(huán)的半徑分別為：R1＝10mm,R2＝15mm,R3＝18mm,R4＝20mm,R5＝25mm,R6＝30mm。

例2：壓電陶瓷變壓器的工作頻率為30千赫茲。三個壓電陶瓷圓環(huán)的材料為PZT-4，兩個金屬圓環(huán)材料為鋁合金。壓電陶瓷變壓器的厚度為10mm,由內(nèi)到外壓電陶瓷圓環(huán)以及金屬圓環(huán)的半徑分別為：R1＝15mm,R2＝20mm,R3＝25mm,R4＝30mm,R5＝45mm,R6＝50mm。

例3：壓電陶瓷變壓器的工作頻率為30千赫茲。三個壓電陶瓷圓環(huán)的材料為PZT-4，兩個金屬圓環(huán)材料為銅。壓電陶瓷變壓器的厚度為10mm,由內(nèi)到外壓電陶瓷圓環(huán)以及金屬圓環(huán)的半徑分別為：R1＝10mm,R2＝13mm,R3＝18mm,R4＝20mm,R5＝26mm,R6＝30mm。

例4：壓電陶瓷變壓器的工作頻率為25千赫茲。三個壓電陶瓷圓環(huán)的材料為PZT-4，兩個金屬圓環(huán)材料為銅。壓電陶瓷變壓器的厚度為10mm,由內(nèi)到外壓電陶瓷圓環(huán)以及金屬圓環(huán)的半徑分別為：R1＝10mm,R2＝13mm,R3＝20mm,R4＝25mm,R5＝35mm,R6＝40mm。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。