Пьезоэлектрический трансформатор напряжения Советский патент 1980 года по МПК H04R17/00 

(54) ПЬЕЗОЭЛРКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в устройствах трансформации электрического напряжения. Известны пьезоэлектрические трансформаторы, состоящие из пьезоэлемента с входными электродами в качестве возб дителя и выходными электродами в .качестве генератора, подключенными к нагрузке I.

Известные трансформаторы изготовляют с коэффициентом трансформации напряжейия меньше тысячи, что обусловлено ограниченной величиной допустимой напряженности электрического поля для керамических пластин пьезоэлементов и низкой добротностью их механических колебаний.

Коэффициент трансформации в известном устройстве может быть увеличен путем рассогласования нагрузки. Однако при этом уменьшается удельная мощность и КПД, что ограничивает использование пьезоэлектpичeckиx трансформаторов в качестве высоковольтных источников питания.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является пьезоэлектрический трансформатор, содержащий биморфные пьезопластины, каждый слой которых состоит из возбудителя и генератора 2. Четное число пьезопластин соединено торцами под острым углом в виде W и закреплены средней вершиной на опоре. Свободные концы пластин снабжены механическими элементами, например полукруглой формы, выполняющими роль эквивалентных акустических удлинителей.

Отсутствие осевой сим.метрин пьезопластин приводит к появлению динамических усилий, воздействующих на опору, что снижает

10 КПД всего устройства.

Поскольку в рабочем режиме механическая добротность пьезокерамики не провыщает ста, а излучение в воздух колеблющихся пластин еще более снижает добротность колебаний, то это ограничивает КПД

15 и коэффициент трансформации. Кроме того, отношение длины пьезопластин к толщине выбирают не больше пятидесяти, так как при больших отношениях падает прочность элементов, а также затрудняется симметрирование системы пьезоэлементов относительно опоры, которые должны быть п логнаны не только по резонансной частоте, ьо и по геометрической форме. В противном случае, в механической системе возникают :neniiH из-за динамической несимметрии колебательной системы относительно опоры, которые сопровождаются инерционным воздействием на опору, то есть приводят к дополнительным потерям, снижающим добротность, а вместе с ней коэффициент трансформации. Таким образом, конструктивные особенности известного пьезотрансформатора не позволяют изготовлять их с коэффициентами трансформации больше тысячи для работы в силовом режиме. Целью изобретения является увеличение КПД и коэффициента трансформации. Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом трансформаторе напряжения, содержащем пьезоэлектрические элементы из четного числа биморфных пластин с электродами, соединенных торцами в форме W и установленных на неподвижной опоре, причем свободные концы пластин снабжены механическими элементами в виде сегментных отрезков цилиндров, входные и выходные клеммы, соединенные с электродами, указанные механические элементы выполнены в виде постоянных магнитов, закрепленных попарно на секторах из магнитномягкого материала со свободным вращением вокруг неподвижной опоры, пьезоэлектрические W-образные элементы основаниями механически соединены с магнитными секторами и расположены верщинами симметрично вокруг опоры, а между входной клеммой и электродом пьезоэлемента включен дроссель. На фиг. 1 приведены проекции пьезоэлектрического трансформатора в разрезе; на фиг. 2 - кинематическая схема .механических связей между элементами трансформатора; на фиг. 3 - эквивалентная механическая схема крепления трансформатора. Пьезоэлектрический трансформатор содержит четыре группы W-образных пьезоэлектрических биморфных пластин 1. Концы W-образных групп механически соединены посредством магнитных масс 2, выполненных из постоянного магнита, и языков 3 из диэлектрика, например пластмассы. Магнитные массы закреплены на секторах 4 из магнитно-мягкого материала. Противостоящие сектора попарно скреплены верщинами и закреплены на валу с возможностью вращения относительно их оси симметрии. Биморфная пластина выполнена в виде скрепленных главными плоскостями диэлектрического, например из ситалла, и пьезоэлектрического, например из титаната бария, слоев. На внещнюю поверхность диэлектрического слоя нанесен серебряный электрод, а пьезоэлектрический слой поляризован вдоль плоскости и серебряные электроды нанесены на его концы. Все электроды своими концами соединены перемычками с прилегающими соответствующими электродами соседних пьезопластин, причем перемычки электродов диэлектрического слоя соединены через одну и выведены на клемму 5 и через дроссель 6 - на клемму 7, а одна из перемычек пьезоэлектрического слоя разорвана и ее концы выведены на клеммы 8 и 9, являющиеся выходом трансформатора. Пьезоэлектрический трансформатор работает следующим образом. К входным клеммам 5 и 7 трансформатора подсоединяют через дроссель 6 источник питания, работающий на частоте изгиб; ных колебаний W-образной группы пластин 1, утяжеленных магнитными массами 2. Вследствие электромагнитного взаимодействия между током, проходящим по электроду, нанесенному на диэлектрический слой, и магнитным полем на пластины каждой W-образной группы действуют силы, которые в один полупериод, например, сближают средние пластины и удаляют друг от друга крайние пластины, а в следующий полупериод сближают крайние пластины с прилегающими средними, как показано на фиг. 2. При этом массы 2 соверщают круговые колебания вокруг опоры и изгибают пластины, между электродами активного слоя которых благодаря пьезоэлектрическому эффекту возникает разность потенциалов, подключенная через клеммы 8 и 9 к нагрузке. Чтобы устранить ответвление колебательной энергии в опору, точка опоры совмещена с центром тяжести каждой пары секторов 4. В этом случае, как показано на фиг. 3, пары секторов находятся в безразличном равновесии, и сближение(или удаление) их масс 2 приводит только к изгибу пластин 1, не вызывая противодействующих сил в опоре даже при различии масс секторов, к тому же использование крутильных колебаний позволяет произвести динамическое уравновещивание системы методами, применяемыми для уравновещивания валов механизмов. Конструкция колебательной системы пьезотрансформатора упрощает симметрирование по сравнению с прототипом и позволяет получить дополнительный выигрыщ в величине добротности, что увеличивает его коэффициент трансформации в слабонагруженном режиме, близком к режиму холостого хода. При увеличении сопротивления нагрузки, например в 2 раза, соответствующее пересчитанное на вход сопротивление уменьщится в 2 раза, что соответствует увеличению коэффициента трансформации в 2 раза по сравнению с коэффициентом трансформации для первого значения нагрузки. Для уменьшения зависимости коэффициента трансформации от колебаний нагрузки во входную цепь введен дроссель 6. Для этой цели может использоваться также резистор.

Пьезоэлектрический трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации цорядка Ю цри высоком КПД и стабилизирует выходное, напряжение при колебаниях нагрузочного тока.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический трансформатор напряжения, срдержащий пьезоэлектрические элементы из четного числа биморфных пластин с электродами, соединенных торцами в виде W и установленных на неподвижной опоре, причем свободные концы пластин снабжены механическими элементами в виде сегментных отрезков цилиндров, входные и выходные клеммы, соединенные с электродами, отличающийся тем, что, с целью

увеличения КПД и коэффициента трансформации, указанные механические элементы выполнены в виде постоянных магнитов, закрепленных попарно на секторах из магнитно-мягкого материала со свободным вращением вокруг неподвижной опоры, пьезоэлектрические W-образные элементы своими основаниями механически соединены с магнитными секторами и расположены вершинами симметрично вокруг опоры, при этом между входной клеммой и одним из электродов пьезоэлелента включен дроссель.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

ВВ

А