Пьезоэлектрический трансформатор напряжения

ожЯК 7Ытетй нб те О П И С А Н И Е )771907ИЗОБРЕТЕН ИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(53) УД К 621.3 4: 537.227 (088.8) Опубликовано 15.10.80. Бюллетень38 по делам нвобретеннй н открытнйДата опубликования описания 25.10.80(54) ПЬЕЗОЭЛГКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в устройствах трансформации электрического напряжения. Известны пьезоэлектрические трансформаторы, состоящие из пьезоэлемента с входными электродами в качестве возбудителя и выходными электродами в качестве генератора, подключенными к нагрузке 1.Известные трансформаторы изготовпяют с коэффициентом трансформации напряжейия меньше тысячи, что обусловлено ограниченной величиной допустимой напряженности электрического поля для кера - мических 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 пьезоэлектрических трансформаторов в качестве высоковольтных источников питания.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является пьезоэлектрический трансформатор, содержащий биморфные пьезопластины, каждый слой ко 2торых состоит из возбудителя и генератора 2. Четное число пьезопластин соединено торцами под острым углом в виде Ю и закреплены средней вершиной на опоре.Свободные концы пластин снабжены меха ническими элементами, например полукруглой формы, выполняющими роль эквивалентных акустических удлинителей.Отсутствие осевой симметрии пьезопластин приводит к появлению динамических усилий, воздействующих на опору, что снижает 10 КПД всего устройства.Поскольку в рабочем режиме механическая добротность пьезокерамики не прсвышает ста, а излучение в воздух колебгощихся пластин еще более снижает добротность колебаний, то это ограничивает КПД и коэффициент трансформации. Кроме того, отношение длины пьезопластин к тол 1 не выбирают не больше пятидесяти. так как при больших отношениях падает прочность элементов, а также затрудняется симметриЗ 1 рование системы пьезоэлсментов относительно опоры, которые должны быть и, догнаны не только по резонансной частоте.: о и по геометрической форме. В противном лучае.в меха ническо с стеме Гозн х,3 ю" ,ея771907 зиз-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 % 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 магнитно- мягкого материала со свободным вращением и вокруг неподвижной опоры, пьезоэлектрические %-образные элементы основаниями механически соединены с магнитными секторами и расположены вершинами 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 Ф-образных пьезоэлектрических биморфных пластин 1, Концы фф %-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 вершинами и закреплены на валу с возможностью вращения относительно их оси симметрии.Биморфная пластина выполнена в виде скрепленных главными плоскостями диэлек- зф трического, например из ситалла, и пьезоэлектрического, например из титаната бария, слоев, На внешнюю 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 %-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 Ъ-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 совершают 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 на груз ке.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 ура вновеши вани е системы методами, применяемыми для уравновешивания валов механизмов. Конструкция колебательной системы пьезотрансформатора упрощает симметрирование по сравнению с прототипом и позволяет получить дополнительный выигрыш 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 уменьшится 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.771907 Формула изобретения 5 ЬПьезоэлектрический трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации порядка 104 при высоком КПД и стабилизирует выходное. напряжение при колебаниях нагрузочного тока. Пьезоэлектрический трансформатор напряжения, содержащий пьезоэлектрические элементы из четного числа биморфных пластин с электродами, соединенных торцами в виде % 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 6увеличения 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 Ж-образные элементы своими основаниями механически соединены с магнитными секторами и расположены вершинами симметрично вокруг опоры, при этом между входной клеммой и одним из электродов пьезоэлемента включен дроссель. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Лавриненко В. В. Пьезоэлектрическиетрансформаторы. М., Энергияэ,975, с. 49.2. Авторское свидетельство СССРМо 476832, кл. Н 04 К 17/00, 1976.. Лисифрич Соста вителТехред К. ШТираж 729 Редактор Т. ЛошкареваЗаказ 6721/73ВНИИПИпо113035, МФилиал ППП Государственного елам изобретений сква, Ж - 35, Рау Патент, г. Ужго Корректор Н. ГригоруПодписное комитета СССРи от крытийшская наб., д. 4/од, ул. Проектна