压电变压器接触散热装置的研究.pdf

《压电变压器接触散热装置的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电变压器接触散热装置的研究.pdf（129页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期：2 迓2 ： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学捌 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印

2、或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 l 囤公开口保密(年) 作者签名：壹 班导师签名：一签字日期：二碰牡签字日期：趔2 。么! 厂 摘要 摘要 压电变压器利用压电材料的逆压电效应和正压电效应，通过机械振动实现了 能量传递，具有功率密度高、结构简单、成本低等巨大的优势，可能成为电磁变 压器的替代产品。理论上压电变压器的功率密度可高达4 0 0W c m 3 以上，现在实 际使用时低于3 0W c m 3 ，这种实际和理论的差距主要是介电、机械和压电损耗 发热造成的。为了实现可靠工作和高功率密度能量传输，抑制

3、压电变压器工作时 候的温升就显得非常重要。以往压电变压器通常采用点固支方式、仅依靠空气对 流较为单一的方法进行散热，普遍存在散热效率低、本体发热严重、稳定性差、 功率密度低的缺点，大大制约了压电变压器的普及。本论文首次提出了面接触式 压电变压器散热方式，有效地解决了相关问题，使压电变压器的可利用的功率密 度得以大幅提高。此种散热方式对于压电材料的其它用途也有很大的应用空间。 论文的主要工作和结论包括： 对于常见的圆形压电变压器通过等效电路方法进行了理论分析，得到了基本 特性参数；对于矩形压电变压器的扩展振动模式，通过三维有限元分析计算出了 不同情况下的压电变压器的振型、位移分布、输入导纳、输出

4、电压变比及应力分 布。通过与实验结果进行比较，证实了仿真计算的可靠和准确性；说明了迟滞是 压电材料损耗产生的重要原因，也是压电变压器发热的根本原因。给出了介电损 失，压电损失和机械损失的计算方法。根据压电变压器的特点，针对有限元法， 给出了压电变压器损耗计算的公式。 对于几种典型的压电变压器，提出了相应的接触式散热结构。利用集中参数 模型，理论上分析了散热装置对压电变压器的热导的影响；用三维有限元法得到 了压电变压器的温度分布、热梯度、热应力。通过实验验证了温度分析的准确性。 分析了理想情况和考虑接触热阻情况的热耦合元件对压电变压器工作的影响。研 究了压电变压器的最高温升随散热器长度和宽度尺寸

5、变化的关系。对比压电变压 器的速度分布与温度分布，得到幅值大的部分温升较小。 首次制作了具有接触式散热结构的压电变压器并对其特性进行了详细的测 试。研究了带有散热装置压电变压器的输入导纳、输出电压随负载的变化，功率 传输密度、效率、温升、热导等，说明了接触式散热装置对振型的影响较小，大 幅改善了热导从而有效地抑制了温升，并在效率大于9 0 ，温升低于1 0o C 的情 况下，将相同尺寸压电变压器长期稳定工作的功率密度提高了2 倍( 从4 1W c m 3 提高到1 3 5W c m 3 ) ，大大超过了现有记录。通过效率的变化得到了摩擦力对压 电变压器的影响，认为其较小可以忽略不计。对接触面的

6、磨损进行了研究并提出 摘要 了改善磨损的方法。 根据散热和磨损影响，提出了通过增加合适的高分子薄膜过渡层来进一步减 小磨损及提高散热效果的方法，并对散热结构进行了简单的优化。研究了聚丙乙 烯薄膜过渡层厚度对效率的影响。综合考虑温升和磨损两个因素，对使用5 8 岬 厚聚丙烯薄膜过渡层的压电变压器散热结构的性能进行了优化研究。对压电变压 器的散热结合面磨损情况进行了长达11 0 天的连续观察，发现在保持同样的效率 和功率密度的情况下，使用聚丙烯薄膜过渡层后使磨损量减小了约9 9 。实验结 果充分证明了高分子过渡层的实用性，具有很好的应用前景。 关键词：压电变压器，有限元计算，散热装置，聚丙烯薄膜，

7、磨损 A b s t r a c t A B S T R A C T P i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r s ，w h i c ha d j u s tt h es t a t eo fa l le l e c t r i cp o w e rs u p p l y t h r o u g hp i e z o e l e c t r i cd i r e c ta n dc o n v e r s ee f f e c t sa n dv i b r a t i o np r o p a g a t i o n ，h a v e p

8、o t e n t i a lt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fn e x t g e n e r a t i o nt r a n s f o r m e r sb e c a u s eo ft h e i r d e s i r a b l ea d v a n t a g e so fm i n i a t u r i z a t i o n ，h i g hp o w e rd e n s i t y ，f l e x i b l et r a n s f o r m i n g r a t i o ，e l e c t r o m a

9、 g n e t i ci m m u n i t y ，i n c o m b u s t i b i l i t y ，a n dg o o di s o l a t i o n I nt h e o r y ， p o w e rd e n s i t yc a na c h i e v ea sh i g ha s4 0 0W c m 3 H o w e v e r ，t h ea c t u a lm a x i m u m o u t p u tp o w e rd e n s i t yi st y p i c a l l yl e s st h a n3 0W c m 3f o

10、 rc u r r e n td e s i g n sw i t h p i e z o c e r a m i cm a t e r i a l s T h em a i nr e a s o nf o rs u c hl a r g ed e c r e a s eo fp e r f o r m a n c ei st h e i n e v i t a b l ei n c r e a s eo ft h e i r w o r k i n gt e m p e r a t u r eg e n e r a t e df r o md i e l e c t r i c ， p i

11、e z o e l e c t r i c ，a n dm e c h a n i c a ll o s s e s F o re f f i c i e n ta n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt ok e e pap r o p e rw o r k i n gt e m p e r a t u r ef o rt h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r s T h ec o n v e n t i o n a lp i e

12、z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r sw e r ef i x e db yn o d es u p p o r tw a y ，w h i c h o n l yd e p e n do nc o n v e c t i o nw i t ha i rf o rc o o l i n g T h e r e f o r e ，p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r s o w n e ds h o r t c o m i n g so fl o wt h e r m a le f f i c

13、i e n c y ，p o o rs t a b i l i t y ，l o wp o w e rd e n s i t y ， w h i c hg r e a t l yr e s t r i c t e dt h ep o p u l a r i t yo ft h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r I nt h et h e s i s ， a ni n n o v a t i v ed e s i g nf o rt h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r s

14、h e a tt r a n s f e rs y s t e m ( H T S ) t o f i l lt h eb l a n ko fap i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rc o o l i n gd e v i c e ，w h i c hw a sa n a l y z e d i n - d e p t ht h e o r ya n dt a k e ne x p e r i m e n t a ls t u d i e s I na d d i t i o n ，t h ec o o l i n gm e t h o

15、d sa l s o h a v ep o t e n t i a lt oo t h e rp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sa p p l i c a t i o n M a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n s a sf o l l o w ： A c c o r d i n gt ot h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c ta n dt h el i n e a rp i e z o e l e c t r i ce q u a t i o n so ft h

16、e p i e z o e l e c t r i cp h y s i c a lb a s i s ，ac i r c u l a rp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rw a sa n a l y z e dt h r o u g h e q u i v a l e n tc i r c u i tt h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rb a s i cp a r a m e t e r s F o rr e c t a n g u l a re x t e n s i o n v i b

17、 r a t i o nm o d eo f p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r l l e r ，t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w a su s e dt oc a l c u l a t et h e i d e a lc a s e ，w i t hd a m p i n ga n dw i t h d a m p i n g & l o a d s i t u a t i o n ss e p a r a t e l y D i

18、s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n ，i n p u ta d m i t t a n c e ，o u t p u tv o l t a g er a t i o a n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nw e r eg o tf r o mA N S Y S T h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a ll o s s i s g e n e r a t e db yt h eh y s t e r e s i s W eh a dt h er e a s o

19、 na n a l y s i so fh o tp r o d u c e da n df o u n di t s c a l c u l a t i o nm e t h o d A tt h es a m et i m e ，w eh a v em a d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o m p a r et o t h es i m u l a t i o nr e s u l tf o rc o n f i r m i n gt h es i m u l a t i o n r e l i a b i l i t ya n da

20、c c u r a c y ；W e c o n c l u d e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fd i e l e c t r i cl O S S ，p i e z o e l e c t r i cl O S Sa n dm e c h a n i c a l A b s t r a c t l O S S A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r s ，w eo b t

21、 a i n e dl O S S c a l c u l a t i o nf o r m u l af o ra n a l y t i c a lm e t h o da n df i n i t ee l e m e n tm e t h o ds e p a r a t e l y F o rp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ri nar e s o n a n ts t a t e ，t h ed e s i g no fh e a tt r a n s f e r s t r u c t u r ei St h em o s

22、 tc r i t i c a lc o r ec o m p o n e n t s W ed e s i g n e dt h ed i f f e r e n th e a tt r a n s f e r s t r u c t u r ef o rd i f f e r e n tv i b r a t i o nm o d ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rt y p e I no r d e rt om o r e c l e a r l yu n d e r s t a n dt h er o l e & t h eh

23、 e a tt r a n s f e rs y s t e m ，t h el u m p e dp a r a m e t e rm o d e li s u s e dt oa n a l y z eh e a ti n f l u e n c ei n t op i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rt h e o r e t i c a l l y T h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o do f f e r e dad e t a i l e

24、da n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fas i n g l ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rt e m p e r a t u r e ，t h e r m a lg r a d i e n t ， t h e r m a ls t r e s s W em e a s u r e dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nb ye x p e r i m e n t a lt o

25、v e r i f y a c c u r a c yo ft h ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r e ；W ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ei d e a l s i t u a t i o na n dw i t ht h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eo fh e a tc o u p l i n gc o m p o n e n to nt h e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f

26、 o r m e r I no r d e rt ov e r i f yt h e a c t u a l e f f e c to ft h eh e a tt r a n s f e rs y s t e m ，t h es u r f a c e c o n t a c t e dh e a tt r a n s f e rs y s t e mw a sd e s i g n e dt ot e s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r T h ec

27、o n t o u rv i b r a t i o n St h e r m a ls t r u c t u r eo ft h er e c t a n g u l a rp i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e rw a ss e l e c t e da sp r o t o t y p e T h ee x p e r i m e n t a lt e s t c i r c u i tw a ss e t u p C o m p a r i s o na n dd i s c u s s i o nb e t w e e nt h

28、 ep r o t o t y p ew i t ha n dw i t h o u tt h eh e a tt r a n s f e r s y s t e ma r ei m p l e m e n t e db yc o m p a r i n gt h ei n p u t a d m i t t a n c ec u r v e ，n o _ l o a da n d m a t c h i n gt h ei m p e d a n c eo ft h eo u t p u tv o l t a g er a t i o ，i n p u ta n do u t p u tp

29、o w e rd e n s i t y ， e f f i c i e n c y ，t e m p e r a t u r e ，a n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y T h ee x p e r i m e n ts h o w e d 5 5t i m e s i m p r o v e m e n to fh e a td i s s i p a t i o na b i l i t yo ft h eP T w i t hH T S ，t h eo u t p u tp o w e rd e n s i t y i n c r e a

30、s e sm o r et h a n2t i m e s ( f r o m41W c m t o13 5W c m 3 ) ，w i t hat e m p e r a t u r er i s e l e s st h a n10 。Ca n de f f i c i e n c yg r e a t e rt h a n9 0 T h er e s u l t sv e r i f i e dt h a tt h eh e a t t r a n s f e rs y s t e ms u p p r e s s e dt h et e m p e r a t u r er i s e

31、e x c e l l e n t l y a n di m p r o v e dp o w e r d e n s i t ve x t r a o r d i n a r y W ea l s o t e s t e das e p a r a t ec o n t a c tt h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ra n dh e a tc o u p l ec o m p o n e n t U n d e rs e v e r a lw o r k

32、i n gh o u r s ， t h ew e a ro ft h ee l e c t r o d es u r f a c ew a sr e c o r d e d ，t h e nw ef o u n dt h eu s u a ld e c r e a s ew e a r m e t h o di nm e c h a n i c a ls y s t e m ，w h i c hc a nb eu s e df o rf u t u r eo p t i m i z a t i o n I no r d e rt or e d u c et h ew e a ri n f l

33、 u e n c ea n di m p r o v ec h a r a c t e r i s t i co fp i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r ，al a y e ro fp o l y p r o p y l e n em e m b r a n ew a sg l u e d o nt h e r m a lc o u p l i n g c o m p o n e n t a n das i m p l e o p t i m i z a t i o n o ft h e r m a ls t r u c t u r e

34、w a st a k e n T h e e x p e r i m e n t a lt e s t e dt h ei m p a c to nt h ee f f i c i e n c yo ft h et h i c k n e s so ft h e m e m b r a n e T h et h i c k n e s so fp o l y p r o p y l e n ef i l ml a y e rw a sc h o s e na s5 8U m U pt o110d a y so f I V A b s t r a c t c u m u l a t i v ew

35、 o r k ，t h et e s t i n gr e s u l th a ds h o w nt h eo p t i m i z e dw e a rr a t i oh a dd e c r e a s e d t o a p p r o x i m a t e l y1 ，w i t ht h ee f f i c i e n c ya n do u t p u tp o w e rs t a b i l i t y T h e r e s u l t c e r t i f i c a t e dt h eo p t i m i z es t r u c t u r ew a

36、ss u i t a b l ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s K e y w o r d s ：p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，h e a tt r a n s f e rs y s t e m ， p o l y p r o p y l e n ef i l m ，w e a r V Ab s t r a c t V l 目录 目录 摘要I A B S T R A C T I I I 目录V

37、 I I 图表目录I X 第1 章绪论1 1 1 压电变压器1 1 1 1 引言1 1 1 2 压电变压器的发展历程2 1 1 3 压电变压器的分类6 1 2 制约压电变压器功率密度的因素7 1 2 1压电变压器的温升问题8 1 2 2 压电变压器的应力分布问题1 1 1 3 论文的研究目的及创新之处1 3 1 4 论文的研究内容及结构安排1 4 第2 章压电变压器及其热分析l7 2 1 压电物理基础1 7 2 1 1 压电效应1 7 2 1 2 线性压电方程1 9 2 2 压电变压器基本特性参数分析2 1 2 2 1 等效电路方法分析2 1 2 2 2 有限元二维模型分析：2 6 2 3 压

38、电变压器热产生分析3 4 2 3 1 压电材料损耗产生原因3 4 2 3 2 压电变压器工作时发热量计算3 6 2 4 本章小结3 6 第3 章压电变压器散热装置的设计及其影响分析3 9 3 1 压电变压器散热装置的设计3 9 3 1 1 散热结构设计3 9 3 1 2 外部散热器选择4 7 3 2 散热装置对压电变压器带来的影响分析4 9 V I I 目录 3 2 1 散热装置对压电变压器带来的影响理论分析4 9 3 2 2 散热结构对压电变压器带来的影响有限元分析5 3 3 3 本章小结6 6 第4 章压电变压器散热装置制作及测试分析6 7 o l 散热装置模型制作6 7 4 2 应用散热

39、装置的压电变压器样片特性测试6 9 4 3 压电变压器和铜片接触热阻的测试7 5 4 4 摩擦磨损的影响7 8 4 4 1 微动磨损7 8 4 4 2 带有散热装置的压电变压器微动磨损7 9 4 5 本章小结8 2 第5 章压电变压器散热结构的优化一8 5 5 1 热耦合元件的接触面尺寸优化j 8 5 5 2 考虑电极磨损的接触面优化8 7 5 2 1 速度分布和磨损关系8 7 5 2 2表面处理减小磨损8 8 5 3 磨损量实验测试及带有散热装置压电变压器长期工作稳定性8 9 5 4 本章小结9 4 第6 章工作总结及展望9 7 6 1 工作总结9 7 6 2 展望9 8 参考文献10 1

40、致谢1 1 1 在读期间发表的学术论文及取得的研究成果1 1 3 图表目录 图表目录 图1 1 典型R o s e n 型压电变压器的结构2 图1 2 高压型压电变压器3 图1 3 多层压电变压器4 图1 4 微型压电变压器4 图1 5P b ( M g l 3 N b 2 3 ) 0 3 一P b T i 0 3 单晶材料压电变压器5 图1 6 无铅方形压电变压器5 图1 7 纵向振型压电变压器：( a ) 一阶振型，( b ) 二阶振型6 图1 8 方片轮廓振动模式压电变压器7 图1 9 圆片轮廓振动模式压电变压器：( a ) 一阶振动模型，( b ) 二阶振动模型7 图1 1 0 剪切振

41、动模式压电变压器7 图1 1 1 基于有限元计算压电变压器三维温度分布8 图I 1 2 不同尺寸压电变压器的功率密度和温度的关系9 图1 1 3 损失率曲线；( a ) 并并模式，( b ) 并串模式1 0 图1 1 4 不带孔和带孔的压电变压器三维温度分布；( a ) 仿真分析，( b ) 实验温度测 量1 1 图1 1 5R o s e n 型压电变压器在谐振状态的位移和应力分布；( a ) 半波谐振状态分 布，( b ) 全波谐振状态分布1 2 图1 1 6 变截面的R o s e n 型压电变压器1 2 图2 1P Z T 压电陶瓷的压电效应原理1 7 图2 2 压电材料极化后的束缚电

42、荷与电极上吸附的自由电荷示意图1 8 图2 3压电效应原理图：( a ) 正压电效应，( b ) 逆压电效应1 8 图2 4 压电晶体坐标系及其应力分量定义1 9 图2 5 圆形压电变压器的结构图2 2 图2 6 圆形压电变压器的等效电路2 6 图2 7 矩形压电变压器结构示意图2 6 图2 8 三维有限元计算和实验测量的输入导纳幅值图像2 7 图2 9 有限元方法三维计算轮廓扩展振型2 8 图2 1 0 压电变压器的输出电压2 8 图2 1 1 三维有限元仿真位移分布：( a ) X 方向，( b ) y 方向，( C ) z 方向，( d ) 总的 位移2 9 I X 图表目录 图2 1

43、2 实验测量和考虑阻尼有限元计算的压电变压器的谐振特性3 0 图2 1 3 三维有限元仿真考虑阻尼的应力分布；( a ) X 方向，( b ) y 方向，( C ) z 方向， ( d ) 等效应力31 图2 1 4 三维有限元仿真考虑阻尼和负载的位移分布；( a ) x 方向，( b ) Y 方向，( C ) z 方向，( d ) 总的位移分布3 2 图2 1 5 三维有限元仿真考虑阻尼和负载的应力分布；( a ) X 方向，( b ) y 方向，( C ) z 方向，( d ) 等效应力3 3 图2 1 6 负载乙为3 5 5Q ，实验测量和考虑阻尼有限元仿真计算的压电变压器的 者旋稃拦一I 粥 图2 1 7 压电陶瓷的迟滞曲线：( a ) 电位移D 和电场E 的迟滞关系，( b ) 应变| S r 和 应力迟滞关系3 4 图2 1 8 压电陶瓷的压电损失迟滞曲线：( a ) 应变S 和电场E 的迟滞关系，( b ) 电 位移D 和应力X 迟滞关系3 6 图3 1