压电变压器接触散热装置的研究.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论又压电变压器接触散热装置的研究作者姓名：邵维维学科专业：测试计量技术及仪器导师姓名：冯志华教授完成时间：二。一二年五月二十五曰UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdisse、rtationfordoctor’SdegreeContactedHeatTransferSystemOfPieZOeIeCtriCTransformersAuthor’SName"W．eiWeiShaoSpeciality"MeasurementTechnologyandInstrumentSupervisor：Prof．ZhihuaFe

2、ngFinishedTime：May25th，2012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。除己特羚J,DH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：≤：玉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拥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

3、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目公开口保密(年)作者签名：壹}_班导师签名：一签字日期．-至笙瞧2红签字日期：趔2。么!厂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400W／cm3以上，现在实际使用时低于30W／cm3，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

4、作和高功率密度能量传输，抑制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、

5、位移分布、输入导纳、输出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

6、散热器长度和宽度尺寸变化的关系。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90％，温升低于10oC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41W／cm3提高到135W／cm3)，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。对接触面的磨损进行了研

7、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58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110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99％。实验结果充分证明了高分子过渡层的实用性，