Einführung eines neuartigen Frequenzwandlers, der piezoelektrische Schwingungsmodi nutzt

Dec 22, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11009 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In vielen Bereichen der Hochtechnologie ist eine Frequenzumwandlung erforderlich. Zur Frequenzumwandlung werden meist „Stromkreise“ oder „gekoppelte Motoren und Generatoren“ verwendet. In diesem Artikel wird ein neuer piezoelektrischer Frequenzwandler (PFC) vorgestellt, der eine ähnliche Idee wie piezoelektrische Transformatoren (PT) nutzt. PFC verwendet zwei piezoelektrische Scheiben als Ein- und Ausgangselemente, die zusammengeschoben werden. Es gibt eine gemeinsame Elektrode zwischen diesen beiden Elementen und zwei Eingangs- und Ausgangselektroden auf den anderen Seiten. Wenn die Eingangsscheibe gezwungen wird, im Out-of-Plane-Modus zu vibrieren, vibriert die Ausgangsscheibe im radialen Modus. Durch die Anwendung unterschiedlicher Eingangsfrequenzen können unterschiedliche Ausgangsfrequenzen erhalten werden. Allerdings sind die Eingangs- und Ausgangsfrequenzen auf die Out-of-Plane- und Radialmoden des piezoelektrischen Elements beschränkt. Daher sollten piezoelektrische Scheiben der richtigen Größe verwendet werden, um die erforderliche Verstärkung zu erzielen. Simulationen und Experimente zeigen, dass der Mechanismus wie vorhergesagt funktioniert, und ihre Ergebnisse stimmen gut überein. Bei der gewählten piezoelektrischen Scheibe erhöht die niedrigste Verstärkung die Frequenz von 61,9 auf 118 kHz und die höchste Verstärkung erhöht die Frequenz von 3,7 auf 51 kHz.

Piezoelektrische Elemente werden seit einigen Jahrzehnten zur Herstellung von Spannungswandlern (PT) verwendet. PTs übertragen die Spannung durch mechanische Vibration und erhöhen oder verringern sie. Diese Transformatoren bestehen üblicherweise aus zwei piezoelektrischen Elementen als Ein- und Ausgang. Die piezoelektrische Eingangsscheibe wird mit der Resonanzfrequenz angeregt und die Ausgangsspannung wird vom Ausgangselement erhalten. Mit der richtigen Auslegung kann das gewünschte Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung erreicht werden. Rosen führte PT erstmals im Jahr 19541 ein. Danach wurde viel Forschung zu verschiedenen PTs betrieben, darunter Geometrie, Modellierung und Effizienzverbesserung.

PTs werden in drei Haupttypen eingeteilt: Rosen, Dickenvibrationsmodus und Radialvibrationsmodus. Beim Rosen-Transformator liegt der Eingangsteil in Längsrichtung und der Ausgang in Dickenrichtung, und dieser PT-Typ wird normalerweise als Spannungsaufwärtstransformator2 verwendet. PTs im Dickenvibrationsmodus wurden in den 1990er Jahren von NEC aus Japan entwickelt. Radialmode-Geräte sind scheiben- oder ringförmig und arbeiten mit einer Frequenz nahe der Radialresonanz. Es wurden verschiedene Anordnungen für das Radialmodusgerät vorgeschlagen, von denen der Radialmodustransformator wahrscheinlich der bekannteste ist3. Radialmodustransformatoren eignen sich für den Einsatz in Auf- und Abwärtswandlern und werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen4 bis hin zu Laptop-Netzteilen5.

Der Kopplungsfaktor, der der Radialschwingung am ehesten entspricht, ist kp. Dadurch können PTs im Radialmodus eine hohe Leistungsdichte erreichen. Radialmodus-Transformatoren wurden mit Leistungen von mehr als 100 W angeboten und werden voraussichtlich durch weitere Entwicklungen 200 W übersteigen6.

PTs können in vielen möglichen Schwingungsmodi mit jeweils unterschiedlicher Frequenz arbeiten. Allerdings verfügt jede PT-Topologie über einen optimalen Vibrationsmodus, der eine optimale Energieübertragung ermöglicht. Der optimale Schwingungsmodus für einen piezoelektrischen Transformator ist normalerweise der Modus mit der höchsten elektromechanischen Kopplung und dem geringsten Verlust7.

Zu den Vorteilen von PTs im Vergleich zu elektromagnetischen Transformatoren gehören eine höhere Leistungsdichte, das Fehlen elektromagnetischer Störungen, ein höherer Wirkungsgrad im Resonanzmodus, Einfachheit, geringe Größe, Nichtentflammbarkeit und ein einfacherer Herstellungsprozess. Da PTs in ihrer Resonanzfrequenz mit einer hohen Frequenz arbeiten, sollten piezoelektrische Materialien einen hohen mechanischen Gütefaktor und gleichzeitig einen geringen dielektrischen Verlust aufweisen8.

Im Jahr 1992 stellten Osamu et al. stellte einen neuen Typ von mehrschichtigem PT aus PbTiO3 vor. Ihr Ziel war es, es zum Schalten von Netzteilen zu nutzen. Der Vibrationsmodus verlief entlang der Dicke. Das elektromechanische Ersatzschaltbild zeigte einen Wirkungsgrad von über 90 %. Sie stellten das Gerät her und bewerteten es experimentell. Die Ergebnisse zeigten geringe Nebenschwingungen sowie gute Resonanzeigenschaften bei einer Frequenz von 2 MHz. Außerdem erzeugte der PT eine Leistungsdichte von 16 W/cm² ohne störende Vibrationen. Schließlich haben sie mit diesem PT9 ein Hochleistungs-Schaltnetzteil der Klasse E hergestellt.

Um das Problem der strukturellen Dämpfung im Jahr 2006 zu lösen, haben Guyomar et al. führte eine innovative nichtlineare Verarbeitungstechnik ein, die von einer Technik namens „synchronisierte Schalterdämpfung“ abgeleitet ist, um die starke Dämpfung der mechanischen Welle des PT zu vermeiden und das übertragene Leistungsniveau aufrechtzuerhalten. Dadurch steigen Effizienz und Leistung deutlich10.

Im Einklang mit diesem Problem haben Hemsel et al. stellte 2006 ein neues Design eines einpoligen Transformators vor, der den Radialmodus im Ein- und Ausgang für 30 W Leistung mit 98 % Wirkungsgrad und einem Temperaturanstieg von 30 °C nutzt. Die Eigenschaften, die durch ein elektromechanisches Ersatzschaltbild beschrieben werden. Mithilfe dieser Forschung kann ein Hochleistungstransformator erhalten werden, der für verschiedene Anwendungen wie Netzteile, AC/DC-Adapter, Batterieladegeräte und Autobeleuchtung geeignet ist, indem mehrere mehrschichtige monopolare Strukturen parallel geschaltet werden11.

Um den Wirkungsgrad und das hohe Umwandlungsverhältnis zu steigern, führte Erhart 2016 experimentelle Forschungen zum inhomogenen Polscheibentransformator durch, bei dem die Eingangs- und Ausgangskomponenten jeweils in Dicken- und Radialrichtung lagen. Das optimale Durchmesserverhältnis wurde experimentell mit 0,4 ermittelt. Alle untersuchten Scheibentransformatoren zeigten ein sehr hohes Umwandlungsverhältnis (≈50) im Leerlauf und einen hohen Wirkungsgrad (≈90 %) bei optimaler Last, was die Erzeugung von Plasma in der Ausgangselektrode ermöglicht12.

Modit Khanna et al. Im Jahr 2016 wurde ein zusätzlicher piezoelektrischer Abschnitt (Steuerschicht) zwischen der vorhandenen Primär- und Sekundärschicht platziert, um eine spezifische Spannungsverstärkung zu erzielen. Das ursprüngliche Experimentiergerät bestand aus Scheiben aus hartem piezoelektrischem Material und war in Dickenrichtung polarisiert. Sie verwendeten einen externen variablen Kondensator, der an den Steueranschluss angeschlossen war, und erhöhten effektiv die Reflexionskapazität und verringerten die Resonanzfrequenz des abstimmbaren piezoelektrischen Transformators (TPT). Daher kann die Ausgangsspannung des TPT durch Ändern des Effektivwerts des externen Kondensators im gewünschten Bereich an unterschiedliche Lastbedingungen angepasst werden13.

Im Jahr 2020 haben Xiao et al. entwarf einen ringförmigen Abwärts-PT auf Basis von PZT8. Diese Transformatoren weisen reine Radialschwingungen auf. Die minimale elektrische Verschiebung um den Spalt herum. Daher zeigten die PTs eindeutig eine optimale Leistung bei der Resonanzfrequenz. Die Simulationsergebnisse stimmten gut mit den experimentellen Messungen überein, daher hat die Finite-Elemente-Methode ein hohes Potenzial für die Gestaltung und Analyse von PT14.

Die von den Autoren durchgeführte Überprüfung zeigt, dass sich die gesamte Forschung auf die Spannungsumwandlung (PT) konzentriert und keine Berichte über Frequenzumrichter (PFC) vorgelegt wurden. Die Autoren erkannten, dass Frequenzwandler auch durch die Verwendung piezoelektrischer Vibrationsscheiben in verschiedenen Modi erreicht werden können.

Für die Frequenzumwandlung ist es notwendig, das Verhalten und die Schwingungsmodi piezoelektrischer Scheiben zu untersuchen. Ein Modus ist eine inhärente Schwingungseigenschaft eines piezoelektrischen Elements und jeder Modus hat seine eigene Eigenfrequenz, sein eigenes Dämpfungsverhältnis und seine eigene Modusform. Zahlreiche experimentelle Berichte zeigen, dass es in piezoelektrischen Scheiben verschiedene Schwingungsmodi gibt. Die 5 Arten von Vibrationsmodi, die von Ikegami et al. Durch Finite-Elemente-Analyse werden Dickenzug- (TE), Scher- (T), Kanten- (E), Radial- (R) und Hochfrequenz-Radialmoden (A) ermittelt15. Umfangreiche Anstrengungen wurden von Mindlin et al. unternommen. seit den 1950er Jahren, um die klassische Elastizitätstheorie zur Analyse des Schwingungsverhaltens von Scheiben mit begrenzten Durchmesser-zu-Dicke-Verhältnissen (D/T) zu verwenden16,17. Im Jahr 1992 stellten Guo et al. untersuchten die Geometrieabhängigkeit der Schwingungseigenschaften bei D/T-Verhältnissen von 0,1 bis 20 mit einer Finite-Elemente-Methode und einer Modalanalyse. Es wurde festgestellt, dass sich die Schwingungseigenschaften einer piezoelektrischen Scheibe mit der Änderung von D/T drastisch ändern. In dieser Untersuchung wurde die Modalkonstante mithilfe der Modalanalysetechnik berechnet, um die Stärke jeder Resonanz zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass der Dickenstreckungsmodus, insbesondere bei Scheiben mit einem D/T-Verhältnis von mehr als 5, eine viel größere Modalkonstante aufweist als andere Modi, und numerisch und experimentell wurde gezeigt, dass der Modalkonstantenansatz geeignet und zuverlässig ist Werkzeug zur Bewertung der Stärke einer Modusstimulation18.

Heyliger und Ramirez betrachteten im Jahr 2000 die freie Schwingung mehrschichtiger kreisförmiger piezoelektrischer Scheiben, um die Eigenfrequenzen zu berechnen. Sie führten ein numerisches Modell ein, das eindimensionale Finite-Elemente-Näherungen in Dickenrichtung und analytische Funktionen in der Ebene kombinierte15. Huang und Ma untersuchten 2001 die Schwingungseigenschaften außerhalb der Ebene und innerhalb der Ebene für rechteckige piezokeramische Platten mit völlig freien Grenzen und zeigten, dass die Schwingungsmodi außerhalb der Ebene mit niedrigen Resonanzfrequenzen nicht durch Impedanzanalyse gemessen werden können19.

Im Jahr 2014 stellten Huang et al. untersuchten die transversalen und planaren Schwingungseigenschaften einer zweischichtigen piezoelektrischen Scheibe für spannungsfreie Randbedingungen. In dieser Studie beobachteten sie, dass die Resonanzfrequenzen und die Form der seriellen und parallelen piezoelektrischen Scheibenmodi in Resonanz unterschiedliche dynamische Eigenschaften aufweisen20.

In dieser Forschung wird ein Konverter vorgestellt, der die Eingangsfrequenzen vervielfacht. Der Konverter kann ein Einzelscheiben- oder Doppelscheibenwandler sein. In diesem Artikel wird das Phänomen der Frequenzumwandlung vorgestellt und anschließend für verschiedene piezoelektrische Scheibengrößen mit der Finite-Elemente-Methode untersucht. Schließlich wurde die Idee durch einige Experimente bestätigt.

Der eingeführte Frequenzumrichter kann die Frequenz mit einem hohen Umwandlungsverhältnis, längerer Lebensdauer, kleinerer Größe und niedrigerem Preis erhöhen.

Für den piezoelektrischen Frequenzwandler werden zwei Konfigurationen vorgeschlagen. Eine der Konfigurationen ist eine piezoelektrische Scheibe mit zwei Eingangs- und Ausgangselektroden auf einer Seite (vorzugsweise konzentrisch) und der gemeinsamen Elektrode auf der anderen Seite (Abb. 1a). In der zweiten Konfiguration (Abb. 1b) werden zwei Scheiben als Ein- und Ausgang betrachtet. Diese beiden Scheiben werden im gleitenden Zustand ohne Zwischenmaterial zusammengepresst und die gemeinsame Elektrode befindet sich zwischen ihnen. Wenn diese beiden Elektroden mit Klebstoff zusammengeklebt sind, gleiten sie nicht mehr und das Gerät funktioniert nicht.

Frequenzumrichterkonfigurationen (a) eine Scheibe, (b) zwei Scheiben.

In dieser Untersuchung wurden beide Anordnungen getestet. Die Anordnung in Abb. 1a funktioniert nur bei hohen Spannungen und einem begrenzten Umwandlungsverhältnis, das aufgrund der Sprödigkeit des piezoelektrischen Elements und der fehlenden Vorspannung schwer zu kontrollieren ist. Daher wurde die Anordnung in Abb. 1b gewählt.

Im Serienmodus sind die Polarisationen beider Piezoscheiben entgegengesetzt (Abb. 2a), im Parallelmodus sind sie identisch (Abb. 2b). In dieser Untersuchung wird der Reihentyp betrachtet, da im Vergleich zum Paralleltyp die Amplitude der Schwingungen außerhalb der Ebene bei gleicher Spannung größer ist. Bei den in dieser Untersuchung verwendeten piezoelektrischen Scheiben handelt es sich um zwei PZT4, deren Eigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Anordnungen zweier piezoelektrischer Scheiben übereinander (a) in Reihe, (b) parallel.

Die untere und obere Scheibe gelten als Eingangs- bzw. Ausgangsport. Bei den Experimenten werden zwei piezoelektrische Scheiben konzentrisch angeordnet und mit einem Gewicht beaufschlagt, um zwischen ihnen die nötige Kraft bereitzustellen. Es wird erwartet, dass durch Anregung der piezoelektrischen Eingangsscheibe in den jeweiligen „Out-of-Plane-Mode-Frequenzen“ beider piezoelektrischen Scheiben die piezoelektrische Ausgangsscheibe im radialen Modus vibriert. Dieses Phänomen wurde in Experimenten beobachtet und nachgewiesen.

Die Eingangsfrequenz ist gleich der Resonanzfrequenz im „Out-of-Plane-Modus“ einer Scheibe – jeder der Scheiben – und die Ausgangsfrequenz ist gleich der „Radialmodus“-Frequenz der ausgebenden piezoelektrischen Scheibe. Das Aussehen des PFC ähnelt einem herkömmlichen Transformator (PT), er kann jedoch die Frequenz erhöhen. Die in der Simulation und im Experiment verwendeten Abmessungen der piezoelektrischen Scheiben sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Die Modalsimulation der piezoelektrischen Scheibe wurde von COMSOL 6.0 durchgeführt, um die Frequenz der Out-of-Plane-Moden beider Elemente und die Radialmode des Ausgangselements zu ermitteln. Die Simulationsergebnisse für außerhalb der Ebene liegende und radiale Moden sind in den Tabellen 3 und 4 aufgeführt. In Tabelle 3 bezieht sich der Modenindex auf die Anzahl der diagonalen Knoten (n) und kreisförmigen Knoten (m). Der Modusindex mit n Diagonalknoten und m Kreisknoten wird als (n, m) angezeigt.

In COMSOL wurde die Modenverteilungsfaktor-Translation entlang der z-Achse für die außerhalb der Ebene liegenden Moden der drei piezoelektrischen Scheiben berechnet, und der Absolutwert der Ergebnisse ist in Tabelle 5 angegeben.

Abbildung 3 zeigt das Schema der Komponenten eines piezoelektrischen Frequenzumrichtersystems.

Testprozedur.

Die piezoelektrischen Scheiben werden konzentrisch aufeinander gelegt und durch ein Gewicht von 700 g zusammengepresst. Um die Ausübung einer gleichmäßigen und senkrechten Kraft auf die Knoten zu gewährleisten, wird ein Geschoss verwendet. Die Kraft muss ausreichen, um einen vollständigen Kontakt und eine ordnungsgemäße Vibrationsübertragung ohne Geräusche zu gewährleisten. Außerdem verringert das Übergewicht die Schwingungsamplitude und macht das Gerät in der Praxis zu einer einzigen Einheit, was nicht ordnungsgemäß ist.

Abbildung 4 zeigt das Explosionsschema des Testaufbaus. Der Innendurchmesser der Kammer sollte groß genug sein, um den piezoelektrischen Scheiben eine radiale Schwingung zu ermöglichen und sie gleichzeitig konzentrisch zu halten. Der Unterschied zwischen den Durchmessern wird mit 0,25 mm angenommen. Indem man einen Ring um kleinere piezoelektrische Scheiben legt, können diese konzentrisch platziert werden. Piezoelektrische Scheiben sind in Reihe geschaltet. Im unteren, mittleren und oberen Teil der piezoelektrischen Scheiben wurden Elektroden aus dünner Kupferfolie angebracht. Die gewünschte Frequenz wird von einem Funktionsgenerator erzeugt und nach Verstärkung an den Eingangsanschluss angelegt.

Explosionszeichnung des Versuchsaufbaus.

Abbildung 5 zeigt den Versuchsaufbau und die zugehörige Ausrüstung.

Versuchsaufbau.

Abbildung 6a zeigt die Stimulation der piezoelektrischen Eingangsscheibe in der Nähe jeder Resonanzfrequenz des Out-of-Plane-Modus. Zuerst kommt es zur Interferenz der Eingangs- und Ausgangswellen, und je näher die Frequenz der Resonanzfrequenz kommt, desto größer wird die Amplitude des Radialmodus (Ausgangsfrequenz) (Abb. 6b). Schließlich verbleibt nur noch die Radialmodenfrequenz im Ausgang (Abb. 6c).

Die Ausgangsfrequenz für die Eingangsfrequenz außerhalb der Ebene.

Tabelle 6 zeigt die Ausgangsfrequenzen im Zusammenhang mit Eingangsanregungsfrequenzen außerhalb der Ebene. In den ersten drei Fällen werden ähnliche Scheiben gepaart, im vierten Fall werden Scheiben mit unterschiedlichen Durchmessern gepaart. Abbildung 7 zeigt die Testergebnisse für die Eingangsfrequenz von 52,6 kHz und die Ausgangsfrequenz von 207 kHz.

Ausgangsfrequenz für ein Paar 28-mm-Scheiben und die Eingangsfrequenz 52,6 kHz.

Die Radialmodenfrequenzen piezoelektrischer Scheiben werden mit dem Impedanzanalysator gemessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 7 aufgeführt.

Abbildung 8 zeigt die Simulations- und Testergebnisse für die Eingangs- und Ausgangsfrequenz für ein 28-mm-Piezoscheibenpaar. Die unterste Zeile zeigt, dass die Ausgangs- und Eingangsfrequenzen normalerweise gleich sind. Beispielsweise führt eine Eingangsfrequenz von 40 kHz zu einer Ausgangsfrequenz von 40 kHz. Aber an den Punkten, an denen die Spitze sichtbar ist, zeigt die Ausgangsfrequenz einen Anstieg. Beispielsweise führt eine Eingangsfrequenz von 8,4 kHz zu einer Ausgangsfrequenz von etwa 90 kHz. In dieser Forschung werden diese Peaks verwendet.

Eingangs- und Ausgangsfrequenzen für das Paar piezoelektrischer Scheiben mit 28 mm Durchmesser (kHz).

Abbildung 9 zeigt das Diagramm des Verhältnisses von Ausgangs- zu Eingangsfrequenz bezogen auf die Eingangsfrequenz für ein 28-mm-Piezoscheibenpaar. In dieser Abbildung regen die ersten vier Eingangsfrequenzen den ersten Radialmodus an, sodass die Frequenzverstärkung weiter abnimmt. Aber im 5. Modus erhöht sich das Frequenzverhältnis, da der Ausgang den zweiten Radialmodus anregt.

Verstärkungsdiagramm für ein Paar piezoelektrischer Scheiben mit 28 mm Durchmesser.

Der Mechanismus zur Umwandlung der Eingangsfrequenz in die Ausgangsfrequenz kann wie folgt betrachtet werden. Die Anregung der piezoelektrischen Scheibe im Out-of-Plane-Modus verursacht aufgrund der größeren Schwingungsamplitude in z-Richtung einen Stoß auf die piezoelektrische Ausgangsscheibe und regt alle ihre natürlichen Moden an. Dadurch treten in der piezoelektrischen Ausgangsscheibe zusätzlich zur erzwungenen Schwingung (Eingangsfrequenz) auch freie Schwingungen auf, und es werden radiale Eigenmoden beobachtet, die eine größere Amplitude als die erzwungene Schwingung im Out-of-Plane-Modus aufweisen der Ausgang, und in den Out-of-Plane-Modi kommt es zu einer Frequenzerhöhung. In dieser Untersuchung haben wir den Radialmodus mit einer größeren Amplitude als Ausgang verwendet, während der nächste Radialmodus mit einem Filter in den Ausgang umgewandelt werden kann und einen höheren Konvertierungsfaktor erhält. Die FFT des Frequenzanstiegsphänomens im Out-of-Plane-Modus ist in Abb. 10a dargestellt. Die Eingangsanregung der piezoelektrischen Scheibe in der Nähe des Out-of-Plane-Modus erregt alle natürlichen Modi und auch den Radialmodus, wobei der Radialmodus eine größere Amplitude als andere Modi aufweist (Abb. 10b). Durch Erhöhen der Anregungsfrequenz auf den Out-of-Plane-Modus erhöht sich die Amplitude des Radialmodus, und dieser Modus wird bei der Ausgangsfrequenz beobachtet (Abb. 10c).

FFT-Ergebnisse.

Um die in z-Richtung übertragene Energie zu vergleichen, wurden die Daten von Tabelle 5 für Tests und Simulationen in absteigender Reihenfolge des Z-Übersetzungsfaktors der Modenbeteiligung neu angeordnet (Tabelle 8). Durch die Reduzierung der Modenbeteiligungsfaktoren wird der Ausgang in einen höheren Radialmodus getrieben. In dieser Untersuchung wird der Radialmodus mit der größeren Amplitude als Ausgang betrachtet.

Für ein piezoelektrisches Scheibenpaar wurde der maximale und minimale Unterschied zwischen der Eingangsfrequenz des Experiments und der Simulation berechnet. Der höchste Unterschied bei drei Tests mit einem ähnlichen piezoelektrischen Scheibenpaar mit Durchmessern von 20, 28 und 50 mm betrug 10,5, 9,9 und 2,9 Prozent und der niedrigste Unterschied betrug 0,04, 0,7 bzw. 0,09. Piezoelektrische Scheibenpaare mit unterschiedlichen Durchmessern von 20 und 28 hatten den höchsten Unterschied von 6,3 und den niedrigsten Unterschied von 0,3 Prozent. Daher nimmt mit zunehmendem D/T-Verhältnis die Eingangsfrequenzdifferenz zu. Der größte Unterschied zwischen der Ausgangsfrequenz des Tests und der Simulation beträgt im ersten Radialmodus für ähnliche piezoelektrische Scheibenpaare mit Durchmessern von 20, 28 und 50 mm 3,3, 10 bzw. 11 Prozent und der niedrigste Frequenzunterschied beträgt 2,4 , 2 bzw. 0,9. Dieser Unterschied kann nicht unbedingt als „Fehler“ angesehen werden, da die Eigenschaften der piezoelektrischen Scheibe im Test und in der Simulation möglicherweise nicht gleich sind.

In dieser Untersuchung wird ein Frequenzumrichter mit zwei piezoelektrischen Scheiben vorgestellt, bei dem es durch Auswahl der geeigneten piezoelektrischen Scheiben möglich ist, einen Frequenzumrichter mit dem gewünschten Umwandlungsverhältnis herzustellen. In dieser Forschung wurden Untersuchungen bis zum zweiten Radialmodus durchgeführt, daher beträgt das maximal zugängliche Umwandlungsverhältnis 13,7. Um dieses Frequenzverhältnis zu erhöhen, kann der nächste Radialmodus als Ausgang betrachtet werden. Möglicherweise ist ein geeigneter Filter erforderlich, um neben den anderen Ausgangsfrequenzen auch die gewünschte Frequenz zu erfassen. Außerdem lag der Erregerspannungsbereich zwischen 50 und 200 V und der Ausgangsspannungsbereich zwischen 0,4 und 4 V. Mit einem Verstärker kann der Ausgangsspannungsbereich auf das gewünschte Niveau erhöht werden. Bei diesem Konverter hat die Erregerspannung keinen Einfluss auf die Ausgangsfrequenz und die Ausgangsfrequenz ist nur eine Funktion des Materials, der Abmessungen und des Vibrationsmodus der piezoelektrischen Scheibe.

In dünnen Scheiben hängt die Anregungsfrequenz vom Aspektverhältnis (D/T) ab, und mit zunehmendem Verhältnis nimmt die Anzahl der Out-of-Plane-Moden zu. Daher können durch die Wahl des D/T-Verhältnisses die Ausgangsfrequenz und die gewünschte Anregung bestimmt werden.

Abbildung 11a zeigt das Simulationsergebnis von Änderungen der Out-of-Plane-Frequenzen relativ zu D/T und Abb. 11b zeigt den Trend der Radialfrequenzen einer piezoelektrischen Scheibe relativ zu D/T bei T = 2 unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode.

Wirkungsseitenverhältnis (D/t) auf die Resonanzfrequenz außerhalb der Ebene (a) und radial (b).

Um die f1-Frequenz in die f2-Frequenz umzuwandeln, ermitteln wir zunächst (D/T)1 für die piezoelektrische Eingangsscheibe aus dem Diagramm in Abb. 11a für das gewünschte f1. Aus dem Diagramm in Abb. 11b erhalten wir dann das (D/T)2-Verhältnis für das gewünschte f2. Für jedes Verhältnis gibt es mehr als eine Option, aus der wir die am besten geeignete auswählen können. Im ersten Fall können wir für beide Scheiben die gleiche Dicke annehmen und aus dem Seitenverhältnis deren Durchmesser ermitteln. Im zweiten Fall können wir von ähnlichen Durchmessern ausgehen und die Dicken der Scheiben ermitteln.

In diesem Artikel wird ein neuer Typ eines Frequenzwandlers namens piezoelektrischer Frequenzwandler (PFC) vorgestellt. Der Wandler besteht aus zwei piezoelektrischen Scheiben, die in einem Gehäuse zusammengepresst sind. Die Eingangsstimulation in jedem der Out-of-Plane-Modi jeder piezoelektrischen Scheibe bewirkt die Stimulation des radialen Ausgangsmodus der piezoelektrischen Scheibe. Zur Bestätigung der Resonanzfrequenzen und der Modenform wird eine Modalanalyse durchgeführt. Es wurden einige Testmuster angefertigt und die Leistung des piezoelektrischen Frequenzwandlers getestet. Die experimentellen Resonanzfrequenzen stimmen gut mit den simulierten Frequenzen überein.

Das Umwandlungsverhältnis hängt von den Out-of-Plane-Moden sowohl der piezoelektrischen Scheibe als auch von den radialen Moden der piezoelektrischen Ausgangsscheibe ab. Diese Modi können durch Wahl des Durchmessers und der Dicke der piezoelektrischen Scheiben ausgewählt werden, und der Konverter kann mit jedem gewünschten Umwandlungsverhältnis hergestellt werden. Daher kann durch Ändern des D/T-Verhältnisses die Eingangs- und Ausgangsfrequenz festgelegt werden.

Basierend auf den erzielten Ergebnissen kann der Schluss gezogen werden, dass PFC ein hohes Potenzial für den Einsatz in Anwendungen hat, die eine Erhöhung der Häufigkeit erfordern.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Ava Pirayande & Yousef Hojjat

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AP: Formale Analyse, Untersuchung, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung. YH: Supervision, Konzeptualisierung, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Yousef Hojjat.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pirayande, A., Hojjat, Y. Einführung eines neuartigen Frequenzwandlers unter Verwendung piezoelektrischer Vibrationsmodi. Sci Rep 13, 11009 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38139-0

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Eingegangen: 06. Mai 2023

Angenommen: 04. Juli 2023

Veröffentlicht: 07. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38139-0

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