CN112953296A - 一种基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置定子部件的内部固定连接有压电元件，压电元件为中空环状结构，激励环的外周面设置有多个振动叶片，转子部件的内壁与多个振动叶片之间过盈配合，固定组件安装于转子部件和定子部件的两端，转子部件的一端用于连接驱动件，定子组件内部形成中空的亥姆霍兹液态谐振腔，液态谐振腔产生的液态径向谐振频率远低于固态径向谐振频率。本发明的驱动装置结构简单，驱动器工作在液腔谐振模式下，在深海中其液腔谐振频率远低于径向谐振频率，而且在谐振点Q值较大，有较高的机电转换效率，有效的降低了推进器体积，提高了电能利用效率，扩大了超声电机装置的应用领域和范围。
Description
技术领域
本发明涉及压电换能器与驱动器设计与制造技术领域，尤其涉及一种基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置。
背景技术
深海探测主要遇到深海高水压的问题，目前的探测器采用的深海电机主要用的是抗压方法，主要采用液压系统来补偿或平衡高水压。这种方法不但结构复杂，且伴有油液泄漏和海水侵入导致的海洋环境污染和推进装置失效的风险。由于压电换能器能够适应深海高水压，其在深海中具有良好且稳定的工作性能，因此本发明提出利用逆压电效应和摩擦驱动相结合的原理构建结构全开放式压电轮缘推进器系统。同时，面对海洋探测器小型化的需求，现有的深海AUV或探测器需要更小的驱动装置，普通径向振动溢流环换能器Q(信号质量)值较低，虽然可实现大带宽工作，但压电驱动器需要工作在谐振点附近，为实现高机电转换效率需要较大的Q值，导致现有的压电驱动器尺寸较大，消耗的电能也大。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出的基于亥姆霍兹谐振腔的深海压电驱动装置，其液液态径向谐振频率远低于固态径向谐振频率，用于解决压电驱动装置小型化中遇到的问题。
本发明所采用的具体技术方案是：一种基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，具有转子部件、定子部件和固定组件，所述定子部件包括激励环，所述激励环内部固定连接有压电元件，所述压电元件为中空环状结构，所述激励环的外周面设置有多个振动叶片，所述转子部件为中空环状结构，所述转子部件的内壁与所述多个振动叶片之间过盈配合，所述固定组件安装于所述转子部件和定子部件的两端，所述固定组件通过紧固件将所述定子部件压紧，所述转子部件的一端用于连接执行部件，所述定子组件内部形成中空的亥姆霍兹液态谐振腔，当所述驱动装置工作于液体中时，所述压电元件和激励环产生液腔谐振，所述亥姆霍兹液态谐振腔产生的液态径向谐振频率远低于固态径向谐振频率。其中，通过固定组件对定子施加夹紧力用以固定定子移动和转动；转子部件与振动叶片间因过盈配合产生一定的预紧力来产生摩擦耦合传动，转子部件可连接螺旋桨等用于驱动的部件。
进一步地，所述压电元件的高度与直径之比大于0.3，所述压电元件为一个压电陶瓷整体或者由多个压电陶瓷块镶拼而成；可实现液腔谐振频率和径向振动频率的远离。
进一步地，所述压电元件与激励环之间通过热装法紧密配合且产生预紧力，或压电元件直接粘接在激励环的内壁。
进一步地，所述压电元件安装在压电元件安装件中，所述压电元件安装件的外周面具有环状凹槽。
进一步地，所述振动叶片为较高弹性系数的材料制成，所述振动叶片与激励环之间是一体制成、焊接或粘接中的一种方式相固定连接，通过振动叶片的椭圆运动实现对转子的驱动。
进一步地，所述固定组件包括前支撑件、前端盖、后支撑件和后端盖，所述前支撑件和后支撑件为环状体，所述前端盖和后端盖为圆盘状结构，所述压电元件安装件的轴向长度小于激励环的长度，所述压电元件安装件在激励环的上下两端形成有台阶，所述前支撑件和后支撑件安装于所述台阶上，所述前端盖的外径小于后端盖的外径，所述后端盖的外径不大于转子部件的外径，所述前端盖和后端盖上均设置有尺寸相同的环形槽，所述前端盖和后端盖上设置有多个通孔，所述前端盖和后端盖通过穿过通孔的螺栓固定连接，所述激励环的上下两端安装在所述前端盖和后端盖上的环形槽中。
进一步地，所述前支撑件和后支撑件为POM材质制成，用于对定子减震。
进一步地，所述激励环、前支撑件和后支撑件的高度之和大于转子部件的高度。
进一步地，所述振动叶片与激励环之间的切向夹角为30度到60度。
进一步地，所述前端盖和后端盖上具有中空开口，所述中空开口的内径小于等于压电陶瓷安装件的内径。
本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明的压电驱动装置基于亥姆霍兹谐振腔的产生的振动，定子部件为中空的环装结构，压电元件安装在定子部件的内壁上，压电元件通电后使驱动器工作在液腔谐振模式下，在深海中其液腔谐振频率远低于径向谐振频率，而且在谐振点Q值较大，有较高的机电转换效率，有效的降低了推进器体积，提高了电能利用效率，扩大了超声电机装置的应用领域和范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置结构示意图；
图2为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置定子部件剖面图；
图3为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置转子部件示意图；
图4为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置支撑件示意图；
图5为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置端盖示意图；
图6为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置振子t＝0时接触状态图；
图7为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置振子t＝T/4时接触状态图；
图8为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置振子t＝T/2时接触状态图；
图9为亥姆霍兹谐振腔深海压电驱动装置振子t＝3T/4时接触状态图。
图10为亥姆霍兹谐振腔频率关系图。
附图标记说明：10.转子部件，101.螺纹孔，20.定子部件，201.振动叶片，202.压电元件，203.防水胶，204.激励环，205.压电陶瓷安装件，206.台阶，30.固定组件，301.前支撑件，302.后支撑件，303.前端盖，304.后端盖，305.螺栓，306.环形槽，307.通孔，308.中空开口，40.亥姆霍兹液态谐振腔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明在具体实施如下：如图1-5所示，为本发明提供的一种基于亥姆霍兹(Helmholtz)谐振腔的深海压电驱动器装置，所述压电驱动装置可应用于全海深作业的AUV等水下微小型自主潜航器，本实施方式中，提供一种基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，具有转子部件10、定子部件20和固定组件30，所述定子部件20包括激励环204，所述激励环204内部固定连接有压电元件202，所述压电元件202为中空环状结构，所述激励环204的外周面设置有多个振动叶片201，所述转子部件10为中空环状结构，所述转子部件10的内壁与所述多个振动叶片201之间过盈配合，即振动叶片201外径形成的直径略大于转子部件10的内径，在转子部件10内表面形成预压力，所述固定组件30安装于所述转子部件10和定子部件20的两端，所述固定组件30通过紧固件将所述定子部件20压紧，所述转子部件10的一端用于连接执行部件；
其中，通过固定组件30对定子部件20施加夹紧力用以固定定子部件20移动和转动；转子部件10与振动叶片201间因过盈配合产生一定的预紧力来产生摩擦耦合传动；
进一步的，转子部件10的端部具有多个螺纹孔101，优选为3个以上，可连接螺旋桨、机械手等执行部件。
在所述定子组件20内部形成中空的亥姆霍兹液态谐振腔40，当所述驱动装置工作于液体中时，所述压电元件202和激励环204产生液腔谐振，所述亥姆霍兹液态谐振腔40产生的液态径向谐振频率远低于固态径向谐振频率；其中，谐振频率与半径的关系为：频率f＝c/2πa，c＝sqr(1/(ρs)),c为径向振动声速，a为半径，ρ为密度，s为柔度系数，即频率越低，构成径向谐振换能器的直径就越大，换能器的结构增大，不利于驱动器的小型化。
而采用同样尺寸的亥姆霍兹液态谐振腔40时，所产生的液态径向谐振频率远低于固态径向谐振频率，因此，获得启示是，在制造驱动器时，可以采用同样的振动频率，则液腔谐振驱动器尺寸就会远小于固态径向谐振驱动器，即可实现换能器的尺寸小型化，且液腔谐振点Q值高，利于驱动器控制，同时提高电能利用率。
进一步地，所述压电元件202的高度与直径之比大于0.3，可实现液腔谐振频率和径向振动频率的远离，如图10所示，fh为液腔谐振频率，fr为径向谐振频率，当高度与直径之比小于0.3的时候，两个频率就会接近乃至重合，就无法利用液腔谐振的优点。因此，当半径一定时，径向谐振频率就为定值，即液腔谐振频率和高度有关。
优选的，所述压电元件202使用的是PZT-4或PZT-8压电陶瓷；所述压电元件202为一个压电陶瓷整体或者由多个压电陶瓷块镶拼而成。
进一步地，所述激励环204为金属薄管状所述压电元件202与激励环204之间通过热装法紧密配合且产生预紧力，或压电元件202直接粘接在激励环204的内壁，优选采用防水胶。通过振动叶片201的椭圆运动实现对转子部件10的驱动。
进一步地，所述压电元件202安装在压电元件安装件205中，所述压电元件安装件205的外周面具有环状凹槽，压电元件安装在该环装凹槽内，压电元件安装件205优选采用金属薄板制成。
进一步地，所述振动叶片201为较高弹性系数的材料制成，如弹簧钢65Mn，或于其弹性模量相当的材料制成；所述振动叶片201可通过直接在制造激励环204的基材采用线切割或是铸造等一体制成，也可将振动叶片通过焊接或粘接中的方式固定在激励环204的外壁；所述振动叶片201的数量优选为4-14个，均布在定子10的外壁。
进一步地，所述固定组件30包括前支撑件301、前端盖303、后支撑件302和后端盖304，所述前支撑件301和后支撑件302为环状体，所述前端盖303和后端盖304为圆盘状结构，所述压电元件安装件205的轴向长度小于激励环204的长度，所述压电元件安装件205在激励环204的上下两端形成有台阶206，所述前支撑件301和后支撑件302安装于所述台阶206上，所述前端盖303的外径小于后端盖304的外径，所述后端盖304的外径不大于转子部件10的外径，所述前端盖303和后端盖304上均设置有尺寸相同的环形槽306，所述前端盖303和后端盖304上设置有多个通孔307，优选为至少4个，所述前端盖303和后端盖304通过穿过通孔307的螺栓305固定连接，所述激励环204的上下两端安装在所述前端盖303和后端盖304上的环形槽306中，前端盖303和后端盖304用于限制转子部件10轴向移动。
进一步地，所述前支撑件301和后支撑件302整体起到垫片的作用，所述前支撑件301和后支撑件302采用机械性能较好的减震材料制成，优选采用POM材质制成，用于在固定定子件的10同时对定子部件10进行减震。
进一步地，所述激励环204、前支撑件301和后支撑件302的高度之和大于转子部件10的高度。
进一步地，所述振动叶片201与激励环204之间的切向夹角为30度到60度，优选为40-50度之间，振动时振动叶片201末端质点形成椭圆运动，其中椭圆运动可分解出振片切向运动，该切向力作用在转子内壁上，从而驱动转子部件10转动。所述振动叶片201为一矩形平板，该振动叶片201的长度方向平行于激励环204的轴向方向。
进一步地，所述前端盖303和后端盖304上具有中空开口308，所述中空开口308的小于等于压电陶瓷安装件205的内径，防止对亥姆霍兹液态谐振腔40产生影响。
本发明的工作原理，结合图6-9所示，当对压电元件施加超声振动信号，超声频率为18-25Khz之间，压电元件产生超声频振动，以单振动叶片为例，以一个运动周期T进行说明。t＝0时刻，定子部件处于初始状态，振动叶片末端受到接触面摩擦约束，振动叶片发生弯曲变形，转子周方向处于自由状态；t＝0至t＝T/4时刻，定子部件处于径向扩张状态，对振动叶片末端的接触力增加使振动叶片弯曲挠度进一步增大，由于转子圆周方向上处于自由状态，振动叶片的部分弯曲势能转变为转子的旋转动能；t＝T/4至t＝T/2时刻，定子部件由径向扩张状态恢复至初始状态，对振动叶片末端的约束变弱，之前存储的弹性势能使振动叶片的末端相对于定子部件发生滑动，转子在惯性作用下发生微幅转动；t＝T/4至t＝3T/4时刻，定子部件处于径向收缩状态，对振动叶片的约束从弱变无，振动叶片末端与转子分离，振动叶片恢复至未变形状态，转子部件整体在惯性作用下继续转动；t＝3T/4至t＝T时刻，定子部件由收缩状态恢复至初始状态，振动叶片与转子部件接触，对转子部件转动产生阻碍作用做负功。整个过程中，定子部件对转子部件所做的正功大于负功，使得转子部件能够持续转动。
本发明的压电驱动装置基于亥姆霍兹谐振腔的产生的振动，定子部件为中空的环装结构，压电元件安装在定子部件的内壁上，压电元件通电后使驱动器工作在液腔谐振模式下，在深海中其液腔谐振频率远低于径向谐振频率，而且在谐振点Q值较大，有较高的机电转换效率，有效的降低了推进器体积，提高了电能利用效率，扩大了超声电机装置的应用领域和范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，具有转子部件(10)、定子部件(20)和固定组件(30)，所述定子部件(20)包括激励环(204)，所述激励环(204)内部固定连接有压电元件(202)，所述压电元件(202)为中空环状结构，所述激励环(204)的外周面设置有多个振动叶片(201)，所述转子部件(10)为中空环状结构，所述转子部件(10)的内壁与所述多个振动叶片(201)之间过盈配合，所述固定组件(30)安装于所述转子部件(10)和定子部件(20)的两端，所述固定组件(30)通过紧固件将所述定子部件(20)压紧，所述转子部件(10)的一端用于连接执行部件，所述定子组件(20)内部形成中空的亥姆霍兹液态谐振腔(40)，当所述驱动装置工作于液体中时，所述压电元件(202)和激励环(204)产生液腔谐振，所述亥姆霍兹液态谐振腔(40)产生的液态径向谐振频率远低于固态径向谐振频率。
2.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述压电元件(202)的高度与直径之比大于0.3，所述压电元件(202)为一个压电陶瓷整体或者由多个压电陶瓷块镶拼而成。
3.根据权利要求2所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述压电元件(202)与激励环(204)之间通过热装法紧密配合且产生预紧力，或压电元件(202)直接粘接在激励环(204)的内壁。
4.根据权利要求2或3所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述压电元件(202)安装在压电元件安装件(205)中，所述压电元件安装件(205)的外周面具有环状凹槽。
5.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述振动叶片(201)为高弹性系数的材料制成，所述振动叶片(201)与激励环(204)之间是一体制成、焊接或粘接中的一种方式相固定连接。
6.根据权利要求5所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述固定组件(30)包括前支撑件(301)、前端盖(303)、后支撑件(302)和后端盖(304)，所述前支撑件(301)和后支撑件(302)为环状体，所述前端盖(303)和后端盖(304)为圆盘状结构，所述压电元件安装件(205)的轴向长度小于激励环(204)的长度，所述压电元件安装件(205)在激励环(204)的上下两端形成有台阶(206)，所述前支撑件(301)和后支撑件(302)安装于所述台阶(206)上，所述前端盖(303)的外径小于后端盖(304)的外径，所述后端盖(304)的外径不大于转子部件(10)的外径，所述前端盖(303)和后端盖(304)上均设置有尺寸相同的环形槽(306)，所述前端盖(303)和后端盖(304)上设置有多个通孔(307)，所述前端盖(303)和后端盖(304)通过穿过通孔(307)的螺栓(305)固定连接，所述激励环(204)的上下两端安装在所述前端盖(303)和后端盖(304)上的环形槽(306)中。
7.根据权利要求6所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述前支撑件(301)和后支撑件(302)为POM材质制成。
8.根据权利要求6所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述激励环(204)、前支撑件(301)和后支撑件(302)的高度之和大于转子部件(10)的高度。
9.根据权利要求2所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述振动叶片(201)与激励环(204)之间的切向夹角为30度到60度。
10.根据权利要求5所述的基于亥姆霍兹谐振腔的深海超声驱动装置，其特征在于：所述前端盖(303)和后端盖(304)上具有中空开口(308)，所述中空开口(308)的内径小于等于压电陶瓷安装件(205)的内径。
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