[發(fā)明專利]一種用于環(huán)狀超聲電機的單晶拼接方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011189555.7
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112260576A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史翔;安群力
• 申請（專利權(quán)）人: 西安科技大學
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00
• 代理公司: 西安銘澤知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61223
• 代理人: 吳林

本發(fā)明公開了一種用于環(huán)狀超聲電機的單晶拼接方法，涉及超聲電機技術(shù)領(lǐng)域，從一定方向在先行極化的壓電單晶柱體上切割扇形極化單元，切割后將相鄰的扇形極化單元反向拼接成為環(huán)狀，按照壓電陶瓷超聲電機的制作工藝和驅(qū)動方式制成單晶超聲電機。本申請?zhí)峁┮环N用于環(huán)狀超聲電機的單晶拼接方法，利用拼接式單晶環(huán)作為環(huán)狀超聲電機的驅(qū)動部件以及利用定子齒隙的非線性設(shè)計，在消除各向異性的基礎(chǔ)上獲得較好的超聲電機輸出效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲電機技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于環(huán)狀超聲電機的單晶拼接方法。

背景技術(shù)

超聲電機技術(shù)涉及超聲學、振動學、波動學、摩擦學、新材料、新工藝、自動控制和電子電力等多個方面，是多學科結(jié)合的新技術(shù)。它是在20世紀80年代左右迅速發(fā)展起來的，主要由壓電陶瓷、彈性體組成的定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦來進行驅(qū)動。超聲電機打破了傳統(tǒng)電機的工作原理，利用逆壓電效應(yīng)獲得力矩具有力矩/質(zhì)量比大，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，斷電自鎖，運動準確等優(yōu)點，還可以適應(yīng)真空、低溫等太空環(huán)境。

相對于壓電陶瓷，壓電單晶具有較高的壓電系數(shù)和極電耦合系數(shù)。為了獲得更好的電機輸出能力和低溫運行效果，單晶應(yīng)用于超聲電機已進行嘗試性試驗。

單晶超聲電機的驅(qū)動材料為單晶，但單晶在不同晶向上的原子密度不同，原子間結(jié)合力也不同，所以單晶在不同方向上性能各異，即具有各向異性。由于各向異性，壓電單晶在不同方向產(chǎn)生的應(yīng)變就不同，導(dǎo)致其振動產(chǎn)生的波峰也不同，進而影響定轉(zhuǎn)子間的摩擦力，從而對超聲電機的輸出產(chǎn)生不利影響，所以采用單晶作為驅(qū)動材料時，需要消除各向異性。

針對此現(xiàn)象，本申請?zhí)峁┮环N用于環(huán)狀超聲電機的單晶拼接方法，利用拼接式單晶環(huán)作為環(huán)狀超聲電機的驅(qū)動部件以及利用定子齒隙的非線性設(shè)計，在消除各向異性的基礎(chǔ)上獲得較好的超聲電機輸出效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于環(huán)狀超聲電機的單晶拼接方法，利用拼接式單晶環(huán)作為環(huán)狀超聲電機的驅(qū)動部件以及利用定子齒隙的非線性設(shè)計，在消除各向異性的基礎(chǔ)上獲得較好的超聲電機輸出效果。

本發(fā)明提供了一種用于環(huán)狀超聲電機的單晶拼接方法，包括以下步驟：

S1：利用坐標變換的張量算法確定壓電單晶柱體的高壓電性能切型；

S2：按照確定的切型和超聲電機定子波峰數(shù)計算出切割角度、扇形區(qū)域角度和內(nèi)外徑；

S3：進行壓電單晶柱體扇形區(qū)域的切割，并將相鄰的扇形極化單元進行反向拼接形成環(huán)形；

S4：拼接后的環(huán)形定子利用齒隙厚度的非線性設(shè)計實現(xiàn)扇形區(qū)域內(nèi)各向異性補償。

進一步地，所述步驟S1中利用基于歐拉旋轉(zhuǎn)定律的張量計算確定高壓電性能切型。

進一步地，所述步驟S2中按照環(huán)形超聲電機制作工藝及定子振動的模態(tài)分析結(jié)果確定超聲電機定子波峰數(shù)，按照波峰數(shù)確定超聲電機壓電單晶分區(qū)扇形區(qū)域角度，按照定子設(shè)計參數(shù)確定內(nèi)外徑。

進一步地，所述步驟S3在拼接時分別在扇形區(qū)域之間留有空隙，并在空隙中填充柔性物質(zhì)。

進一步地，所述步驟S4的定子波峰振幅可表示為：

其中，A為定子振幅，E₃為施加在壓電材料上的電場強度，L為極化分區(qū)的等效長度，Q_m為機電耦合，h_p與h_m為厚度，E_m與c_p為彈性勁度系數(shù)，下標p和m分別表示壓電材料和金屬彈性體，用以區(qū)分兩類材料的物理性能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點：