一种压电驱动深海推进装置及其工作方法

摘要

本发明公开了一种压电驱动深海推进装置及其工作方法，压电驱动深海推进装置包含压电振子、上整流盖和下整流盖；压电振子包括金属基体和四个压电陶瓷片，其中金属基体呈菱形，由四个振动梁和两个V型连接头相互固连组成，两侧振动梁固连处构成两个作动头；四个压电陶瓷片分别粘贴在四个振动梁内侧，均沿厚度方向极化、极化方向朝外；上整流盖和下整流盖均为流线型，两端对应粘贴在两个V型连接头上。通过对所述的压电陶瓷片施加具有90°相位差的驱动信号使作动器向前或向后运动，改变同一侧压电陶瓷片的电压则能够转向。本发明大幅减小了潜航器的体积，降低了结构的复杂程度，同时也杜绝了强磁场对推进器的影响。

权利要求

1.一种压电驱动深海推进装置，其特征在于，包括压电振子、上整流盖和下整流盖；

所述压电振子包括金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；

所述金属基体呈菱形，包含第一连接头、第二连接头、以及第一至第四振动梁；

所述第一连接头、第二连接头结构相同，均包含第一斜四棱锥和第二斜四棱锥；所述第一斜四棱锥、第二斜四棱锥均包含底面、以及第一至第四斜面；所述第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的底面在同一平面上、顶角固连，第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜面在同一平面上，第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四斜面在同一平面上，第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第三斜面之间形成V字形缝隙；

所述第一至第四振动梁呈条状、结构相同，均包含第一至第四侧面、第一端面和第二端面，其中，第一至第四侧面依次垂直相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；第一端面和第一侧面之间夹角的角度为预设的第一角度阈值，所述第一角度阈值大于90°；第二端面和第一侧面之间的角度为预设的第二角度阈值，所述第二角度阈值小于

90°；

所述第一振动梁、第三振动梁的第一侧面平行设置，第二振动梁、第四振动梁的第一侧面平行设置；第一振动梁、第二振动梁的第一端面位于同一平面，第三振动梁、第四振动梁的第一端面位于同一平面；第一振动梁远离其第一端面的一端和第四振动梁远离其第一端面的一端固连，形成第一作动头；第二振动梁远离其第一端面的一端和第三振动梁远离其第一端面的一端固连，形成第二作动头；

所述第一连接头第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的底面分别和第一振动梁、第二振动梁的第一端面对应固连；第二连接头第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的底面分别和第三振动梁、第四振动梁的第一端面对应固连；

所述第一至第四压电陶瓷片对应设置在所述第一至第四振动梁的第三侧面上，均沿其厚度方向极化、极化方向朝外；

所述压电振子呈中心对称；

所述上整流盖、下整流盖结构相同，均包含盖体、第一连接件和第二连接件，其中，所述盖体为弧面板、呈截掉两端的椭圆状，所述第一连接件、第二连接件分别和所述盖体的两端固连；

所述上整流盖的第一连接件和第一连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜面固连，上整流盖的第二连接件和第二连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜面固连；所述下整流盖的第一连接件和第一连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四斜面固连，下整流盖的第二连接件和第二连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四斜面固连；且上整流盖、下整流盖的盖体开口相向。

2.根据权利要求1所述的压电驱动深海推进装置，其特征在于，所述上整流盖、下整流盖中，第一连接件、第二连接件为结构相同的V形面板。

3.基于权利要求1所述的压电驱动水下深海推进装置的工作方法，其特征在于，包含以下过程：

如果需要推进装置向前运动，对第一、第二压电陶瓷片施加第一信号，对第三、第四压电陶瓷片施加第二信号，调整第一信号、第二信号使其在时间相位上相差π/2且电压相同，激励出压电振子的一阶弯振对称模态和一阶弯振反对称模态，两个模态叠加使得所述第一、第二作动头质点产生方向相反的椭圆运动轨迹，搅动周围水体形成与第一、第二作动头椭圆运动方向相同的涡流，进而产生推力；如果需要推进装置向后运动，调整第一信号、第二信号使其在时间相位上相差‑π/2且电压相同即可；

如果需要推进装置转弯，调节第一、第四压电陶瓷片上驱动信号的电压，使其大于第二、第三压电陶瓷片上驱动的电压；如果需要推进装置反向转弯，调节第二、第三压电陶瓷片上驱动信号的电压，使其大于第一、第四压电陶瓷片上驱动的电压。

说明书

一种压电驱动深海推进装置及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超声电机领域，尤其涉及一种压电驱动深海推进装置及其工作方法。

背景技术

[0002] 随着社会经济的发展，无人潜航器在民用领域的应用价值越发突出，同时在安全搜救、环境保护和教育科研活动中也发挥着重要作用。无人潜航器所具有的勘探勘测功能
可以帮助人类对海洋进行进一步的探索，在深海探索方面代替人工进行勘探。通过无人潜
航器，科研人员从深海当中得到的信息能够更快的转化为科研成果，推动着我国海洋科技
的创新发展。无人潜航器在军事领域的作用也十分令人瞩目，随着科学技术的发展，武器装
备的不断更新，海洋作战的方式发生着历史性的革命。无人潜航器拥有强大的情报监视与
侦察作用，是进行反潜战的优良武器。现在潜航器推进装置多利用电磁电机提供动力，在深
海环境下，由于深海压强的原因，使其结构复杂，体积过大，不利于深海潜航器的小型化发
展。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电驱动深海推进装置及其工作方法。

[0004] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0005] 一种压电驱动深海推进装置，包括压电振子、上整流盖和下整流盖；

[0006] 所述压电振子包括金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；

[0007] 所述金属基体呈菱形，包含第一连接头、第二连接头、以及第一至第四振动梁；

[0008] 所述第一连接头、第二连接头结构相同，均包含第一斜四棱锥和第二斜四棱锥；所述第一斜四棱锥、第二斜四棱锥均包含底面、以及第一至第四斜面；所述第一斜四棱锥、第
二斜四棱锥的底面在同一平面上、顶角固连，第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜面在同
一平面上，第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四斜面在同一平面上，第一斜四棱锥、第二斜
四棱锥的第三斜面之间形成V字形缝隙；

[0009] 所述第一至第四振动梁呈条状、结构相同，均包含第一至第四侧面、第一端面和第二端面，其中，第一至第四侧面面依次垂直相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行
于第四侧面；第一端面和第一侧面之间夹角的角度为预设的第一角度阈值，所述第一角度
阈值大于90°；第二端面和第一侧面之间的角度为预设的第二角度阈值，所述第二角度阈值
小于90°；

[0010] 所述第一振动梁、第三振动梁的第一侧面平行设置，第二振动梁、第四振动梁的第一侧面平行设置；第一振动梁、第二振动梁的第一端面位于同一平面，第三振动梁、第四振
动梁的第一端面位于同一平面；第一振动梁远离其第一端面的一端和第四振动梁远离其第
一端面的一端固连，形成第一作动头；第二振动梁远离其第一端面的一端和第三振动梁远
离其第一端面的一端固连，形成第二作动头；

[0011] 所述第一连接头第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的底面分别和第一振动梁、第二振动梁的第一端面对应固连；第二连接头第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的底面分别和第三振
动梁、第四振动梁的第一端面对应固连；

[0012] 所述第一至第四压电陶瓷片对应设置在所述第一至第四振动梁的第三侧面上，均沿其厚度方向极化、极化方向朝外；

[0013] 所述压电振子呈中心对称；

[0014] 所述上整流盖、下整流盖结构相同，均包含包含盖体、第一连接件和第二连接件，其中，所述盖体为弧面板、呈截掉两端的椭圆状，所述第一连接件、第二连接件分别和所述
盖体的两端固连；

[0015] 所述上整流盖的第一连接件和第一连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜面固连，上整流盖的第二连接件和第二连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜
面固连；所述下整流盖的第一连接件和第一连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四
斜面固连，下整流盖的第二连接件和第二连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四斜
面固连；且上整流盖、下整流盖的盖体开口相向。

[0016] 作为本发明一种压电驱动深海推进装置进一步的优化方案，所述上整流盖、下整流盖中，第一连接件、第二连接件为结构相同的V形面板。

[0017] 本发明还公开了一种该压电驱动水下深海推进装置的工作方法，包含以下过程：

[0018] 如果需要推进装置向前运动，对第一、第二压电陶瓷片施加第一信号，对第三、第四压电陶瓷片施加第二信号，调整第一信号、第二信号使其在时间相位上相差π/2且电压相
同，激励出压电振子的一阶弯振对称模态和一阶弯振反对称模态，两个模态叠加使得所述
第一、第二作动头质点产生方向相反的椭圆运动轨迹，搅动周围水体形成与第一、第二作动
头椭圆运动方向相同的涡流，进而产生推力；如果需要推进装置向后运动，调整第一信号、
第二信号使其在时间相位上相差‑π/2且电压相同即可；

[0019] 如果需要推进装置转弯，调节第一、第四压电陶瓷片上驱动信号的电压，使其大于第二、第三压电陶瓷片上驱动的电压；如果需要推进装置反向转弯，调节第二、第三压电陶
瓷片上驱动信号的电压，使其大于第一、第四压电陶瓷片上驱动的电压。

[0020] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0021] 本发明利用压电驱动的原理，可以使潜航器在深海中实现开放式的结构设计，大幅减小潜航器的体积，降低结构的复杂程度，同时也杜绝了强磁场对推进器的影响。为深海
推进提供了一种新的更加有效的方式。

附图说明

[0022] 图1是本发明的结构示意图；

[0023] 图2是本发明中压电振子的结构示意图；

[0024] 图3是本发明中金属基体的结构示意图；

[0025] 图4是本发明中上整流盖结构示意图；

[0026] 图5是本发明中第一至第四压电陶瓷片的极化方向和施加电信号示意图；

[0027] 图6是本发明工作时第一、第二作动头纵向振动模态的示意图；

[0028] 图7是本发明工作时第一、第二作动头横向振动模态的示意图；

[0029] 图8是本发明工作时的状态变化示意图；

[0030] 图9是本发明工作时的转向示意图。

[0031] 图中，1‑压电振子，1.1‑金属基体，1.2‑压电陶瓷片，2‑下整流盖，3‑上整流盖， 1.1.1‑第一振动梁，1.1.2‑第二振动梁，1.1.3‑第三振动梁，1.1.4‑第四振动梁，1.1.5‑第
一作动头，1.1.6‑第二作动头，1.1.7‑第一连接头，1.1.8‑第二连接头，3.1‑第一连接件，
3.2‑盖体，3.3‑第二连接件。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

[0033] 本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范
围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

[0034] 如图1所示，本发明公开了一种压电驱动深海推进装置，包括压电振子、上整流盖和下整流盖。

[0035] 如图2所示，所述压电振子包括金属基体以及第一至第四压电陶瓷片。

[0036] 如图3所示，所述金属基体呈菱形，包含第一连接头、第二连接头、以及第一至第四振动梁；

[0037] 所述第一连接头、第二连接头结构相同，均包含第一斜四棱锥和第二斜四棱锥；所述第一斜四棱锥、第二斜四棱锥均包含底面、以及第一至第四斜面；所述第一斜四棱锥、第
二斜四棱锥的底面在同一平面上、顶角固连，第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜面在同
一平面上，第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四斜面在同一平面上，第一斜四棱锥、第二斜
四棱锥的第三斜面之间形成V字形缝隙；

[0038] 所述第一至第四振动梁呈条状、结构相同，均包含第一至第四侧面、第一端面和第二端面，其中，第一至第四侧面面依次垂直相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行
于第四侧面；第一端面和第一侧面之间夹角的角度为预设的第一角度阈值，所述第一角度
阈值大于90°；第二端面和第一侧面之间的角度为预设的第二角度阈值，所述第二角度阈值
小于90°；

[0039] 所述第一振动梁、第三振动梁的第一侧面平行设置，第二振动梁、第四振动梁的第一侧面平行设置；第一振动梁、第二振动梁的第一端面位于同一平面，第三振动梁、第四振
动梁的第一端面位于同一平面；第一振动梁远离其第一端面的一端和第四振动梁远离其第
一端面的一端固连，形成第一作动头；第二振动梁远离其第一端面的一端和第三振动梁远
离其第一端面的一端固连，形成第二作动头；

[0040] 所述第一连接头第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的底面分别和第一振动梁、第二振动梁的第一端面对应固连；第二连接头第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的底面分别和第三振
动梁、第四振动梁的第一端面对应固连。

[0041] 所述第一至第四压电陶瓷片对应设置在所述第一至第四振动梁的第三侧面上，均沿其厚度方向极化、极化方向朝外。

[0042] 所述压电振子呈中心对称。

[0043] 如图4所示，所述上整流盖、下整流盖结构相同，均包含包含盖体、第一连接件和第二连接件，其中，所述盖体为弧面板、呈截掉两端的椭圆状，所述第一连接件、第二连接件分
别和所述盖体的两端固连；

[0044] 所述上整流盖的第一连接件和第一连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜面固连，上整流盖的第二连接件和第二连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第二斜
面固连；所述下整流盖的第一连接件和第一连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四
斜面固连，下整流盖的第二连接件和第二连接头中第一斜四棱锥、第二斜四棱锥的第四斜
面固连；且上整流盖、下整流盖的盖体开口相向。

[0045] 所述上整流盖、下整流盖中，第一连接件、第二连接件优先设置为结构相同的V形面板。

[0046] 本发明还公开了一种该压电驱动水下深海推进装置的工作方法，包含以下过程：

[0047] 如果需要推进装置向前运动，对第一、第二压电陶瓷片施加第一信号，对第三、第四压电陶瓷片施加第二信号，调整第一信号、第二信号使其在时间相位上相差π/2且电压相
同，如图5所示，激励出压电振子的一阶弯振对称模态（如图6所示）和一阶弯振反对称模态
（如图7所示），两个模态叠加使得所述第一、第二作动头质点产生方向相反的椭圆运动轨
迹，如图8所示，搅动周围水体形成与第一、第二作动头椭圆运动方向相同的涡流，进而产生
推力；如果需要推进装置向后运动，调整第一信号、第二信号使其在时间相位上相差‑π/2且
电压相同即可；

[0048] 如果需要推进装置转弯，调节第一、第四压电陶瓷片上驱动信号的电压，使其大于第二、第三压电陶瓷片上驱动的电压，如图9所示；如果需要推进装置反向转弯，调节第二、
第三压电陶瓷片上驱动信号的电压，使其大于第一、第四压电陶瓷片上驱动的电压。

[0049] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还
应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0050] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发
明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。