[发明专利]一种用于环状超声电机的单晶拼接方法

说明书

本发明公开了一种用于环状超声电机的单晶拼接方法，涉及超声电机技术领域，从一定方向在先行极化的压电单晶柱体上切割扇形极化单元，切割后将相邻的扇形极化单元反向拼接成为环状，按照压电陶瓷超声电机的制作工艺和驱动方式制成单晶超声电机。本申请提供一种用于环状超声电机的单晶拼接方法，利用拼接式单晶环作为环状超声电机的驱动部件以及利用定子齿隙的非线性设计，在消除各向异性的基础上获得较好的超声电机输出效果。

技术领域

本发明涉及超声电机技术领域，特别涉及一种用于环状超声电机的单晶拼接方法。

背景技术

超声电机技术涉及超声学、振动学、波动学、摩擦学、新材料、新工艺、自动控制和电子电力等多个方面，是多学科结合的新技术。它是在20世纪80年代左右迅速发展起来的，主要由压电陶瓷、弹性体组成的定子和转子之间的摩擦来进行驱动。超声电机打破了传统电机的工作原理，利用逆压电效应获得力矩具有力矩/质量比大，响应速度快，结构紧凑，噪声低，断电自锁，运动准确等优点，还可以适应真空、低温等太空环境。

相对于压电陶瓷，压电单晶具有较高的压电系数和极电耦合系数。为了获得更好的电机输出能力和低温运行效果，单晶应用于超声电机已进行尝试性试验。

单晶超声电机的驱动材料为单晶，但单晶在不同晶向上的原子密度不同，原子间结合力也不同，所以单晶在不同方向上性能各异，即具有各向异性。由于各向异性，压电单晶在不同方向产生的应变就不同，导致其振动产生的波峰也不同，进而影响定转子间的摩擦力，从而对超声电机的输出产生不利影响，所以采用单晶作为驱动材料时，需要消除各向异性。

针对此现象，本申请提供一种用于环状超声电机的单晶拼接方法，利用拼接式单晶环作为环状超声电机的驱动部件以及利用定子齿隙的非线性设计，在消除各向异性的基础上获得较好的超声电机输出效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于环状超声电机的单晶拼接方法，利用拼接式单晶环作为环状超声电机的驱动部件以及利用定子齿隙的非线性设计，在消除各向异性的基础上获得较好的超声电机输出效果。

本发明提供了一种用于环状超声电机的单晶拼接方法，包括以下步骤：

S1：利用坐标变换的张量算法确定压电单晶柱体的高压电性能切型；

S2：按照确定的切型和超声电机定子波峰数计算出切割角度、扇形区域角度和内外径；

S3：进行压电单晶柱体扇形区域的切割，并将相邻的扇形极化单元进行反向拼接形成环形；

S4：拼接后的环形定子利用齿隙厚度的非线性设计实现扇形区域内各向异性补偿。

进一步地，所述步骤S1中利用基于欧拉旋转定律的张量计算确定高压电性能切型。

进一步地，所述步骤S2中按照环形超声电机制作工艺及定子振动的模态分析结果确定超声电机定子波峰数，按照波峰数确定超声电机压电单晶分区扇形区域角度，按照定子设计参数确定内外径。

进一步地，所述步骤S3在拼接时分别在扇形区域之间留有空隙，并在空隙中填充柔性物质。

进一步地，所述步骤S4的定子波峰振幅可表示为：

其中，A为定子振幅，E₃为施加在压电材料上的电场强度，L为极化分区的等效长度，Q_m为机电耦合，h_p与h_m为厚度，E_m与c_p为弹性劲度系数，下标p和m分别表示压电材料和金属弹性体，用以区分两类材料的物理性能。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：