一种声场驱动的马达制造技术

本实用新型专利技术涉及一种声场驱动的马达，包括：转子、压电换能器、超声变幅杆与反射器；压电换能器与超声变幅杆连接，同时超声变幅杆与压电换能器的频率需匹配来达到放大压电换能器振动的效果；转子利用声辐射力自然悬浮于波节点处或机械连接于波节点处，转子的结构及参数经过优化设计，以达到最高驱动效率。有益效果：基于声现象的驱动机制不依赖于系统的电磁属性，可以使用任何需要的固体材料制作转子。通过提高声波频率可以将转子微缩至亚毫米量级，可以放置于微流道或生物体内以实现特定功能；同时，声场对生物体友好，不会对生物产生不利影响。转子旋转时会影响流场，将该转子放置于流体中能够较好的操控流动或驱动液体混合。

【技术实现步骤摘要】
一种声场驱动的马达
本专利技术属于机械动力装置领域，涉及一种声场驱动的马达，特别是一种利用声场能量进行驱动的旋转机械装置。
技术介绍
马达是一种将其他形式能源(化学能、电磁能、声、光、热能等)转变成机械能的装置，被广泛应用于各种需要驱动力的场合。传统的马达都需要轴连接被驱动物，虽然能够达到很高的驱动力，但在一些特殊场合下难以应用。现有的非接触马达主要使用电磁力进行驱动，对物体的电磁特性有一定要求。而基于声场的驱动装置不需要材料具有特殊属性，因此在生物、微机电系统等领域，对此类非接触的声场驱动装置有较大需求。文献‘OnderDincel,TsuyoshiUeta,JunKameoka.Acousticdrivenmicrobubblemotordevice[J].SensorsandActuatorsA,2019,295,343-347.’开发了利用气泡表面产生微声流的旋转装置，该装置利用气液界面的能量耗散产生声流推动一个毫米级的结构旋转。但是，该装置只能在液体中工作，且能达到的转速较低，仅450rpm。由于这一特点，该装置驱动效率较低且不能用于气体介质。利用声场这一常见的物理场，可以实现非接触能量传递。本专利技术利用边界层声流现象驱动物体旋转，不要求被驱动物具有特殊物理属性，可以实现单一介质内的驱动。此外声场具有生物友好的特性，利用声场驱动微马达的技术研究具有显著的工程实践意义与实用价值。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种声场驱动的马达，一种利用声场驱动的旋转设备。通过设计转子形貌高效的利用声场的二阶效应。该设备能够在声场作用下能产生稳定的旋转并能够达到较高的转速，实现流体介质中的非接触驱动。同时，本方案依赖于声场的二阶效应，解决了传统电磁驱动依赖于物性参数的问题，使转子的材料选择多种多样。技术方案一种声场驱动的马达，其特征在于包括转子1、超声变幅杆2、压电换能器3和反射器4；压电换能器3位于超声变幅杆2的底部，反射器4位于超声变幅杆2的上端，两者之间为驻波声场，转子1悬浮于驻波声场的波节点处；所述转子为两个楔形块5反向放置拼接，其中心设有中心孔6；所述楔形块5的截面为梯形或三角形；所述楔形块5的长度不超过驻波声场声波的半波长。所述楔形块5的长度采用0.25倍驻波声场的波长。所述转子的楔形尖角角度取值范围为10°～40°。所述转子的楔形尖角角度取值范围为20°。所述转子尖角周围的加工精度不能低于声边界层厚度。有益效果本专利技术提出的一种声场驱动的马达，包括：转子、压电换能器、超声变幅杆与反射器；压电换能器与超声变幅杆连接，同时超声变幅杆与压电换能器的频率需匹配来达到放大压电换能器振动的效果；转子利用声辐射力自然悬浮于波节点处或机械连接于波节点处，转子的结构及参数经过优化设计，以达到最高驱动效率。该马达工作时，压电换能器振动，振动幅值由超声变幅杆放大，并由反射器反射产生高强度的驻波场。由于转子的劈尖形貌，尖角处将产生高强度的局部流动，另外由于边界层内的耗散现象，产生指向尖角外部的宏观流动，如图2箭头所示。此流动引发的壁面剪切将推动被悬浮物体的旋转。有益效果：1、基于声现象的驱动机制不依赖于系统的电磁属性，可以使用任何需要的固体材料制作转子。2、转子可以设计的很小，通过提高声波频率可以将转子微缩至亚毫米量级，因此可以放置于微流道或生物体内以实现特定功能；同时，声场对生物体友好，不会对生物产生不利影响。3、转子旋转时会影响流场，将该转子放置于流体中能够较好的操控流动或驱动液体混合。附图说明图1为声场驱动的马达的整体系统示意图图2为马达转子设计示意图图中：1为转子，2为超声变幅杆，3为压电换能器，4为反射器，5为转子楔形块，6为中心孔位。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：声场驱动的马达包括：转子、压电换能器、超声变幅杆与反射器；压电换能器与超声变幅杆连接，同时超声变幅杆与压电换能器的频率需匹配来达到放大压电换能器振动的效果；转子利用声辐射力自然悬浮于波节点处或机械连接于波节点处，转子的结构及参数经过优化设计，以达到最高驱动效率。所述转子是一种双楔形拼装结构，其截面为梯形或三角形，两块楔形块反向放置拼接。楔形块长度不超过声波的半波长，一般情况下转子的尺度在毫米量级。优选地，根据数值模拟，楔形块长度在0.25倍波长时能够达到最佳效果。所述转子要求具有较高的加工精度，尖角附近的加工精度不能低于声边界层厚度。所述转子的楔形尖角角度取值范围为：10°至40°，低于该范围将存在较大加工难度，高于该范围则无法得到较好的驱动效果。优选的，根据数值模拟与实验结果，该尖叫角度取值在20°时可以达到最佳驱动效果。所述转子自然悬浮或放置在驻波场的波节点处，对于行波场则没有具体要求。本例中，转子的连接方式为自由悬浮于波节点。如附图1所示，使用压电换能器3，驱动超声变幅杆2，在反射器4与超声变幅杆2之间将形成驻波声场。首先，在声辐射力的作用下，转子1自然悬浮于驻波声场的波节点处；同时由于声波的作用，转子的楔形尖角附近产生指向尖角外部的强度较高的声流，如图2箭头所示。对于本实施例，在声流的作用下，转子1将发生顺时针旋转，如图2所示。在压电换能器3上施加20KHz的正弦信号，使用20KHz的超声变幅杆2，转子楔形块5的长度取为8mm。根据实际测量，尖端角度a分别取10°、20°、30°时，自由悬浮状态下转子的转速分别为：4700rpm、5700rpm、4900rpm。所述声源的频率不一定固定于20KHz，随着转子所在的介质和需要的转子大小进行改变，只需持转子尺寸小于半波长。该马达工作时，压电换能器振动，振动幅值由超声变幅杆放大，并由反射器反射产生高强度的驻波场。由于转子的劈尖形貌，尖角处将产生高强度的局部流动，另外由于边界层内的耗散现象，产生指向尖角外部的宏观流动，如图2箭头所示。此流动引发的壁面剪切将推动被悬浮物体的旋转。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种声场驱动的马达，其特征在于包括转子(1)、超声变幅杆(2)、压电换能器(3)和反射器(4)；压电换能器(3)位于超声变幅杆(2)的底部，反射器(4)位于超声变幅杆(2)的上端，两者之间为驻波声场，转子(1)悬浮于驻波声场的波节点处；所述转子为两个楔形块(5)反向放置拼接，其中心设有中心孔(6)；所述楔形块(5)的截面为梯形或三角形；所述楔形块(5)的长度不超过驻波声场声波的半波长。/n

【技术特征摘要】
1.一种声场驱动的马达，其特征在于包括转子(1)、超声变幅杆(2)、压电换能器(3)和反射器(4)；压电换能器(3)位于超声变幅杆(2)的底部，反射器(4)位于超声变幅杆(2)的上端，两者之间为驻波声场，转子(1)悬浮于驻波声场的波节点处；所述转子为两个楔形块(5)反向放置拼接，其中心设有中心孔(6)；所述楔形块(5)的截面为梯形或三角形；所述楔形块(5)的长度不超过驻波声场声波的半波长。


2.根据权利要求1所述声场...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈效鹏，郭紫昱，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：新型
国别省市：陕西;61