[发明专利]一种压电驱动的水下螺旋桨矢量推进系统及其工作方法

权利要求书

1.一种压电驱动的水下螺旋桨矢量推进系统，其特征在于，包含壳体、压电驱动单元、连接轴和弹簧；

所述连接轴包含依次同轴固连的固定部、支撑部、调节部，所述支撑部直径小于所述调节部，所述调节部上设有螺纹段；

所述壳体包含受力部、传导部、球铰、连接筒和螺旋桨；

所述传导部为一端开口一端封闭的空心圆柱体，包含侧壁和端壁；所述受力部为空心半球体、其开口端和传导部的开口端通过侧壁对应固连，使得受力部、传导部同轴；所述受力部在其轴线处设有供所述连接轴固定部穿过的通孔；所述传导部的端壁上设有用于安装所述球铰的安装孔；

所述球铰包含球壳和球体，所述球壳为沿其轴线设有通孔的圆柱体，其内设有和所述球体相匹配的球形腔体；所述球体设置在球壳内的腔体中，能够自由转动，且球体沿球壳轴线设有螺纹通孔；

所述球壳固定在所述传导部端壁的安装孔内、和传导部同轴；

所述连接筒为一端开口一端封闭的空心圆柱体，连接筒的开口端和所述传导部端壁的外壁同轴固连、将传导部端壁上的安装孔包含在内；

所述螺旋桨包含桨轴和若干叶片，所述若干叶片周向均匀设置在所述桨轴的一端；所述桨轴的另一端和所述连接筒封闭端远离传导部的端面同轴固连；

所述压电驱动单元包括驱动盘、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述驱动盘为圆盘状金属基体，其中心设有和所述连接轴支撑部相匹配的通孔；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均采用二分区圆环状压电陶瓷片，均沿其厚度方向极化且两个分区的极化方向相反；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别贴在驱动盘两端，均和驱动盘同轴，且第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片的分区界限相互垂直；

所述连接轴调节部依次穿过球壳上的通孔、球体上的螺纹通孔后伸入所述连接筒内，连接轴调节部通过其上的螺纹段和所述球体的螺纹通孔螺纹相连；所述连接轴支撑部依次穿过第一压电陶瓷片、驱动盘、第二压电陶瓷片上的通孔，且连接轴支撑部和驱动盘上的通孔间隙配合；所述弹簧套在连接轴支撑部上、一端和所述连接轴调节部相抵、另一端和所述第一压电陶瓷片相抵，从而施加预压力；所述连接轴固定部从所述壳体受力部中心通孔穿出，用于和外界固连。

2.根据权利要求1所述的压电驱动的水下螺旋桨矢量推进系统，其特征在于，所述壳体传导部、连接筒的侧壁上均周向设有若干通孔，以减轻重量。

3.根据权利要求1所述的压电驱动的水下螺旋桨矢量推进系统，其特征在于，所述第一、第二压电陶瓷片上均涂有硅橡胶或DP460环氧胶水。

4.根据权利要求1所述的压电驱动的水下螺旋桨矢量推进系统的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

令第一压电陶瓷片的分区界限水平设置，第二压电陶瓷片的分区界限垂直设置；

如果需要平动，即进行推进或后退：

对第一压电陶瓷片的两个分区施加第一信号，对第二压电陶瓷片的两个分区施加第二信号，第一信号和第二信号为频率一致的交流谐波信号、且在时间相位上相差π/2，激发驱动盘的在时间和空间上相差90°相位差的薄板面内B₀₃模态，两个模态复合形成压电驱动单元驱动盘上表面质点的微幅行波运动，在摩擦力作用下驱动壳体的旋转，带动螺旋桨旋转，进行平动；调整第一信号和第二信号相位差为-π/2，则反向平动；

如果需要转向：

对第一压电陶瓷片的两个分区分别施加第三信号、第四信号，第三信号和第四信号为电压和频率均一致的交流谐波信号、且在时间相位上相差π/2，激发出驱动盘的节线水平的薄板面外B₁₁模态和薄板面内B₀₀模态；两个模态复合，驱动盘垂直方向上两端表面质点形成微幅椭圆运动，在摩擦力作用下驱动螺旋桨的桨轴在垂直方向角度改变，实现垂直转向；调整第三信号和第四信号相位差为-π/2，则垂直反向转向；

对第二压电陶瓷片的两个分区分别施加第五信号、第六信号，第五信号和第六信号为电压和频率均一致的交流谐波信号、且在时间相位上相差π/2，激发出驱动盘的节线垂直的薄板面外B₁₁模态和薄板面内B₀₀模态；两个模态复合，驱动盘水平方向上两端表面质点形成微幅椭圆运动，在摩擦力驱动下驱动螺旋桨的桨轴在水平方向角度改变，实现水平转向；调整第三信号和第四信号相位差为-π/2，则水平反向转向。