CN101710801A - 夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置，本发明采用夹心式锥面压电振子形式，压电振子与转子之间的接触面为锥面，可以提高压电振子与转子之间的静态弯曲配合程度，接触面积增大，电机能量转换效率提高，输出性能大大提高，运行噪声小，且压电发电的能量密度大，清洁无污染，是理想的绿色能源。

Description

夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置

技术领域

本发明涉及一种压电驱动与压电发电集成一体化装置，尤其涉及一种夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置。

背景技术

压电陶瓷具有正、逆压电效应，被广泛应用于微机电系统(MEMS)中。以压电效应为基础的微驱动和微能源技术是MEMS理论与应用研究中的两个重要领域，也是实现MEMS设计的关键。近年来，MEMS集成技术的飞速发展为微驱动和微能源的集成一体化研究提出了更为严峻的挑战。另外，我国正面临着能源短缺和环境污染严重的现状，这严重制约了国民经济的可持续发展。因此，研制高集成度和清洁节能型的MEMS已刻不容缓。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置；本发明实现压电驱动与发电功能于一体，改善压电振子与转子之间的静态弯曲配合程度，增大定转子的接触面积、提高装置的能量传递效率和力能指标，提供一种能量密度大、清洁无污染的绿色能源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置，夹心式锥面压电振子通过其基座上的四个固定螺钉安装在底座上，在夹心式锥面压电振子的锥面上装有锥面转子，锥面转子通过固定螺钉与输出轴紧固连接成一体，锥面转子外面设置推力轴承，通过端盖和底座(1)上的四个调节紧固螺钉孔固定在底座上面。夹心式锥面压电振子的激励压电陶瓷片在两路相位差为90度的高频激励信号源和高频功率放大器的作用下，使压电振子的锥面产生弯曲行波，并通过锥面摩擦力作用推动锥面转子作旋转运动，实现驱动功能；夹心式锥面压电振子的发电压电陶瓷片在弯曲振动的作用下，产生感生电荷，经整流变换电路和存储电路后可对外部负载供电，实现发电功能。

进一步地，所述的夹心式锥面压电振子是由金属弹性体、激振压电陶瓷片和发电压电陶瓷片组成的复合体，发电压电陶瓷片位于压电振子的顶部，金属弹性体位于压电振子的中部，激振压电陶瓷片位于压电振子的底部，发电压电陶瓷片、金属弹性体和激振压电陶瓷片通过粘结和高温固化后构成夹心式压电振子；压电振子的金属弹性体表面每隔4度开有1个定子齿，定子齿的内侧面为锥面，齿槽的形式为压电振子外椽齿槽较内椽齿槽浅的斜形齿槽。

进一步地，所述的预压力调节机构，依次为底座上的四个调节紧固螺钉孔、端盖、推力轴承、锥面转子、丁腈橡胶环和夹心式锥面压电振子组成。

进一步地，所述的输出轴的径向定位机构为底座上的径向轴承和端盖上的推力轴承组成；输出轴的轴向定位机构依次由夹心式锥面压电振子、推力轴承和端盖共同组成。

本发明具有的有益效果是：

1、采用夹心式锥面压电振子形式，压电振子与转子之间的静态弯曲配合程度提高，接触面积增大，电机能量转换效率提高，输出性能大大提高；

2、采用夹心式锥面压电振子形式，可实现压电驱动和发电集成于一体，不仅增加了装置的多功能化，克服了传统压电器件功能单一的缺陷，还大大简化了装置结构的复杂程度，降低加工制造成本；

3、采用夹心式锥面压电振子形式，可实现低速大力矩直接驱动，不需要配备减速机构，且不产生运行噪声；压电发电产生的能量密度大，清洁无污染，是理想的绿色能源；

4、锥面压电振子开斜齿槽，有利于提高振子锥面质点振动位移的一致性，提高运行稳定性，达到降低噪声效果。

5、另外，斜齿槽结构还可以使压电振子和激振压电陶瓷片之间胶层受到的最大剪切应力向振子中心移动，避免了振子边缘出现应力集中现象，保证胶层受到均匀的剪切应力，大大提高装置的使用寿命。

6、本发明压电驱动与压电发电集成一体化装置具有广泛的应用前景，不仅可以应用于MEMS中，还广泛应用于航空航天、精密器械、生物医疗、机器人等领域。

附图说明

图1是本发明夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是夹心式锥面压电振子示意图；

图4是图3的俯视图；

图5为锥面转子剖视图；

图中：1、底座，2、夹心式锥面压电振子，3、锥面转子，4、丁腈橡胶环，5、端盖，6、推力轴承，7、输出轴，8、固定螺钉，9、调节紧固螺钉，10、固定螺钉，11、径向轴承，12、高频激振信号源，13、高频功率放大器，14、整流变换电路，15、存储电路，16、负载，21、激振压电陶瓷片，22、金属弹性体，23、发电压电陶瓷片，24、定子齿。

具体实施方式

本发明装置底座上装有夹心式锥面压电振子，在夹心式压电振子的锥面上装有锥面转子，锥面转子通过固定螺钉与输出轴紧固连接成一体，转子外面设置推力轴承，通过端盖与底座上的四个调节紧固螺钉孔固定在底座上。给激振压电片施加相位差为90度的两路高频激振信号，压电振子在锥面将产生弯曲行波，通过锥面摩擦作用推动锥面上的转子作旋转运动，实现驱动功能；发电压电片在弯曲行波的作用下产生弯曲变形，并在其表面产生感生电荷，将产生的感生电荷经整流变换、存储后可对外接负载供电，实现发电功能。

所述的夹心式锥面压电振子是由金属弹性体、激振压电陶瓷片和发电压电陶瓷片组成的复合体，发电压电陶瓷片位于压电振子的顶部，金属弹性体位于压电振子的中部，激振压电陶瓷片位于压电振子的底部，发电压电陶瓷片、金属弹性体和激振压电陶瓷片通过粘结和高温固化后构成夹心式压电振子；压电振子的金属弹性体表面每隔4度开有1个定子齿，定子齿的内侧面为锥面，齿槽的形式为压电振子外椽齿槽较内椽齿槽浅的斜形齿槽，齿槽的作用是放大压电振子的振动幅值，提高装置的力能指标和电能指标。

所述的预压力调节机构，依次由底座上的四个调节紧固螺钉、端盖、推力轴承、锥面转子、丁腈橡胶环和夹心式锥面压电振子组成。通过调节四个调节紧固螺钉，端盖与底座间的间隙减小，压力增大，压力通过端盖依次传递给推力轴承、锥面锥子、丁腈橡胶环，最后传递给夹心式锥面压电振子。

所述的输出轴径向定位机构由底座上的径向轴承和端盖上的推力轴承组成；输出轴的轴向定位机构依次由夹心式锥面压电振子、推力轴承和端盖共同组成。

所述的高频激励信号源为美国福禄克公司的FLUKE29型函数发生器，高频功率放大器为扬州国电扬讯电讯仪器有限公司的ML3860B型高频功率放大器，整流变换电路由上海柳晶电子电器有限公司的桥式整流器KBPC510和Maxim公司的MAX1811组成，存储电路由容量为3法拉的超级电容组成。

下面根据附图和实施例详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1、2所示，本发明的夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置，包括：底座1、夹心式锥面压电振子2、锥面转子3、丁腈橡胶环4、端盖5、输出轴7、高频功率放大器13、整流变换电路14、存储电路15。底座1与端盖5固定相连，夹心式锥面压电振子2通过其基座上的四个固定螺钉10安装在底座1上，在夹心式锥面压电振子2的锥面上装有锥面转子3，锥面转子3表面粘结丁腈橡胶环4并通过固定螺钉8与输出轴7紧固连接成一体，输出轴7通过推力轴承6和径向轴承11安装在端盖5和底座1的中心通孔上。高频激振信号源12与高频功率放大器13相连，高频功率放大器13与激振压电陶瓷片21相连。整流变换电路14和存储电路15相连后与发电压电陶瓷片23相连。

输出轴7的径向定位机构为底座1上的径向轴承11和端盖5上的推力轴承6组成；输出轴7的轴向定位机构依次由夹心式锥面压电振子2、推力轴承6和端盖5共同组成。

如图3、4所示，夹心式锥面压电振子2主要由激振压电陶瓷片21、金属弹性体22、发电压电陶瓷片23和定子齿24组成。激振压电陶瓷片21位于底部，金属弹性体22位于中部，发电压电陶瓷片23位于顶部，激振压电陶瓷片21、金属弹性体22和发电压电陶瓷片23依次相连，通过粘结和高温固化后形成夹心结构，金属弹性体22内侧为锥面，表面每隔4度开有1个定子齿24，齿槽的形式为定子外边缘齿槽较内边缘齿槽浅的斜形齿槽，用来放大压电振子的振动幅值，提高装置的力能指标和电能指标。

夹心式锥面压电振子2的激励压电陶瓷片21在两路相位差为90度的高频激励信号12和高频功率放大器13的作用下，使压电振子2的锥面产生弯曲行波，并通过锥面摩擦力作用推动锥面转子3作旋转运动，实现驱动功能；夹心式锥面压电振子2的发电压电陶瓷片23在弯曲振动的作用下，产生感生电荷，经整流变换电路14和存储电路15后可对外部负载16供电，实现发电功能。

从性能上看，采用夹心式锥面压电振子2与锥面转子3配合驱动时，由于锥面和斜齿槽的共同作用，提高了振子锥面质点振动幅值的均匀性和一致性，增加了振子和转子之间的径向静态弯曲配合程度和接触面积，从而使电机的性能得到大大提高，其换能效率也得到大幅提升。除此之外，由于夹心式结构中采用两个压电陶瓷片分别担当激振和发电作用，使得整个装置在功能上得到了拓展和集成，首次实现了压电驱动和发电两种功能集成一体，而且压电发电具有能量密度大，清洁无污染等优点。有限元分析表明，采用夹心式锥面压电振子工作频率附近的模态频率相差较大，模态十分清晰，不容易出现模态混叠，也就不易出现噪声。经有限元计算得到研制的夹心式锥面压电振子模态(B₀₉)频率为57.347kHz，其相邻模态频率分别为55.322kHz和60.068kHz，发电功率在负载完全匹配状态下可达55mW。

Claims (4)

1.一种夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置，其特征在于，夹心式锥面压电振子(2)通过其基座上的四个固定螺钉(10)安装在底座(1)上，在夹心式锥面压电振子(2)的锥面上装有锥面转子(3)，锥面转子(3)通过固定螺钉(8)与输出轴(7)紧固连接成一体，锥面转子(3)外面设置推力轴承(6)，通过端盖(5)和底座(1)上的四个调节紧固螺钉孔(8)固定在底座(1)上面。夹心式锥面压电振子(2)的激励压电陶瓷片(21)在两路相位差为90度的高频激励信号源(12)和高频功率放大器(13)的作用下，使压电振子(2)的锥面产生弯曲行波，并通过锥面摩擦力作用推动锥面转子(3)作旋转运动，实现驱动功能；夹心式锥面压电振子(2)的发电压电陶瓷片(23)在弯曲振动的作用下，产生感生电荷，经整流变换电路(14)和存储电路(15)后可对外部负载(16)供电，实现发电功能。

2.根据权利要求1所述的夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置，其特征在于：所述的夹心式锥面压电振子(2)是由金属弹性体(22)、激振压电陶瓷片(21)和发电压电陶瓷片(23)组成的复合体，发电压电陶瓷片(23)位于压电振子(2)的顶部，金属弹性体(22)位于压电振子(2)的中部，激振压电陶瓷片(21)位于压电振子(2)的底部，发电压电陶瓷片(23)、金属弹性体(22)和激振压电陶瓷片(21)通过粘结和高温固化后构成夹心式压电振子；压电振子(2)的金属弹性体(22)表面每隔4度开有1个定子齿(24)，定子齿(24)的内侧面为锥面，齿槽的形式为压电振子外椽齿槽较内椽齿槽浅的斜形齿槽。

3.根据权利要求1所述的夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置，其特征在于：所述的预压力调节机构，依次为底座(1)上的四个调节紧固螺钉孔(9)、端盖(5)、推力轴承(6)、锥面转子(3)、丁腈橡胶环(4)和夹心式锥面压电振子(2)组成。

4.根据权利要求1所述的夹心式锥面压电驱动与发电一体化装置，其特征在于：所述的输出轴(7)的径向定位机构为底座(1)上的径向轴承(11)和端盖(5)上的推力轴承(6)组成；输出轴(7)的轴向定位机构依次由夹心式锥面压电振子(2)、推力轴承(6)和端盖(5)共同组成。

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