CN102005966B - 一种基于边界条件的单驱动双向压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边界条件的单驱动双向压电马达，包括基座、与基座固定连接的定子以及可相对定子和基座旋转的转子；所述的定子包括带中心孔的驱动体以及通过界面力连接在驱动体一侧平面的压电片；所述的驱动体中的中心孔贯穿基座；所述的转子包括贯穿驱动体的中心孔的旋转体以及与旋转体一端固定连接的帽体；所述的帽体与所述的驱动体接触，所述的旋转体与所述的驱动体的中心孔孔壁之间有空隙；所述的基座的边缘设有对称分布的四个螺孔。该压电马达体积小且功耗低，对于压电马达微型化起到重要的作用。

Description

一种基于边界条件的单驱动双向压电马达

技术领域

本发明涉及压电马达领域，具体涉及一种基于边界条件的单驱动双向压电马达。

背景技术

超声波电机(Ultrasonic Motor)简称USM，是一种利用逆压电效应实现电能到机械能转换的电机；一般由定子，转子等部件构成，工作原理为：通过压电材料的逆压电效应，使得与转子相接触的定子表面质点产生椭圆运动，从而导致定子表面质点与转子之间有相对运动，借助于转子表面的摩擦力，使定子、转子之间产生单方向的滑动摩擦，最终驱动转子运动。鉴于定子的机械振动是由压电材料根据逆压电效应所产生的，故超声波电动机又名压电马达。

压电马达具有极高的位移分辨率、大力矩和低转速等特点，是一种能直接驱动负载的高刚度、高响应速度、高精度的驱动器。含有压电马达的部件能构成高保持力、低噪音的传动系统，容易实现小型化和智能化。所以压电马达在精密机械、测量仪器、传输系统等领域的应用前景非常广阔。

压电马达为了实现双向控制驱动即压电马达的正反转，往往需要两套压电片，一套压电片加sinθ信号，另外一套压电片加cosθ信号，两套压电片的驱动电压在时间上形成90度电压相位差，配合设计空间上的相位差即可实现转子的旋转；如果将原来驱动两套压电片上的电压相位差改为-90度(如将sinθ信号变成cosθ信号，cosθ信号变成sinθ信号)，那么转子的旋转方向将发生改变，从而实现压电马达的双向控制驱动。

由于传统的压电马达要使用两套压电片来控制正反转，每套压电片都需要一个电路驱动，所以压电马达系统的体积会变得庞大，限制了其在精密机械领域的应用。随着压电马达微型化小型化的进步，对压电马达系统尺寸减小的要求也越来越高。如果能减小到只用一个压电片和一个驱动系统，那么压电马达系统的尺寸将大大的减小。

发明内容

本发明提供了一种体积小且功耗低的基于边界条件的单驱动双向压电马达。

一种基于边界条件的单驱动双向压电马达，包括基座、与基座固定连接的定子以及可相对定子和基座旋转的转子；所述的定子包括带中心孔的驱动体以及通过界面力连接在驱动体一侧平面的压电片；所述的驱动体中的中心孔贯穿基座；所述的转子包括贯穿驱动体的中心孔的旋转体以及与旋转体一端固定连接的帽体；所述的帽体与所述的驱动体接触，所述的旋转体与所述的驱动体的中心孔孔壁之间有空隙；所述的基座的边缘设有对称分布的四个螺孔。

所述的单驱动双向压电马达的结构优选沿压电片的中轴面呈镜像对称，这种对称结构更有利于压电马达正反转的边界调控性。为了保证压电马达具有较好的镜像对称性，所述的驱动体进一步优选为柱状，可以为带有一个侧平面的类圆柱、三角形柱、方柱、多边形柱等中的一种。所述的柱状驱动体进一步优选沿驱动体轴向设置中心孔。

所述的四个螺孔优选沿压电片的中轴面呈镜像对称，这种对称结构更有利于压电马达正反转的边界调控性。

所述的压电片采用本领域通用的压电材料片，如可选用压电陶瓷片等。

所述的驱动体的材料为金属，如钢等金属。

所述的转子的材料为金属，如钢等金属。

所述的旋转体的另一端设有弹性机构，用于使转子的帽体与定子的驱动体更加紧密的接触。所述的弹性机构可选用弹性卡片或为由弹簧与垫片组成的复合弹性机构。

本发明只利用一个sinθ信号来驱动一个压电片，通过改变压电马达的边界夹持条件来改变马达的旋转方向，从而使得压电马达的电路驱动部分省掉一个，大大减小了压电马达系统的体积和功耗。

本发明压电马达的工作原理为：当把基座上位于同一对角线上的两个螺孔用螺钉固定，位于另一同一对角线上的两个螺孔自由，向压电片上施加交流电压的sin信号，通过压电片的逆压电效应，压电片向与转子相接触的定子施加交流的力，由于施加交流的力与因边界条件的变化导致结构的不对称，交流的力的旋度发生了变化，由于交流的力的力场旋度的影响而使转子相对定子旋转。同理，变换边界条件，即把原本固定的位于同一对角线上的两个螺孔自由，把原本自由的位于同一对角线上的两个螺孔固定，交流的力的力场旋度将发生反向，而使转子相对定子反向旋转。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明压电马达只需要一个压电片，仅使用一个交流驱动信号即可驱使转子旋转，通过选择性对压电马达基座边缘的限定即能改变压电马达的镜像对称性结构的边界条件来改变压电马达的转向，实现正反双向转动。

本发明压电马达具有驱动电压低(～5V)，结构简单，电源驱动简单的特点，大大减小了压电马达对电源模块的需求，从而大大减小了压电马达系统的体积，对于压电马达系统微型化起到重要的作用。

附图说明

图1为本发明压电马达的一种结构示意图；

图2为图1中定子的结构示意图；

图3为图2中定子的俯视结构示意图；

图4为图1中转子的结构示意图；

图5为本发明压电马达结构原理图；

图6为本发明压电马达的另一种结构原理图。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明压电马达，包括基座1、与基座1固定连接的定子以及可相对定子和基座1旋转的转子；定子包括带中心孔8的驱动体3以及通过界面力连接在驱动体3一侧平面的压电片2；驱动体3中的中心孔8贯穿基座1；转子包括贯穿驱动体3的中心孔8的旋转体5以及与旋转体5一端固定连接的帽体4；帽体4与驱动体3接触，旋转体5与驱动体3的中心孔8孔壁之间有空隙；基座1的边缘设有对称分布的四个螺孔，按顺时针方向分别记作螺孔C₁、螺孔C₂、螺孔C₃和螺孔C₄，作为边界条件；螺孔C₁、螺孔C₂、螺孔C₃和螺孔C₄沿压电片2的中轴面呈镜像对称。

旋转体5的另一端套有由垫片和弹簧组成的复合弹性机构6，用于提供一个预紧力使定子的驱动体3与转子的帽体4紧密接触。

压电马达沿压电片2的中轴面呈镜像对称，因而，驱动体3可以为带有一个侧平面的类圆柱、三角形柱、方柱、多边形柱等柱状驱动体中的一种，柱状驱动体中沿驱动体3轴向设置中心孔8。

压电片2选用压电陶瓷片，驱动体3的材料为金属钢，转子的材料为金属钢。

以驱动体3上两个沿压电片2的中轴面呈镜像对称的点A和点B为例，结合图5和图6，本发明压电马达的工作原理如下：

图5中，驱动体3为方柱，省略压电片2；图6中，驱动体3为带有一侧平面的圆柱，省略压电片2；

利用一个交流电压约为5V的sinθ信号驱动压电片2，压电片2通过逆压电效应给驱动体3施加一个交流的力F，该交流的力F的表达式为F·sin(ωt)，那么会在定子上的Q圈上Y方向镜像对称的点A和点B分别产生一个小的运动轨迹，点A和点B两点的运动轨迹可以表达为：

$A=\left\{\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\\ Z_1\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{a}_1\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_1)\\ a_2\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_2)\\ a_3\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_3)\end{array}\right\};$ $B=\left\{\begin{array}{c}{X}_2\\ Y_2\\ Z_2\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{b}_1\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)\\ b_2\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)\\ b_3\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_3)\end{array}\right\}.$

式中，ω为施加的sin信号的频率，t为时间，θ₁、θ₂、θ₃、φ₁、φ₂、φ₃分别为对应X₁、Y₁、Z₁、X₂、Y₂、Z₂的相位角。

因为施加的交流的力F与点A和点B结构的对称，可以知道X₁＝-X₂，Y₁＝Y₂，Z₁＝Z₂。

从而得知若转子分别与点A和点B接触，那么综合在X方向上是没有运动的，由于点A和点B是Q圈上任意两个对称点，从而得知Q圈上的XY面的力场F₁的旋度为零，数学上表达为：

$\▿\×F_{1(X,Y)}=0$

当把位于同一对角线上的螺孔C₁和螺孔C₃用螺钉固定，位于同一对角线上的螺孔C₂和螺孔C₄自由，那么由于施加交流的力F与因边界条件的变化导致结构的不对称，X₁≠-X₂，Y₁≠Y₂，这时候，Q圈上的XY面的力场F₂的旋度发生了变化，将不再等于0，即

；

此时如果转子与Q圈线内接触将由于力旋度F_2(X，Y)的影响而发生旋转。

同理，当把位于同一对角线上的螺孔C₂和螺孔C₄用螺钉固定，位于同一对角线上的螺孔C₁和螺孔C₃自由，力场旋度将发生反向，如果转子与Q圈内接触将由于力场旋度的反向而发生反向旋转。

Claims (5)

1.一种基于边界条件的单驱动双向压电马达，其特征在于，包括基座、与基座固定连接的定子以及可相对定子和基座旋转的转子；

所述的定子包括带中心孔的驱动体以及通过界面力连接在驱动体一侧平面的压电片；所述的驱动体中的中心孔贯穿基座；

所述的转子包括贯穿驱动体的中心孔的旋转体以及与旋转体一端固定连接的帽体；

所述的帽体与所述的驱动体接触，所述的旋转体与所述的驱动体的中心孔孔壁之间有空隙；

所述的基座的边缘设有对称分布的四个螺孔；

当把基座上位于同一对角线上的两个螺孔用螺钉固定，位于另一同一对角线上的两个螺孔自由，向压电片上施加交流电压的sin信号，通过压电片的逆压电效应，压电片向与转子相接触的定子施加交流的力，由于施加交流的力与因边界条件的变化导致结构的不对称，交流的力的旋度发生了变化，由于交流的力的力场旋度的影响而使转子相对定子旋转；同理，变换边界条件，即把原本固定的位于同一对角线上的两个螺孔自由，把原本自由的位于同一对角线上的两个螺孔固定，交流的力的力场旋度将发生反向，而使转子相对定子反向旋转。

2.根据权利要求1所述的基于边界条件的单驱动双向压电马达，其特征在于，所述的单驱动双向压电马达的结构沿压电片的中轴面呈镜像对称。

3.根据权利要求1所述的基于边界条件的单驱动双向压电马达，其特征在于，所述的四个螺孔沿压电片的中轴面呈镜像对称。

4.根据权利要求1所述的基于边界条件的单驱动双向压电马达，其特征在于，所述的旋转体的另一端设有用于使转子的帽体与定子的驱动体紧密接触的弹性机构。

5.根据权利要求4所述的基于边界条件的单驱动双向压电马达，其特征在于，所述的弹性机构为弹性卡片或为由弹簧与垫片组成的复合弹性机构。

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