CN102931874A

CN102931874A - 纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机

Info

Publication number: CN102931874A
Application number: CN2012104794326A
Authority: CN
Inventors: 鹿存跃; 王俊璞
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: CN102931874B

Abstract

本发明涉及纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，包括定子、转子和与预压力机构，其中，定子由纵扭型压电陶瓷圆筒和一个或两个定子驱动端组成。压电陶瓷圆筒由8个扇形小片粘接组成一个圆筒，其中4片为纵振激励压电陶瓷片，均分成2组，沿圆周方向对称布置，另外4片为扭转振动激励压电陶瓷片，也均分成2组，沿圆周方向布置，2组纵振激励压电陶瓷和2组扭转振动激励压电陶瓷交叉布置。扭型压电陶瓷圆筒在定子上激励出纵扭复合振动，转子贯穿中空定子和电机输出轴固定在一起，预压力机构将转子压紧在定子驱动端上，定子通过摩擦驱动转子旋转。

Description

纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机

技术领域

本发明属于压电材料的应用领域，尤其是涉及一种纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机。

背景技术

压电致动器利用压电材料的逆压电效应产生大的变形位移，具有响应快、频响高等优点。压电电机则利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为电机定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。与传统电磁式致动器和电机相比，压电致动器和压电具有许多特点和优点，比如：

1、结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化。

2、低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动。

3、响应速度快，并且能实现断电自锁。

4、位置和速度控制性好，位移分辨率高。

5、通过振动摩擦进行能量转换，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强。

6、安静无噪声。电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行。

7、设计灵活，结构形式多样化。

由于压电陶瓷的切变压电常数d₁₅比压电常数d₃₁和d₃₃都要大，相应的机电耦合系数k₁₅也比k₃₁和k₃₃大，因此利用压电陶瓷的切变效应构造扭转型致动器可能获得更大的位移和力/力矩。在实践中出现了利用扭振压电陶瓷片的纵扭型压电电机，其扭转激励压电陶瓷片如图1所示，其由8个扇形小片11粘接而成。每个小片的极化方向如图1(b)中箭头的方向。压电陶瓷上所施加的激励电场的方向如图1(a)中箭头的方向。利用压电陶瓷的d₁₅逆压电效应，可在陶瓷片上产生一个扭转角110。实践证明，纵扭型压电电机获得的扭矩远大于其他类型的电机，如行波型压电电机、摇头型棒状压电电机等。但是，扭振压电陶瓷片难以产生大的位移。

在致动器领域也出现了利用切变型压电陶瓷构造扭转致动器的例子。如，魏燕定在实用新型CN2627281Y中和发明专利201110399862.2中，提出了利用切变压电陶瓷贴片在金属圆筒上激励扭转变形的致动器方案。这两种方案难以构造大扭转变形量的致动器。

随着技术的发展，对扭转和纵向(轴向)同时有位移要求的致动器需求越来越多。利用大位移纵扭型致动器构造超声电机，有助于提供更大的调速范围，获得更好的电机输出性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种构造对扭转和纵向(轴向)同时有较大位移要求的压电致动器，提出了一种纵扭型压电陶瓷圆筒，并提出了利用该型压电陶瓷圆筒构造纵扭型压电电机的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，包括定子、转子和与预压力机构，其中，

定子由纵扭型压电陶瓷圆筒及一个或两个定子驱动端组成，所述的纵扭型压电陶瓷圆筒在定子上激励出纵扭复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转；

转子贯穿定子并和电机输出轴固定在一起；

预压力机构将转子压紧在定子驱动端上。

所述的纵扭型压电陶瓷圆筒由8个扇形小片粘接组成一个圆筒，其中4片为纵振激励压电陶瓷片，均分成2组，2组纵振激励压电陶瓷对称地沿圆周方向布置，另外4片为扭转振动激励压电陶瓷片，也均分成2组，2组扭转振动激励压电陶瓷对称地沿圆周方向布置，2组纵振激励压电陶瓷和2组扭转振动激励压电陶瓷间隔布置。

每组压电陶瓷均由相邻的2片扇形压电陶瓷片拼接而成，纵振激励压电陶瓷片均沿周向极化，扭振激励压电陶瓷片均沿轴向极化，同一组中的2片压电陶瓷片极化方向相反。激励时，每组陶瓷片中间电极接激励信号，两边的电极接地。

所述的陶瓷片，侧面的电极翻边到外圆周表面，以利于引线。

该电机可以采用一阶纵向振动和一阶扭转振动的复合振动模态作为工作模态。此时，纵扭型压电陶瓷筒在定子上激励出一阶纵向振动和一阶扭转振动的复合振动，且两个振动的相位差为90度。此时，电机的定子上有一个驱动端，一阶纵向振动和一阶扭转振动的阶平面均在中部，因此在定子的中部安装支撑转子的轴承，并在中部夹持安装。

该电机也可采用一阶纵向振动和二阶扭转振动的复合振动模态作为工作模态，定子可以有两个驱动端。

定子驱动端面上可以开槽，以排除摩擦碎屑。摩擦材料处理在定子上或转子上，或在定子上和转子上处理有不同的摩擦材料，构成摩擦副。

激励时，激励信号可以为正弦信号，也可以为方波信号。相对的两组压电陶瓷施加相同的激励信号。通常要调整加在纵振激励压电陶瓷片的激励信号与加在扭振激励压电陶瓷片的激励信号之间的相位差(通常为90度)，以便在定子上激励出的纵振和扭振之间的相位差为90度，达到最佳工作状态。

定子在纵扭复合振动的激励下，驱动端面上质点的运动轨迹为椭圆，定子与转子有规律地接触和脱离，在宏观上形成对转子单向的摩擦驱动。两相激励信号交换，即调整两相激励信号之间的相位差为相反，则电机换向。分别调节两相激励信号电压，可以达到单独调节纵、扭变形量的目的，可精细调节电机的性能。

通常电机工作在共振状态下，以获得最佳性能。也就是要求定子的一阶纵向振动和一阶扭转振动模态频率相同，或者定子的一阶纵向振动和二阶扭转振动模态频率相同。

与现有技术相比，本发明采用的纵扭型压电陶瓷筒能够产生大变形量的纵扭变形，且纵、扭变形量可单独调节，结构紧凑、调节方便。由该纵扭型压电陶瓷筒适宜构造高性能的压电电机能够提供连续的大力矩、较大调速范围的精密旋转输出，本发明能够满足生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人、航空航天和微纳操作等场合的应用，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为现有的扭振型压电陶瓷片结构示意图；

图2为纵扭型压电陶瓷筒的结构示意图；

图3为扭转振动压电陶瓷单元的极化、激励和组装方式示意图。

图4为扭转振动扇形陶瓷片的变形示意图；

图5为纵向振动压电陶瓷单元的极化、激励和组装方式示意图；

图6为纵向振动扇形陶瓷片的变形示意图；

图7为扇形陶瓷片的电极示意图；

图8为实施例1中本发明的结构示意图；

图9为实施例2中本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

纵扭型压电陶瓷筒驱动的一阶纵振一阶扭振复合模态纵扭型压电电机，其结构如图8所示，该电机由定子、转子和与预压力机构组成，其中，定子由纵扭型压电陶瓷圆筒、定子匹配端和一个定子驱动端粘接组成。

纵扭型压电陶瓷筒20由8片扇形压电陶瓷片组成。包括扭转振动扇形陶瓷片21、扭转振动扇形陶瓷片22、扭转振动扇形陶瓷片25、扭转振动扇形陶瓷片26以及纵向振动扇形陶瓷片23、纵向振动扇形陶瓷片24、纵向振动扇形陶瓷片27、纵向振动扇形陶瓷片28，如图2所示。扭转振动扇形陶瓷片21、扭转振动扇形陶瓷片22组成一组，沿着轴向极化，且极化方向相反。在扭转振动扇形陶瓷片21、扭转振动扇形陶瓷片22的中间电极上施加一个正向电压，两侧电极接地，形成的电场方向如图3中实心箭头的方向。同样，扭转振动扇形陶瓷片25、扭转振动扇形陶瓷片26组成另一组扭转振动陶瓷片，其极化和拼接方式与扭转振动扇形陶瓷片21、扭转振动扇形陶瓷片22一样，对称布置在相对的圆周方向，如图3所示。

在电场的作用下，基于压电陶瓷的d15切变逆压电效应，扭转振动扇形陶瓷片21会产生变形41，产生了扭转角42，如图4所示。扭转振动扇形陶瓷片21的激励电场方向如实心箭头所示，扭转振动扇形陶瓷片21的极化方向如空心箭头所示。

同样，纵向振动扇形陶瓷片27、纵向振动扇形陶瓷片28组成一组，沿着周向极化，且极化方向相反。在纵向振动扇形陶瓷片27、纵向振动扇形陶瓷片28的中间电极上施加一个正向电压，两侧电极接地，形成的电场方向如图5中实心箭头所示。同样，纵向振动扇形陶瓷片23、纵向振动扇形陶瓷片24组成另一组纵振陶瓷片，其极化和拼接方式与纵向振动扇形陶瓷片27、纵向振动扇形陶瓷片28组一样，对称布置在相对的圆周方向，如图5所示。在电场的作用下，基于压电陶瓷的d31逆压电效应，纵向振动扇形陶瓷片22会产生变形61，如图6所示。扭转振动扇形陶瓷片21等的侧面的电极71翻边到外圆周表面，如图7所示。

设计时，将电机定子的一阶纵振模态频率和一阶扭振模态频率设计为相同，并设定为工作频率。激励时，扭转振动扇形陶瓷片21、扭转振动扇形陶瓷片22中间电极和扭转振动扇形陶瓷片25、扭转振动扇形陶瓷片26中间电极接正弦激励信号，纵向振动扇形陶瓷片23、纵向振动扇形陶瓷片24中间电极和纵向振动扇形陶瓷片27、纵向振动扇形陶瓷片28中间电极接余弦激励信号，将在定子上激励出纵扭复合振动。

定子的中部安装轴承86，用以支撑输出轴81，输出轴81贯穿定子，转子84与输出轴81固定在一起，并通过弹簧83和卡箍82组成的预压力系统，压紧在定子上的驱动端85。定子振动时，驱动端85上的驱动质点运动轨迹为椭圆。定子通过摩擦驱动转子旋转。定子下部还设有定子匹配端87。由于压电陶瓷圆筒能提供很大的变形量，即使在非共振状态下，电机也能低效率工作，但精度不会降低。

实施例2

纵扭型压电陶瓷筒驱动的一阶纵振二阶扭振复合模态纵扭型压电电机，其结构如图8所示，该电机由定子、转子和与预压力机构组成，其中，定子由纵扭型压电陶瓷圆筒和两个定子驱动端85粘接组成。纵扭型压电陶瓷筒20的构造和工作方式如同实施例1中的描述。

设计时，将电机定子的一阶纵振模态频率和二阶扭振模态频率设计为相同，并设定为工作频率。激励时，将在定子上激励出一阶纵振和二阶扭振的复合振动。

电机采用双端驱动，转子84和电机输出轴81固定在一起，同步旋转。弹簧83和卡箍82组成的预压力系统，将转子84和电机输出轴81的驱动端压紧在依次设置的两个定子驱动端85上，定子通过摩擦驱动转子旋转，并通过输出轴输出旋转运动。

Claims

1.纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，该压电电机包括定子、转子和与预压力机构，其中，

定子由纵扭型压电陶瓷圆筒及一个或两个定子驱动端组成，所述的扭型压电陶瓷圆筒在定子上激励出纵扭复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转；

转子贯穿定子并和电机输出轴固定在一起；

预压力机构将转子压紧在定子驱动端上。

2.根据权利要求1所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的纵扭型压电陶瓷圆筒由8个扇形陶瓷片粘接组成一个圆筒，其中4片为纵振激励压电陶瓷片，均分成两组，沿圆周方向对称布置，另外4片为扭转振动激励压电陶瓷片，也均分成两组，沿圆周方向对称布置，两组纵振激励压电陶瓷与两组扭转振动激励压电陶瓷交叉布置。

3.根据权利要求2所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的纵振激励压电陶瓷片均沿周向极化，所述的扭振激励压电陶瓷片均沿轴向极化，同组中的两个扇形片的极化方向相反。

4.根据权利要求2所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的扇形陶瓷片侧面的电极翻边到外圆周表面。

5.根据权利要求4所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，每组扇形陶瓷片的中间电极接激励信号，两边的电极接地。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的定子由纵扭型压电陶瓷筒、定子匹配端和1个定子驱动端组成，在定子的中部安装有支撑转子的轴承。

7.根据权利要求6所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的纵扭型压电陶瓷筒在定子上激励出一阶纵向振动和一阶扭转振动的复合振动，两个振动的相位差为90度。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的定子由纵扭型压电陶瓷筒和2个定子驱动端组成。

9.根据权利要求8所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的纵扭型压电陶瓷筒在定子上激励出一阶纵向振动和二阶扭转振动的复合振动，两个振动的相位差为90度。

10.根据权利要求1所述的纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，其特征在于，所述的定子和/或转子上设有摩擦材料。