CN103701359A - 一种基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机，它包括圆环形转子、Y型弹性定子、叠层压电堆和电机固定基座，其中，所述叠层压电堆固定在电机固定基座上，Y型弹性定子固定在叠层压电堆上，Y型弹性定子套装在圆环形转子内；本发明采用了将压电堆的振动冲击直接转换为电机转子的转动运动的驱动方式。相对于传统压电电机，本发明采用压电堆直接振动冲击定子产生振动，进而依靠摩擦力推动转子圆环运动。这种运动原理使得电机定子和转子的结构相对简单，有利于大批量和小批量的加工，成本低。同时这种电机的自锁性能和低噪音特性，小型化优势使得它能够应用于消费电子，微机电装备，微型医疗器件和微型机器人领域。

Description

一种基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机
技术领域
本发明涉及一种压电电机，尤其涉及一种基于压电堆的直接振动冲击的转动电机。
背景技术
随着微型机器人、消费电子设备、医疗设备等领域的不断发展，微型电机的市场需求越来越庞大。传统的电机采用电磁感应原理，空载转速高，输出扭矩小，工作时通常需要携带减速器。但是，电磁电机的能量密度小，结构复杂，小型化比较困难，成本比较昂贵，输出特性也达不到要求。相比较而言，智能压电电机拥有很多优势：低速大扭矩输出，结构相对简单，自锁特性好，噪音少，不受电磁干扰等。压电电机通常有直线型和旋转型两种。
直线型压电电机已经成功运用于多个领域，包括光记忆存储和医疗器件领域。这类电机通常借鉴尺蠖运动原理，以步进的方式运行，具有非常高的定位精度。
相对于直线型压电电机，目前的旋转型压电电机结构较复杂，控制较麻烦，尺寸多半较大。这种电机通常利用定子和转子之间接触点的椭圆微米运动获得转动能力，其运动平滑，噪音小，扭矩非常大。目前已经成功应用与数码相机的自动对焦系统，汽车设备驱动器等。但是，这类电机定子与转子的结合处存在较严重的摩擦，影响了其寿命，对温度的变化也比较敏感，长期运行不稳定。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机，本发明结构简单，易于加工。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机，它包括圆环形转子、Y型弹性定子、叠层压电堆和电机固定基座，其中，所述叠层压电堆固定在电机固定基座上，Y型弹性定子固定在叠层压电堆上， Y型弹性定子套装在圆环形转子内。
进一步地，所述圆环形转子为圆环形状，其内部具有圆环面，顶部加工有阶梯型结构。
进一步地，所述Y型弹性定子具有Y型弹性定子第一分支、Y型弹性定子第二分支、Y型弹性定子第三分支，且Y型弹性定子第一分支端部、Y型弹性定子第二分支端部、Y型弹性定子第三分支端部均为圆弧形结构，以便于与圆环形转子的内圆面形成配合；所述Y型弹性定子的三个分支中，Y型弹性定子第二分支比Y型弹性定子第一分支和Y型弹性定子第三分支短，在Y型弹性定子第三分支上加工有一条凹槽，所述叠层压电堆固定在凹槽上。
进一步地，所述圆环形转子的材料为锡青铜，所述的Y型弹性定子的材料为弹簧钢。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：本发明采用了将压电堆的振动冲击直接转换为电机转子的转动运动的驱动方式。相对于传统压电电机，本发明采用压电堆直接振动冲击定子产生振动，进而依靠摩擦力推动转子圆环运动。这种运动原理使得电机定子和转子的结构相对简单，有利于大批量和小批量的加工，成本低。同时这种电机的自锁性能和低噪音特性，小型化优势使得它能够应用于消费电子，微机电装备，微型医疗器件和微型机器人领域。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是本发明圆环形转子的结构示意图；
图3是本发明Y型定子的结构示意图；
图4是本发明的基于尺蠖运动的原理示意图。
图中：圆环形转子1、Y型弹性定子2、叠层压电堆3、电机固定基座4、阶梯型结构5、内圆面6、Y型弹性定子第一分支7、Y型弹性定子第二分支8、Y型弹性定子第三分支9、Y型弹性定子第一分支端部10、Y型弹性定子第二分支端部11、Y型弹性定子第三分支端部12、凹槽13。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机包括圆环形转子1、Y型弹性定子2、叠层压电堆3和电机固定基座4，其中，叠层压电堆3固定在电机固定基座4上，Y型弹性定子2固定在叠层压电堆3上， Y型弹性定子2套装在圆环形转子1内。所述的圆环形转子1选用硬度较低、刚度较大、弹性较差的材料，如锡青铜。所述的Y型弹性定子2选用硬度较高、刚度较小、弹性比较好的材料，如弹簧钢。
如图2所示，所述圆环形转子1的基本结构为一个圆环形状。其内部的圆环面6与定子的三个分支的端部分别形成机械配合。圆环的顶部加工有小的阶梯型结构5，使得圆环形转子可以直接套装在Y型弹性定子2上。
如图3所示，所述的Y型弹性定子拥有三个分支：Y型弹性定子第一分支7、Y型弹性定子第二分支8、Y型弹性定子第三分支9，Y型弹性定子第一分支端部10、Y型弹性定子第二分支端部11、Y型弹性定子第三分支端部12均为圆弧形结构，以便于与圆环形转子1的内圆面6形成配合。所述Y型弹性定子2的三个分支中，Y型弹性定子第二分支8较短，Y型弹性定子第一分支7和Y型弹性定子第三分支9较长，在Y型弹性定子第三分支9上加工有一条细长的定位凹槽13，这样能够方便叠层压电堆3与Y型弹性定子2的相互定位。
如图4所示，本发明的电机采用一种类尺蠖的运动原理。当叠层压电堆3处于非驱动状态（图4（a）），Y型弹性定子第一分支端部10，Y型弹性定子第二分支端部11和Y型弹性定子第三分支端部12分别与圆环形转子1的内圆面6相接触，处于自锁定状态；当叠层压电堆3外部电压驱动下处于伸展状态（图4（b）），由于Y型弹性定子2在叠层压电堆3的冲击下变形，导致Y型弹性定子第二分支端部11和Y型弹性定子第三分支端部12相对于圆环形转子的内环面产生滑动，而Y型弹性定子第一分支端部10在叠层压电堆3压紧力作用下与圆环形转子1的内圆面6紧密接触，不产生任何滑动；圆环形转子1在Y型弹性定子2的推动作用下以逆时针方向转动                                                
Figure 2013106512579100002DEST_PATH_IMAGE001
，同时Y型弹性定子2由于被迫变形而积聚弹性势能；当叠层压电堆3结束伸展过程开始恢复原始尺寸（图4（c）），Y型弹性定子第二分支端部11和Y型弹性定子第三分支端部12在叠层压电堆3的牵引作用下迅速恢复到初始位置并保持不动，Y型弹性定子第一分支端部10在Y型弹性定子2的内部弹性势能释放的影响下，相对于圆环形转子1的内圆面6产生滑动，推动圆环形转子1逆时针转动至角位置
Figure 683250DEST_PATH_IMAGE002
；当叠层压电堆3恢复初始长度时，工作循环完成，Y型弹性定子2恢复初始形状，Y型弹性定子第一分支端部10，Y型弹性定子第二分支端部11和Y型弹性定子第三分支端部12与圆环形转子1的内圆面6重新形成接触，进入自锁定状态。在这个周期中，圆环形转子1逆时针旋转角度
Figure 462987DEST_PATH_IMAGE002
。如此循环往复，该电机即可获得连续的转矩和转速输出。常见的行波超声电机，虽然具有大扭矩低转速，可自锁，运行噪音小等优点，但结构复杂，难以加工和微型化，长期运行的稳定性也欠佳。本发明的定转子结构都非常简单，加工成本非常低，同时能够提供可观的扭矩和转速输出，在小型化应用方面具有非常大的优势。
上述具体实施方式用来解释说明本发明的原理，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机，其特征在于，它包括圆环形转子（1）、Y型弹性定子（2）、叠层压电堆（3）和电机固定基座（4）等，其中，所述叠层压电堆（3）固定在电机固定基座（4）上，Y型弹性定子（2）固定在叠层压电堆（3）上， Y型弹性定子（2）套装在圆环形转子（1）内。
2.根据权利要求1所述基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机，其特征在于，所述圆环形转子（1）为圆环形状，其内部具有圆环面（6），顶部加工有阶梯型结构（5）。
3.根据权利要求2所述基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机，其特征在于，所述Y型弹性定子具有Y型弹性定子第一分支（7）、Y型弹性定子第二分支（8）、Y型弹性定子第三分支（9），且Y型弹性定子第一分支端部（10）、Y型弹性定子第二分支端部（11）、Y型弹性定子第三分支端部（12）均为圆弧形结构，以便于与圆环形转子（1）的内圆面（6）形成配合；所述Y型弹性定子（2）的三个分支中，Y型弹性定子第二分支（8）比Y型弹性定子第一分支（7）和Y型弹性定子第三分支（9）短，在Y型弹性定子第三分支（9）上加工有一条凹槽（13），所述叠层压电堆（3）固定在凹槽（13）上。
4.根据权利要求2所述基于压电堆的压电振动冲击的旋转电机，其特征在于，所述圆环形转子（1）的材料为锡青铜，所述的Y型弹性定子（2）的材料为弹簧钢。
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