CN104578902A - 基于电磁夹持非接触式旋转压电电机 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁夹持非接触式旋转压电电机，驱动机构的驱动盘固定在底座上，壳体固定在驱动盘上，底座上具有一根端部伸入壳体内部的支撑轴，支撑轴上具有轴筒，轴筒与上述驱动机构的两组柔性铰链相接，两柔性铰链以所述支撑轴轴线对称设置，每组柔性铰链上均连接一个压电堆，这两个压电堆仍以支撑轴轴线中心对称设置，每个压电堆通过安装在驱动盘上的预紧螺钉调整其与柔性铰链预紧力，壳体内具有与支撑轴连接在一起的电磁铁，电磁铁上方具有与其存在一定间隙的转子。本发明与现有技术相比具有输出转矩大，使用寿命长，能耗低，运行平稳等优点。

Description

基于电磁夹持非接触式旋转压电电机

技术领域  本发明涉及一种电机，尤其涉及一种压电驱动电机。

背景技术  随着科学技术的迅猛发展，精密驱动技术在精密仪器、微机器人、航空航天等方面占据越来越重要的地位，其中压电驱动电机因具有体积小、位移分辨率低、响应快、能耗低等优点已经成为应用非常广泛的精密驱动设备。传统的压电电机依靠定转子之间的摩擦来驱动转子转动，而定转子间的摩擦造成了接触面磨损严重、寿命短等问题，为了解决摩擦式压电电机定转子间磨损问题，出现了非接触式压电电机，而传统的非接触式压电电机虽然很好的解决了定转子间的磨损问题，但是其输出转矩较小而限制了非接触式压电电机的发展。

发明内容  本发明的目的在于提供一种输出转矩大，使用寿命长，能耗低，运行平稳的基于电磁夹持非接触式旋转压电电机。

本发明的具体技术方案如下：

本发明主要包括有底座、驱动机构、壳体、支撑轴、轴筒、柔性铰链、压电堆、预紧螺钉、电磁铁、端盖以及转子，其中驱动机构仍包括驱动盘以及与驱动盘连为一体的两组柔性铰链，所述驱动机构的驱动盘固定在底座上，壳体固定在驱动盘上；所述底座上具有一根端部伸入壳体内部的支撑轴，该支撑轴安装在轴承Ⅰ上，轴承Ⅰ通过轴承端盖Ⅰ固定，所述支撑轴通过其上的弹性挡圈Ⅰ轴向限位；所述支撑轴上具有轴筒，该轴筒与上述驱动机构的两柔性铰链相接，两柔性铰链以所述支撑轴轴线对称设置；所述每组柔性铰链上均连接一个压电堆，这两个压电堆仍以支撑轴轴线中心对称设置，所述每个压电堆通过安装在驱动盘上的预紧螺钉调整其与柔性铰链预紧力；所述壳体内具有与支撑 轴连接在一起的电磁铁，该电磁铁上方具有与其存在一定间隙的转子，转子安装在轴承Ⅱ上，轴承Ⅱ设在与壳体固定在一起的端盖上，轴承Ⅱ通过轴承端盖Ⅱ固定，所述转子通过其上的弹性挡圈Ⅱ轴向限位。

所述电磁铁的下端面与支撑轴轴肩的上端面之间设有套在支撑轴上的垫圈，以调节电磁铁与转子之间的间隙。

本发明的驱动机构是由两个压电堆作用两组柔性铰链同时序进行位移变化组成，两压电堆的作用是一致的，使支撑轴连同电磁铁发生较大角度的转动，端盖和壳体的作用是使转子能够悬空起来，转子装配之后悬于电磁铁上方，转子与电磁铁之间始终存在间隙，是一种非接触状态，电磁铁通过支撑轴与驱动机构连接，通电时电磁铁顶端输出较大电磁力，转子与电磁铁之间保持一定间隙，且可通过改变支撑轴与电磁铁间垫片的厚度来调节电磁铁与转子间的间隙，进而改变电磁铁和转子间的电磁力。工作时，两个压电堆同步发生伸长或缩短变形，对支撑轴的作用是同向的，同时施加两个压电堆不仅使支撑轴具有较大的转矩，而且在一个周期信号内使支撑轴和电磁铁转过一个较大的角度；两组柔性铰链一方面将压电堆的轴向变形转化为支撑轴和电磁铁的周向转角位移，另一方面能够起到放大位移的作用；通过调节压电堆上的预紧螺钉来找到使支撑轴转角最大的最佳预紧力。

本发明与现有技术相比，将电磁力引入到非接触式旋转压电电机中，使电机具有较大的输出转矩；驱动机构采用两组对称的柔性铰链将两个压电堆产生的位移变形叠加到支撑轴的转角位移上，使电机在单个周期信号内能够转动较大角度；电磁铁与转子之间的非接触间隙量可通过改变电磁铁与支撑轴间调整垫片的厚度来改变，使得电磁铁与转子间的电磁力可调，进而可改变非接触旋转压电电机的最大输出转矩；由于电磁铁与转子之间处于非接触状态，故转子 与支撑轴和电磁铁不需较高的同轴度，允许存在较小的安装误差，从而使得电机的装配较为方便，且易实现转动。另外，本发明在实际应用中，使用寿命长，能耗低，运行平稳。

附图说明  图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的轴测图。

图3为图1的A-A视图。

图4为本发明驱动机构原理图(通电状态)。

图5为本发明工作原理图(前半个周期)。

图6为本发明工作原理图(后半个周期)。

图7为本发明工作原理向量图。

具体实施方式  下面就结合附图对本发明作详细说明

如图1—3所示，底座15的顶部设驱动机构1，所述驱动机构的驱动盘1-1安装在底座上，驱动盘的顶部安装壳体4，壳体底部具有外翻的环形座，固定螺钉14将环形座、驱动盘以及底座固定在一起；所述底座的中心孔内设有轴承Ⅰ18，该轴承Ⅰ通过与底座螺钉连接的轴承端盖Ⅰ19固定；轴承Ⅰ18内设有支撑轴17，所述支撑轴下端部的轴槽内设弹性挡圈Ⅰ16以限定支撑轴的轴向运动，支撑轴的上端部伸入上述壳体的内部型腔中；所述支撑轴上套接与其过盈配合的轴筒20，轴筒的上端顶在支撑轴的轴肩上，下端顶在轴承Ⅰ18内圈上；所述驱动机构的驱动盘内周面上设有两组与其连为一体的水平柔性铰链21-1、21-2，这两组仍与轴筒连为一体柔性铰链以支撑轴轴线对称设置，每一柔性铰链的一端与驱动盘内周面相接，另一端所述轴筒的外周面相接；由所述驱动盘的内周 面向外开设两个中心线均与支撑轴轴线相垂直的槽孔22-1、22-2，这两个槽孔内分别镶嵌有压电堆3，这两个压电堆以支撑轴轴线中心对称设置，其中一个压电堆垂直于柔性铰链21-1并且端部顶在该柔性铰链上，另一个压电堆垂直于柔性铰链21-2并且端部顶在该柔性铰链上；所述每一压电堆上均通过螺纹连接一支伸出底座的预紧螺钉2，以调节压电堆与柔性铰链之间的预紧力；上述壳体的内部型腔中具有电磁铁12，该电磁铁与通过螺纹与上述支撑轴的上端部连接在一起；所述电磁铁的下端靠近上述支撑轴的轴肩，并且电磁铁的下端面与支撑轴轴肩的上端面之间设有套在支撑轴上的调整垫圈13；上述壳体的顶部通过固定螺钉11连接端盖5，该端盖的中心孔内设轴承Ⅱ6，该轴承Ⅱ6通过轴承端盖Ⅱ9固定，轴承端盖Ⅱ9通过螺栓8与底座连接在一起；所述轴承Ⅱ6内设转子10，该转子10的轴部与轴承过盈相连，转子10的芯部伸入上述壳体内并罩在电磁铁的上端部位置，所述电磁铁上端部的外壁与转子芯部的内壁之间存在间隙，该间隙的大小能够通过上述调整垫片13调整；上述转子轴部上的轴槽内设弹性挡圈Ⅱ7，以限定转子的轴向运动。

工作过程：初始状态时，如图3，两个压电堆3处于原长状态，支撑轴17、电磁铁12和转子10的转角为0°，且电磁铁17和转子10之间不存在电磁力作用；

通电状态时，如图4—7所示，给两压电堆3提供带正偏置的幅值为U1的正弦信号，给电磁铁12提供幅值为U2的方波信号，在0～T/2前半个时间周期内，两压电堆3随时间增加而沿轴向发生伸长变形，压电堆3的变形量迫使驱动机构1的两组柔性铰链(21-1，21-2)发生变形，带动支撑杆17和电磁铁12 逆时针转过θ角，与此同时，由于电磁铁12在方波电信号的作用下产生了电磁力，巨大的电磁力紧紧吸住转子10，转子10在此半个周期内与电磁铁12形同一体，当时间t＝T/2时，转子10随电磁铁12逆时针转过一个周期内的最大角度θ。

在T/2～T后半个时间周期内，压电堆3的信号幅值随时间开始减小，而电磁铁12的信号幅值为0，此时压电堆3开始向缩短方向变形，两组柔性铰链(21-1，21-2)的变形量逐渐回弹变小，支撑杆17和电磁铁12随时间向反方向转动，由于电磁铁12的信号幅值为0使得电磁力消失，转子10不随电磁铁12发生转动。当时间t＝T/2时刻，压电堆3恢复到原长，支撑杆17和电磁铁12回到角度为0°，而转子10的转角始终保持为θ。

上述在一个时间周期T内，支撑轴17和电磁铁10的最终转角为0°，转子10最终转过θ角，重复上述过程，给压电堆3和电磁铁12分别施加正弦和方波的连续信号，转子便可获得连续转动。

Claims (2)

1.一种基于电磁夹持非接触式旋转压电电机，其特征是：包括有底座、驱动机构、壳体、支撑轴、轴筒、柔性铰链、压电堆、预紧螺钉、电磁铁、端盖以及转子，其中驱动机构仍包括驱动盘以及与驱动盘连为一体的两组柔性铰链，所述驱动机构的驱动盘固定在底座上，壳体固定在驱动盘上；所述底座上具有一根端部伸入壳体内部的支撑轴，该支撑轴安装在轴承Ⅰ上，轴承Ⅰ通过轴承端盖Ⅰ固定，所述支撑轴通过其上的弹性挡圈Ⅰ轴向限位；所述支撑轴上具有轴筒，该轴筒与上述驱动机构的两柔性铰链相接，两柔性铰链以所述支撑轴轴线对称设置；所述每组柔性铰链上均连接一个压电堆，这两个压电堆仍以支撑轴轴线中心对称设置，所述每个压电堆通过安装在驱动盘上的预紧螺钉调整其与柔性铰链预紧力；所述壳体内具有与支撑轴连接在一起的电磁铁，该电磁铁上方具有与其存在一定间隙的转子，转子安装在轴承Ⅱ上，轴承Ⅱ设在与壳体固定在一起的端盖上，轴承Ⅱ通过轴承端盖Ⅱ固定，所述转子通过其上的弹性挡圈Ⅱ轴向限位。

2.根据权利要求1所述的基于电磁夹持非接触式旋转压电电机，其特征是：所述电磁铁的下端面与支撑轴轴肩的上端面之间设有套在支撑轴上的调整垫圈，以调节电磁铁与转子之间的间隙。