CN104953893A - 压电驱动步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动步进电机，包括输出轴，由转子、压电驱动器、定子和离合器组成的旋转驱动装置，位置保持机构，壳体和端盖。电机采用多个由转子、关于转子中心对称均匀分布的多个压电驱动器、定子和离合器组成的旋转驱动装置，利用多个旋转驱动装置的压电驱动器和离合器配合依次循环动作驱动输出轴旋转步进，同时利用位置保持机构在电机断电或无驱动信号输入时保持电机的位置。相比于传统的压电驱动电机，本发明具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、效率高、运行平稳和具有位置保持功能的优点，可广泛应用于精密机械驱动。

Description

压电驱动步进电机

技术领域

本发明涉及一种精密机械驱动领域的步进电机，具体的说是一种压电驱动步进电机。

背景技术

压电材料是一种在材料某个方向施加压力，在材料表面会产生电荷，同时在材料表面施加电压时，材料形状会发生改变的特殊功能材料。在压电材料表面施加压力产生电荷的现象为正压电效应，在材料表面施加电压，材料发生形变的现象为逆压电效应。利用逆压电效应制作的压电驱动步进电机在航空航天、微生物、光学、机器人、生物医学、微机械电子系统等领域得到了广泛的应用。现有的压电驱动电机一般采用压电双晶片驱动惯性块以惯性冲击的方式驱动转子的技术方案，或利用压电材料驱动器产生的横波或纵波通过摩擦驱动转子转动的技术方案。

现有技术存在如下不足：利用惯性冲击方式驱动转子的技术方案，压电驱动电机的结构不紧凑，功率重量比较低，且由于高频率下质量块惯性力大容易造成压电陶瓷的过载断裂，因此其驱动频率一般不高；采用压电驱动器产生的纵波和横波通过摩擦驱动转子转动的技术方案的力矩传递是通过摩擦力实现的，因此其效率比较低，且输出扭矩大小受制于材料接触表面。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种压电驱动步进电机，该步进电机具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、效率高、运行平稳、响应速率快和能够实现位置保持功能的优点。

为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种压电驱动步进电机，包括输出轴，由转子、压电驱动器、定子和离合器组成的旋转驱动装置，位置保持机构，壳体和端盖；旋转装置中转子和定子同轴，旋转驱动装置的转子和离合器外圈为同轴固定连接，压电驱动器可输出长度方向的伸缩运动，压电驱动器在长度方向上一端连接转子、另一端连接定子，压电驱动器和转子连接点所对应的转子半径与压电驱动器的长边所成的角度为钝角，压电驱动器和定子连接点所对应的定子半径与压电驱动器的长边之间的角度为锐角，多个压电驱动器关于转子中心对称均匀分布；旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和旋转驱动装置为间隙配合；位置保持机构内圈和输出轴同轴固定，外圈和壳体固定，只能实现一个方向的转动；输出轴通过位置保持机构和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接

进一步地，所述压电驱动器为层叠结构，形状可以为长条形，也可以为圆柱形。

进一步地，所述转子为中心对称的圆盘状，也可以为经减重处理后的蜂窝状或轮辐状。

    进一步地，多个旋转驱动装置以输出力矩方向相同的安装方式安装，步进电机可以实现一个方向的连续步进转动。

进一步地，所述位置保持机构为单向轴承或棘轮机构。

进一步地，所述输出轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。

进一步地，所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定。

本发明压电驱动步进电机的工作原理为：首先在第一个旋转驱动装置中关于转子中心对称均匀分布的多个压电驱动器上施加驱动电压并且离合器抱紧输出轴时，由于逆压电效应压电驱动器产生长度方向的伸长（或缩短）变形，从而拉动转子带动输出轴进行旋转，当第一个旋转驱动装置中压电驱动器的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置驱动电压并且松开离合器的同时在第二个旋转驱动装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个压电驱动器中施加驱动电压并且使离合器抱紧输出轴，使第二个旋转驱动装置以相同方向的转矩继续驱动输出轴转动，第一个旋转驱动装置则在压电驱动器的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的多个旋转驱动装置进行方向相同的步进驱动，最后一个旋转驱动装置完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置循环，每次的旋转步进装置角度输出在位置保持机构的作用下累积，以此来实现步进电机在一个方向任意角度的旋转。

本发明压电驱动步进电机相比传统的压电驱动电机来讲其优势在于：采用了多个由转子、关于转子中心对称均匀分布的多个层叠结构压电驱动器和定子组成的旋转驱动装置，利用了多个离合器和压电驱动器结合实现单一旋转驱动器依次驱动旋转步进的方法，多个层叠结构压电驱动器同时作用使得驱动器的结构紧凑，功重比大，大大提高了电机的输出转矩；利用压电驱动器直接偏置拉动转子产生扭矩的方法效率更高；压电驱动器的对称分布结构抵消了输出轴受到的径向力，使得驱动器的运行更平稳，减小磨损和运行噪音；通过位置保持装置和依次循环控制多个旋转驱动装置中压电驱动器和离合器的动作可以实现电机一个方向任意角度的旋转。

附图说明

图1为本发明压电驱动步进电机的剖面结构示意图。

图2 为本发明旋转驱动装置的结构示意图。

图3 为本发明压电驱动器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图1、附图2、附图3和一个具体实施例对本发明压电驱动步进电机进行进一步的说明。以下所述实施例仅是为了更好的说明本发明的发明内容，本发明包含但不限于本实施例中所描述内容。

图1和图2所示分别为本发明压电驱动步进电机的剖面结构图和旋转驱动器结构示意图，压电驱动步进电机由输出轴1，由转子203、压电驱动器202、定子201和离合器204组成的旋转驱动装置2a-2h，位置保持机构3a、3b，壳体4和端盖5组成。旋转装置2a-2h中转子203和定子201同轴，转子203和离合器204外圈为同轴固定连接，压电驱动器202可输出长度方向的伸缩运动，压电驱动器202在长度方向上一端连接转子203、另一端连接定子201，压电驱动器202和转子203连接点所对应的转子半径与压电驱动器202的长边之间所成的角度为钝角，压电驱动器202和定子201连接点所对应的定子半径与压电驱动器202的长边之间的角度为锐角。多个压电驱动器202关于转子203的中心对称均匀分布，这样的分布方式可以在增大其输出转矩的同时保证输出轴1径向受力平衡。旋转驱动装置2a-2h的定子201和壳体4之间为固定连接，旋转驱动装置2a-2h的转子203和输出轴1为同轴关系，离合器204在抱紧状态下旋转驱动装置2a-2h和输出轴1之间为过盈配合，离合器204在松开状态下输出轴1和旋转驱动装置2a-2h为间隙配合。位置保持机构3a、3b内圈和输出轴1同轴固定，外圈和壳体4固定，只能实现一个方向的转动。输出轴1通过位置保持机构3a、3b和壳体4之间形成转动副连接，端盖5和壳体4之间为可拆卸固定连接。

如图3所示，本实施例中压电驱动器202为层叠长条状结构，多个相同的长条状压电片叠加起来以增大其输出位移，压电片的极化方向为厚度方向（Z方向），每个压电片的上下表面都镀有很薄的金属电极，压电片利用压电材料的压电应变系数d31工作，当在上下电极上施加电压时，压电片产生长度方向（X方向）的伸缩。压电驱动器202和定子201及转子203之间通过胶粘的方式连接固定。转子203为减重处理后的蜂窝圆盘状，以减小步进电机输出力矩时转子203本身的转动惯量，增大电机的负载能力。旋转驱动装置2a-2h以输出力矩方向相同的安装方式安装，步进电机可以实现一个方向的连续步进转动。位置保持机构3a和3b为一组转动方向相同的单向轴承。输出轴1在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。壳体4为上端开口的空心圆柱体形状，端盖5和壳体4上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置封装起来，增强其防护可靠性。

当在第一个旋转驱动装置2a中关于转子203中心对称均匀分布的多个压电驱动器202上施加驱动电压并且离合器204抱紧输出轴1时，由于逆压电效应压电驱动器202产生长度方向的伸长（或缩短）变形，从而拉动转子203带动输出轴1进行旋转，当第一个旋转驱动装置2a中压电驱动器202的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置2a驱动电压并且松开离合器204的同时在第二个旋转驱动装置2b中关于蜂窝状圆盘转子203中心对称均匀分布的多个压电驱动器202中施加驱动电压并且使离合器204抱紧输出轴1，使第二个旋转驱动装置2b以相同方向的转矩继续驱动输出轴1转动，第一个旋转驱动装置2a则在压电驱动器202的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置2b完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的多个旋转驱动装置2c-2h进行方向相同的步进驱动，最后一个旋转驱动装置2h完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置2a循环，每次的旋转步进装置角度输出在位置保持机构单向轴承3a和3b的作用下累积，以此实现步进电机在一个方向任意角度的旋转。

Claims (7)

1.一种压电驱动步进电机，其特征在于：一种压电驱动步进电机，包括输出轴，由转子、压电驱动器、定子和离合器组成的旋转驱动装置，位置保持机构，壳体和端盖；旋转装置中转子和定子同轴，旋转驱动装置的转子和离合器外圈为同轴固定连接，压电驱动器可输出长度方向的伸缩运动，压电驱动器在长度方向上一端连接转子、另一端连接定子，压电驱动器和转子连接点所对应的转子半径与压电驱动器的长边所成的角度为钝角，压电驱动器和定子连接点所对应的定子半径与压电驱动器的长边之间的角度为锐角，多个压电驱动器关于转子中心对称均匀分布；旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和旋转驱动装置为间隙配合；位置保持机构内圈和输出轴同轴固定，外圈和壳体固定，只能实现一个方向的转动；输出轴通过位置保持机构和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接。

2.基于权利要求1所述的一种压电驱动步进电机，其特征在于：所述压电驱动器为层叠结构，形状可以为长条形，也可以为圆柱形。

3.基于权利要求1所述的一种压电驱动步进电机，其特征在于：转子为中心对称的圆盘状，也可以为经减重处理后的蜂窝状或轮辐状。

4.基于权利要求1所述的一种压电驱动步进电机，其特征在于：多个旋转驱动装置以输出力矩方向相同的安装方式安装，步进电机可以实现一个方向的连续步进转动。

5.基于权利要求1所述的一种压电驱动步进电机，其特征在于：所述位置保持机构为单向轴承或棘轮机构。

6.基于权利要求1所述的一种压电驱动步进电机，其特征在于：所述输出轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。

7.基于权利要求1所述的一种压电驱动步进电机，其特征在于：所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定。