CN105337530B - 一种压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电马达，包括定子、转子以及与所述转子连接的直流电机，所述定子包括具有压电堆以及位移放大装置的压电换能器；所述压电堆具体为两个相互垂直设置的竖直压电堆和水平压电堆，所述竖直压电堆与所述水平压电堆的振动处于相同频率且相位相差90度。所述压电换能器通过柔性铰链连接轴承架，所述轴承架内侧壁设置有用以与所述转子连接的轴承。上述压电马达，由两个相互垂直的压电换能器在相同频率且相位相差90度的交变电压驱动下，通过振动驱动逐渐替代直流电机的拖动使得转子转动；同时直流电机可作为发电机对外输出能量。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动技术领域，特别涉及一种压电马达。
背景技术
随着我国压电驱动技术的不断发展，市场对于各种类型的压电马达的需求日益增大。
我们知道，传统压电马达大多是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体(或称定子)产生微幅高频振动，通过振子与动子之间的摩擦耦合实现动子的旋转(或者直线)运动。
由于该类马达在工作过程中存在定子和动子之间相对滑动摩擦现象，造成压电马达易磨损，使用寿命短，输出功率低和效率低等实际问题。
为了解决摩擦磨损问题进而提高压电马达的使用寿命，通常的做法是研制和使用新型摩擦材料，以日本Shinsei公司超声电机产品为例，近10年多来最大的改进就是摩擦材料，包括摩擦材料的成分和黏固方式，从而使得超声电机的寿命和效率都有所提高，但这种办法没有从根本上消除滑动摩擦和磨损，因此也无法满足日益增长的产品使用需求。
为了提高输出功率，典型的办法是增大压电陶瓷尺寸，且使用压电陶瓷较高机电耦合效率的d33模式代替较低机电耦合效率的d11模式。如哈尔滨工业大学的刘英想利用夹心式换能器设计的一系列超声电机(《纵弯模态压电金属复合梁式超声电机》哈尔滨工业大学出版社)，大大提高了压电马达的输出功率。但这种办法还是没有脱离摩擦耦合驱动的原理，因此马达的输出效率也不会从根本上得以提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电马达，该压电马达可以解决摩擦磨损的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种压电马达，包括定子、转子以及与所述转子连接的直流电机，所述定子包括具有压电堆以及位移放大装置的压电换能器；所述压电堆具体为两个相互垂直设置的竖直压电堆和水平压电堆，所述竖直压电堆与所述水平压电堆的振动处于相同频率且相位相差90度。
相对于上述背景技术，本发明提供的压电马达，包括定子、转子以及直流电机，直流电机与转子连接，用于启动转子转动到一定转速,之后可作为发电机将转子转动能量输出到外围电路；定子包括压电换能器，并且压电换能器包括压电堆和位移放大装置；本文将压电堆设置为两组相互垂直的竖直压电堆和水平压电堆，并且竖直压电堆和水平压电堆的振动频率相同并且相位相差90度。也就是说，本文的压电马达由两个相互垂直的压电换能器在相同频率且相位相差90度的交变电压驱动下，通过振动驱动逐渐替代直流电机的拖动使得转子转动；同时直流电机可作为发电机对外输出能量。
优选地，所述压电换能器通过柔性铰链连接轴承架，所述轴承架内侧壁设置有用以与所述转子连接的轴承。
相对于上述背景技术，本发明通过轴承实现动子与定子之间的连接，从根本上解决传统压电马达摩擦耦合带来的磨损大和效率低等问题，同时能将压电换能器的振动直接转化为转子的转动，大大提高了压电马达的速度。
优选地，所述转子包括偏心轮，所述偏心轮的不平衡量通过设置偏心孔获得，用以与所述位于放大装置相匹配。
优选地，所述偏心轮两端设置有光轴；所述光轴通过所述轴承与所述轴承架连接，光轴一端通过弹簧连接于所述直流电机的输出轴上。
优选地，还包括具有水平面以及竖直面的底座；所述水平面上设置有所述水平压电堆、所述转子以及所述直流电机，所述竖直面设置有所述竖直压电堆。
优选地，所述水平面设置有用以固定支架的通孔，所述支架通过电机座螺栓固定所述直流电机。
优选地，所述竖直压电堆包括第一垂直压电堆和第二垂直压电堆；所述水平压电堆包括第一水平压电堆和第二水平压电堆。
优选地，所述水平面设置有多组长槽用以调节所述第一水平压电堆与所述第二水平压电堆之间的距离；所述竖直面设置有多组竖直长槽用以调节所述第一垂直压电堆与所述第二垂直压电堆之间的距离。
优选地，所述第一水平压电堆和所述第二水平压电堆设置在所述转子的两端。
优选地，所述水平面与所述竖直面之间设置有用以加强所述底座强度的加强筋。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的压电马达的结构示意图；
图2为图1中的定子结构示意图。
其中：
1-底座、101-通孔、102-加强筋、103-长槽、2-位移放大装置、31-第一垂直压电堆、32-第二垂直压电堆、33-第一水平压电堆、34-第二水平压电堆、4-轴承、5-轴承架、501-柔性铰链、6-转子、601-偏心轮、602-偏心孔、603-光轴、7-弹簧、8-直流电机、9-支架、10-电机座螺栓、11-底座螺栓、12-定子螺栓。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种压电马达，该压电马达可以减小摩擦磨损，增大旋转速度，提高工作效率。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2，图1为本发明实施例所提供的压电马达的结构示意图；图2为图1中的定子结构示意图。
本发明提供的压电马达，包括定子、转子6以及直流电机8，转子6与直流电机8连接实现两者的同步转动；并且定子通常为压电换能器，压电换能器包括压电堆和位移放大装置2；本文将压电堆设置为竖直压电堆和水平压电堆，竖直压电堆和水平压电堆相互垂直设置，并且竖直压电堆和水平压电堆的振动处于相同频率且相位相差90度。
采用上述设置方式，直流电机8在拖动转子6转动到一定的速度之后，相互垂直的压电换能器在相同频率且相位相差90度的交变电压驱动下，通过定子振动驱动逐渐替代直流电机8的驱动作用，转子6的旋转速度可通过改变电压信号来进行调节。同时直流电机8可作为发电机对外输出能量。此外，还可以增加压电换能器的数量以实现增加功率输出和效率。上述设置方式极大提高了压电马达的输出性能，如转速，输出功率等，同时也为压电马达的应用提供了新的领域如压电飞轮储能，压电离心过滤等。
此外，为了进一步优化上述实施方式，本文的压电换能器与轴承架5之间通过柔性铰链501连接；轴承架5的内侧壁设置有轴承4，轴承4的内圈连接转子6。
也就是说，由于转子6通过轴承4与轴承架5连接，而轴承架5作为定子的一部分，固定于底座；此外，轴承架5按照圆周进行振动；即，通过使用轴承4来实现转子6与定子之间的连接，能够从根本上解决传统压电马达摩擦耦合带来的磨损和寿命问题，同时能将压电换能器的振动直接转化为转子的转动，大大提高了压电马达的输出性能，如转速，输出功率和效率等。
除此之外，转子6可由两个或多个定子通过轴承4连接，定子在工作中起到激励和支撑的作用，增加定子数量可以增加压电马达的输出。并且轴承4为摩擦系数很小的滚动轴承，如陶瓷轴承。
通过实验可以得出，压电马达的转动速度与压电堆的驱动电压成正相关，当压电堆的激励电压为640V时，马达的旋转速度可达9120转每分钟。此外，压电马达输出功率可达到8.45W，平均效率为25.3％；本发明技术方案可轻松使得压电马达旋转速度达到每分钟万转量级，大大提高了压电马达的输出性能，如转速，输出功率和效率等，同时也为压电马达的应用提供了新的领域如压电飞轮储能，压电离心过滤等。此外，增加压电换能器的数量可增加输出能力。
为进一步优化上述实施方式，本文的转子6包括偏心轮601，偏心轮601的不平衡量与位移放大装置2相互匹配，偏心轮601的不平衡量通过钻偏心孔602来实现。
也就是说，为了实现压电马达具有良好的工作特征，在偏心轮601上开设偏心孔602；即，开设有偏心孔602的偏心轮601，其不平衡量与位移放大装置2相互匹配，从而实现压电马达在运行过程中的动平衡。
通过说明书附图1可以看出，偏心轮601的两端设置有光轴603；即，光轴603穿过偏心轮601并与轴承架5连接，并且两者之间通过轴承4连接；光轴603的一端与直流电机8的输出轴连接，并且两者采用弹簧7连接。
显而易见地，转子6的光轴603通过轴承4与轴承架5实现连接。转子6一端的光轴603与直流电机8通过弹簧7连接，可以传递一定的扭力的同时还具有一定的弹性，可起到减振作用。直流电机8在拖动转子转动到一定的速度之后，相互垂直的压电换能器在相同频率且相位相差90度的交变电压驱动下，通过轴承架5振动作用逐渐替代直流电机8驱动转子6转动，转子6的旋转速度可根据驱动电压来进行调节，同时直流电机8可作为发电机对外输出能量。
为了实现定子、转子6以及直流电机8的固定，本文设置底座1，底座1包括水平面和竖直面，并且水平面和竖直面垂直设置。
在底座1的水平面上放置水平压电堆、转子6和直流电机8，在底座1的竖直面上放置竖直压电堆。
这样一来，利用底座1的水平面和竖直面能够固定压电马达的相关部件，从而实现压电马达的运行平稳、可靠。本文优选采用定子螺栓12将压电换能器固定在底座1的水平面和竖直面上；当然，根据实际需要，还可以采用其他部件固定压电马达，并不限于本文所述的方式，此处将不再赘述。
更进一步地，底座1的水平面上设置有通孔101，通孔101用来固定支架9，并且支架9用来固定直流电机8，直流电机8与支架9之间通过电机座螺栓10固定。
也就是说，支架9上设置有若干螺纹孔，通过与该螺纹孔上连接的电机座螺栓10可以实现直流电机8在支架9内部位置的微调和固定，支架9通过底座螺栓11与底座1的水平面连接实现固定。
本文优选设置有两个垂直压电堆和两个水平压电堆；具体来说，通过说明书附图1可以看出，本文的竖直压电堆包括第一垂直压电堆31和第二垂直压电堆32；水平压电堆包括第一水平压电堆33和第二水平压电堆34。
即，第一垂直压电堆31与第二垂直压电堆32，成为第一组；第一水平压电堆33与第二水平压电堆34，成为第二组。也就是说，压电堆可根据所属压电换能器位置分为两组，第一组压电堆与第二组压电堆激励电压及频率相同，相位相差90度；当第一组压电堆激励电压相位超前第二组压电堆90°时，转子6从说明书附图1中的左向右看(下同)为逆时针旋转；当第二组压电堆激励电压相位超前第一组压电堆90°时，转子为顺时针旋转，该激励交变电压的波形为正弦波。
此外，本文在底座1的水平面上设置有长槽103，在底座1的竖直面上设置有竖直槽；即，针对每一个长槽103来说，长槽103能够用于调节每个位移放大装置2的位置，从而实现两个轴承的对心；而在水平面上设置的多个长槽103用来调节两个定子之间的距离，以实现两个轴承之间的距离调整。换句话说，每一个长槽103是用来对压电换能器在螺栓连接时进行微调以实现两个轴承的对心，多个长槽103是用来调节两个定子之间的距离，以实现两个轴承之间的距离调整。
此外，第一水平压电堆33和第二水平压电堆34设置在转子6的两端。
也就是说，针对两组压电堆的情况，本文将第一水平压电堆33和第二水平压电堆34设置在转子6的两端；与之对应地，第一垂直压电堆31与第二垂直压电堆32也应设置在转子6的两端，并且第一水平压电堆33与第一垂直压电堆31应在同一平面内相互垂直；第二水平压电堆34与第二垂直压电堆32在另一平面内相互垂直；这样一来，能够确保压电马达的运行可靠。
为了使底座1具有较高的强度，本文在水平面与竖直面之间设置有用加强筋102。也就是说，本文可以通过加强筋102防止在压电马达运行过程中，其横向振动所带来的对底座1的破坏。
以上对本发明所提供的压电马达进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种压电马达，包括两个定子、转子(6)以及与所述转子(6)连接的直流电机(8)，所述定子包括具有压电堆以及位移放大装置(2)的压电换能器；其特征在于，
所述压电堆具体为两个相互垂直设置的竖直压电堆和水平压电堆，所述竖直压电堆与所述水平压电堆的振动处于相同频率且相位相差90度；所述直流电机(8)拖动所述转子(6)转动到预设速度之后，相互垂直的压电换能器在相同频率且相位相差90度的正弦波交变电压驱动下，通过定子振动驱动逐渐替代所述直流电机(8)的驱动作用，所述转子(6)的旋转速度可通过改变电压信号来进行调节；
还包括具有水平面以及竖直面的底座(1)；所述水平面上设置有所述水平压电堆、所述转子(6)以及所述直流电机(8)，所述竖直面设置有所述竖直压电堆；
其中，两个所述定子的竖直压电堆分别为第一垂直压电堆(31)和第二垂直压电堆(32)；两个所述定子的水平压电堆分别为第一水平压电堆(33)和第二水平压电堆(34)；
所述水平面设置有多组长槽(103)，用以调节所述第一水平压电堆(33)与所述第二水平压电堆(34)之间的距离；所述竖直面设置有多组竖直槽，用以调节所述第一垂直压电堆(31)与所述第二垂直压电堆(32)之间的距离；
所述压电马达能将压电换能器的振动直接转化为转子的转动，大大提高了压电马达的转速、输出功率和效率。
2.根据权利要求1所述的压电马达，其特征在于，所述压电换能器通过柔性铰链(501)连接轴承架(5)，所述轴承架(5)内侧壁设置有用以与所述转子(6)连接的轴承(4)。
3.根据权利要求2所述的压电马达，其特征在于，所述转子(6)包括偏心轮(601)，所述偏心轮(601)的不平衡量通过设置偏心孔(602)获得，用以与所述位移放大装置相匹配。
4.根据权利要求3所述的压电马达，其特征在于，所述偏心轮(601)两端设置有光轴(603)；所述光轴(603)通过所述轴承(4)与所述轴承架(5)连接，所述光轴(603)一端通过弹簧(7)连接于所述直流电机(8)的输出轴上。
5.根据权利要求4所述的压电马达，其特征在于，所述水平面设置有用以固定支架(9)的通孔(101)，所述支架(9)通过电机座螺栓(10)固定所述直流电机(8)。
6.根据权利要求5所述的压电马达，其特征在于，所述第一水平压电堆(33)和所述第二水平压电堆(34)设置在所述转子(6)的两端。
7.根据权利要求6所述的压电马达，其特征在于，所述水平面与所述竖直面之间设置有用以加强所述底座(1)强度的加强筋(102)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |