CN108282106B - 偏心旋转的压电陶瓷电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了偏心旋转的压电陶瓷电机，包括：定子、套设在所述定子外周或设置于所述定子内部的转子，所述定子包括金属件和压电元件；所述金属件为金属管或金属环；所述金属件和转子的直径不同；所述压电元件连接于所述金属件上，用于驱动所述金属件产生一维往复运动或圆周摆头运动，使转子实现偏心转动。本发明的偏心旋转的压电陶瓷电机稳定运行时无滑动磨损，依靠静摩擦力传递能量，因此能够带来电机效率的极大提升；本发明的定子的周期扭摆与转子的周期旋转频率关系固定，因此易于实现精确转速控制；基于本发明的结构的高速电机可通过加大定、转子半径差异实现；基于本发明的结构的低速电机可通过减小定、转子半径差异实现。

Description

偏心旋转的压电陶瓷电机
技术领域
本发明涉及机电技术领域，特别涉及一种偏心旋转的压电陶瓷电机。
背景技术
压电电机利用压电材料的逆压电效应制成，从原理上主要被分为行波式和驻波式，通常由定子、转子以及施加预压力的机构等构成。其驱动机理为利用压电振子将输入的交变电压转化为机械振动，在定、转子接触面上合成质点的椭圆轨迹，从而利用定、转子之间的摩擦力来驱动转子。无论行波式还是驻波式，转子的运动事实上是定子微观振动的宏观作用效果，不可避免的在定、转子接触面存在滑动摩擦。这一部分能量损失占电机总体能量损耗的主要部分,是影响电机效率重要因素。受制于摩擦驱动原理，压电电机的效率和使用寿命大大低于传统的电磁电机，总的来说，低功耗直流电机的工作效率大于70％，永磁电机效率能达到91％,而压电电机却普遍低于30％。此外，摩擦损耗也易带来噪声、升温、驱动精度的下降和输出特性的不稳定。因此，压电电机的滑动磨损是其性能提升和实用化的瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种偏心旋转的压电陶瓷电机。
为了提高电机的效率、耐用性和可靠性，同时希望充分发挥压电材料的大功率密度优势，本发明采用的技术方案是：一种偏心旋转的压电陶瓷电机，包括：定子、套设在所述定子外周或设置于所述定子内部的转子，所述定子包括金属件和压电元件；
所述金属件为金属管或金属环；
所述金属件和转子的直径不同；
所述压电元件连接于所述金属件上，用于驱动所述金属件产生一维往复运动或圆周摆头运动，使转子实现偏心转动。
优选的是，所述压电元件采用压电陶瓷片或压电堆叠。
优选的是，所述定子和转子的接触面均设置成微齿状。
优选的是，所述压电元件采用压电陶瓷片，利用定子弯曲共振模态进行工作，所述压电陶瓷片粘结于所述金属件的内壁或者外壁；所述定子的固定位置为振动节点。
优选的是，所述压电元件采用压电陶瓷堆叠，利用定子静态变形进行工作，所述压电陶瓷堆叠固接于所述金属件的内壁或者外壁；所述定子的固定位置为压电陶瓷堆叠的一端。
优选的是，所述转子套设在定子中的金属件的外周。
优选的是，所述压电元件连接于所述金属件的内壁上，其为一个或者为相互之间成90°夹角或相互对称的两个或者为相互之间成90°夹角的四个。
优选的是，所述转子设置于所述定子中的金属件的内部。
优选的是，所述压电元件连接于所述金属件的外壁上，其为一个或者为相互之间成90°夹角或相互对称的两个或者为相互之间成90°夹角的四个。
优选的是，所述压电元件上还设置有用于对其输出位移进行放大的三角放大机构或柔性铰链。
本发明的有益效果是：1)本发明的偏心旋转的压电陶瓷电机稳定运行时无滑动磨损，依靠静摩擦力传递能量，因此能够带来电机效率的极大提升；2)本发明的定子的周期扭摆与转子的周期旋转频率关系固定，因此易于实现精确转速控制；3)基于本发明的结构的高速电机可通过加大定、转子半径差异实现；基于本发明的结构的低速电机可通过减小定、转子半径差异实现；且无论转子转速高低，定子始终工作在高频振动状态，有利于提升压电元件的功率密度和输出能力；4)本发明对定子轨迹要求并不严格，定子可工作在谐振状态(呈阻性)，有利于提升驱动电路的能量利用效率。本发明应用范围广，可用在行星搅拌、漩涡混匀、惯性储能、振动抑制等场合。
附图说明
图1为本发明的偏心旋转的压电陶瓷电机的一种实施例中的结构示意图。
图2为本发明的偏心旋转的压电陶瓷电机的另一种实施例中的结构示意图；
图3为本发明的偏心旋转的压电陶瓷电机的另一种实施例中的结构示意图；
图4为本发明的偏心旋转的压电陶瓷电机的另一种实施例中的结构示意图；
图5为本发明的一种实施例中的定子和转子的接触面设置为微齿状的结构示意图；
图6为本发明的一种实施例中定子和转子的固定示意图；
图7为本发明的另一种实施例中定子和转子的固定示意图；
图8为本发明的一种实施例中的三角放大机构的结构示意图；
图9为本发明的一种实施例中的偏心旋转的压电陶瓷电机的运动原理示意图。
附图标记说明：
1—定子；2—金属件；3—压电元件；4—转子；5—三角放大机构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本实施例的一种偏心旋转的压电陶瓷电机，包括：定子1、套设在定子1外周或设置于定子1内部的转子4，定子1包括金属件2和压电元件3；金属件2为金属管或金属环；金属件2和转子4的直径不同；压电元件3连接于金属件2上，用于驱动金属件2产生一维往复运动或圆周摆头运动，使转子4实现偏心转动。
金属件2和转子4的直径保持一定差值，两者始终保持部分接触。偏心旋转的压电陶瓷电机工作的初始时，转子4依靠重力或外加的磁力作用由金属件2支撑。
压电元件3采用压电陶瓷片或压电堆叠。
定子1和转子4的接触面均设置成微齿状，以提供更好的接触。
参照图5，在一种实施例中，转子4内部中空，定子1设置于转子4内部，定子1中的金属管或金属环的外壁成微齿状，转子4的内壁也成微齿状，从而为转子4的内部和金属管或金属环的外壁之间提供更好的接触。
压电元件3采用压电陶瓷片，压电陶瓷片粘结于金属件2的内壁或者外壁，利用定子1一阶弯曲共振模态进行工作，转子4放置于轴向振幅最大位置，定子1的固定位置为振动节点。
参照图6，在一种实施例中，转子4套设在定子1外周上，定子1两端自由，转子4放置于定子1的轴向中间位置。
参照图7，在另一种实施例中，转子4套设在定子1外周上，定子1一端固定，转子4放置于定子1的另一自由端
压电元件3采用压电陶瓷堆叠，利用定子1静态变形进行工作，压电陶瓷堆叠固接于金属件2的内壁或者外壁；定子1的固定位置为压电陶瓷堆叠的一端，即压电陶瓷堆叠一端与金属件2固接，另一端则固接在外部的固定位置上。
转子4套设在定子1中的金属件2的外周。压电元件3可以为一个且连接于金属管的内壁一侧，或者的压电元件3为二个，分别结合于金属管内壁上并相互对称，驱动金属管产生直线弯曲振动。压电元件3为二个，分别结合于金属管内壁上并相互之间成90°夹角；或者压电元件3为四个，分别结合于金属管外壁上并相互之间成90°夹角，驱动金属管产生圆周摆头振动。
转子4设置于定子1中的金属件2的内部。压电元件3连接于金属件2的外壁上，其为一个或者为相互之间成90°夹角或相互对称的两个或者为相互之间成90°夹角的四个。
压电元件3上还设置有用于对其输出位移进行放大的三角放大机构5或柔性铰链。
参照图8，在一种实施例中，压电元件3上三角放大机构5。
本发明的偏心旋转的压电陶瓷电机的工作原理为：
定子1对转子4实施周期性的作用力来保持其角动量恒定，结合一种具体实施例来进行描述，原理如图9所示，其描述的是一个周期内(位相θ1-θ8)转子4逆时针转动的情况。定子1运动轨迹中心O固定，定子1圆心O′绕O做逆时针方向的类圆周运动，定子1与转子4之间保持一定的间隙，转子4受到定子1的法向约束力N和静摩擦力F的作用，产生质心C绕定子1运动中心O的类圆周运动和转子4绕自身质心的旋转。定子1与转子4的运动需要满足最佳相位条件来保持最高能量传递效率。转子4启动需要外界提供一定的初始速度。
参照图1，在一种实施例中，转子4内部中空，定子1设置于转子4内部；压电元件3采用压电片结构，为压电陶瓷片，压电陶瓷片沿厚度方向极化，沿长度方向与金属管平行排列，连接于金属管内壁，与金属管粘结的一侧电极接公共地，另一侧电极接驱动电压信号。金属管外壁电极接地，内壁电极接驱动电压信号，可提高操作安全性。压电陶瓷片互成90度放置的四块。可通过压电元件3极化方向的改变减少需要的驱动电压信号数量。转子4搭接于金属管一阶弯曲谐振的振幅最大位置。
参照图2，在另一种实施例中，定子1套设于转子4外周，压电元件3采用压电片结构，为压电陶瓷片，压电片沿厚度方向极化，沿长度方向与金属管平行排列，连接于金属管外壁，与金属管粘结的一侧电极接公共地，另一侧电极接驱动电压信号。陶瓷片互成90度放置的四块。可通过压电元件3极化方向的改变减少需要的驱动电压信号数量。转子4搭接于金属管一阶弯曲谐振的振幅最大位置。
参照图3，在另一种实施例中，压电元件3采用压电堆叠结构，预压缩夹紧连接于金属环/金属管与固定端之间，包括互成90度放置的四个。转子4内部中空，其搭接于金属环外壁。压电堆叠一端与金属环/金属管连接，另一端与外部的固定端连接。
参照图4，在另一种实施例中，压电元件3采用压电堆叠结构，压缩夹紧连接于金属环/金属管与固定端之间，包括互成90度放置的四个。转子4搭接于金属环内壁。压电堆叠一端与金属环/金属管连接，另一端与外部的固定端连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：1、电机稳定运行时无滑动磨损，依靠静摩擦力传递能量，因此能够带来电机效率的极大提升；2、定子1的周期扭摆与转子4的周期旋转频率关系固定，因此易于实现精确转速控制；3、基于此结构的高速电机可通过加大定子1与转子4的半径差异实现；基于此结构的低速电机可通过减小定子1与转子4的半径差异实现；且无论转子4转速高低，定子1始终工作在高频振动状态，有利于提升压电元件3的功率密度和输出能力。4、对定子1轨迹要求并不严格，定子1可工作在谐振状态(呈阻性)，有利于提升驱动电路的能量利用效率。不同于传统电机，参数旋转共振型电机的转子4产生的是公转自转运动，可用在行星搅拌、漩涡混匀、惯性储能、振动抑制等场合。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，包括：定子、套设在所述定子外周或设置于所述定子内部的转子，所述定子包括金属件和压电元件；
所述金属件为金属管或金属环；
所述金属件和转子的直径不同；
所述压电元件连接于所述金属件上，用于驱动所述金属件产生一维往复运动或圆周摆头运动，使转子实现偏心转动。
2.根据权利要求1所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述压电元件采用压电陶瓷片或压电堆叠。
3.根据权利要求2所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述定子和转子的接触面均设置成微齿状。
4.根据权利要求3所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述压电元件采用压电陶瓷片，利用定子弯曲共振模态进行工作，所述压电陶瓷片粘结于所述金属件的内壁或者外壁；所述定子的固定位置为振动节点。
5.根据权利要求3所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述压电元件采用压电陶瓷堆叠，利用定子静态变形进行工作，所述压电陶瓷堆叠固接于所述金属件的内壁或者外壁；所述定子的固定位置为压电陶瓷堆叠的一端。
6.根据权利要求4或5所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述转子套设在定子中的金属件的外周。
7.根据权利要求6所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述压电元件连接于所述金属件的内壁上，其为一个或者为相互之间成90°夹角或相互对称的两个或者为相互之间成90°夹角的四个。
8.根据权利要求4或5所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述转子设置于所述定子中的金属件的内部。
9.根据权利要求8所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述压电元件连接于所述金属件的外壁上，其为一个或者为相互之间成90°夹角或相互对称的两个或者为相互之间成90°夹角的四个。
10.根据权利要求4或5所述的偏心旋转的压电陶瓷电机，其特征在于，所述压电元件上还设置有用于对其输出位移进行放大的三角放大机构或柔性铰链。
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