CN108365773A - 一种旋转压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转压电马达，属于精密驱动与定位技术领域，包括双定子、动子、预紧机构、轴承座、定子座和底座。双定子由金属十字梁、压电陶瓷构成主体部分，内定子产生旋转振动，外定子产生轴向振动，双定子粘接到一起。双定子的振动叠加产生内定子环面质点的椭圆运动，通过摩擦驱动动子轴进行单向的旋转运动。旋转压电马达工作频率较低，在1000Hz左右，对于匹配电路的要求较低；定位精度高，步进角可达0.01度。本发明结构简单，装配方便，且由于是整个环面接触，负载能力大。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体的说，它涉及一种旋转压电马达。
背景技术
近年来，压电马达由于其体积小，功率密度大，响应快，无电磁干扰等优点广泛应用于精密驱动与定位、生物技术、医疗设备、航天科技等领域。压电马达根据原理可分为超声电机和准静态马达，其中超声电机包括行波马达和驻波马达，行波马达利用多个振子在定子表面形成行波，使其表面质点形成椭圆运动，从而带动动子运动；驻波马达利用模态兼并或者直接利用单一模态使驱动足上的质点形成椭圆运动或斜线运动从而驱动动子运动。准静态马达包括惯性冲击式马达和尺蠖马达，惯性冲击式马达采用锯齿波驱动使往返行程的定子加速度不同，从而导致动子的“粘滑运动”，从宏观上看动子作单向运动。尺蠖马达利用仿生学原理，根据尺蠖的爬行方式，采用三对致动器相互配合的方式完成单向步距。
由于超声电机工作在超声频段内，需要配备专用的高频电源，而大多数情况下高频电源比超声电机本体的体积大的多，且成本更高，这使得超声电机的工作范围受到了限制。准静态马达由于其超高的位移精度被广泛应用于精密驱动与定位领域，但其工作在非谐振状态下，工作效率较低，运行速度慢。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种旋转压电马达。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种旋转压电马达，包括双定子、动子、预紧机构、轴承座、定子座和底座；双定子由内定子和外定子粘接而成，内定子和外定子均设有压电片；双定子的外柱面与定子座间隙配合，双定子粘接于定子座上；动子通过动子轴和轴承安装在轴承座上，动子轴向上一侧的环面与内定子轴向上一侧的环面接触；预紧机构将轴承座和定子座联结；轴承座和定子座均设置在底座上，并且可以在底座上滑移；内定子中的压电片和外定子中的压电片均用于输入频率为1130Hz的谐波；内定子用于根据谐波的激发做旋转摆动以及沿外定子的中心做轴向运动；动子用于随内定子的运动做相应的单向转动。
作为优化方案，内定子包括外环和十字梁；十字梁的四个梁的两侧均贴有第一压电片，中心设有一突出的小方轴；外定子为圆桶状，桶底部对称设有四个六边形镂空孔为频率调整孔，四个六边形镂空孔在桶底形成十字形梁，十字形梁的四个梁的两侧均贴有第二压电片；外定子桶底的中心设有一突出的大方轴；大方轴的中心设有方孔，内定子和外定子之间通过小方轴与方孔的间隙配合粘接在一起。
作为优化方案，动子为一圆盘，圆盘的一侧内凹形成一环面，动子的环面与内定子的环面接触；圆盘的中心设有第一通孔，动子轴与第一通孔配合固定。
作为优化方案，预紧机构包括预紧螺杆以及设置在预紧螺杆两端的两个预紧螺母和两个预紧弹簧；轴承座上设有第二通孔，定子座上设有第三通孔，第二通孔和第三通孔同轴；预紧螺杆分别穿过第二通孔和第三通孔；一组预紧螺母和预紧弹簧与轴承座配合，另一组预紧螺母和预紧弹簧与定子座配合；预紧机构通过两个预紧螺母的旋转调节预紧力。
作为优化方案，底座上方设有燕尾槽；轴承座底部设有第一燕尾座，定子座的底部设有第二燕尾座；燕尾槽与轴承座底部的第一燕尾座和定子座底部的第二燕尾座间隙配合，使得轴承座和定子座可以在底座上滑移。
作为优化方案，轴承座上部为矩形板，下部为第一燕尾座；矩形板上设有轴承孔和第二通孔，轴承孔与轴承间隙配合，轴承外缘粘接于轴承孔内；第一燕尾座上设有第一限位槽，底座上设有若干限位孔；使用固定螺栓穿过第一限位槽与限位孔配合固定，将轴承座与底座限位固定。
作为优化方案，定子座上部为一圆筒，中部为矩形板，下部为第二燕尾座；圆筒内柱面与双定子的外柱面粘接，矩形板上设有第三通孔，燕尾座上设有第二限位槽，底座上设有若干限位孔；使用固定螺栓穿过第二限位槽与限位孔配合固定，将定子座与底座限位固定。
作为优化方案，双定子、定子座、轴承座、底座选用材料为65号锰钢；动子选用材料为铝。
作为优化方案，第一压电片和第二压电片选用材料为PZT-4的压电陶瓷。
本发明的有益技术效果是：
工作时内定子中的压电片和外定子中的压电片均输入频率为1130Hz的谐波，工作频率较低，因此对于匹配电路的要求低，所需成本低，适用范围较广。
内定子用于根据谐波的激发做旋转摆动以及沿外定子的中心做轴向运动；动子用于随内定子的运动做相应的单向转动本发明运动定位精度高，工作时步进角可达0.01度，能满足比较高的定位精度要求，可用于各种需要紧密定位的场合。
本发明结构简单装配方便，动子和内定子是整个环面的接触，接触面积较大，有利于提高电机的负载能力。
附图说明
图1为旋转压电马达整体的结构示意图。
图2为旋转压电马达整体结构爆炸图。
图3a和图3b为本发明动子的示意图。
图4为本发明轴承座示意图。
图5为本发明底座示意图。
图6为本发明预紧机构示意图。
图7为本发明定子座示意图。
图8a和图8b为本发明内定子示意图。
图9a和图9b为本发明外定子示意图。
上图中序号：
动子1、圆盘11、第一通孔12。
动子轴2。
轴承座3、轴承孔31、第二通孔32、第一限位槽33。
底座4、燕尾槽41、第四通孔42。
预紧螺杆5、预紧螺母51、预紧弹簧52、预紧螺杆53。
定子座6、圆筒61、第三通孔62、第二限位槽63。
双定子7。
内定子71、外环711、十字梁712、第一压电片713、小方轴714。
外定子72、六边形镂空孔723、第二压电片721、大方轴724、方孔722。
编号说明：双位数序号是对应的单位数序号的子零件，如轴承孔31是轴承座3的子零件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1和图2所示，一种旋转压电马达，包括双定子7、动子1、预紧机构5、轴承座3、定子座6和底座4；所述双定子7由内定子71和外定子72粘接而成，内定子71和外定子72均设有压电片；双定子7的外柱面与所述定子座6间隙配合，双定子7粘接于定子座6上；动子1通过动子轴2和轴承安装在轴承座3上，动子1轴向上的一侧面与内定子71轴向上的一侧面接触；预紧机构5将所述轴承座3和定子座6联结；轴承座3和定子座6均设置在底座4上，并且可以在底座4上滑移。
如图3a、3b所示，动子1为一圆盘11，动子1选用材料为铝；圆盘11外径为47毫米，圆盘11一侧内凹形成一环面，该环面与内定子71的环面接触；圆盘11中心设有第一通孔12用于与动子轴2相配合，第一通孔12直径为6毫米。
如图4所示，轴承座3上部为矩形板，下部为第一燕尾座；矩形板上设有轴承孔31和第二通孔32，轴承孔31与轴承间隙配合，轴承外缘粘接于轴承孔31内；第一燕尾座上设有第一限位槽33，底座4上设有若干限位孔；使用固定螺栓穿过第一限位槽33与限位孔配合固定，将轴承座3与底座4限位固定。
如图5所示，底座4上方设有燕尾槽41；燕尾槽41与轴承座3底部的第一燕尾座和定子座6底部的第二燕尾座间隙配合，使得轴承座3和定子座6可以在所述底座4上滑移；底座4上设有对称布置的第四通孔42，固定螺栓穿过第四通孔42与平台连接。
如图6和图2所示，预紧机构5包括预紧螺杆53以及设置在预紧螺杆53两端的两个预紧螺母51和两个预紧弹簧52；轴承座3上设有第二通孔32，定子座6上设有第三通孔62，第二通孔32和第三通孔62同轴；预紧螺杆53分别穿过第二通孔32和第三通孔62；一组预紧螺母51和预紧弹簧52与轴承座3配合，另一组预紧螺母51和预紧弹簧52与定子座6配合；预紧机构5通过两个预紧螺母51的旋转调节预紧力。
如图7和图1所示，定子座6上部为一圆筒61，圆筒内径为47毫米，中部为矩形板，下部为第二燕尾座；圆筒61的内柱面与双定子7的外柱面粘接，矩形板上设有第三通孔62，燕尾座上设有第二限位槽63，底座4上设有若干限位孔；使用固定螺栓穿过第二限位槽63与所述限位孔配合固定，将定子座6与底座4限位固定。
结合图8a、8b、图9a、9b和图1所示，内定子71包括外环711和十字梁712；十字梁712的四个梁的两侧均贴有第一压电片713，中心设有一突出的小方轴714；外定子72为圆桶状，桶底部对称设有四个六边形镂空孔723为频率调整孔，四个六边形镂空孔723在桶底形成十字形梁，十字形梁的四个梁的两侧均贴有第二压电片721；第一压电片713和第二压电片721选用材料为PZT-4的压电陶瓷；外定子72桶底的中心设有一突出的大方轴724；大方轴724的中心设有方孔722，内定子71和外定子72之间通过小方轴714与方孔722的间隙配合粘接在一起；内定子71和外定子72的外径相同，为47毫米，与定子座6上圆筒61的内径保持一致。
具体的，内定子71中的第一压电片713和外定子72中的第二压电片721均输入频率为1130Hz的谐波，此频率是经三维建模并仿真所得频率，为本发明在此实施例的最佳工作频率，输入频率在其数值上下波动也可工作，其数值由外定子72上镂空孔723及双定子7的结构决定。双定子7结构的固有频率较低，运行速度快，因此对于匹配电路的要求低，所需成本低，适用范围较广。
内定子用于根据谐波的激发做旋转摆动以及沿外定子的中心做轴向运动；动子用于随内定子的运动做相应的单向转动本发明运动定位精度高，工作时步进角可达0.01度，能满足比较高的定位精度要求，可用于各种需要紧密定位的场合。
在本实施例中，动子和内定子是整个环面的接触，接触面积较大，因此其负载能力也较大。
本发明的工作原理和使用方法如下：
工作时，向内定子71和外定子72上的第一第二压电片同时输入频率为1130Hz的谐波。施加高电频时，外定子72上的第二压电片721产生形变，使外定子72上的十字形梁产生向轴向内侧的位移，带动外定子72上的大方轴724产生轴向内侧的位移，使内定子71压紧动子1，与上一动作同时，内定子71上的第一压电片713绕轴产生同向形变，带动内定子71产生顺时针的旋转摆动，此时内定子71的环面既做旋转摆动，又做轴向运动，在其表面质点的运动轨迹合成为一次椭圆运动，通过内定子71与动子1环面的接触静摩擦带动动子转动，进而驱动动子轴2转动；施加低电频时，外定子72上的第二压电片721产生形变，使外定子72上的十字形梁产生向轴向外侧的位移，带动外定子上的大方轴724产生向轴向外侧的位移，使内定子71离开动子1，与上一动作同时，内定子71上的第一压电片713绕轴产生同向形变，带动内定子71产生逆时针的旋转摆动，完成这一动作时就是一个周期结束，由此产生一个顺时针方向的步距，持续输入谐波便会激发出动子轴的单向旋转输出。通过改变内定子71和外定子72输入信号之间的相位差，令外定子72产生轴向内侧位移的同时令内定子71逆时针旋转，外定子72产生轴向外侧位移同时内定子71顺时针旋转就，这时就可以改变动子1的旋转方向，使动子轴2产生单向逆时针旋转。在工作时其步进角可达0.01度，能满足比较高的定位精度要求，可用于各种需要紧密定位的场合。
以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种旋转压电马达，其特征在于：包括双定子(7)、动子(1)、预紧机构(5)、轴承座(3)、定子座(6)和底座(4)；所述双定子(7)由内定子(71)和外定子(72)粘接而成，所述内定子(71)和所述外定子(72)上均设有压电片；所述双定子(7)的外柱面与所述定子座(6)间隙配合，所述双定子(7)粘接于定子座(6)上；所述动子(1)通过动子轴(2)和轴承安装在所述轴承座(3)上，所述动子(1)轴向上的一侧面与所述内定子(71)轴向上的一侧面接触；所述预紧机构(5)将所述轴承座(3)和所述定子座(6)联结；所述轴承座(3)和所述定子座(6)均设置在所述底座(4)上，并且可以在底座(4)上滑移；所述内定子(71)中的压电片和所述外定子(72)中的压电片均用于输入频率为1130Hz的谐波；所述内定子(71)用于根据所述谐波的激发做旋转摆动以及沿所述外定子(72)的中心做轴向运动；所述动子(1)用于随所述内定子(71)的运动做相应的单向转动。
2.根据权利要求1所述的一种旋转压电马达，其特征在于：所述内定子(71)包括外环(711)和十字梁(712)；所述十字梁(712)的四个梁的两侧均贴有第一压电片(713)，中心设有一突出的小方轴(714)；所述外定子(72)为圆桶状，桶底部对称设有四个六边形镂空孔(723)为频率调整孔，四个六边形镂空孔(723)在桶底形成十字形梁，十字形梁的四个梁的两侧均贴有第二压电片(721)；所述外定子(72)桶底的中心设有一突出的大方轴(724)；所述大方轴(724)的中心设有方孔(722)，所述内定子(71)和所述外定子(72)之间通过所述小方轴(714)与所述方孔(722)的间隙配合粘接在一起。
3.根据权利要求2所述的一种旋转压电马达，其特征在于：所述动子(1)为一圆盘(11)，所述圆盘(11)的一侧内凹形成一环面，所述动子(1)的环面与内定子(71)的环面接触；所述圆盘的中心设有第一通孔(12)，所述动子轴(2)与所述第一通孔(12)配合固定。
4.根据权利要求1所述的一种旋转压电马达，其特征在于：所述预紧机构(5)包括预紧螺杆(53)以及设置在所述预紧螺杆(53)两端的两个预紧螺母(51)和两个预紧弹簧(52)；所述轴承座(3)上设有第二通孔(32)，所述定子座(6)上设有第三通孔(62)，所述第二通孔(32)和所述第三通孔(62)同轴；所述预紧螺杆(53)分别穿过所述第二通孔(32)和所述第三通孔(62)；一组预紧螺母(51)和预紧弹簧(52)与所述轴承座(3)配合，另一组预紧螺母(51)和预紧弹簧(52)与所述定子座(6)配合；所述预紧机构(5)通过两个预紧螺母(51)的旋转调节预紧力。
5.根据权利要求1所述的一种旋转压电马达，其特征在于：所述底座(4)上方设有燕尾槽(41)；所述轴承座(3)底部设有第一燕尾座，所述定子座(6)的底部设有第二燕尾座；所述燕尾槽(41)与所述第一燕尾座和所述第二燕尾座间隙配合，使得所述轴承座(3)和所述定子座(6)可以在所述底座(4)上滑移。
6.根据权利要求5所述的一种旋转压电马达，其特征在于：所述轴承座(3)上部为矩形板，下部为第一燕尾座；矩形板上设有轴承孔(31)和第二通孔(32)，轴承孔(31)与轴承间隙配合，轴承外缘粘接于轴承孔(31)内；所述第一燕尾座上设有第一限位槽(33)，所述底座(4)上设有若干限位孔；使用固定螺栓穿过所述第一限位槽(33)与所述限位孔配合固定，将所述轴承座(3)与所述底座(4)限位固定。
7.根据权利要求5所述的一种旋转压电马达，其特征在于：所述定子座(6)上部为一圆筒(61)，中部为矩形板，下部为第二燕尾座；所述圆筒(61)内柱面与双定子(7)的外柱面粘接，所述矩形板上设有第三通孔(62)，所述燕尾座上设有第二限位槽(63)，所述底座(4)上设有若干限位孔；使用固定螺栓穿过所述第二限位槽(63)与所述限位孔配合固定，将所述定子座(6)与所述底座(4)限位固定。
8.根据权利要求1所述的一种旋转压电马达，其特征在于：所述双定子(7)、定子座(6)、轴承座(3)、底座(4)选用材料为65号锰钢；所述动子(1)选用材料为铝。
9.根据权利要求1和2所述的双定子(7)，其特征在于：所述第一压电片(713)和第二压电片(721)选用材料为PZT-4的压电陶瓷。
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2018
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| CN108365773B (zh) | 2019-09-10 |
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