CN109818528A - 一种步进式旋转型压电电机及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进式旋转型压电电机，包括机架，以及固定在机架上的椭圆型振子和旋转机构，椭圆型振子为一金属弹性体，两侧分别设有压电叠堆，压电叠堆一端固定在机架侧壁上，椭圆型振子椭圆形凸起处设有摩擦接触杆；驱动过程中，摩擦接触杆推动旋转机构进行旋转。本发明椭圆型振子中的第一压电叠堆施加的电压波形为梯形波，第二压电叠堆施加的电压波形为间断的三角波；通过控制上述两个压电叠堆的电压激励的波形，摩擦接触杆推动旋转机构进行旋转，进而实现电机驱动。本发明具有结构简单、器件少、尺寸小、定位精度高、应用范围广的优点。

Description

一种步进式旋转型压电电机及其驱动方法

技术领域

本发明属于旋转型压电电机技术领域，具体涉及一种基于压电叠堆椭圆型振子的步进式旋转型压电电机及其驱动方法。

背景技术

压电电机是主要使用压电元件将电能转换成机械能的致动器件。压电电机通常具有定子和动子(当物体实现直线性运动时动子为滑块，旋转运动时动子为旋转体)，利用定子和动子之间的摩擦使动子产生相应的运动。压电电机相比于普通电磁直流电机，效率高，由于摩擦驱动，每单位重量产生的扭矩高于电磁电机。由于获得了很大的扭矩，因此无需齿轮传动，可以直接驱动动子进行运动。当未施加电源进行激励时，由于接触表面之间的摩擦力，可以由于其能自锁而保持原来的位置，提高了定位精度。

基于这些特征，现有技术中已开发了相应的电机，例如行波型电机、平滑冲击驱动机构(SIDM)型电机等。但是，这些电机大多具有体积大、定位精度较低的缺陷，无法满足工业精密驱动场合的使用要求。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种步进式旋转型压电电机，该电机将压电叠堆与椭圆型振子结合在一起，椭圆型振子可以放大压电叠堆输出的小位移，结构非常简单，器件少，尺寸小，利于装配，且可应用于对旋转定位要求高的环境(例如工业精密驱动等)。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述步进式旋转型压电电机的驱动方法，该方法可实现电机在直流电压下的步进驱动，定位精度更高，应用范围更广。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种步进式旋转型压电电机，包括机架，以及固定在机架上的椭圆型振子和旋转机构，椭圆型振子为一金属弹性体，两侧分别设有压电叠堆，压电叠堆一端固定在机架侧壁上，椭圆型振子椭圆形凸起处设有摩擦接触杆；驱动过程中，摩擦接触杆推动旋转机构进行旋转。本发明通过采用椭圆型振子可以放大压电叠堆输出的小位移，通过对椭圆型振子两侧的压电叠堆施加不同的电压激励，可以使摩擦接触杆推动旋转机构进行旋转，进而实现旋转输出。

优选的，所述压电叠堆通过螺栓固定在机架侧壁上，且椭圆型振子两侧的压电叠堆呈180°镜像对称，每个压电叠堆的截面形状为矩形或者圆形。

更进一步的，在所述螺栓和压电叠堆之间设有垫片。从而可增大预紧的接触面积,减小压力,防止压电叠堆松动。

更进一步的，所述摩擦接触杆为一矩形截面的悬臂梁。采用该结构可以更有效的推动旋转机构旋转。

优选的，所述椭圆型振子一部分为椭圆形部分，另一部分为类钹型部分，椭圆形部分两侧设有柔性铰链圆弧过渡部，摩擦接触杆设置在椭圆形部分的中心凸起处，压电叠堆与椭圆型振子面与面接触。通过面接触的方式，压电叠堆通过逆压电效应产生的位移通过椭圆型振子，可有效增大摩擦接触杆伸长的位移，可有效提高电机能量的转化率。

更进一步的，椭圆型振子中椭圆形部分长轴和短轴的比值在1.9～2.0之间，类钹型部分的内部夹角在130°～140°；椭圆形部分两侧设置的柔性铰链圆弧过渡部关于椭圆形部分轴线对称。

优选的，所述摩擦接触杆和椭圆型振子为一体加工而成，椭圆型振子可通过线切割一次性加工而成，从而减小参数变化对整个结构输出运动的影响。

优选的，所述旋转型压电电机内设有两组椭圆型振子，每个椭圆型振子的摩擦接触杆均用于推动旋转机构旋转；两组椭圆型振子关于机架的对角线对称安装放置。通过两个不同位置的椭圆型振子，可以实现旋转机构的逆时针和顺时针步进旋转运动。

优选的，所述旋转机构包括转轮、转轴和转盘，椭圆型振子的摩擦接触杆推动转轮，转轮固定在转轴上，转盘底部设有轴承，转盘通过轴承与转轴底部连接。

更进一步的，所述轴承采用深沟球轴承，轴承外圈和转盘过盈配合，转轴和轴承内圈过盈配合。

一种基于上述步进式旋转型压电电机的驱动方法，步骤是：椭圆型振子中的第一压电叠堆施加的电压波形为梯形波，第二压电叠堆施加的电压波形为间断的三角波；通过控制上述两个压电叠堆的电压激励的波形，摩擦接触杆推动旋转机构进行旋转，进而实现电机驱动。

优选的，椭圆型振子两侧的压电叠堆呈镜像对称，在驱动过程中施加电压的步骤是：

首先，对椭圆型振子中的第一压电叠堆施加一定幅值的驱动波，对第二压电叠堆施加等幅值的驱动波，摩擦接触杆在激励共同作用下朝着轴向伸长；

其次，第一压电叠堆保持变形不变，第二压电叠堆电压逐渐减小至0，则摩擦接触杆朝着第二压电叠堆的收缩方向变形；

然后，第一压电叠堆电压逐渐减小至0，第二压电叠堆不施加激励，则摩擦接触杆恢复成未变形状态，完成一个激励周期；

最后，不断的完成上述激励周期，即可实现旋转机构的持续旋转运动。

更进一步的，所述旋转型压电电机内设有两组椭圆型振子，两组椭圆型振子关于机架的对角线对称安装放置，二者独立工作，在施加一定的波形下，能够实现旋转机构的逆时针和顺时针步进旋转运动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明使用椭圆型振子，在施加一定预紧力的作用下，能够放大压电叠堆的输出位移，把轴向的位移转化成径向伸长位移，从而通过摩擦的作用，推动转子的转动，使得电机能量转化率和输出的提高。

2.本发明提出了一种基于压电叠堆椭圆型振子的旋转型压电电机，整个电机的主要部件包括机架、椭圆型振子、摩擦接触杆、转轮、转轴、转盘、轴承、垫片，压电叠堆，简化了电机的结构，利于电机的装配和修理，在施加直流电压驱动下，实现步进旋转运动，提高了电机的运动精度，对旋转压电电机的微型化发展具有重要的意义。

附图说明

图1是本实施例电机结构示意图。

图2是本实施例电机剖面结构图。

图3是本实施例电机施加激励运动示意图。

图4是本实施例中第一压电叠堆、第二压电叠堆施加的电压波形。

图5是施加图4所示电压波形后旋转机构的旋转位移-时间图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本实施例公开了一种步进式旋转型压电电机，该电机主要包括机架、椭圆型振子和旋转机构，椭圆型振子和旋转机构底部均固定在机架上，椭圆型振子上设有摩擦接触杆，摩擦接触杆用于推动旋转机构进行旋转。图1-2中，各个部件的标号如下：垫片1、机架2、转轮3、转轴4、椭圆型振子5、转盘6、转盘螺栓7、压电叠堆预紧螺栓8、摩擦接触杆9、压电叠堆10、深沟球轴承11。下面结合附图对各个部分进行具体的说明。

如图1所示，本实施例步进式旋转型压电电机包括两组椭圆型振子，两组椭圆型振子关于机架的对角线对称安装在空腔内。机架关于其中心轴线对称，且中心处加工有圆角，其两边侧面加工有螺纹孔，与压电叠堆用螺栓预紧，中心处还加工一螺纹孔，用螺栓与椭圆型振子进行连接，机架的底盘加工有四个螺纹孔，通过螺栓与转盘相连接。

本实施例中椭圆型振子为一金属弹性体，一部分为椭圆形部分，另一部分为类钹型部分，椭圆形部分长轴和短轴的比值在1.9～2.0之间，两侧设有柔性铰链圆弧过渡部分，柔性铰链圆弧过渡部关于椭圆形部分轴线对称。类钹型部分的内部夹角在130°～140°。摩擦接触杆设置在椭圆形部分的中心凸起处，为一矩形截面的悬臂梁，摩擦接触杆另一端在驱动时用于推动转轮转动。为了便于装配，可以将摩擦接触杆和椭圆型振子采用一体加工制成，椭圆型振子可通过线切割一次性加工而成。

椭圆型振子两侧分别设有第一压电叠堆和第二压电叠堆，两个压电叠堆与与椭圆型振子是面接触方式固定。两个压电叠堆的外侧通过压电叠堆预紧螺栓8固定在机架侧壁上，使压电叠堆产生的位移用于驱动椭圆型振子的变形。压电叠堆预紧螺栓8和压电叠堆之间设有垫片。

为了便于后续的控制和加工，本实施例中第一压电叠堆和第二压电叠堆呈180°镜像对称，每个压电叠堆的截面形状可以为矩形，也可以替换为圆形。两个压电叠堆的规格和数量是一致的。

本实施例中旋转机构包括转轮、转轴和转盘，转轴和转轮同轴转动，二者过盈配合，转轴截面为圆形，椭圆型振子的摩擦接触杆推动转轮，转盘底部设有深沟球轴承11，轴承外圈和转盘过盈配合，转轴和轴承内圈过盈配合。当转轮转动时能够带动转轴一起旋转，从而带动转盘内部的深沟球轴承内圈转动。

在进行驱动时，对椭圆型振子中的第一压电叠堆施加如图4中的梯形波，对第二压电叠堆施加如图4中的间断的三角波。具体的步骤如下：

S1：以第一个周期为例，在0-t1时段，对椭圆型振子中的第一压电叠堆施加一定幅值的驱动波，对第二压电叠堆施加等幅值的驱动波，摩擦接触杆在激励共同作用下如图3所示朝着轴向伸长，在摩擦力作用下，转轮发生旋转。

S2：在t1-t2时段，保持第一压电叠堆驱动波不变，因此第一压电叠堆继续保持变形不变，第二压电叠堆电压逐渐减小至0，则摩擦接触杆如图3所示朝着弯曲方向变形。

S3：在t2-t3时段，第一压电叠堆电压逐渐减小至0，第二压电叠堆不施加激励，则摩擦接触杆恢复成未变形状态，完成一个激励周期。

S4：不断的完成上述激励周期，即可实现旋转机构的持续旋转运动。旋转运动过程中一个激励周期的位移如图5所示。

本实施例旋转型压电电机内设有两组椭圆型振子，由于两组椭圆型振子关于机架的对角线对称安装放置，可以设置其分别独立工作，同样施加图4所示的波形，由于设置位置的不同，可实现旋转机构的逆时针和顺时针步进旋转运动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种步进式旋转型压电电机，其特征在于，包括机架，以及固定在机架上的椭圆型振子和旋转机构，椭圆型振子为一金属弹性体，两侧分别设有压电叠堆，压电叠堆一端固定在机架侧壁上，椭圆型振子椭圆形凸起处设有摩擦接触杆；驱动过程中，摩擦接触杆推动旋转机构进行旋转。

2.根据权利要求1所述的步进式旋转型压电电机，其特征在于，所述压电叠堆通过螺栓固定在机架侧壁上，且椭圆型振子两侧的压电叠堆呈180°镜像对称；在所述螺栓和压电叠堆之间设有垫片；所述摩擦接触杆为一矩形截面的悬臂梁，每个压电叠堆的截面形状为矩形或者圆形。

3.根据权利要求1所述的步进式旋转型压电电机，其特征在于，所述椭圆型振子一部分为椭圆形部分，另一部分为类钹型部分，椭圆形部分两侧设有柔性铰链圆弧过渡部，摩擦接触杆设置在椭圆形部分的中心凸起处，压电叠堆与椭圆型振子面与面接触。

4.根据权利要求3所述的步进式旋转型压电电机，其特征在于，椭圆型振子中椭圆形部分长轴和短轴的比值在1.9～2.0之间，类钹型部分的内部夹角在130°～140°；椭圆形部分两侧设置的柔性铰链圆弧过渡部关于椭圆形部分轴线对称。

5.根据权利要求1所述的步进式旋转型压电电机，其特征在于，所述旋转型压电电机内设有两组椭圆型振子，每个椭圆型振子的摩擦接触杆均用于推动旋转机构旋转；两组椭圆型振子关于机架的对角线对称安装放置。

6.根据权利要求1所述的步进式旋转型压电电机，其特征在于，所述旋转机构包括转轮、转轴和转盘，椭圆型振子的摩擦接触杆推动转轮，转轮固定在转轴上，转盘底部设有轴承，转盘通过轴承与转轴底部连接。

7.根据权利要求6所述的步进式旋转型压电电机，其特征在于，所述轴承采用深沟球轴承，轴承外圈和转盘过盈配合，转轴和轴承内圈过盈配合。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的步进式旋转型压电电机的驱动方法，其特征在于，步骤是：椭圆型振子中的第一压电叠堆施加的电压波形为梯形波，第二压电叠堆施加的电压波形为间断的三角波；通过控制上述两个压电叠堆的电压激励的波形，摩擦接触杆推动旋转机构进行旋转，进而实现电机驱动。

9.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，椭圆型振子两侧的压电叠堆呈镜像对称，在驱动过程中施加电压的步骤是：

首先，对椭圆型振子中的第一压电叠堆施加一定幅值的驱动波，对第二压电叠堆施加等幅值的驱动波，摩擦接触杆在激励共同作用下朝着轴向伸长；

其次，第一压电叠堆保持变形不变，第二压电叠堆电压逐渐减小至0，则摩擦接触杆朝着第二压电叠堆的收缩方向变形；

然后，第一压电叠堆电压逐渐减小至0，第二压电叠堆不施加激励，则摩擦接触杆恢复成未变形状态，完成一个激励周期；

最后，不断的完成上述激励周期，即可实现旋转机构的持续旋转运动。

10.根据权利要求9所述的驱动方法，其特征在于，所述旋转型压电电机内设有两组椭圆型振子，两组椭圆型振子关于机架的对角线对称安装放置，二者独立工作，在施加一定的波形下，能够实现旋转机构的逆时针和顺时针步进旋转运动。