CN109861582A - 一种惯性旋转压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性旋转压电马达。包括底座、转子机构和预紧机构；底座包括四棱柱和悬臂状的安装管；转子机构包括转子、安装板、一对压电片和一对质量块，安装板中部的两侧面分别固定设有一对压电片，上部的两侧面分别固定设有一对质量块；预紧机构包括预紧轴、螺杆和弹簧；工作时，在一对压电片上施加相应频率的电信号，安装板开始摆动，由于柔性铰链的存在，安装板围绕柔性铰链产生微小偏转，在一对质量块的作用下，出现钳紧和松开的交替变换状态，在松开状态下所述惯性旋转压电马达整体旋转一个微小的角度θ；连续运动实现惯性旋转压电马达的单向旋转运动。本发明工作时的摩擦损害小、运动效率提高5%‑10%。

Description

一种惯性旋转压电马达

技术领域

本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体来说，涉及一种惯性旋转压电马达。

背景技术

惯性冲击压电马达应用广泛，其具有结构简单、易小型化、易控制、定位精准的特点；传统惯性冲击压电马达一般采用压电叠堆驱动，但压电叠堆的变形量较小，抗拉能力差，不能够连接较大的质量块，且成本较高；惯性冲击压电马达分为不对称驱动信号式和不对称结构式，不对称驱动信号式惯性冲击压电马达采用锯齿波驱动，以获得动子或定子往返过程中加速度的不对称，但锯齿波驱动的惯性冲击压电马达无法工作在谐振状态下，所以现有的锯齿波驱动的惯性冲击压电马达的效率很低，只有3%左右；现有的一种不对称结构式惯性旋转马达，见图7，如图7中（a）所示因为夹持差Δx的存在，惯性冲击压电马达向不同方向摆动时的速度、加速度不同，如图7中（b）和图7中（c）所示惯性冲击压电马达向不同方向摆动的角度分别为θ1和θ2，θ1和θ2的差值即为图7中（d）中的旋转步距Δθ，惯性冲击压电马达向一个方向旋转运动，但惯性冲击压电马达通过角度差Δθ产生运动，所产生的有害摩擦大，惯性冲击压电马达运动效率低，且该惯性冲击压电马达不容易预紧。

发明内容

为了克服现有惯性冲击压电马达存在的摩擦损害大、运动效率低的问题，本发明提出一种惯性旋转压电马达。

一种惯性旋转压电马达包括底座1、转子机构和预紧机构；

所述底座1为四棱柱，底座1的上部开设有贯通对应两侧面的安装孔12，与安装孔12对应的底座1一侧面上固定连通着安装管14，安装管14的管孔为圆锥孔，且圆锥孔的小直径端对应着底座1上安装孔12，安装管14呈悬臂状，圆锥孔的大直径端为外端口；

所述转子机构包括转子3、安装板32、一对压电片4和一对质量块5；所述转子3为立方体，立方体上开设有贯通对应两侧面的通孔33；立方体顶面上开设有通槽34，通槽34和通孔33沿轴向贯通，使立方体一侧形成左固定块35，另一侧形成右固定块36，且左固定块35的顶部高于右固定块36的顶部；与通孔33轴向对应的立方体底面上开设凹槽，使左固定块35和右固定块36的底部形成柔性铰链31；所述安装板32的下部固定连接着与通槽34相邻的左固定块35的一侧面，一对压电片4固定设于安装板32中部的两侧面上；所述一对质量块5的形状质量相同，且分别固定设于安装板32上部的两侧面上；

所述预紧机构包括预紧轴2、螺杆6和弹簧7；预紧轴2为内螺纹空心阶梯轴，螺杆6通过螺纹配合连接位于预紧轴2内，螺杆6的两端位于预紧轴2的两端外部；预紧轴2的一侧为光轴21，另一侧为圆锥轴22，圆锥轴22的小直径端连接着光轴21；所述弹簧7套设在圆锥轴22的大直径端外部的螺杆6上；

所述预紧机构的预紧轴2的圆锥轴配合位于圆锥管14内，预紧轴2的另一侧配合位于底座1的安装孔12内；且螺杆6的杆端伸至安装孔12外，螺杆6的外伸端上配合设有螺母；拧动螺杆6时，通过弹簧7将力传递到预紧轴2表面，推动预紧轴2向螺母方向移动实现预紧的作用；

所述转子机构转子3通过通孔33套设于安装管14上；

工作时，在一对压电片4上施加相应频率的电信号，安装板32开始摆动，并产生弯曲，由于柔性铰链31的存在，安装板32围绕柔性铰链31产生微小偏转，在一对质量块5的作用下，出现钳紧和松开的交替变换状态，在松开状态下所述惯性旋转压电马达整体旋转一个微小的角度θ；连续运动实现惯性旋转压电马达的单向旋转运动。

进一步限定的技术方案如下：

所述底座1上部另一侧开设有螺纹孔11，螺纹孔11和安装孔12呈90度相通，螺纹孔11内配合设有紧固螺栓8；所述预紧轴2的光轴21端部开设有腰型槽23，且腰型槽23和螺纹孔11对应，紧固螺栓8穿过腰型槽23锁紧螺杆6，防止螺杆6转动。

与圆锥孔的小直径端对应的安装管14的管端径向开设有半圆形的径向槽13，安装管14的一侧沿轴向开设有轴向槽15，且轴向槽15和安装管14的管孔贯通；当增加预紧时轴向槽15扩张，安装管14外表面半径增大；安装管14内孔穿过锥度相同的预紧轴2，当预紧轴2向螺母方向移动时安装管14会扩张，转子3与安装管14外表面接触力增大，起到增加预紧力的作用。

所述转子3底面上开设的凹槽的横截面呈半圆形。

所述压电片4的工作频率为200Hz-400Hz，所述质量块5的质量为10g-100g。

所述压电片4的材料为压电陶瓷。

所述底座1、预紧轴2和转子3的材料均为65Mn钢。

所述质量块5的材料为铜。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1. 本发明在安装板32中部的两侧面上分别安装压电片形成压电双晶片，相较于传统惯性冲击压电马达利用压电堆驱动具有更大的抗拉刚度，变形量更大，能够连接更大的质量块；并且压电马达工作在谐振状态，相比较于锯齿波驱动的惯性压电马达运动效率提高5%-10%。

2. 本发明在一个步距内依次产生旋转松开和钳紧的动作，且仅在旋转时发生摩擦，相比较于已有的旋转型压电马达通过产生角度差Δθ的运动方式所产生的有害摩擦更小，本发明惯性旋转压电马达利用锥度预紧，预紧方式简便。

3. 本发明的工作频率低，为200Hz-400Hz，且工作在谐振状态下，工作效率高，产生的噪音小。

4. 本发明对匹配电路要求低，根据仿真马达工作频率为200Hz-400Hz，工作电压为90V-380V，利用家用电路即可驱动。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为装配爆炸图；

图3为底座结构示意图；

图4为预紧机构结构示意图；

图5为驱动机构结构示意图；

图6为运动原理示意图；

图7为现有一种惯性马达运动示意图。

上图中序号：底座1、螺纹孔11、安装孔12、径向槽13、安装管14、轴向槽15、预紧轴2、光轴21、圆锥轴22、腰型槽23、转子3、柔性铰链31、安装板32、通孔33、通槽34、左固定块35、右固定块36，压电片4、质量块5、螺杆6、弹簧7、紧固螺栓8。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1和图2，一种惯性旋转压电马达包括底座1、转子机构和预紧机构。

参见图3，底座1为四棱柱，底座1的上部开设有贯通对应两侧面的安装孔12，与安装孔12对应的底座1一侧面上固定连通着安装管14，安装管14的管孔为圆锥孔，且圆锥孔的小直径端对应着底座1上安装孔12，安装管14呈悬臂状，圆锥孔的大直径端为外端口。底座1上部另一侧开设有螺纹孔11，螺纹孔11和安装孔12呈90度相通，螺纹孔11内配合设有紧固螺栓8。

参见图5，转子机构包括转子3、安装板32、一对压电片4和一对质量块5；所述转子3为立方体，立方体上开设有贯通对应两侧面的通孔33；立方体顶面上开设有通槽34，通槽34和通孔33沿轴向贯通，使立方体一侧形成左固定块35，另一侧形成右固定块36，且左固定块35的顶部高于右固定块36的顶部；与通孔33轴向对应的立方体底面上开设凹槽，使左固定块35和右固定块36的底部形成柔性铰链31。安装板32的下部固定连接着与通槽34相邻的左固定块35的一侧面，一对压电片4固定安装于安装板32中部的两侧面上；一对质量块5的形状质量相同，且分别固定安装于安装板32上部的两侧面上。安装板32的长度为40mm，宽度为20mm，厚度为0.7mm，质量块5的材料为铜，质量为20g。转子3通过通孔33套装于安装管14上。

参见图4，预紧机构包括预紧轴2、螺杆6和弹簧7；预紧轴2为内螺纹空心阶梯轴，螺杆6通过螺纹配合连接位于预紧轴2内，螺杆6的两端位于预紧轴2的两端外部；预紧轴2的一侧为光轴21，另一侧为圆锥轴22，圆锥轴22的小直径端连接着光轴21；所述弹簧7套设在圆锥轴22的大直径端外部的螺杆6上。预紧轴2的光轴21端部开设有腰型槽23，且腰型槽23和底座1上的螺纹孔11对应，紧固螺栓8穿过腰型槽23锁紧螺杆6，防止螺杆6转动。

预紧轴2的圆锥轴配合位于圆锥管14内，预紧轴2的另一侧配合位于底座1的安装孔12内；且螺杆6的杆端伸至安装孔12外，螺杆6的外伸端上配合设有螺母；拧动螺杆6时，通过弹簧7将力传递到预紧轴2表面，推动预紧轴2向底座1上螺母一侧方向移动实现预紧的作用。

与圆锥孔的小直径端对应的安装管14的管端径向开设有半圆形的径向槽13，安装管14的一侧沿轴向开设有轴向槽15，且轴向槽15和安装管14的管孔贯通；当增加预紧时轴向槽15扩张，安装管14外表面半径增大；安装管14内孔穿过锥度相同的预紧轴2，当预紧轴2向螺母方向移动时安装管14会扩张，转子3与安装管14外表面接触力增大，起到增加预紧力的作用。

参见图6，惯性旋转马达的运动原理说明如下：

初始位置时，预紧轴2与安装管14紧密接触，安装管14的内表面锥度与圆锥轴22锥度相同，安装管14外表面为等直径轴。当预紧轴2向螺母方向移动时，轴向槽15会扩张，安装管14外径增大，起到增大预紧的作用。压电片4的外侧表面接电源正极，贴合安装板32的表面接电源负极；根据仿真结果，工作时，给一对压电片4输入频率256Hz的激励信号，安装板32会产生弯曲模态，带动转子3产生旋转；在一个步距内，转动机构产生两种运动状态，当安装板32向通槽34变小的方向摆动时，通孔33与安装管14的正压力增大，由于摩擦力的存在转子3不会发生转动，此时为钳紧状态，见图6中a；当安装板32向反方向摆动时，安装板32带动左固定块35转动一个角度，通槽34扩大，通孔33半径也增大，其与安装管14外表面的正压力减小，摩擦也减小，由于柔性铰链31的存在，右固定块36也向同一方向旋转一个角度，此时为松开状态，见图6中b；在一个步距内安装板32带动转子3整体向固定方向旋转一个角度θ；重复以上步骤，使惯性旋转压电马达实现单向旋转运动。

Claims (8)

1.一种惯性旋转压电马达，其特征在于：包括底座（1）、转子机构和预紧机构；

所述底座（1）为四棱柱，底座（1）的上部开设有贯通对应两侧面的安装孔（12），与安装孔（12）对应的底座（1）一侧面上固定连通着安装管（14），安装管（14）的管孔为圆锥孔，且圆锥孔的小直径端对应着底座（1）上安装孔（12），安装管（14）呈悬臂状，圆锥孔的大直径端为外端口；

所述转子机构包括转子（3）、安装板（32）、一对压电片（4）和一对质量块（5）；所述转子（3）为立方体，立方体上开设有贯通对应两侧面的通孔（33）；立方体顶面上开设有通槽（34），通槽（34）和通孔（33）沿轴向贯通，使立方体一侧形成左固定块（35），另一侧形成右固定块（36），且左固定块（35）的顶部高于右固定块（36）的顶部；与通孔（33）轴向对应的立方体底面上开设凹槽，使左固定块（35）和右固定块（36）的底部形成柔性铰链（31）；所述安装板（32）的下部固定连接着与通槽（34）相邻的左固定块（35）的一侧面，一对压电片（4）固定设于安装板（32）中部的两侧面上；所述一对质量块（5）的形状质量相同，且分别固定设于安装板（32）上部的两侧面上；

所述预紧机构包括预紧轴（2）、螺杆（6）和弹簧（7）；预紧轴（2）为内螺纹空心阶梯轴，螺杆（6）通过螺纹配合连接位于预紧轴（2）内，螺杆（6）的两端位于预紧轴（2）的两端外部；预紧轴（2）的一侧为光轴（21），另一侧为圆锥轴（22），圆锥轴（22）的小直径端连接着光轴（21）；所述弹簧（7）套设在圆锥轴（22）的大直径端外部的螺杆（6）上；

所述预紧机构的预紧轴（2）的圆锥轴配合位于圆锥管（14）内，预紧轴（2）的另一侧配合位于底座（1）的安装孔（12）内；且螺杆（6）的杆端伸至安装孔（12）外，螺杆（6）的外伸端上配合设有螺母；拧动螺杆（6）时，通过弹簧（7）将力传递到预紧轴（2）表面，推动预紧轴（2）向螺母的方向移动实现预紧的作用；

所述转子机构转子（3）通过通孔（33）套设于安装管（14）上；

工作时，在一对压电片（4）上施加相应频率的电信号，安装板（32）开始摆动，并产生弯曲，由于柔性铰链（31）的存在，安装板（32）围绕柔性铰链（31）产生微小偏转，在一对质量块（5）的作用下，出现钳紧和松开的交替变换状态，在松开状态下所述惯性旋转压电马达整体旋转一个微小的角度θ；连续运动实现惯性旋转压电马达的单向旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种惯性旋转压电马达，其特征在于：所述底座（1）上部另一侧开设有螺纹孔（11），螺纹孔（11）和安装孔（12）呈90度相通，螺纹孔（11）内配合设有紧固螺栓（8）；所述预紧轴（2）的光轴（21）端部开设有腰型槽（23），且腰型槽（23）和螺纹孔（11）对应，紧固螺栓（8）穿过腰型槽（23）锁紧螺杆（6），防止螺杆（6）转动。

3.根据权利要求1所述的一种惯性旋转压电马达，其特征在于：与圆锥孔的小直径端对应的安装管（14）的管端径向开设有半圆形的径向槽（13），安装管（14）的一侧沿轴向开设有轴向槽（15），且轴向槽（15）和安装管（14）的管孔贯通；当增加预紧时轴向槽（15）扩张，安装管（14）外表面半径增大；安装管（14）内孔穿过锥度相同的预紧轴（2），当预紧轴（2）向螺母方向移动时安装管（14）会扩张，转子（3）与安装管（14）外表面接触力增大，起到增加预紧力的作用。

4.根据权利要求1所述的一种惯性旋转压电马达，其特征在于：所述转子（3）底面上开设的凹槽的横截面呈半圆形。

5.根据权利要求1所述的一种惯性旋转压电马达，其特征在于：所述压电片（4）的工作频率为200Hz-400Hz，所述质量块（5）的质量为10g-100g。

6.根据权利要求1所述的一种惯性旋转压电马达，其特征在于：所述压电片（4）的材料为压电陶瓷。

7.根据权利要求1所述的一种惯性旋转压电马达，其特征在于：所述底座（1）、预紧轴（2）和转子（3）的材料均为65Mn钢。

8.根据权利要求1所述的一种惯性旋转压电马达，其特征在于：所述质量块（5）的材料为铜。