CN111245288B - 一种压电电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电电机，属于压电驱动技术领域，包括壳体、定子、转子以及多个压电驱动器；其中，壳体的顶部设有与其内腔连通的第一避让孔；定子的底端固接于壳体的底部，顶端设有滚子组件；转子呈空心球型且位于壳体内部，顶部设有电机轴，底部设有与其内腔连通的第二避让孔，电机轴向上穿过避让孔且伸出壳体外部，转子罩设在滚子组件外部，且转子的内壁与滚子组件滚动接触；多个压电驱动器间隔设于壳体的内壁且与转子的竖直轴线为中心两两对称，每一压电驱动器的驱动足均与转子的外壁抵接，驱动足用于驱动转子绕转子的水平轴线转动进而带动电机轴以转子的水平轴线为轴进行摆动。本发明提供的压电电机的控制策略简单、故障率低。

Description

一种压电电机

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域，更具体地说，是涉及一种压电电机。

背景技术

压电驱动技术是基于压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形而实现直线或旋转运动的技术。压电电机是采用压电驱动技术，利用压电陶瓷材料的机械变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成电机轴的宏观运动。在压电电机中，压电陶瓷材料代替了复杂的铜线圈和铁芯，现压电电机已广泛应用于医疗器械、航空航天、精密仪器、机器人等诸多领域。目前，常用的压电电机有单自由度电机和多自由度电机，在现代智能化应用中通常需要采用具有多个自由度的执行机构，当下实现方式主要有以下两种：

一种是将多个单自由度电机分别安装在执行机构上，通过组合设计各个单自由度电机的安装位置和角度，实现执行机构具有多个自由度的目的，这种方式由于组合方式复杂且需要安装的电机数量多，因此会造成驱动执行机构的整体体积庞大，无法满足智能设备的微型化和轻量化要求，因此应用这种实现方式的设备已越来越少；另一种是在执行机构上直接采用多自由度电机，但是现有的多自由度电机由于其执行动作自由度较多、复杂程度高，存在动作控制策略复杂的问题，因此造成了其由于控制策略故障造成的停机现象多，影响设备运行稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电电机，旨在解决现有技术的多自由度压电电机控制策略复杂，容易因控制策略故障引发停机，影响设备稳定运行的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种压电电机，包括壳体、定子、转子以及多个压电驱动器；其中，壳体的顶部设有与其内腔连通的第一避让孔；定子的底端固接于壳体的底部，顶端设有滚子组件；转子呈空心球型且位于壳体内部，顶部设有电机轴，底部设有与其内腔连通的第二避让孔，电机轴向上穿过避让孔且伸出壳体外部，转子罩设在滚子组件外部，且转子的内壁与滚子组件滚动接触；多个压电驱动器间隔设于壳体的内壁且与转子的竖直轴线为中心两两对称，每一压电驱动器的驱动足均与转子的外壁抵接，驱动足用于驱动转子绕转子的水平轴线转动进而带动电机轴以转子的水平轴线为轴进行摆动。

作为本申请另一实施例，压电驱动器包括基座、压电陶瓷堆叠、杠杆柔性铰链以及角型柔性铰链；其中，基座与壳体的内壁固定连接，基座背离壳体内壁的侧壁上设有凹槽，凹槽的一侧槽壁上设有长条槽，长条槽由凹槽的槽壁向基座的顶端或底端延伸；压电陶瓷堆叠设于长条槽内，一端与长条槽的槽底抵接，另一端沿长条槽的延伸方向延伸至长条槽的口部；杠杆柔性铰链的一端与凹槽的槽底固定连接，另一端沿凹槽的深度方向延伸至凹槽的口部，杠杆柔性铰链朝向长条槽的侧壁设有连接臂，连接臂与压电陶瓷堆叠的延伸端抵接；角型柔性铰链的一端与杠杆柔性铰链的延伸端连接，另一端与凹槽的口部侧壁连接，角型柔性铰链向凹槽的外部弯折且驱动足为角型柔性铰链的弯折角。

作为本申请另一实施例，角型柔性铰链的弯折角外侧圆滑过渡，内侧开设有分割槽。

作为本申请另一实施例，杠杆柔性铰链与凹槽的连接端的两侧壁分别设有第一圆弧槽，且两个第一圆弧槽分别朝向凹槽的两侧槽壁。

作为本申请另一实施例，连接臂朝向杠杆柔性铰链两端的两侧壁分别设有第二圆弧槽。

作为本申请另一实施例，基座上螺纹连接有预紧螺杆，预紧螺杆沿长条槽的延伸方向穿过长条槽的槽底向长条槽内部延伸，且延伸端设有垫片，垫片与压电陶瓷堆叠的端部抵接。

作为本申请另一实施例，基座与壳体连接的侧壁上设有多个螺纹孔，壳体的侧壁设有与多个螺纹孔一一对应的多个滑孔，每个滑孔内均滑动连接有螺栓且螺栓与螺纹孔对应连接。

作为本申请另一实施例，壳体的内壁与基座之间间隔设有多个弹性元件。

作为本申请另一实施例，滚子组件包括滚子架、安装环以及至少两组滚珠；其中，滚子架的中心与定子的顶端固定连接；安装环套设于滚子架上；至少两组滚珠沿安装环的轴向间隔嵌装于安装环的外壁，每组滚珠均与转子的内壁滚动接触。

作为本申请另一实施例，壳体的顶部可拆卸连接有盖板，第一避让孔设于盖板上。

本发明提供的一种压电电机的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种压电电机，压电驱动器的驱动足与转子外壁抵接，滚子组件与转子内壁滚动接触，因此，转子能够在任一驱动足对转子外壁的摩擦驱动下，绕滚子组件(转子的水平轴线)沿驱动力方向进行转动，从而带动设于转子顶部的电机轴以转子的水平轴线为轴进行摆动，任意两个以转子的竖直轴线为中心对称的压电驱动器能够分别驱动转子向相反的方向转动(即实现电机轴的沿一个方向的摆动自由度)，多个压电驱动器以转子的竖直轴线为中心两两对称设置，从而能够实现电机轴多个方向的摆动自由度(压电驱动器总数的一半)，每个压电驱动器能够进行单独控制，或用于驱动一个自由度的两个压电驱动器进行组合控制，因此，电机轴的每个方向的摆动自由度均能够设计单独的控制策略，最终通过各个自由度控制策略的组合即可实现多自由度控制，控制策略简单、故障率低，能够有效降低故障停机率，保证设备运行稳定、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种压电电机的立体结构示意图；

图2为沿图1中A-A线的剖视结构示意图；

图3为图2中B处的局部放大结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种压电电机(不含盖板)的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例所采用的压电驱动器的结构示意图。

图中：1、壳体；10、盖板；100、第一避让孔；11、滑孔；2、定子；20、滚子组件；201、滚子架；202、安装环；203、滚珠；3、转子；30、电机轴；31、第二避让孔；4、压电驱动器；40、驱动足；41、基座；411、凹槽；412、长条槽；413、螺纹孔；42、压电陶瓷堆叠；43、杠杆柔性铰链；430、第一圆弧槽；431、连接臂；4310、第二圆弧槽；44、角型柔性铰链；440、分割槽；45、预紧螺杆；46、垫片；5、螺栓；6、弹性元件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1、图2及图4，现对本发明提供的一种压电电机进行说明。所述一种压电电机，包括壳体1、定子2、转子3以及多个压电驱动器4；其中，壳体1的顶部设有与其内腔连通的第一避让孔100；定子2的底端固接于壳体1的底部，顶端设有滚子组件20；转子3呈空心球型且位于壳体1内部，顶部设有电机轴30，底部设有与其内腔连通的第二避让孔31，电机轴30向上穿过避让孔且伸出壳体1外部，转子3罩设在滚子组件20外部，且转子3的内壁与滚子组件20滚动接触；多个压电驱动器4间隔设于壳体1的内壁且与转子3的竖直轴线为中心两两对称，每一压电驱动器4的驱动足40均与转子3的外壁抵接，驱动足40用于驱动转子3绕转子3的水平轴线转动进而带动电机轴30以转子3的水平轴线为轴进行摆动。

本发明提供的一种压电电机的工作过程：首先需要说明的是，向压电驱动器4通入三角波电流后，其内部的压电陶瓷材料会产生膨胀——收缩的周期性变化，通过压电陶瓷材料产生的机械变化驱动压电驱动器4的驱动足40产生位移变化，当然，为满足压电驱动器4的驱动特性要求，通常情况下，通过调制三角波的波型而得到压电陶瓷材料缓慢膨胀——快速收缩的周期变化，从而得到驱动足40慢进驱动——快退回收的运动状态。

当需要电机轴30向一个方向进行摆动时，使对应于该方向上的压电驱动器4连通电流，该压电驱动器4开始工作，通过其驱动足40与转子3外壁的摩擦力驱动转子3绕滚子组件20沿驱动力方向转动(绕转子3的水平轴线转动)，从而带动电机轴30以转子3的水平轴线为摆动轴进行摆动，当需要将电机轴30复位或者向相反方向摆动时，将与该压电驱动器4沿转子3的竖直轴线对称设置的另一压电驱动器4连通电流，转子3在驱动足40的摩擦驱动作用下复位或反向转动，多个压电驱动器4对应电机轴30需要摆动的多个方向，相互对称的其中两个压电驱动器4能够满足电机轴30一个自由度的运动控制，由于各个压电驱动器4是各自独立通电工作，因此各个压电驱动器4能够具备独立的控制策略，当然，也可以以一个自由度为单位将相应的两个压电驱动器4共用一个控制策略，可见，每个控制策略只负责一个运动自由度(一维运动)，因此，控制策略的编辑和实施简单稳定。

本发明提供的一种压电电机，与现有技术相比，压电驱动器4的驱动足40与转子3外壁抵接，滚子组件20与转子3内壁滚动接触，因此，转子3能够在任一驱动足40对转子3外壁的摩擦驱动下，绕滚子组件20(转子3的水平轴线)沿驱动力方向进行转动，从而带动设于转子3顶部的电机轴30以转子3的水平轴线为轴进行摆动，任意两个以转子3的竖直轴线为中心对称的压电驱动器4能够分别驱动转子3向相反的方向转动(即实现电机轴30的沿一个方向的摆动自由度)，多个压电驱动器4以转子3的竖直轴线为中心两两对称设置，从而能够实现电机轴30多个方向的摆动自由度(压电驱动器4总数的一半)，每个压电驱动器4能够进行单独控制，或用于驱动一个自由度的两个压电驱动器4进行组合控制，因此，电机轴30的每个方向的摆动自由度均能够设计单独的控制策略，最终通过各个自由度控制策略组合即可实现多自由度控制，控制策略简单、故障率低，能够有效降低故障停机率，保证设备运行稳定、可靠。

作为本发明提供的一种压电电机的一种具体实施方式，请参阅图2及图5，压电驱动器4包括基座41、压电陶瓷堆叠42、杠杆柔性铰链43以及角型柔性铰链44；其中，基座41与壳体1的内壁固定连接，基座41背离壳体1内壁的侧壁上设有凹槽411，凹槽411的一侧槽壁上设有长条槽412，长条槽412由凹槽411的槽壁向基座41的顶端或底端延伸；压电陶瓷堆叠42设于长条槽412内，一端与长条槽412的槽底抵接，另一端沿长条槽412的延伸方向延伸至长条槽412的口部；杠杆柔性铰链43的一端与凹槽411的槽底固定连接，另一端沿凹槽411的深度方向延伸至凹槽411的口部，杠杆柔性铰链43朝向长条槽412的侧壁设有连接臂431，连接臂431与压电陶瓷堆叠42的延伸端抵接；角型柔性铰链44的一端与杠杆柔性铰链43的延伸端连接，另一端与凹槽411的口部侧壁连接，角型柔性铰链44向凹槽411的外部弯折且驱动足40为角型柔性铰链44的弯折角。

本发明所采用的压电驱动器4的具体工作方式：压电陶瓷堆叠42通电(三角波电流)后发生缓慢膨胀——快速收缩的周期性变化，当压电陶瓷堆叠42膨胀时，其延伸端对连接臂431产生推力，从而使杠杆柔性铰链43的延伸端发生摆动，由于杠杆柔性铰链43的一端固定，因此其延伸端的摆动距离会大于压电陶瓷堆叠42膨胀产生的初始位移，可见，杠杆柔性铰链43具有位移放大的作用，其延伸端的摆动带动角型柔性铰链44与杠杆柔性铰链43的连接端产生位移变化，因此其角型柔性铰链44的弯折角(即驱动足40)随之发生位移变化，应当理解，由于角型柔性铰链44的倾斜传力效果，因此驱动足40产生的位移变化可分解为相互垂直的两个方向，一个方向沿转子3外壁的切向用于驱动转子3沿该方向绕转子3的水平轴线进行转动，进而带动电机轴30以该水平轴线为摆动轴进行摆动，另一方向沿转子3外壁的法向用于增大驱动足40与转子3外壁之间的压力，从而提高驱动足40与转子3外壁之间的摩擦力，提高驱动力以确保驱动稳定可靠；

当压电陶瓷堆叠42收缩时，杠杆柔性铰链43的延伸端在连接臂431的带动下随之产生反向位移，从而带动驱动足40反向运动，同样的，由于角型柔性铰链44的倾斜传力效果，驱动足40具有沿转子3外壁切向和法向两个方向的位移，当然两个方向与压电陶瓷堆叠42膨胀过程的位移方向完全相反，驱动足40不再向转子3外壁施加挤压力，因此这个过程驱动足40在转子3外壁进行滑移，避免驱动足40复位过程与转子3外壁粘连而带动转子3回转的现象。

利用压电陶瓷堆叠42的周期性变化使驱动足40发生连续步进动作，利用杠杆柔性铰链43的位移放大功能能够提高驱动足40的输出位移，利用角型柔性铰链44使驱动足40产生沿转子3外壁的切向和法向位移，在满足驱动位移足够大的同时提高了驱动力，从而提高转子3运动的稳定性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图5，角型柔性铰链44的弯折角外侧圆滑过渡，内侧开设有分割槽440。弯折角外侧作为驱动足40与转子3外壁进行摩擦接触，由于转子3外壁为圆滑球面，因此将弯折角外侧圆滑过渡能够保证驱动足40与转子3外壁的良好接触，通过开设分割槽440，一方面能够使驱动足40形成薄壁结构，在挤压转子3外壁时容易受压而变形，从而增大与转子3外壁的接触面积，增大摩擦力，从而提高驱动稳定性，另一方面当角型柔性铰链44在角度变化过程(两条边夹角变小)，分割槽440有利于防止其两条边之间的相互挤压而增大变形阻力，影响驱动稳定。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5，杠杆柔性铰链43与凹槽411的连接端的两侧壁分别设有第一圆弧槽430，且两个第一圆弧槽430分别朝向凹槽411的两侧槽壁。压电陶瓷堆叠42在周期性变化过程中带动杠杆柔性铰链43摆动，由于压电陶瓷堆叠42向连接臂431施力，因此杠杆柔性铰链43的主要变形位置在于其与凹槽411的连接端，通过设置两个第一圆弧槽430，一方面能够消除杠杆柔性铰链43柔性铰链在变形过程中的应力集中，另一方面能够降低杠杆柔性铰链43的变形阻力，提高其延伸端向角型柔性铰链44的作用力，进而提高驱动足40的驱动力。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5，连接臂431朝向杠杆柔性铰链43两端的两侧壁分别设有第二圆弧槽4310。在杠杆柔性铰链43摆动过程中，连接臂431也将相应发生形变，通过设置第二圆弧槽4310能够消除连接臂431在形变过程的应力集中，并且还能够降低其变形阻力，避免压电陶瓷堆叠42的驱动力损失。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图5，基座41上螺纹连接有预紧螺杆45，预紧螺杆45沿长条槽412的延伸方向穿过长条槽412的槽底向长条槽412内部延伸，且延伸端设有垫片46，垫片46与压电陶瓷堆叠42的端部抵接。通过旋转预紧螺杆45，能够调整压电陶瓷堆叠42与连接臂431之间的预紧力，确保压电陶瓷堆叠42的驱动力和变形量能够灵活调整，保证驱动精度；设置垫片46能够防止预紧螺栓5(尤其是在其转动过程)损坏压电陶瓷堆叠42。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，基座41与壳体1连接的侧壁上设有多个螺纹孔413，壳体1的侧壁设有与多个螺纹孔413一一对应的多个滑孔11，每个滑孔11内均滑动连接有螺栓5且螺栓5与螺纹孔413对应连接。基座41和壳体1的加工制作方便，压电驱动器4的安装连接简单可靠。

在本实施例中，请参阅图2及图3，壳体1的内壁与基座41之间间隔设有多个弹性元件6。具体的，弹性元件6可以为弹簧或碟簧，弹性元件6可以是套设在螺栓5上，也可以是套设在设于壳体1内壁的销轴上，两端分别与壳体1的内壁和基座41抵接。通过弹性元件6能够使压电驱动器4与壳体1之间形成弹性连接关系，通过调节螺栓5旋入螺纹孔413中的深度，能够调整压电驱动器4的驱动足40与转子3外壁之间的初始接触压力，当压电陶瓷堆叠42膨胀时，由于驱动足40具有沿转子3法向的位移，在该法向位移超出驱动足40的变形范围时，基座41开始压缩弹性元件6，使螺栓5在滑孔11内滑动，从而使驱动足40向反向移动，从而避免驱动足40受压变形过大而损坏，提高压电驱动器4的使用寿命。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2，滚子组件20包括滚子架201、安装环202以及至少两组滚珠203；其中，滚子架201的中心与定子2的顶端固定连接；安装环202套设于滚子架201上；至少两组滚珠203沿安装环202的轴向间隔嵌装于安装环202的外壁，每组滚珠203均与转子3的内壁滚动接触。每组滚珠203均能够在安装环202上自由转动，至少两组滚珠203能够确保滚子组件20与转子3内壁形成稳定接触面，从而保证转子3在滚子组件20上转动平稳；滚子架201中心与定子2顶端固接，确保定子2与第二避让孔31的边沿在各方向上的距离一致，避免转子3转动过程中定子2与第二避让孔31的边沿发生干涉。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，壳体1的顶部可拆卸连接有盖板10，第一避让孔100设于盖板10上。拆下盖板10后方便对壳体1内部零件进行安装、维修及更换，操作简单，且壳体1与盖板10结构简单，加工制作成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种压电电机，其特征在于，包括：

壳体，顶部设有与其内腔连通的第一避让孔；

定子，底端固接于所述壳体的底部，顶端设有滚子组件；

转子，呈空心球型且位于所述壳体内部，顶部设有电机轴，底部设有与其内腔连通的第二避让孔，所述电机轴向上穿过所述第一避让孔且伸出所述壳体外部；所述转子罩设在所述滚子组件外部，且内壁与所述滚子组件滚动接触；

多个压电驱动器，间隔设于所述壳体的内壁且与所述转子的竖直轴线为中心两两对称，每一所述压电驱动器的驱动足均与所述转子的外壁抵接，所述驱动足用于驱动所述转子绕所述转子的水平轴线转动进而带动所述电机轴以所述转子的水平轴线为轴进行摆动；

所述压电驱动器包括：

基座，与所述壳体的内壁固定连接，所述基座背离所述壳体内壁的侧壁上设有凹槽，所述凹槽的一侧槽壁上设有长条槽，所述长条槽由所述凹槽的槽壁向所述基座的顶端或底端延伸；

压电陶瓷堆叠，设于所述长条槽内，一端与所述长条槽的槽底抵接，另一端沿所述长条槽的延伸方向延伸至所述长条槽的口部；

杠杆柔性铰链，一端与所述凹槽的槽底固定连接，另一端沿所述凹槽的深度方向延伸至所述凹槽的口部，所述杠杆柔性铰链朝向所述长条槽的侧壁设有连接臂，所述连接臂与所述压电陶瓷堆叠的延伸端抵接；

角型柔性铰链，一端与所述杠杆柔性铰链的延伸端连接，另一端与所述凹槽的口部侧壁连接，所述角型柔性铰链向所述凹槽的外部弯折且所述驱动足为所述角型柔性铰链的弯折角。

2.如权利要求1所述的一种压电电机，其特征在于：所述角型柔性铰链的弯折角外侧圆滑过渡，内侧开设有分割槽。

3.如权利要求1所述的一种压电电机，其特征在于：所述杠杆柔性铰链与所述凹槽的连接端的两侧壁分别设有第一圆弧槽，且两个所述第一圆弧槽分别朝向所述凹槽的两侧槽壁。

4.如权利要求1所述的一种压电电机，其特征在于：所述连接臂朝向所述杠杆柔性铰链两端的两侧壁分别设有第二圆弧槽。

5.如权利要求1所述的一种压电电机，其特征在于：所述基座上螺纹连接有预紧螺杆，所述预紧螺杆沿所述长条槽的延伸方向穿过所述长条槽的槽底向所述长条槽内部延伸，且延伸端设有垫片，所述垫片与所述压电陶瓷堆叠的端部抵接。

6.如权利要求1所述的一种压电电机，其特征在于：所述基座与所述壳体连接的侧壁上设有多个螺纹孔，所述壳体的侧壁设有与多个所述螺纹孔一一对应的多个滑孔，每个所述滑孔内均滑动连接有螺栓且所述螺栓与所述螺纹孔对应连接。

7.如权利要求6所述的一种压电电机，其特征在于：所述壳体的内壁与所述基座之间间隔设有多个弹性元件。

8.如权利要求1所述的一种压电电机，其特征在于，所述滚子组件包括：

滚子架，中心与所述定子的顶端固定连接；

安装环，套设于所述滚子架上；

至少两组滚珠，沿所述安装环的轴向间隔嵌装于所述安装环的外壁，每组所述滚珠均与所述转子的内壁滚动接触。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种压电电机，其特征在于：所述壳体的顶部可拆卸连接有盖板，所述第一避让孔设于所述盖板上。

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