CN112366978B - 一种利用平动齿轮传动的压电电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用平动齿轮传动的压电电机，属于压电电机技术领域。包括定子、转子、XY微位移平台、第一驱动机构和第二驱动机构；转子为直齿齿轮，设于XY微位移平台上；定子为直齿齿圈设于定子座内，定子和转子啮合传动；第一驱动机构、第一配重块、第二驱动机构和第二配重块通过柔性铰链均布在定子座的外圆周上；第一驱动机构由一对位移放大机构和压电叠堆构成A组振子；第二驱动机构由一对位移放大机构和压电叠堆构成B组振子；A组振子和B组振子均在谐振状态下工作，A组振子的输出位移或B组振子的输出位移通过柔性铰链和定子座传递到定子上，再由转子输出。本发明有利于发挥压电驱动器的高功率密度输出特性，能量损耗减小，传动效率高。
Description
技术领域
本发明属于压电电机技术领域，具体涉及一种利用平动齿轮传动的压电电机。
背景技术
压电电机是当前新型驱动器的研究热点，驱动原理上利用了压电陶瓷的电致伸缩效应，具有分辨率高，响应速度快，无电磁干扰，断电自锁等优点。目前发展起来的压电电机主要是利用定子的机械振动，通过定子和转子间的摩擦耦合实现连续旋转或直线运动，摩擦损耗导致了这些电机的输出效率大大降低。为了解决摩擦损耗的问题，目前常见的做法是研发新型摩擦材料，虽然这种方法能够提高电机的使用寿命和效率，但并没有改变摩擦驱动的本质，没有从根本上消除滑动摩擦和摩擦损耗。本发明将平动齿轮传动与压电驱动相结合，提出了一种利用平动齿轮传动的压电电机，极大的减小了系统的摩擦损耗，同时两组压电振子均工作在谐振状态下，输出功率较大。
一种利用压电振子输入的能量带动偏心转子转动的压电马达，该压电马达的平均效率为25.3％，最大输出功率为8.45W。现存的压电马达中功率超过1W,效率超过10％的压电马达大多都是超声电机，而工作在低频下的压电马达输出功率大多很低，其本质原因还是因为摩擦损耗较大。另一种压电摆线马达，该压电马达的定子是内齿轮，转子是外齿轮，由于是利用齿轮传动，所以从本质上减小了摩擦损耗。但是该齿轮的模数为0.082，定转子的齿数分别为405和400，单个齿的全齿高为0.013mm，加工难度极大。由于其定转子的齿形极小，其负载能力儿也会大大减弱，最大输出转矩为0.014Nm，最大效率为25.5％。
发明内容
为了解决现有的压电摩擦型电机摩擦损耗大、功率损失大、传动效率低、传动精度不高等问题，本发明提供一种利用平动齿轮传动的压电电机。
一种利用平动齿轮传动的压电电机包括定子12、转子13、XY微位移平台9、第一驱动机构和第二驱动机构；
所述转子13为直齿齿轮，通过轮轴、轴承和轴承座10的配合活动设于XY微位移平台9上；
所述定子12为直齿齿圈，定子12固定设于定子座11内，定子座11为圆环状；定子12和转子13啮合传动；
所述定子座11的外圆周上分别通过柔性铰链设有第一驱动机构、第一配重块16、第二驱动机构和第二配重块17；第一驱动机构和第二驱动机构相邻；第一配重块16和第二配重块17；第一驱动机构和第一配重块16在X方向上，第二驱动机构和第二配重块17在Y方向上；
所述第一驱动机构包括第一振子座1、第一压电叠堆2、第一位移放大机构3、第二位移放大机构4；所述第一压电叠堆2固定设于第一位移放大机构3上，第一位移放大机构3、第一压电叠堆2和第二位移放大机构4构成A组振子；
所述第二驱动机构包括第二振子座5、第二压电叠堆6、第三位移放大机构7、第四位移放大机构8；所述第二压电叠堆6设于第三位移放大机构7上，第三位移放大机构7、第二压电叠堆6和第四位移放大机构8构成B组振子；
所述A组振子和B组振子均在谐振状态下工作，A组振子的输出位移或B组振子的输出位移通过柔性铰链和定子座11传递到定子12上，再由转子13输出。
进一步限定的技术方案如下：
所述定子12的外圆周和定子座11的内圆周之间通过过盈配合固定连接。
所述第一位移放大机构3、第二位移放大机构4、第三位移放大机构7和第四位移放大机构8均为结构相同的菱形空心框架；菱形空心框架中的一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线；所述第一压电叠堆2固定设于第一位移放大机构3的长对角线上，所述第二压电叠堆6固定设于第三位移放大机构7的长对角线上。
所述第一位移放大机构3的输入刚度为第一压电叠堆2的输出刚度的十分之一到六分之一，第三位移放大机构7的输入刚度为第二压电叠堆6的输出刚度的十分之一到六分之一。
所述A组振子的激励信号和B组振子的激励信号的相位差为90°。
所述转子13的外圆周上均布设有四个轮齿段，每个轮齿段上设有4-8轮齿，转子13的四个轮齿段分别和定子12啮合传动；转子13的齿数比定子12的齿数少1-4个；定子12的齿顶圆和转子13的齿顶圆之间的间隙为0.1-1mm。
所述第一配重块16的质量和第二配重块17的质量相同，质量为20-500g。
所述XY微位移平台9为XY-60-L型号的微位移平台。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明将平动齿轮传动与压电驱动相结合，极大的减小了系统的摩擦损耗，传动比精确可控，传动精度大大提高。现有的压电马达，无论是摩擦型还是齿轮传动，其输出效率大都在26％以下，本发明由于采用的是内平动齿轮传动，其摩擦损耗大大减小，输出效率越高代表系统的能量损耗越小。
参见图5所示t0时刻齿轮啮合的受力分析示意图进行分析，由图可知：
F1＝Foutsinα
则转子的输出力矩T＝F1×r，该电机的输出功率Pout＝T×n÷9550，这里n代表转子输出转速。
激励电压为400V时，理论最大输出功率为27.05W。本实例中压电叠堆工作在200Hz，其理论最大输入功率为33.452W。
由于齿轮啮合传动过程中没有相对滑动，因而效率极高，该电机的理论效率为80.86％。
2.本发明的压电陶瓷工作在谐振状态下，有利于发挥压电叠堆高功率密度输出的特点，进而提升利用平动齿轮传动的压电电机的输出性能。该马达在工作频率为200Hz(谐振)时，理论输出扭矩为1.7934N·m，输出扭矩越大，代表系统的带负载能力越强。
3.本发明的断电齿轮自动复位，无需再调整，无电磁干扰，可靠性高，稳定性好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是核心传动部分的结构示意图；
图3是压电叠堆与位移放大机构的装配示意图；
图4a是位移放大机构的变形前(实线)与变形后(虚线)的几何关系示意图；
图4b是位移放大机构的放大原理图；
图5a是齿轮啮合的受力分析示意图；
图5b是图5a中虚线方框内结构的局部放大图；
图6a是核心传动部分的初始位置图；
图6b是图6a中内齿轮与外齿轮位置关系的局部放大图；
图7是A组振子和B组振子的激励电压与相位差关系图；
图8a是对应着图7中电压激励下t0时刻定子与转子的相对位置；
图8b是图8a中的中内齿轮与外齿轮位置关系的局部放大图；
图9a是对应着图7中电压激励下t1时刻定子与转子的相对位置；
图9b是图9a中的中内齿轮与外齿轮位置关系的局部放大图；
图10a是对应着图7中电压激励下t2时刻定子与转子的相对位置；
图10b是图10a中的中内齿轮与外齿轮位置关系的局部放大图；
图11a是对应着图7中电压激励下t3时刻定子与转子的相对位置；
图11b是图11a中的中内齿轮与外齿轮位置关系的局部放大图；
上图中序号：第一振子座1、第一压电叠堆2、第一位移放大机构3、第二位移放大机构4、第二振子座5、第二压电叠堆6、第三位移放大机构7、第四位移放大机构8、XY微位移平台9、轴承座10、定子座11、定子12、转子13、轴承14、输出轴15、第一配重块16、第二配重块17。
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说明。
参见图1，一种利用平动齿轮传动的压电电机包括定子12、转子13、XY微位移平台9、第一驱动机构和第二驱动机构。XY微位移平台9为XY-60-L型号的微位移平台。
参见图2，XY微位移平台9底部固定，轴承座10通过螺栓固定在XY微位移平台9的工作平面上，轴承14的外圈与转子13内孔为过盈配合，轴承14的内圈与轴承座10的支撑轴为过盈配合；转子13为直齿齿轮，通过轮轴、轴承14和轴承座10的配合活动安装于XY微位移平台9上。定子12为直齿齿圈，定子12固定安装于定子座11内，定子座11为圆环状，定子12的外圆周和定子座11的内圆周之间通过过盈配合固定连接。参见图5，转子13的外圆周上均布设有四个轮齿段，每个轮齿段上设有5轮齿，转子13的四个轮齿段分别和定子12啮合传动；转子13的齿数比定子12的齿数少3个；定子12的齿顶圆和转子13的齿顶圆之间的间隙为0.1mm。
参见图1，定子座11的外圆周上分别通过柔性铰链安装有第一驱动机构、第一配重块16、第二驱动机构和第二配重块17。第一驱动机构和第二驱动机构相邻，第一驱动机构和第二驱动机构之间的相位角为90度。第一配重块16和第二配重块17相邻，第一配重块16和第二配重块17之间的相位角为90度。第一驱动机构和第一配重块16在X方向上，第二驱动机构和第二配重块17在Y方向上；第一配重块16的质量和第二配重块17的质量相同，质量均为200g。
参见图2，第一驱动机构包括第一振子座1、第一压电叠堆2、第一位移放大机构3、第二位移放大机构4。第一压电叠堆2固定安装于第一位移放大机构3上，第一位移放大机构3、第一压电叠堆2和第二位移放大机构4构成A组振子。第二驱动机构包括第二振子座5、第二压电叠堆6、第三位移放大机构7、第四位移放大机构8；第二压电叠堆6安装于第三位移放大机构7上，第三位移放大机构7、第二压电叠堆6和第四位移放大机构8构成B组振子。
参见图3，第一位移放大机构3、第二位移放大机构4、第三位移放大机构7和第四位移放大机构8均为结构相同的菱形空心框架。菱形空心框架中的一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线；第一压电叠堆2固定安装于第一位移放大机构3的长对角线上，第二压电叠堆6固定安装于第三位移放大机构7的长对角线上。
第一位移放大机构3的输入刚度为第一压电叠堆2的输出刚度的十分之一，第三位移放大机构7的输入刚度为第二压电叠堆6的输出刚度的十分之一。
A组振子和B组振子均在谐振状态下工作，A组振子的激励信号和B组振子的激励信号的相位差为90°。
A组振子的输出位移或B组振子的输出位移通过柔性铰链和定子座11传递到定子12上，再由转子13输出。
本发明的工作原理详细说明如下：
第一压电叠堆2和第二压电叠堆6分别受到第一位移放大机构3和第三位移放大机构7所施加的预压力大小为700N。应当指出该数值仅针对本发明实验中的一种情况，如果选择不同规格的压电叠堆，则预压力的大小也需要进行相应调整。
A组振子和B组振子在竖直方向上的高度是可调的，这是为了保证定子12与转子13的上表面重合。
参见图3，Din代表压电叠堆输出位移，Dout代表位移放大机构输出位移，Fin代表压电叠堆输出力，Fout代表位移放大机构输出力。
Fin＝ka·nd33V
Ka代表压电叠堆的输出刚度，n代表压电片的层数(本实施例中n＝26)，d33代表压电常数，V代表激励电压。
图4(a)所示为位移放大机构的变形前(实线)与变形后(虚线)的几何关系示意图，其中，θ是菱形四边形边长AB与水平x轴之间的夹角，L1是菱形四边形的AB边长，L2是输出端宽度。当压电叠堆在电压激励下产生Δx的位移时，通过放大机构转化为y方向的位移输出，大小为Δy，根据几何关系可得Δx与Δy的表达式如下：
(L1cosθ+Δx)2+(L1sinθ-Δy)2＝L1 2
则位移放大机构的放大比M为：
本实施例中，M的理论计算值为5.56，有限元仿真分析结果为4.64，实际测得结果为4.6。
如图4(b)所示，位移放大机构的输出力为Fin，输出力为Fout，通过受理分析可得，在θ较小的工作状态下，该位移放大机构的力放大比为：
由于两组振子的相位差为90°，则合力方向在任意时刻均为转子径向方向，大小为Fout,选取图5(a)所示t0时刻齿轮啮合的受力分析示意图进行分析，由图5(b)可知：
F1＝Foutsinα
则转子的输出力矩T＝F1×r，该电机的输出功率Pout＝T×n÷9550，这里n代表转子输出转速。
激励电压为400V时，理论输出力矩为1.7934N·m，理论最大输出功率为27.05W。本实例中压电叠堆工作在200Hz，其理论最大输入功率为33.452W。
由于齿轮啮合传动过程中没有相对滑动，因而效率极高，该电机的理论效率为80.86％。
如图6(a)所示，在A组振子和B组振子均未接入电压激励时，定子12与转子13的位置关系应如图6(b)所示，定子12与转子13的齿顶圆间存在一定间隙，该间隙需要根据A,B两组振子的输出位移和啮合深度进行合理设计，XY微位移平台9是为了在这一步中调节定子12与转子13的位置关系，使定子12与转子13间的间隙合理，本发明中，该间隙大约为0.1mm。
如图7所示，正弦电压激励信号A和正弦电压激励信号B分别是A组振子和B组振子的激励信号，A组振子或B组振子的输出位移峰值需要与内外齿轮间隙以及啮合深度之和相匹配，实验中，采用两组位移传感器分别对A组振子和B组振子的输出位移进行实时监测，从而调节A组振子和B组振子的输入电压，得到较为理想的输出轨迹。
定子12与转子13是根据平动齿轮副传动的原理进行设计的，为了降低定子12与转子13的啮合条件，对转子13进行了裁剪，只保留其中一部分齿，这一改进既降低了齿轮副啮合所需的条件限制，又保证了齿轮啮合的稳定性。A组振子和B两组振子的输出位移信号是相位差为90°的两路正弦位移信号，合成之后则是一个圆形位移轨迹，定子12随着定子座11沿圆形轨迹摆动，带动13转动。
在A组振子和B组振子分别接入图7所示的正弦电压激励信号A和正弦激励信号B后：
t0时刻A组振子和B两组振子的相对位置情况如图8(a)所示，图8(a)中实线表示变形后的结构，图8(a)中底部虚线表示未变形的结构，以此形成结构变形前后的对比，图8(b)为图8(a)中定子12和转子13为局部放大图，用以表现出此时齿轮啮合的特征。具体工作原理如下：t0时刻第一压电叠堆2激励电压为正，第一压电叠堆沿x轴方向伸长。结合图3可知，此时第一位移放大机构3的上端固定，下端产生沿y轴正方向的位移，该过程我们称之为位移放大机构沿y方向收缩。第一位移放大机构3沿y方向收缩，牵引着第二位移放大机构4产生沿y轴正方向的运动，带动定子座11和定子12沿y轴正方向运动。此时第二压电叠堆6的激励电压为0，即B组振子未产生由电压激励引起的变形，由于第四位移放大机构8也与定子座11相连，在A组振子的作用下，B组振子会沿y轴正方向产生一定的偏摆角度。由于转子13是通过轴承固定在轴承座上，其几何回转中心位置不会改变，定子12沿y轴正方向运动，定子12和转子13接触啮合，接触情况如图8(b)所示。
t1时刻A组振子和B两组振子的相对位置情况如图9(a)所示，图9(a)中实线表示变形后的结构，图9(a)中底部虚线表示未变形的结构，以此形成结构变形前后的对比，图9(b)为图9(a)中定子12和转子13为局部放大图，用以表现出此时齿轮啮合的特征。具体工作原理如下：t1时刻第二压电叠堆6激励电压为负，第二压电叠堆沿y轴方向伸长。此时第三位移放大机构7的左端固定，右端产生沿x轴正方向的位移，该过程称之为位移放大机构沿x方向伸长。第三位移放大机构7沿x方向伸长，牵引着第四位移放大机构8产生沿x轴正方向的运动，带动定子座11和定子12沿x轴正方向运动。此时第一压电叠堆2的激励电压为0，即A组振子未产生由电压激励引起的变形，由于第二位移放大机构4也与定子座11相连，在B组振子的作用下，A组振子会沿x轴正方向产生一定的偏摆角度。由于转子13是通过轴承固定在轴承座上，其几何回转中心位置不会改变，定子12沿x轴正方向运动，定子12和转子13接触啮合，接触情况如图9(b)所示。
t2时刻A组振子和B两组振子的相对位置情况如图10(a)所示，图10(a)中实线表示变形后的结构，图10(a)中底部虚线表示未变形的结构，以此形成结构变形前后的对比，图10(b)为图10(a)中定子12和转子13为局部放大图，用以表现出此时齿轮啮合的特征。具体工作原理如下：t2时刻第一压电叠堆2激励电压为负，第一压电叠堆沿x轴方向收缩。结合图3可知，此时第一位移放大机构3的上端固定，下端产生沿y轴负方向的位移，该过程我们称之为位移放大机构沿y方向伸长。第一位移放大机构3沿y方向伸长，推动着第二位移放大机构4产生沿y轴负方向的运动，带动定子座11和定子12沿y轴负方向运动。此时第二压电叠堆6的激励电压为0，即B组振子未产生由电压激励引起的变形，由于第四位移放大机构8也与定子座11相连，在A组振子的作用下，B组振子会沿y轴负方向产生一定的偏摆角度。由于转子13是通过轴承固定在轴承座上，其几何回转中心位置不会改变，定子12沿y轴负方向运动，定子12和转子13接触啮合，接触情况如图10(b)所示。
t3时刻A组振子和B两组振子的相对位置情况如图11(a)所示，图11(a)中实线表示变形后的结构，图11(a)中底部虚线表示未变形的结构，以此形成结构变形前后的对比，图11(b)为图11(a)中定子12和转子13为局部放大图，用以表现出此时齿轮啮合的特征。具体工作原理如下：t3时刻第二压电叠堆6激励电压为正，第二压电叠堆6沿y轴方向收缩。此时第三位移放大机构7的左端固定，右端产生沿x轴负方向的位移，该过程我们称之为位移放大机构沿x方向收缩。第三位移放大机构7沿x方向收缩，牵引着第四位移放大机构8产生沿x轴负方向的运动，带动定子座11和定子12沿x轴负方向运动。此时第一压电叠堆2的激励电压为0，即A组振子未产生由电压激励引起的变形，由于第二位移放大机构4也与定子座11相连，在B组振子的作用下，A组振子会沿x轴负方向产生一定的偏摆角度。由于转子13是通过轴承固定在轴承座上，其几何回转中心位置不会改变，定子12沿x轴负方向运动，定子12和转子13接触啮合，接触情况如图11(b)所示。
实际过程中两组振子的输出位移不可能完全一致，所以需要通过传感器进行实时检测两组振子的输出位移，合理调整两组振子的激励电压幅值，使两组振子的位移尽可能接近。
当在该压电电机工作时停止激励，此时压电振子会停止工作，定子12不再运动，由于齿间作用力，转子13也会立刻停止转动，再次激励压电振子时，无需手动调整转子13的位置，转子13也能正常转动。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明领域所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用平动齿轮传动的压电电机，其特征在于：
包括定子（12）、转子（13）、XY微位移平台（9）、第一驱动机构和第二驱动机构；
所述转子（13）为直齿齿轮，通过轮轴、轴承和轴承座（10）的配合活动设于XY微位移平台（9）上；
所述定子（12）为直齿齿圈，定子（12）固定设于定子座（11）内，定子座（11）为圆环状；定子（12）的外圆周和定子座（11）的内圆周之间通过过盈配合固定连接；定子（12）和转子（13）啮合传动；
所述定子座（11）的外圆周上分别通过柔性铰链设有第一驱动机构、第一配重块（16）、第二驱动机构和第二配重块（17）；第一驱动机构和第二驱动机构相邻；第一配重块（16）和第二配重块（17）相邻；第一驱动机构和第一配重块（16）在X方向上，第二驱动机构和第二配重块（17）在Y方向上；
所述第一配重块（16）的质量和第二配重块（17）的质量相同；
所述转子（13）的外圆周上均布设有四个轮齿段，每个轮齿段上设有4-8轮齿，转子（13）的四个轮齿段分别和定子（12）啮合传动；转子（13）的齿数比定子（12）的齿数少1-4个；
所述第一驱动机构包括第一振子座（1）、第一压电叠堆（2）、第一位移放大机构（3）、第二位移放大机构（4）；所述第一压电叠堆（2）固定设于第一位移放大机构（3）上，第一位移放大机构（3）、第一压电叠堆（2）和第二位移放大机构（4）构成A组振子；
所述第二驱动机构包括第二振子座（5）、第二压电叠堆（6）、第三位移放大机构（7）、第四位移放大机构（8）；所述第二压电叠堆（6）设于第三位移放大机构（7）上，第三位移放大机构（7）、第二压电叠堆（6）和第四位移放大机构（8）构成B组振子；
所述第一位移放大机构（3）、第二位移放大机构（4）、第三位移放大机构（7）和第四位移放大机构（8）均为结构相同的菱形空心框架；菱形空心框架中的一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线；所述第一压电叠堆（2）固定设于第一位移放大机构（3）的长对角线上，所述第二压电叠堆（6）固定设于第三位移放大机构（7）的长对角线上；
所述第一位移放大机构（3）的输入刚度小于第一压电叠堆（2）的输出刚度的十分之一到六分之一，第三位移放大机构（7）的输入刚度小于第二压电叠堆（6）的输出刚度的十分之一到六分之一；
所述A组振子的激励信号和B组振子的激励信号的相位差为90°；
所述A组振子和B组振子均在谐振状态下工作，A组振子的输出位移或B组振子的输出位移通过柔性铰链和定子座（11）传递到定子（12）上，再由转子（13）输出。
2.根据权利要求1所述的一种利用平动齿轮传动的压电电机，其特征在于：所述定子（12）的齿顶圆和转子（13）的齿顶圆之间的间隙为0.1-1mm。
3.根据权利要求1所述的一种利用平动齿轮传动的压电电机，其特征在于：所述第一配重块（16）的质量和第二配重块（17）的质量均为20-500g。
4.根据权利要求1所述的一种利用平动齿轮传动的压电电机，其特征在于：所述XY微位移平台（9）为XY-60-L型号的微位移平台。
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