CN112713804A - 一种压电驱动旋转型电机及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电驱动旋转型电机及其工作方法，压电驱动旋转型电机包含一个驱动圆环、一个定子环和八个作动模块。八个作动模块结构相同，均包含一个压电叠堆和一个驱动足。工作时，通过八个作动模块两两配合，使得驱动圆环发生弹性形变而产生位移，进而带动外圈发生转动。本发明利用弹性回复力进行驱动，不会产生噪音、不存在磨损，具有可靠性高、寿命长、输出扭矩大、精度高并且可控，具体可实现高精度空间机构要求在超低转速（0.001度/秒）、宽调速比（超过10000）范围内实现亚角秒级的运行精度。
Description
技术领域
本发明涉及弹性驱动领域，尤其涉及一种压电驱动旋转型电机及其工作方法。
背景技术
以行波型超声电机为代表的压电作动器是依靠定子和动子之间的滑动摩擦力作为驱动力对外做功输出，定、动子间的高频、间歇接触滑动不可避免地带来发热和磨损问题，降低压电作动器的输出性能和使用寿命。此外，压电作动器作动头表面质点的复合运动轨迹很容易受到正压力的作用发生畸变，压电作动器很难通过无限增大正压力提高输出扭矩，因为正压力的增大会减小作动头的法向变形幅度，当正压力超过一定极限压电作动器会出现卡死状况。高精度空间机构要求在超低转速（0.001 度/秒）、宽调速比（超过 10000）范围内实现亚角秒级的运行精度，超声电机在轨长期连续工作下存在功能元件性能衰减、材料蠕变，摩擦界面预压力变化， 面临高性能经时稳定的挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电驱动旋转型电机及其工作方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种压电驱动旋转型电机，包含驱动圆环、定子、以及第一至第八作动模块；
所述驱动圆环采用弹性介质制成，呈圆环状，且其内壁开有环形凹槽；
所述第一至第八作动模块结构相同，均包含一个压电叠堆和一个驱动足，所述驱动足固定在所述压电叠堆的一端；
所述定子采用刚性物质制成，呈圆环状，且定子设置在驱动圆环内、和驱动圆环同轴；
所述第一至第八作动模块周向均匀设置在驱动圆环和定子之间，其压电叠堆远离驱动足的一端指向定子圆心且和定子的外壁固连，其驱动足和驱动圆环内壁的环形凹槽相抵。
作为本发明一种压电驱动旋转型电机进一步的优化方案，所述定子的外壁铣削成正八边形，所述第一至第八作动模块中压电叠堆远离驱动足的一端一一对应固定在定子外壁八个端面的中心。
本发明还公开了一种该压电驱动旋转型电机的工作方法，包含如下步骤：
令第一至第八作动模块在驱动圆环内顺时针排列，如果需要输出轴正向转动：
步骤A.0），第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在预紧力的作用下，驱动圆环即转子呈锁死状态；
步骤A.1），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环撑大发生弹性形变，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；
步骤A.2），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第一、第五作动模块的压电叠堆继续通电，此时驱动圆环上的部分质点正向转动；
步骤A.3），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态正方向转过预设的第一角度阈值θ 1；
步骤A.4），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第二、第六作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤A.5），将第二、第六作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点正向转动；
步骤A.6），对第四、第八作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第三、第七作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤A.7），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环质点发生正向转动，整体较初始状态转过预设的第二角度阈值θ 2；
步骤A.8），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤A.9），跳转至步骤A.1）；
如果需要输出轴反向转动：
步骤B.0)，第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在预紧力的作用下，驱动圆环即转子呈锁死状态；
步骤B.1），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环撑大发生弹性形变，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；
步骤B.2），对第四、第八作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第一、第五作动模块的压电叠堆继续通电，此时驱动圆环上的部分质点反向转动；
步骤B.3），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态反方向转过θ 1；
步骤B.4），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.5），将第四、第八作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点反向转动；
步骤B.6），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第三、第七作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.7），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点反向转动，整体较初始状态转过θ 2；
步骤B.8），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.9），跳转至步骤B.1）。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 利用弹性回复力而非摩擦力驱动，不会产生噪音、不存在磨损，有利于提高旋转作动器的可靠性和使用寿命；
2. 利用以压电叠堆为代表的大输出力驱动源，可实现大负载驱动，提升作动器的输出扭矩；
3.可以实现高精度空间机构要求在超低转速（0.001 度/秒）、宽调速比（超过10000）范围内实现亚角秒级的运行精度。
附图说明
图1是本发明的整体结构平面示意图；
图2是本发明的整体结构轴测示意图；
图3是本发明正方向工作时步骤A.0）的状态示意图；
图4是本发明正方向工作时步骤A.1）的状态示意图；
图5是本发明正方向工作时步骤A.2）的状态示意图；
图6是本发明正方向工作时步骤A.3）的状态示意图；
图7是本发明正方向工作时步骤A.4）的状态示意图；
图8是本发明正方向工作时步骤A.5）的状态示意图；
图9是本发明正方向工作时步骤A.6）的状态示意图；
图10是本发明正方向工作时步骤A.7）的状态示意图；
图11是本发明正方向工作时步骤A.8）的状态示意图。
图中，1-驱动圆环，2-定子，3-第一作动模块，4-第二作动模块，5-第三作动模块，6-第四作动模块，7-第五作动模块，8-第六作动模块，9-第七作动模块，10-第八作动模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清晰起见放大了组件。
如图1、图2所示，本发明公开了一种压电驱动旋转型电机，包含驱动圆环、定子、以及第一至第八作动模块；
所述驱动圆环采用弹性介质制成，呈圆环状，且其内壁开有环形凹槽；
所述第一至第八作动模块结构相同，均包含一个压电叠堆和一个驱动足，所述驱动足固定在所述压电叠堆的一端；
所述定子采用刚性物质制成，呈圆环状，且定子设置在驱动圆环内、和驱动圆环同轴；
所述第一至第八作动模块周向均匀设置在驱动圆环和定子之间，其压电叠堆远离驱动足的一端指向定子圆心且和定子的外壁固连，其驱动足和驱动圆环内壁的环形凹槽相抵。
所述定子的外壁可以进一步铣削成正八边形，第一至第八作动模块中压电叠堆远离驱动足的一端一一对应固定在定子外壁八个端面的中心，这样使得整体结构更加轻便，且更加稳定。
第一至第八作动模块能够伸长和缩短，其驱动源可以是压电叠堆，也可以是液压缸、气缸、磁致伸缩材料、形状记忆合金等其他类型。
本发明还公开了一种该压电驱动旋转型电机的工作方法，包含如下步骤：
令第一至第八作动模块在驱动圆环内顺时针排列，如果需要输出轴正向转动：
步骤A.0），第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在预紧力的作用下，驱动圆环即转子呈锁死状态，如图3所示；
步骤A.1），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环撑大发生弹性形变，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环，如图4所示；
步骤A.2），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第一、第五作动模块的压电叠堆继续通电，此时驱动圆环上的部分质点正向转动，如图5所示；
步骤A.3），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态正方向转过预设的第一角度阈值θ 1，如图6所示；
步骤A.4），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第二、第六作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态，如图7所示；
步骤A.5），将第二、第六作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点正向转动，如图8所示；
步骤A.6），对第四、第八作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第三、第七作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态，如图9所示；
步骤A.7），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环质点发生正向转动，整体较初始状态转过预设的第二角度阈值θ 2，如图10所示；
步骤A.8），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态，如图11所示；
步骤A.9），跳转至步骤A.1）；
如果需要输出轴反向转动：
步骤B.0)，第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在预紧力的作用下，驱动圆环即转子呈锁死状态；
步骤B.1），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环撑大发生弹性形变，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；
步骤B.2），对第四、第八作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第一、第五作动模块的压电叠堆继续通电，此时驱动圆环上的部分质点反向转动；
步骤B.3），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态反方向转过θ 1；
步骤B.4），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.5），将第四、第八作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点反向转动；
步骤B.6），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第三、第七作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.7），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点反向转动，整体较初始状态转过θ 2；
步骤B.8），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.9），跳转至步骤B.1）。
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（包含技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，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 (3)
1.一种压电驱动旋转型电机，其特征在于，包含驱动圆环、定子、以及第一至第八作动模块；
所述驱动圆环采用弹性介质制成，呈圆环状，且其内壁开有环形凹槽；
所述第一至第八作动模块结构相同，均包含一个压电叠堆和一个驱动足，所述驱动足固定在所述压电叠堆的一端；
所述定子采用刚性物质制成，呈圆环状，且定子设置在驱动圆环内、和驱动圆环同轴；
所述第一至第八作动模块周向均匀设置在驱动圆环和定子之间，其压电叠堆远离驱动足的一端指向定子圆心且和定子的外壁固连，其驱动足和驱动圆环内壁的环形凹槽相抵。
2.根据权利要求1所述的压电驱动旋转型电机，其特征在于，所述定子的外壁铣削成正八边形，所述第一至第八作动模块中压电叠堆远离驱动足的一端一一对应固定在定子外壁八个端面的中心。
3.基于权利要求1所述的压电驱动旋转型电机的工作方法，其特征在于，包含如下步骤：
令第一至第八作动模块在驱动圆环内顺时针排列，如果需要输出轴正向转动：
步骤A.0），第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在预紧力的作用下，驱动圆环即转子呈锁死状态；
步骤A.1），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环撑大发生弹性形变，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；
步骤A.2），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第一、第五作动模块的压电叠堆继续通电，此时驱动圆环上的部分质点正向转动；
步骤A.3），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态正方向转过预设的第一角度阈值θ 1；
步骤A.4），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第二、第六作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤A.5），将第二、第六作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点正向转动；
步骤A.6），对第四、第八作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第三、第七作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤A.7），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环质点发生正向转动，整体较初始状态转过预设的第二角度阈值θ 2；
步骤A.8），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤A.9），跳转至步骤A.1）；
如果需要输出轴反向转动：
步骤B.0)，第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在预紧力的作用下，驱动圆环即转子呈锁死状态；
步骤B.1），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环撑大发生弹性形变，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；
步骤B.2），对第四、第八作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第一、第五作动模块的压电叠堆继续通电，此时驱动圆环上的部分质点反向转动；
步骤B.3），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态反方向转过θ 1；
步骤B.4），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.5），将第四、第八作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点反向转动；
步骤B.6），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第三、第七作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.7），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点反向转动，整体较初始状态转过θ 2；
步骤B.8），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长从而将驱动圆环继续撑大发生更大的弹性形变，保持第四、第八作动模块的压电叠堆继续通电，电机转子呈锁死状态；
步骤B.9），跳转至步骤B.1）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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