CN113131785B - 一种惯性旋转压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种惯性旋转压电马达，属于精密驱动与定位技术领域。包括定子机构、转动机构、一对压电振子机构和自箝位机构；定子机构包括中心轴和底座；转动机构包括顶板、底板和一对侧板；一对压电振子机构结构相同，压电振子机构包括配重块、安装臂和压电片；自箝位机构包括一对夹片、预紧弹簧和预紧螺栓。工作时，采用正弦信号控制，向一对压电振子机构中的两个压电片输入正弦信号，一对压电振子机构在一个周期内带动转动机构侧板和夹片实现正转或反转交替的转动；夹片在由初始位置顺时针转动时，抱紧中心轴，实现箝位过程；夹片在逆时针转动时松开中心轴，转动机构的逆时针惯性转动不受限制，如此往复，实现马达的连续逆时针转动，提升了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体涉及一种惯性旋转压电马达。
背景技术
压电马达是利用压电材料的逆压电效应来实现电能到机械能的转换。近年来，压电马达由于其体积小，功率密度大，响应快，无电磁干扰等优点广泛应用于精密驱动与定位、生物技术、医疗设备、航天科技等领域。根据驱动原理，压电陶瓷（PZT马达可分为超声马达和准静态马达）。超声马达一般由摩擦力驱动。通过行波或驻波在定子与转子之间高频传播。由于超声马达的高频特性，可以实现相对较高的工作速度，但是由于摩擦力的作用，定子和转子的材料很快就会磨损，马达的效率和使用寿命受到驱动原理的限制。准静态马达的频率相对较低，如尺蠖马达。尺蠖马达通过夹紧单元和驱动振子的配合实现单向运动。由于电机在准静态下的运行频率较低，大多数蜗杆电机的速度都很低。但是使用寿命比超声波马达长很多。
现有的惯性旋转马达的普遍结构为偏心机构，其转动机构为一对质量块，两质量块一侧通过柔性铰链连接，另一侧安装振子机构，中心位置安装定子轴，工作时通过振子机构带动质量块的开合动作实现自箝位。现有的旋转马达的运动效率低下，并且具有较大的动不平衡，运动稳定性差，且易加剧零部件的磨损，缩短寿命；本发明结构上采用对称式布局，一对压电振子机构关于中心轴对称，使得压电马达工作时运动更加平稳，并且由于采用一对压电振子谐振运动，运动效率更高。
发明内容
为了提高压电马达的效率和使用寿命，本发明提供一种惯性旋转压电马达。
一种惯性旋转压电马达包括定子机构4、转动机构2、一对压电振子机构1、自箝位机构3；
所述定子机构4包括中心轴41、底座42；所述中心轴41的下端固定设于底座42的中部；转动机构2通过轴承设于中心轴41上；
所述转动机构2包括顶板21、底板29和两块侧板23；两块侧板23平行活动设于顶板21和底板29之间；顶板21和底板29的中部开设有贯通的中心孔22；
一对压电振子机构1结构相同，压电振子机构包括安装臂12、配重块11和压电片13；所述配重块11固定设于安装臂12的一端，所述压电片13固定设于安装臂侧面15上，安装臂12的另一端固定连接着一块侧板23；另一只压电振子机构通过另一只安装臂固定连接着另一块侧板；一对压电振子机构对称设于转动机构上；
所述自箝位机构包括一对夹片31；夹片31的一端为圆弧片，夹片31的一端为折弯片，折弯片上开设有通孔；一对夹片31的圆弧片夹持着中心轴41，一对夹片31的折弯片通过通孔和预紧螺栓33分别固定设于对应一侧的侧板23上；预紧螺栓33上套设有弹簧32；
工作时，向一对压电片13输入正弦信号，一对压电振子机构1在一个周期内带动转动机构2的一对侧板23转动，进而带动一对夹片31实现正转或反转交替的转动；同时一对压电振子机构1在一个周期内的振动产生的惯性力带动转动机构2产生正转或反转；当正转时自箝位机构3中的一对夹片31夹紧中心轴41，转动机构2无法转动，当反转时自箝位机构3中的一对夹片31松开中心轴41，转动机构2实现转动；由于一对压电振子机构1和自箝位机构3的工作频率一致，使正转动作一直被限制，而反转动作不受限制，实现马达的单向连续转动。
进一步限定的技术方案如下：
所述中心轴41的下端开设有螺纹孔；所述底座42的中心处开设有中心沉头孔422，所述中心轴41的下端插入中心沉头孔422中，并通过与紧定螺栓43的连接，实现中心轴41固定在底座42上。
所述转动机构2的顶板21和底板29分别开有贯通的中心孔22，用来安装轴承以连接中心轴41；两块侧板23的顶部和底部分别通过柔性铰链26与顶板21和底板29活动连接；每块侧板的侧面25上开有侧面螺纹孔24，侧面螺纹孔24内配合设有预紧螺栓33；每块侧板的一侧端面27上开有一对端面螺纹孔28，端面螺纹孔28内配合设有固定螺栓，所述夹片31通过固定螺栓和端面螺纹孔28的配合连接固定在侧板23的一侧端面27上；所述侧板23的另一侧端面210上开有一对安装螺纹孔211，通过螺栓和一对安装螺纹孔211的配合连接将压电振子机构1的安装臂12固定安装在侧板23上。
与折弯片相邻的夹片31上开有一对腰型孔312，一对腰型孔312和侧板的一侧端面27上的一对端面螺纹孔28相对应；腰型孔312实现改变夹片31的位置，实现预紧功能；所述一对夹片31形成箝位时，圆弧片的内圆面311与中心轴42的外圆柱面412摩擦，阻止转动机构2转动。
所述底座42的材料和转动机构2的材料均为铸铁。
所述压电片13的材料为PZT-4型压电陶瓷片。
所述中心轴41的材料和安装臂12的材料均为碳素结构钢。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明由定子机构、转动机构2、一对压电振子机构和自箝位机构组成；自箝位机构在夹紧中心轴时，二者之间不会产生摩擦，解决了摩擦影响使用寿命的问题。
2.本发明的工作状态为谐振状态，以确保马达可以有一个大的工作范围和高速运行。一对压片片输入正弦信号。电信号的一个周期内使一对压电振子机构同时产生正转或反转的转动，其中正转动作产生时自箝位机构产生箝位动作，马达无法转动，反转时自箝位机构的圆弧片松开中心轴，实现一个周期内的单向旋转。通过改变电信号的频率可以改变速度。在100Vpp的驱动电压下，马达的典型空载转速和最大输出转矩为7.16r/min和18N·mm。
3.本发明在结构上属于对称式分布，工作时不会产生动不平衡问题，所以运行稳定性很好。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为压电振子机构结构示意图。
图3为转动机构结构示意图。
图4为自箝位机构结构示意图。
图5为定子机构结构示意图。
图6为压电片输入信号图。
图7为一个周期内压电振子机构和自箝位机构同步工作原理图。
上图中序号：压电振子机构1、转动机构2、自箝位机构3、定子机构4、配重块11、安装臂12、压电片13、螺纹孔14、安装臂侧面15、金属顶板21、中心孔22、侧板23、侧面螺纹孔24、侧板侧面25、柔性铰链26、一侧端面27、端面螺纹孔28、金属底板29、另一侧端面210、安装螺纹孔211、夹片31、预紧弹簧32、预紧螺栓33、内圆面311、腰型孔312、夹片侧面313、中心轴41、底座42、紧定螺栓43、外圆面411、外圆柱面412、安装孔421、中心沉头孔422。
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1，一种惯性旋转压电马达包括定子机构4、转动机构2、一对压电振子机构1、自箝位机构3。
参见图5，定子机构4包括中心轴41和底座42。中心轴41的下端开设有螺纹孔，底座42的中心处开设有中心沉头孔422，中心轴41的下端插入中心沉头孔422中，并通过与紧定螺栓43的连接，实现中心轴41固定在底座42上。转动机构2通过轴承设于中心轴41上。底座42的材料和转动机构2的材料均为铸铁。中心轴41的材料为碳素结构钢。
参见图3，转动机构2包括顶板21、底板29和两块侧板23。两块侧板23平行活动设于顶板21和底板29之间。顶板21和底板29上分别开有贯通的中心孔22，用来安装轴承以连接中心轴41。两块侧板23的顶部和底部分别通过柔性铰链26与顶板21和底板29活动连接。每块侧板的侧面25上开有侧面螺纹孔24，侧面螺纹孔24内配合装有预紧螺栓33。每块侧板的一侧端面27上开有一对端面螺纹孔28，端面螺纹孔28内配合装有固定螺栓，夹片31通过固定螺栓和端面螺纹孔28的配合连接固定在侧板23的一侧端面27上；侧板23的另一侧端面210上开有一对安装螺纹孔211，通过螺栓和一对安装螺纹孔211的配合连接将压电振子机构1的安装臂12固定安装在侧板23上。
参见图2，一对压电振子机构1结构相同，压电振子机构包括安装臂12、配重块11和压电片13。配重块11固定安装于安装臂12的外端，压电片13固定安装于安装臂侧面15上。一对压电振子机构分别通过安装臂12固定连接着一对侧板23形成对称设于转动机构2上。安装臂12的材料均为碳素结构钢。压电片13的材料为PZT-4型压电陶瓷片。
参见图4，自箝位机构包括一对夹片31；夹片31的一端为圆弧片，夹片31的另一端为折弯片，折弯片上开设有通孔；一对夹片31的圆弧片夹持着中心轴41，一对夹片31的折弯片通过通孔和预紧螺栓33分别固定安装于对应一侧的侧板23上；预紧螺栓33上套装有弹簧32。与折弯片相邻的夹片31上开有一对腰型孔312，一对腰型孔312和侧板的一侧端面27上的一对端面螺纹孔28相对应；腰型孔312实现改变夹片31的位置，实现预紧功能。一对夹片31形成箝位时，圆弧片的内圆面311与中心轴42的外圆柱面412摩擦，阻止转动机构2转动。
本发明的工作原理详细说明如下：
参见图6，向一对压电振子机构1上的压电片13输入正弦信号。
参见图7，t0时刻，无电压信号时如图7中的a所示；时间由t0至t1，一对压电振子机构1顺时针摆动一个小角度，见图7中的b所示，一对夹片31顺时针转动一个小角度，并抱紧中心轴41，限制转动机构2的惯性转动；时间由t1至t2，一对压电振子机构1回到初始位置，见图7中的c所示，一对夹片31回到初始位置，由于惯性，转动机构逆时针转过一个小角度；时间由t2至t3，一对压电振子机构1逆时针摆动一个小角度，见图7中的d所示，一对夹片逆时针转动一个角度，由于惯性，转动机构2再次逆时针转过一个小角度；时间由t3至t4，一对压电振子机构1顺时针转过一个小角度，参见图7中的e所示，一对夹片31回到初始位置，由于惯性，转动机构2顺时针转动一个小角度。在一个周期内，一对压电振子机构的正、反方向的振动引起了转动机构2的惯性转动，其中t0至t1段形成箝位，转动机构2无转动，t1至t3段转动机构2逆时针转动，t3至t4段转动机构2顺时针转动，总转动角度在逆时针方向上为正。如此往复，可实现压电马达逆时针方向的连续转动。调整输入电压信号的相位角及占空比可以实现不同的转速及转矩。
Claims (7)
1.一种惯性旋转压电马达，其特征在于：包括定子机构（4）、转动机构（2）、一对压电振子机构（1）、自箝位机构（3）；
所述定子机构（4）包括中心轴（41）、底座（42）；所述中心轴（41）的下端固定设于底座（42）的中部；转动机构（2）通过轴承设于中心轴（41）上；
所述转动机构（2）包括顶板（21）、底板（29）和两块侧板（23）；两块侧板（23）平行活动设于顶板（21）和底板（29）之间；顶板（21）和底板（29）的中部开设有贯通的中心孔（22）；
一对压电振子机构（1）结构相同，压电振子机构包括安装臂（12）、配重块（11）和压电片（13）；所述配重块（11）固定设于安装臂（12）的一端，所述压电片（13）固定设于安装臂侧面（15）上，安装臂（12）的另一端固定连接着一块侧板（23）；另一只压电振子机构通过另一只安装臂固定连接着另一块侧板；一对压电振子机构对称设于转动机构上；
所述自箝位机构包括一对夹片（31）；夹片（31）的一端为圆弧片，夹片（31）的一端为折弯片，折弯片上开设有通孔；一对夹片（31）的圆弧片夹持着中心轴（41），一对夹片（31）的折弯片通过通孔和预紧螺栓（33）分别固定设于对应一侧的侧板（23）上；预紧螺栓（33）上套设有弹簧（32）；
工作时，向一对压电片（13）输入正弦信号，一对压电振子机构（1）在一个周期内带动转动机构（2）的一对侧板（23）转动，进而带动一对夹片（31）实现正转或反转交替的转动；同时一对压电振子机构（1）在一个周期内的振动产生的惯性力带动转动机构（2）产生正转或反转；当正转时自箝位机构（3）中的一对夹片（31）夹紧中心轴（41），转动机构（2）无法转动，当反转时自箝位机构（3）中的一对夹片（31）松开中心轴（41），转动机构（2）实现转动；由于一对压电振子机构（1）和自箝位机构（3）的工作频率一致，使正转动作一直被限制，而反转动作不受限制，实现马达的单向连续转动。
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：所述中心轴（41）的下端开设有螺纹孔；所述底座（42）的中心处开设有中心沉头孔（422），所述中心轴（41）的下端插入中心沉头孔（422）中，并通过与紧定螺栓（43）的连接，实现中心轴（41）固定在底座（42）上。
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：所述转动机构（2）的顶板（21）和底板（29）开有中心孔（22），用来安装轴承以连接中心轴（41）；两块侧板（23）的顶部和底部分别通过柔性铰链（26）与顶板（21）和底板（29）活动连接；每块侧板的侧面（25）上开有侧面螺纹孔（24），侧面螺纹孔（24）内配合设有预紧螺栓（33）；每块侧板的一侧端面（27）上开有一对端面螺纹孔（28），端面螺纹孔（28）内配合设有固定螺栓，所述夹片（31）通过固定螺栓和端面螺纹孔（28）的配合连接固定在侧板（23）的一侧端面（27）上；所述侧板（23）的另一侧端面（210）上开有一对安装螺纹孔（211），通过螺栓和一对安装螺纹孔（211）的配合连接将压电振子机构（1）的安装臂（12）固定安装在侧板（23）上。
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：与折弯片相邻的夹片（31）上开有一对腰形 孔（312），一对腰形 孔（312）和侧板的一侧端面（27）上的一对端面螺纹孔（28）相对应；腰形 孔（312）实现改变夹片（31）的位置，实现预紧功能；所述一对夹片（31）形成箝位时，圆弧片的内圆面（311）与中心轴（42）的外圆柱面（412）摩擦，阻止转动机构（2）转动。
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：所述底座（42）的材料和转动机构（2）的材料均为铸铁。
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（13）的材料为PZT-4型压电陶瓷片。
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：所述中心轴（41）的材料和安装臂（12）的材料均为碳素结构钢。
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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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