CN113162465B - 压电堆驱动步进式旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电堆驱动步进式旋转电机，包括底座、压电堆、弹簧、压电堆座、弹簧座、压电堆盖板、支撑轴、横梁、圆弧形位移放大元件、转子、壳体、上盖和端盖；两个压电堆座和弹簧座固定在底座的凹槽内，壳体固定在底座上，底座上还固定有一根支撑轴，该支撑轴上垂直叠放两个横梁，两个横梁两侧均垂直分布有压电堆和弹簧，两个横梁顶部放置压电堆的一侧分别固定圆弧形位移放大元件，两圆弧形位移放大元件顶部平齐，且与转子具有间隙配合，所述转子安装在两个轴承上，轴承放置在与壳体固定的上盖中，并通过端盖固定。本发明仅使用两个小型压电堆，施加同步反向电压即可以实现电机的连续正反转，具有输出力矩大、结构简单、性价比高等优点。

Description

压电堆驱动步进式旋转电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种压电堆驱动步进式旋转电机。
背景技术
由于压电陶瓷元件具有响应迅速、出力大、位移分辨率高、机电转换率高以及结构易于微型化等优点，使得叠堆型压电电机的产业化发展速度异常迅猛，其主要被应用于微作动执行器、光学变焦执行器、多自由度精密定位平台等。
叠堆型压电电机产品主要以输出直线运动为主，其主要原因是目前的压电堆只能输出直线运动并且其高频特性较差，很难通过模态转换的方式将其用作旋转运动。
目前，大部分旋转叠堆型压电电机基于惯性冲击原理或尺蠖运动原理，采用惯性冲击原理进行驱动的旋转叠堆型压电电机对驱动信号的要求较为严苛，因此控制系统较为复杂；采用尺蠖运动原理进行驱动的旋转叠堆型压电电机需要多个压电钳位叠堆，结构较为复杂并且制造成本较高。这些因素都影响着旋转叠堆型压电电机在实际生产、生活中的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有输出力矩大、结构简单、易于微型化以及生产成本低等特点的压电堆驱动步进式旋转电机。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的压电堆驱动步进式旋转电机，所述电机包括底座、压电堆、弹簧、压电堆座、弹簧座、压电堆盖板、支撑轴、横梁、圆弧形位移放大元件、转子、壳体、上盖以及端盖；
所述壳体固定连接在底座的环形座上；所述压电堆座和弹簧座分别固定连接在底座上的凹槽内，所述底座中部还固定有一根支撑轴；所述支撑轴的轴肩上垂直叠放两个横梁；所述横梁一端的两侧均垂直分布一个压电堆和一个弹簧；所述压电堆放置于压电堆座中，所述压电堆盖板固定在压电堆座顶部；所述弹簧放置于弹簧座中；所述压电堆和弹簧分别与对应的横梁位于同一水平高度；两个所述横梁顶部在放置压电堆的一侧分别固定一个圆弧形位移放大元件，两圆弧形位移放大元件顶部平齐，且与转子圆盘具有间隙配合；所述转子安装在两个轴承上，并通过弹性挡圈轴向限位，且两轴承间装有套筒；所述轴承和套筒放置在上盖中，所述上盖与壳体固定连接；所述端盖固定在上盖顶部，用于对轴承和套筒进行固定。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明不需要多个钳位机构，使用两个小型压电堆，施加同步反向电压即可以实现电机的连续正反转，控制电路和结构简单；由于压电堆成本较高，本压电电机中只采用两个小型压电堆，降低了制作成本，提高了压电电机在实际应用中的性价比；
2、本发明在两个小型压电堆之后均采用了圆弧形位移放大元件，既减小了对于压电堆输出位移量的要求，又增加了与输出圆盘的接触面积，从而增加了输出力矩；
3、本发明中两个小型压电堆沿着电机轴向错位布置，减小了电机的径向尺寸。
附图说明
图1是本发明所提出的压电堆驱动步进式旋转电机的立体结构示意图；
图2是图1的爆炸结构示意图；
图3是本发明驱动系统的结构示意图；
图4图1初始状态的A-A结构示意图；
图5是0-T/2时间电机到达平衡位置的工作原理图；
图6是电机逆时针旋转时T/2-T时间的工作原理图；
图7是电机逆时针旋转时T-3T/2时间的工作原理图；
图8是电机顺时针旋转时T/2-T时间的工作原理图；
图9是电机顺时针旋转时T-3T/2时间的工作原理图；
图10是电机逆时针旋转的工作原理向量图；
图11是电机顺时针旋转的工作原理向量图。
其中，附图标记：1-壳体；2-固定螺钉；3-底座；4-弹簧座II；5-压电堆座I；6-横梁I；7-压电堆；7-1-压电堆I；7-2-压电堆II；8-压电堆盖板；8-1-压电堆盖板I；8-2-压电堆盖板II；9-固定螺钉；10-支撑轴；11-圆弧形位移放大元件I；12-转子；13-上盖；14-轴承；15-端盖；16-弹性挡圈；17-固定螺钉；18-套筒；19-固定螺钉；20-固定螺钉；21-圆弧形位移放大元件II；22-横梁II；23-压电堆座II；24-弹簧；24-1-弹簧I；24-2-弹簧II；25-弹簧座I；26-弹性挡圈；27-固定螺钉；28-螺母。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
参见附图1，给出了本发明所提出的压电堆驱动步进式旋转电机的一个实施例的具体结构。所述电机包括壳体1、固定螺钉2、底座3、弹簧座II4、压电堆座I5、横梁I6、压电堆7、压电堆盖板8、固定螺钉9、支撑轴10、圆弧形位移放大元件I11、转子12、上盖13、轴承14、端盖15、弹性挡圈16、固定螺钉17、套筒18、固定螺钉19、固定螺钉20、圆弧形位移放大元件II21、横梁II22、压电堆座II23、弹簧24、弹簧座I25、弹性挡圈26、固定螺钉27和螺母28。
所述壳体1通过固定螺钉2连接在底座3的环形座上；所述底座3上的凹槽内通过固定螺钉27连接有压电堆座Ⅰ5、压电堆座Ⅱ23、弹簧座Ⅰ25和弹簧座Ⅱ4；所述底座3上通过弹性垫圈26和螺母28还固定有一根支撑轴10；所述支撑轴10的轴肩上垂直叠放横梁I6和横梁II22，所述支撑轴10的另一端通过螺母28限定横梁I6和横梁II22的轴向运动；所述横梁I6一端的两侧垂直分布有压电堆I7-1和弹簧I24-1，所述横梁II22一端的两侧垂直分布有压电堆II7-2和弹簧II24-2，其中，所述压电堆I7-1和压电堆II7-2的输出端分别顶在横梁I6和横梁II22上；所述横梁I6与水平放置于压电堆座Ⅰ5中的压电堆I7-1和放置于弹簧座Ⅰ25中的弹簧I24-1位于同一水平高度，所述压电堆座Ⅰ5中的压电堆I7-1的输出端能使横梁I6顺时针旋转；所述横梁II22与水平放置于压电堆座Ⅱ23中的压电堆II7-2和放置于弹簧座Ⅱ4中的弹簧II24-2位于同一水平高度，所述压电堆座Ⅱ23中的压电堆II7-2的输出端能使横梁II22逆时针旋转；所述压电堆座Ⅰ5和压电堆座Ⅱ23的顶端均通过固定螺钉9连接有压电堆盖板8，用于限定压电堆7的径向运动；所述横梁I6和横梁II22的上表面通过固定螺钉20分别连接有圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21，两圆弧形位移放大元件顶端平齐，且分别对应分布在压电堆I7-1和压电堆II7-2的同侧，所述两圆弧形位移放大元件与转子12的输出圆盘具有间隙配合；所述转子12安装在两个轴承14上，并且通过弹性挡圈16轴向限位，两所述轴承14间装有套筒18；所述两轴承14和套筒18放置在与壳体1通过固定螺钉19连接在一起的上盖13中，并由被固定螺钉17固定在上盖13上的端盖15固定。
本发明的工作过程如下：
初始状态时，如图3和4所示，所述压电堆Ⅰ7-1、压电堆Ⅱ7-2、弹簧Ⅰ24-1和Ⅱ24-2处于原始长度，所述横梁I6与压电堆Ⅰ7-1和弹簧Ⅰ24-1垂直，所述横梁II22与压电堆Ⅱ7-2和弹簧Ⅱ24-2垂直，所述圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21与转子12间无相对位移。
电机逆时针旋转状态时，如图5至7和10所示，在0-T/2时间段内，同时给压电堆Ⅰ7-1和压电堆Ⅱ7-2通入正偏置幅值为U1的电压，压电堆Ⅰ7-1和压电堆Ⅱ7-2同时沿其轴线方向伸长，推动横梁I6和横梁II22连同圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21转过角度θ1，此时圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21与转子12处于平衡位置；在T/2-T时间段内，所述压电堆Ⅰ7-1的电压降为0，所述压电堆Ⅰ7-1回到原长，所述横梁I6连同圆弧形位移放大元件I11逆时针转过角度θ1，回到初始位置，此过程中圆弧形位移放大元件I11与转子12处于放松状态，无相对运动；所述压电堆Ⅱ7-2的电压增加到U2，压电堆Ⅱ7-2在平衡状态时长度的基础上再沿其轴线方向伸长，推动横梁II22连同圆弧形位移放大元件II21逆时针转过角度θ2，此过程中圆弧形位移放大元件II21与转子12处于压紧状态，所述圆弧形位移放大元件II21带动转子12共同逆时针转过角度θ2；在T-3T/2时间段内，所述压电堆Ⅰ7-1的电压增加到U1，所述压电堆Ⅱ7-2的电压降为U1，使横梁I6连同圆弧形位移放大元件I11和横梁II22连同圆弧形位移放大元件II21回到平衡位置，此过程中圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21与转子12均处于放松状态，无相对运动，转子12保持静止；上述T/2-3T/2时间段内，所述转子12逆时针转过角度θ2，重复上述过程，连续给压电堆Ⅰ7-1通入带正偏置幅值为U1的方波信号，给压电堆Ⅱ7-2通入带正偏置幅值为U1到U2的方波信号，可以使得转子12连续逆时针旋转。
电机顺时针旋转状态时，如图5、8、9和11所示，给压电堆Ⅰ7-1通入带正偏置幅值为U1到U2的方波信号，给压电堆Ⅱ7-2通入带正偏置幅值为U1的方波信号，在0-T/2时间段内，所述压电堆Ⅰ7-1和压电堆Ⅱ7-2同时沿其轴线方向伸长，推动横梁I6和横梁II22连同圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21转过角度θ1，此时圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21与转子12处于平衡位置。在T/2-T时间段内，所述压电堆Ⅱ7-2的电压降为0，所述压电堆Ⅱ7-2回到原长，所述横梁II22连同圆弧形位移放大元件II21顺时针转过角度θ1，回到初始位置，此过程中圆弧形位移放大元件II21与转子12处于放松状态，无相对运动；所述压电堆Ⅰ7-1的电压增加到U2，所述压电堆Ⅰ7-1在平衡状态时长度的基础上再沿其轴线方向伸长，推动横梁I6连同圆弧形位移放大元件I11顺时针转过角度θ2，此过程中圆弧形位移放大元件I11与转子12处于压紧状态，圆弧形位移放大元件I11带动转子12共同顺时针转过角度θ2；在T-3T/2时间段内，所述压电堆Ⅱ7-2的电压增加到U1，所述压电堆Ⅰ7-1的电压降为U1，使横梁II22连同圆弧形位移放大元件II21、横梁I6连同圆弧形位移放大元件I11回到平衡位置，此过程中圆弧形位移放大元件I11和圆弧形位移放大元件II21与转子12均处于放松状态，无相对运动，转子12保持静止；上述T/2-3T/2时间段内，转子12顺时针转过角度θ2，重复上述过程，连续给压电堆Ⅱ7-2通入带正偏置幅值为U1的方波信号，给压电堆Ⅰ7-1通入带正偏置幅值为U1到U2的方波信号，可以使得转子12连续顺时针旋转。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.压电堆驱动步进式旋转电机，其特征在于：所述电机包括底座、压电堆、弹簧、压电堆座、弹簧座、压电堆盖板、支撑轴、横梁、圆弧形位移放大元件、转子、壳体、上盖以及端盖；
所述壳体固定连接在底座的环形座上；所述压电堆座和弹簧座分别固定连接在底座上的凹槽内，所述底座中部还固定有一根支撑轴；所述支撑轴的轴肩上垂直叠放两个横梁；所述横梁一端的两侧均垂直分布一个压电堆和一个弹簧，且所述压电堆的输出端顶在横梁上；所述压电堆放置于压电堆座中，所述压电堆盖板固定在压电堆座顶部；所述弹簧放置于弹簧座中；所述压电堆和弹簧分别与对应的横梁位于同一水平高度；两个所述横梁顶部在放置压电堆的一侧分别固定一个圆弧形位移放大元件，两圆弧形位移放大元件顶部平齐，且与转子圆盘具有间隙配合；所述转子安装在两个轴承上，并通过弹性挡圈轴向限位，且两轴承间装有套筒；所述轴承和套筒放置在上盖中，所述上盖与壳体固定连接；所述端盖固定在上盖顶部，用于对轴承和套筒进行固定。
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