CN114400924A - 一种单相激励的微型直线-旋转运动的两自由度压电电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相激励的微型直线‑旋转运动两自由度压电电机，包括定子，定子的表面贴合有压电陶瓷片；所述定子的中部开设通孔，通孔上穿设有铜管，铜管上穿设有开缝薄壁圆管；所述开缝薄壁圆管表面沿径向开有一道细缝，开缝薄壁圆管的两端各安装有用于预压力调节的夹持装置。本发明可以实现直线运动和旋转运动两种运动形式，具有构造简易，利于加工的优点。
Description
技术领域
本发明涉及压电电机技术领域，特别是种单相激励的微型直线-旋转运动的两自由度压电电机。
背景技术
压电电机基于压电材料的逆压电效应，通过激发弹性体(定子)的微观振动，并通过接触摩擦驱动压在定子驱动面上的转子(动子)产生旋转运动或者直线运动。由于具有运动形式简单且无需复杂的驱动电路的特点，近年来直线型压电电机在航空航天事业、半导体工业和精密仪器设备的加工制造等行业的应用日益广泛，具有高速、大推力的小型化微型化直线型压电电机的设计也逐渐成为当前国内外研究的焦点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种单相激励的直线与旋转两自由度的压电电机。本发明可以实现直线运动和旋转运动两种运动形式，具有构造简易，利于加工的优点。
本发明的技术方案：种单相激励的微型直线-旋转运动的两自由度压电电机，包括定子、压电陶瓷、铜管、开缝薄壁圆管及夹持机构，其中定子的表面贴有压电陶瓷片；所述定子的中部开设通孔，通孔上穿设有铜管，铜管上穿设有开缝薄壁圆管；所述开缝薄壁圆管表面沿径向开有一道细缝，开缝薄壁圆管的两端各安装有用于预压力调节的夹持装置。
上述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，所述定子为采用锡青铜合金制成的金属圆盘；所述的压电陶瓷片为PZT-8；所述定子的通孔与贴压电陶瓷片内圈处开有若干道互成夹角的细槽。
前述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，所述定子外圈设有四个相隔90°的吊耳，其上开有螺纹孔。
前述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，所述铜管通过环氧树脂胶粘接于定子的通孔内。
前述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，所述的夹持装置为固定环。
前述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，所述固定环的环身由圆弧部分和平直部分组成，其圆弧部分内径与开缝薄壁圆管外径相同，其平直部分为两片矩形细板，均开有通孔，用于螺栓拧入并与螺母配合；所述螺栓与固定环上表面间设有橡胶垫片，用以调节高度以改变薄壁圆管上的细缝宽度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在工作时，通过向压电陶瓷片施加正弦电压信号，用于激励定子所需要的工作模态，在不同工作模态的驱使下，电机实现旋转和直线运动。本发明作为一种新型直线-旋转型压电电机，构造简易，利于加工，而且驱动控制简单，只需要单相电信号激励即可，因此本发明的压电电机工作更加稳定，驱动性能良好，适用于要求两种运动形式的工作场合。
2、在本发明中，电机驱动振子由一个环形圆盘的定子和压电陶瓷片组成，定子上设有多个环形分布的斜向齿槽，可在一相电信号激励下实现多个模态的耦合，并且可以放大振动速度，以提高电机转化效率和改善电机性能。
3、本发明在定子中心通孔处装有一段内部中空的短铜管，其通孔安装一根开缝薄壁圆管，相比于多数传统直线型压电电机采用的立方体滑块和导轨而言，将平面接触改为铜管内壁和钢杆外壁面的弧面接触，可与开缝薄壁圆管表面保持良好的接触特性，有效减小了由于接触面磨损对电机造成的负面影响，确保了滑动体作直线运动的连续性和稳定性。
4、本发明在开缝薄壁圆管首尾两端各安装有一个夹持装置，夹持装置由一个近似于呈U字形的开孔金属固定环和内六角螺栓固联，通过改变调节固定环平直部分的间距以实现固定环圆弧部分的收缩或舒张，从而增大和减小开缝薄壁圆管所受的表面张力，该装置结构组成简单，且力的调节准确可控。
5、本发明在开缝薄壁圆管表面沿径向开设一道细缝，可提高开缝薄壁圆管的弹性，有利于将其表面张力通过铜管间接传递给驱动振子，以此作为定子的预压力，即可无需复杂的预压力调节机构实现自由改变定子所受预压力，一定程度上简化了设计流程和安装步骤。
附图说明
图1是本发明具体实施方案的斜轴测图；
图2是本发明具体实施方案的爆炸图；
图3是本发明具体实施方案的主视图；
图4是本发明具体实施方案剖视图；
图5是固定环与开缝薄壁圆管配合处结构放大图。
附图中的标记为：
1、定子；2、压电陶瓷片；3、铜管；4、开缝薄壁圆管；5、固定环；6、六角螺栓；7、螺母；8、垫片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，如图1和图2所示，包括定子1、压电陶瓷片2、铜管3、开缝薄壁圆管4、固定环5、六角螺栓6、螺母7以及垫片8。本实施例中的压电电机是含有一个中心通孔且穿有铜管3的定子1，并在中空的开缝薄壁圆管4上连续运动的直线型压电电机，向压电陶瓷片2施加正弦电压信号，用于激励定子1产生所需要的工作模态，在铜管3驱动下开缝薄壁圆管4可以作往复直线运动和旋转运动。驱动振子为单定子式，在受到压电陶瓷片2产生的所需工作模态时，通过模态的转化及耦合，使得定子1驱动面质点产生椭圆运动，在摩擦力做用下驱动转子或动子运动做直线运动和旋转运动。所述开缝薄壁圆管4首末两端装有夹持装置，该夹持装置是由螺栓紧扣的固定环5，通过向开缝薄壁圆管4施加压力从而间接调节与定子1间的预压力。
如图2、3和图4所示，定子1为采用锡青铜合金的弹性圆盘，一面贴有由PZT-8制成的压电陶瓷片，在定子1的中心通孔孔和贴压电陶瓷片2内圈处开有若干道互成一定夹角的细槽，即环形分布的斜向齿槽9，在定子外圈设有四个相隔90°的吊耳，其上开有螺纹孔，便于与外部输出机构联结。定子1中心的通孔与铜管3外壁利用环氧树脂胶粘接。一根较长的薄壁开缝薄壁圆管4贯穿铜管3紧密配合安装，其中开缝薄壁圆管4表面沿径向开有一道穿透内壁的细缝，管两端各安装有一个金属固定环5作为预压力的调节装置。
如图5所示，位于开缝薄壁圆管4上的固定环5为一段具有一定宽度且近似U字型的不锈钢金属环，环身由圆弧部分和平直部分组成，其圆弧部分内径与开缝薄壁圆管4外径相同，方便与其配合，其平直部分为两片矩形细板，均开有螺纹孔，以便六角螺栓6拧入并与螺母7配合，在六角螺栓6与固定环5上表面间加有普通碳钢制成的金属垫片8，用以调节高度并改变配合深度。
本实施例中的电机定子由一个环形圆盘定子1和压电陶瓷片2组成，定子1表面间开有多个斜向槽9，可增大定子1在接触部位的振动速度，同时也可提高电机振动转化效率以改善电机性能。在定子1中心通孔处装有一段内部中空的短铜管3，其内孔由一根同样中空的薄壁长直开缝薄壁圆管4贯穿，相比于多数传统直线型压电电机采用的立方体滑块而言，将平面接触改为铜管3内壁和开缝薄壁圆管4外壁面的弧面接触，可与开缝薄壁圆管4表面保持良好的接触特性，有效减小了由于接触面磨损对电机造成的负面影响，确保了滑动体作直线运动的连续性和稳定性。在开缝薄壁圆管4首尾各安装有一个夹持装置，该夹持装置由一个近似于呈U字形的开孔金属固定环5和六角螺栓6固联，通过改变调节固定环5平直部分的间距以实现固定环5圆弧部分的收缩或舒张，从而增大和减小开缝薄壁圆管4所受的表面张力，该装置结构组成简单，且力的调节准确可控。此外，在表面沿径向开设一道细缝可提高圆管的弹性，有利于将开缝薄壁圆管4的表面张力通过铜管3间接传递给驱动振子，以此作为定子1的预压力。无需复杂的预压力调节机构即可自由改变定子1所受预压力，一定程度上简化了设计流程和安装步骤。
本发明作为一种新型直线-旋转型压电电机，构造简易，利于加工，而且驱动控制简单，只需要单相电信号激励即可，因此本发明的压电电机工作更加稳定，驱动性能良好，适用于要求两种运动形式的工作场合。
Claims (6)
1.一种单相激励的微型直线-旋转运动的两自由度压电电机，其特征在于：包括定子(1)，定子(1)的表面贴合有压电陶瓷片(2)；所述定子(1)的中部开设通孔，通孔上穿设有铜管(3)，铜管(3)上穿设有开缝薄壁圆管(4)；所述开缝薄壁圆管(4)表面沿径向开有一道细缝，开缝薄壁圆管(4)的两端各安装有夹持装置，其通过调节细缝宽度用于改变其与铜管间的预压力。
2.根据权利要求1所述的一种单相激励的微型直线-旋转运动的两自由度压电电机，其特征在于：所述定子(1)为采用锡青铜合金制成的金属圆盘；所述的压电陶瓷片(2)为PZT-8；所述定子(1)中心孔与贴压电陶瓷片(2)内圈处开有若干道互成一定夹角的细槽。
3.根据权利要求1所述的一种单相激励的微型直线-旋转运动的两自由度压电电机，其特征在于：所述定子(1)外圈设有四个相隔90°的吊耳，其上开有螺纹孔。
4.根据权利要求1所述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，其特征在于：所述铜管(3)通过环氧树脂胶粘接于定子(1)的通孔内。
5.根据权利要求1所述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，其特征在于：所述的夹持装置为固定环(5)。
6.根据权利要求5所述的单相激励的直线与旋转两自由度运动压电电机，其特征在于：所述固定环(5)的环身由圆弧部分和平直部分组成，其圆弧部分内径与开缝薄壁圆管(4)外径相同，其平直部分为两片矩形细板，均开有通孔，用于螺栓(6)拧入并与螺母(7)配合；所述螺栓(6)与固定环(5)上表面间设有金属垫片(8)，用以调节开缝薄壁圆管(4)的细缝宽度。
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