CN116317686A - 一种中空型旋转压电电机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空型旋转压电电机及其工作方法，电机转子、第一轴承、第二轴承、外壳、底座、定子和压电驱动模块；定子包含固定环、3个固定座、3个连接杆和3个驱动足；压电驱动模块包含6个驱动单元，驱动单元包含2个压电双晶片。本发明通过控制6个驱动单元的时序和频率，使转子实现双向超高精度定位的旋转运动，能够实现在低速时大扭矩及高速时高精度转动。本发明可靠性高、输出扭矩大、精度高，可广泛应用于精密光学、航空航天、机械制造和医疗器械等领域。

Description

一种中空型旋转压电电机及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电精密驱动技术领域，尤其涉及一种中空型旋转压电电机及其工作方法。

背景技术

旋转型超声电机是一种基于压电效应、超声振动和摩擦耦合的驱动器，因其响应速度快、精度高、质量力矩比大等特点，在机械制造等领域具有极其广泛的应用。但往往由于定子结构无法通过光学光束和精密机械臂，大大局限了旋转超声电机的适用范围。中空型超声电机因其独特的中空结构，可以适用于精密光学和医疗器械等需要中空结构的领域，但现有中空型旋转超声电机结构及驱动信号较为复杂、输入的电压信号波频率段有限，给压电驱动的简化设计带来了挑战。因此，如何针对现有中空型旋转超声电机结构复杂、驱动信号复杂等问题，在精简设计中空型旋转超声电机结构的基础上，满足输入电压频率从低至高，定子在非共振模式和共振模式下，实现宏微驱动融合的驱动，已成为业内需要研究的难题。

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，提供一种中空型旋转压电电机及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种中空型旋转压电电机，包含转子、第一轴承、第二轴承、外壳、底座、定子和压电驱动模块；

所述转子为两端开口的空心圆柱体，第一轴承采用深沟球轴承，第二轴承采用推力轴承；

所述外壳固定在所述底座上；所述第一轴承的外圈和所述外壳固连、内圈和所述转子的外壁同轴固连，所述第二轴承的下圈和所述底座固连、上圈和所述轴承的下端同轴固连，使得所述转子能够相对所述底座自由转动；

所述定子包含固定环、3个固定座、3个连接杆和3个驱动足；

所述固定环为两端开口的空心圆柱体；所述3个固定座周向均匀设置在所述固定环的外壁上，均和所述底座固连，使得所述固定环位于所述转子内且和所述转子同轴；

所述3个连接杆周向均匀设置在所述固定环和所述转子之间，均一端和所述固定环的外壁固连，另一端分别和所述3个驱动足一一对应固连；所述3个驱动足均和所述转子的内壁相抵；所述3个固定座、3个连接杆将所述固定环六等分，且第1个固定座位于第1个连接杆、第2个连接杆之间；

所述3个固定座、3个驱动足的两侧均设有燕尾槽；

所述压电驱动模块包含6个驱动单元，分别设置在第1个驱动足和第1个固定座、第1个固定座和第2个驱动足、第2个驱动足和第2个固定座、第2个固定座和第3个驱动足、第3个驱动足和第3个固定座、第3个固定座和第1个驱动足之间，均包含第一压电双晶片、第二压电双晶片，其中，第一压电双晶片位于第二压电双晶片的内侧；第一压电双晶片、第二压电双晶片的一端均和其所在驱动单元对应的驱动足上的燕尾槽相抵，另一端均和其所在驱动单元对应的固定座上的燕尾槽相抵，使得第一压电双晶片朝内凸起，第二压电双晶片朝外凸起；

所述6个驱动单元的第一压电双晶片、第二压电双晶片共面，其所在平面和所述转子的转轴垂直；

所述6个驱动单元中第一压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化方向同时朝内或同时朝外；6个驱动单元中第二压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化方向和6个驱动单元中第一压电双晶片两侧的压电陶瓷片的极化方向相反。

作为本发明一种中空型旋转压电电机进一步的优化方案，所述3个驱动足均采用柔性材料制成。

作为本发明一种中空型旋转压电电机进一步的优化方案，所述3个驱动足的外侧均设有陶瓷材料制成的摩擦层，以提高摩擦性能和耐磨性。

本发明还公开了一种该中空型旋转压电电机的工作方法，包含以下步骤：

A)如果需要驱动转子正向转动：

对第1至第6个驱动单元中输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆的电信号相位依次相差60°，使得6个驱动单元中的对称激励的第一、第二压电双晶片同时产生弯振，产生相同频率的纵向拉伸力，进而使得3个驱动足产生正向的椭圆运动，3个驱动足的驱动面运行轨迹和驱动方向完全一致，仅有时间上的相位差,在3个驱动足的协同作用下，转子获得连续的正向方向输出扭矩；

B)如果需要驱动转子反向转动：

对第1至第6个驱动单元中输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆，u₆、u₅、u₄、u₃、u₂、u₁的电信号相位依次相差60°，使得6个驱动单元中的对称激励的第一、第二压电双晶片同时产生弯振，产生相同频率的纵向拉伸力，进而使得3个驱动足产生反向的椭圆运动，3个驱动足的驱动面运行轨迹和驱动方向完全一致，仅有时间上的相位差,在3个驱动足的协同作用下，转子获得连续的反向方向输出扭矩。

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.本发明采用独特的中空结构，并且通过6个驱动单元精简设计了中空型旋转压电电机结构，可以适用于精密光学和医疗器械等需要中空结构的领域；

2.本发明由于采用压电双晶片组作为激励源，驱动单元与驱动足之间是非固定式配合，嵌入在驱动足和固定座的燕尾槽中，因此其响应速度快、精度较高，并可通过改变输入频率、电压及驱动模式从而进行性能调节。

3.本发明设置有6个驱动单元，通过调节输入电压的幅值和频率，可以使超声电机在共振模式和非共振模式之间转换，实现宏微融合驱动。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明中定子和压电驱动模块相配合的结构示意图；

图4是本发明在驱动转子正向转动时的六相驱动信号示意图；

图5是本发明在驱动转子反向转动时的六相驱动信号示意图；

图6是本发明在驱动转子正向转动时定子的形变位移云图；

图7是本发明在驱动转子反向转动时定子的形变位移云图。

图中，1-外壳，2-转子，3-定子，4-底座，5-第一轴承，6-第二轴承，7-固定环，8-驱动足，9-固定座，10-连接杆，11-第一压电双晶片，12-第二压电双晶片。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，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，为了清楚起见放大了组件。

如图1、图2所示，本发明公开了一种中空型旋转压电电机，包含转子、第一轴承、第二轴承、外壳、底座、定子和压电驱动模块；

所述转子为两端开口的空心圆柱体，第一轴承采用深沟球轴承，第二轴承采用推力轴承；

所述外壳固定在所述底座上；所述第一轴承的外圈和所述外壳固连、内圈和所述转子的外壁同轴固连，所述第二轴承的下圈和所述底座固连、上圈和所述轴承的下端同轴固连，使得所述转子能够相对所述底座自由转动；

如图3所示，所述定子包含固定环、3个固定座、3个连接杆和3个驱动足；

所述固定环为两端开口的空心圆柱体；所述3个固定座周向均匀设置在所述固定环的外壁上，均和所述底座固连，使得所述固定环位于所述转子内且和所述转子同轴；

所述3个连接杆周向均匀设置在所述固定环和所述转子之间，均一端和所述固定环的外壁固连，另一端分别和所述3个驱动足一一对应固连；所述3个驱动足均和所述转子的内壁相抵；所述3个固定座、3个连接杆将所述固定环六等分，且第1个固定座位于第1个连接杆、第2个连接杆之间；

所述3个固定座、3个驱动足的两侧均设有燕尾槽；

所述压电驱动模块包含6个驱动单元，分别设置在第1个驱动足和第1个固定座、第1个固定座和第2个驱动足、第2个驱动足和第2个固定座、第2个固定座和第3个驱动足、第3个驱动足和第3个固定座、第3个固定座和第1个驱动足之间，均包含第一压电双晶片、第二压电双晶片，其中，第一压电双晶片位于第二压电双晶片的内侧；第一压电双晶片、第二压电双晶片的一端均和其所在驱动单元对应的驱动足上的燕尾槽相抵，另一端均和其所在驱动单元对应的固定座上的燕尾槽相抵，使得第一压电双晶片朝内凸起，第二压电双晶片朝外凸起；

所述6个驱动单元的第一压电双晶片、第二压电双晶片共面，其所在平面和所述转子的转轴垂直；

所述6个驱动单元中第一压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化方向同时朝内或同时朝外；6个驱动单元中第二压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化方向和6个驱动单元中第一压电双晶片两侧的压电陶瓷片的极化方向相反。

所述3个驱动足均采用柔性材料制成；3个驱动足的外侧均设有陶瓷材料制成的摩擦层，以提高摩擦性能和耐磨性。

本发明还公开了一种该中空型旋转压电电机的工作方法，包含以下步骤：

A)如果需要驱动转子正向转动：

如图4所示，对第1个至第6个驱动单元输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆，公式表达有如下形式：

u_i＝V_if_i

u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆的电信号相位依次相差60°，分别表示为：

对驱动单元施加正向电压，使驱动单元中的对称激励的第一、第二压电双晶片同时产生弯振。每个驱动单元中的对称布置、极化方向相反的第一、第二压电双晶片同时输入u_i的电压信号波，第一、第二压电双晶片的振动没有时间上的相位差，驱动单元的两端产生相同频率的纵向拉伸力。按照图6所示，以第1个驱动足为例，驱动足左右两端的驱动单元的电压信号波u₁、u₂的相位差

驱动单元的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，使得驱动足产生正向的椭圆运动，椭圆运动使得驱动足的驱动面与转子的接触状态按时间步序分为脱离、预接触、完全接触、预脱离四个状态。

驱动足的驱动面形成椭圆运动的轨迹周长为x₁，根据接触面摩擦系数和椭圆运动的轨迹大小，驱动转子的旋转的效率为μ₁，每一步椭圆运动传输给转子摩擦面一个有效步长为μ₁x₁，驱动转子绕轴心正向旋转，等待预设的时间t₁秒后，驱动足进行了λ₁个椭圆运动，转子正向旋转的有效步长为λ₁μ₁x₁。

3个驱动足的驱动面运行轨迹和驱动方向完全一致，仅有时间上的相位差,因此在3个驱动足的协同作用下，转子获得连续的正向方向输出扭矩。

B)如果需要驱动转子反向转动：

如图5所示，对第1个至第6个驱动单元输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆，公式表达有如下形式：

u_i＝V_if_i

u₆、u₅、u₄、u₃、u₂、u₁的电信号依次相差60°，分别表示为：

对驱动单元施加正向电压，使驱动单元中的对称激励的第一、第二压电双晶片同时产生弯振。每个驱动单元中的两片对称布置、极化方向相反的第一、第二压电双晶片同时输入u_i的电压信号波，第一、第二压电双晶片的振动没有时间上的相位差，驱动单元的两端产生相同频率的纵向拉伸力。按照图7所示，以第1个驱动足为例，驱动足左右两端的驱动单元的电压信号波u₁、u₂的相位差

驱动单元的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，使得驱动足产生反向的椭圆运动，椭圆运动使得驱动足的驱动面与转子的接触状态按时间步序分为脱离、预接触、完全接触、预脱离四个状态。

驱动足的驱动面形成椭圆运动的轨迹周长为x₂，根据接触面摩擦系数和椭圆运动的轨迹大小，驱动转子的旋转的效率为μ₂，每一步椭圆运动传输给转子摩擦面一个有效步长为μ₂x₂，驱动转子绕轴心反向旋转，等待预设的时间t₂秒后，驱动足进行了λ₂个椭圆运动，转子反向旋转的有效步长为λ₂μ₂x₂。

3个驱动足的驱动面运行轨迹和驱动方向完全一致，仅有时间上的相位差,在3个驱动足的协同作用下，转子获得连续的反向方向输出扭矩。

通过调整电压的幅值和频率，能够改变每个驱动足椭圆运动的步长和完成一个椭圆运动的所需时间，从而改变转子旋转的速度。在所使用的压电双晶片不破裂的允许范围内调整电压的幅值，实验实施例电压幅值为0～500vpp；调整的电压频率可以满足从低频到高频段，实验实施例电压频率为0～20KHz，从而满足电机在非共振模式和共振模式下工作，实现宏微融合驱动。

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 (4)

1.一种中空型旋转压电电机，其特征在于，包含转子、第一轴承、第二轴承、外壳、底座、定子和压电驱动模块；

所述转子为两端开口的空心圆柱体，第一轴承采用深沟球轴承，第二轴承采用推力轴承；

所述外壳固定在所述底座上；所述第一轴承的外圈和所述外壳固连、内圈和所述转子的外壁同轴固连，所述第二轴承的下圈和所述底座固连、上圈和所述轴承的下端同轴固连，使得所述转子能够相对所述底座自由转动；

所述定子包含固定环、3个固定座、3个连接杆和3个驱动足；

所述固定环为两端开口的空心圆柱体；所述3个固定座周向均匀设置在所述固定环的外壁上，均和所述底座固连，使得所述固定环位于所述转子内且和所述转子同轴；

所述3个连接杆周向均匀设置在所述固定环和所述转子之间，均一端和所述固定环的外壁固连，另一端分别和所述3个驱动足一一对应固连；所述3个驱动足均和所述转子的内壁相抵；所述3个固定座、3个连接杆将所述固定环六等分，且第1个固定座位于第1个连接杆、第2个连接杆之间；

所述3个固定座、3个驱动足的两侧均设有燕尾槽；

所述压电驱动模块包含6个驱动单元，分别设置在第1个驱动足和第1个固定座、第1个固定座和第2个驱动足、第2个驱动足和第2个固定座、第2个固定座和第3个驱动足、第3个驱动足和第3个固定座、第3个固定座和第1个驱动足之间，均包含第一压电双晶片、第二压电双晶片，其中，第一压电双晶片位于第二压电双晶片的内侧；第一压电双晶片、第二压电双晶片的一端均和其所在驱动单元对应的驱动足上的燕尾槽相抵，另一端均和其所在驱动单元对应的固定座上的燕尾槽相抵，使得第一压电双晶片朝内凸起，第二压电双晶片朝外凸起；

所述6个驱动单元的第一压电双晶片、第二压电双晶片共面，其所在平面和所述转子的转轴垂直；

所述6个驱动单元中第一压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化方向同时朝内或同时朝外；6个驱动单元中第二压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化方向和6个驱动单元中第一压电双晶片两侧的压电陶瓷片的极化方向相反。

2.根据权利要求1所述的中空型旋转压电电机，其特征在于，所述3个驱动足均采用柔性材料制成。

3.根据权利要求1所述的中空型旋转压电电机，其特征在于，所述3个驱动足的外侧均设有陶瓷材料制成的摩擦层，以提高摩擦性能和耐磨性。

4.基于权利要求1所述的中空型旋转压电电机的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

A） 如果需要驱动转子正向转动：

对第1至第6个驱动单元中输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆的电信号相位依次相差60°，使得6个驱动单元中的对称激励的第一、第二压电双晶片同时产生弯振，产生相同频率的纵向拉伸力，进而使得3个驱动足产生正向的椭圆运动，3个驱动足的驱动面运行轨迹和驱动方向完全一致，仅有时间上的相位差,在3个驱动足的协同作用下，转子获得连续的正向方向输出扭矩；

B） 如果需要驱动转子反向转动：

对第1至第6个驱动单元中输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆，u₆、u₅、u₄、u₃、u₂、u₁的电信号相位依次相差60°，使得6个驱动单元中的对称激励的第一、第二压电双晶片同时产生弯振，产生相同频率的纵向拉伸力，进而使得3个驱动足产生反向的椭圆运动，3个驱动足的驱动面运行轨迹和驱动方向完全一致，仅有时间上的相位差,在3个驱动足的协同作用下，转子获得连续的反向方向输出扭矩。

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