CN116345949A - 基于三相驱动的旋转型压电电机及其工作方法 - Google Patents

基于三相驱动的旋转型压电电机及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三相驱动的旋转型压电电机及其工作方法，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；定子包含固定环、三个固定座、三个连接杆、以及三个驱动足；压电驱动模块包含三个压电双晶片。本发明通过控制三个压电双晶片的时序和频率，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。本发明采用宏微融合式设计，能够实现在非共振模式及共振模式下工作，可靠性高、输出扭矩大、精度高，能够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

基于三相驱动的旋转型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，尤其涉及一种基于三相驱动的旋转型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。有中空结构的旋转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，如何针对现有中空旋转型超声电机结构复杂、驱动信号复杂等问题，在精简设计旋转型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，提供一种基于三相驱动的旋转型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：
基于三相驱动的旋转型压电电机，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、第一至第三固定座、第一至第三连接杆、以及第一至第三驱动足；
所述固定环为两端开口的空心圆柱体；所述第一至第三固定座周向均匀设置在所述固定环上，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；
所述第一至第三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，另一端分别和所述第一至第三驱动足对应固连；所述第一至第三驱动足和所述转子的内壁均相抵；所述第一至第三固定座、第一至第三连接杆将所述固定环六等分；
所述第一至第三驱动足在其对应连接杆两侧均设有燕尾槽；
所述压电驱动模块包含第一至第三压电双晶片；
第一压电双晶片一端和第一驱动足一侧的燕尾槽相抵，另一端和第二驱动足一侧的燕尾槽相抵；第二压电双晶片一端和第二驱动足另一侧的燕尾槽相抵，另一端和第三驱动足一侧的燕尾槽相抵；第三压电双晶片一端和第三驱动足另一侧的燕尾槽相抵，另一端和第一驱动足另一侧的燕尾槽相抵；第一至第三压电双晶片共面，同时朝外或同时朝内凸起，且第一至第三压电双晶片所在平面和所述转子的转轴垂直；
所述第一至第三压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化同时朝内或同时朝外。
作为本发明一种基于三相驱动的旋转型压电电机进一步的优化方案，所述第一至第三驱动足均采用柔性材料制成。
作为本发明一种基于三相驱动的旋转型压电电机进一步的优化方案，所述第一至第三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基于三相驱动的旋转型压电电机的工作方法，包含以下步骤：
如果需要驱动转子正向转动：
对第一至第三压电双晶片输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u1、u2、u3，u1、u2、u3的电信号相位依次相差120°，使得第一至第三压电双晶片的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，进而使得第一至第三驱动足产生正向的椭圆运动，第一至第三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,在第一至第三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：
对第一至第三压电双晶片输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u1、u2、u3，u3、u2、u1的电信号依次相差120°，使得第一至第三压电双晶片的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，进而使得第一至第三驱动足产生反向的椭圆运动，第一至第三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,在第一至第三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，并且通过第一至第三驱动足、第一至第三压电双晶片组合成一个简易的压电驱动模块的方式，精简设计了三相驱动方式的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作为激励源，第一至第三压电双晶片和第一至第三驱动足之间是非固定式配合，嵌入在相邻驱动足的燕尾槽中，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.本发明设置有三个互相配合的柔性驱动足，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是本发明驱动转子正向转动时的三相驱动信号示意图；
图5是本发明驱动转子反向转动时的三相驱动信号示意图；
图6是本发明驱动转子正向转动时定子的形变位移示意图；
图7是本发明驱动转子反向转动时定子的形变位移示意图；
图8是本发明实施例提供的定子在共振、非共振模式下工作的对比示意图。
图中，1-外壳，2-底座，3-转子，4-定子，5-第一轴承，6-第二轴承，7-固定环，8-第一固定座，9-第一连接杆，10-第一驱动足，11-第一压电双晶片，12-第二驱动足。
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所示，本发明公开了一种基于三相驱动的旋转型压电电机，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；
如图2所示，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2、图3所示，所述定子包含固定环、第一至第三固定座、第一至第三连接杆、以及第一至第三驱动足；
所述固定环为两端开口的空心圆柱体；所述第一至第三固定座周向均匀设置在所述固定环上，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；
所述第一至第三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，另一端分别和所述第一至第三驱动足对应固连；所述第一至第三驱动足和所述转子的内壁均相抵；所述第一至第三固定座、第一至第三连接杆将所述固定环六等分；
所述第一至第三驱动足在其对应连接杆两侧均设有燕尾槽；
所述压电驱动模块包含第一至第三压电双晶片；
第一压电双晶片一端和第一驱动足一侧的燕尾槽相抵，另一端和第二驱动足一侧的燕尾槽相抵；第二压电双晶片一端和第二驱动足另一侧的燕尾槽相抵，另一端和第三驱动足一侧的燕尾槽相抵；第三压电双晶片一端和第三驱动足另一侧的燕尾槽相抵，另一端和第一驱动足另一侧的燕尾槽相抵；第一至第三压电双晶片共面，同时朝外或同时朝内凸起，且第一至第三压电双晶片所在平面和所述转子的转轴垂直；
所述第一至第三压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化同时朝内或同时朝外。
所述第一至第三驱动足均采用柔性材料制成，且第一至第三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。
本发明还公开了基于三相驱动的旋转型压电电机的正向驱动和反向驱动的工作方法，分别如下：
A)如果需要驱动转子正向转动：
如图4所示，对第一至第三压电双晶片输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u1、u2、u3，公式表达有如下形式：
ui＝Vifi
输入第一压电双晶片、第二压电双晶片、第三压电双晶片的电信号相位依次相差120°，分别表示为：
Figure BDA0004130012620000041
Figure BDA0004130012620000042
Figure BDA0004130012620000043
对第一至第三压电双晶片施加正向电压，能够使第一至第三压电双晶片产生弯振，弯振使得第一至第三压电双晶片的两端产生一定频率的纵向拉伸力。按照图6所示，第一至第三压电双晶片的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，使得第一至第三驱动足产生正向的椭圆运动，椭圆运动使得第一至第三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。
令第一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，第一驱动足进行了λ1个椭圆运动，转子正向旋转的有效步长为λ1μ1x1。
第一至第三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,因此在第一至第三驱动足的协同作用下，转子能够获得连续的正向方向输出扭矩，实现电能到机械能的转化。
B)如果需要驱动转子反向转动：
如图5所示，对第一至第三压电双晶片输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u1、u2、u3，公式表达有如下形式：
ui＝Vifi
输入第一压电双晶片、第二压电双晶片、第三压电双晶片的电信号依次相差120°，分别表示为：
Figure BDA0004130012620000051
Figure BDA0004130012620000052
Figure BDA0004130012620000053
对第一至第三压电双晶片施加正向电压，能够使第一至第三压电双晶片产生弯振，弯振使得第一至第三压电双晶片的两端产生一定频率的纵向拉伸力。按照图7所示，第一至第三压电双晶片的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，使得第一至第三驱动足产生反向的椭圆运动，椭圆运动使得第一至第三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。
令第一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，第一驱动足进行了λ2个椭圆运动，转子反向旋转的有效步长为λ2μ2x2。
第一至第三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,因此在第一至第三驱动足的协同作用下，转子能够获得连续的反向方向输出扭矩，实现电能到机械能的转化。
两种方法中，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。两种方法中，在第一至第三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；两种方法中，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，如图8所示。
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.基于三相驱动的旋转型压电电机，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、第一至第三固定座、第一至第三连接杆、以及第一至第三驱动足；
所述固定环为两端开口的空心圆柱体；所述第一至第三固定座周向均匀设置在所述固定环上，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；
所述第一至第三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，另一端分别和所述第一至第三驱动足对应固连；所述第一至第三驱动足均和所述转子的内壁相抵；所述第一至第三固定座、第一至第三连接杆将所述固定环六等分；
所述第一至第三驱动足在其对应连接杆两侧均设有燕尾槽；
所述压电驱动模块包含第一至第三压电双晶片；
第一压电双晶片一端和第一驱动足一侧的燕尾槽相抵，另一端和第二驱动足一侧的燕尾槽相抵；第二压电双晶片一端和第二驱动足另一侧的燕尾槽相抵，另一端和第三驱动足一侧的燕尾槽相抵；第三压电双晶片一端和第三驱动足另一侧的燕尾槽相抵，另一端和第一驱动足另一侧的燕尾槽相抵；第一至第三压电双晶片共面，同时朝外或同时朝内凸起，且第一至第三压电双晶片所在平面和所述转子的转轴垂直；
所述第一至第三压电双晶片两侧的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，极化同时朝内或同时朝外。
2.根据权利要求1所述的基于三相驱动的旋转型压电电机，其特征在于，所述第一至第三驱动足均采用柔性材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于三相驱动的旋转型压电电机，其特征在于，所述第一至第三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所述的基于三相驱动的旋转型压电电机的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：
如果需要驱动转子正向转动：
对第一至第三压电双晶片输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u1、u2、u3，u1、u2、u3的电信号相位依次相差120°，使得第一至第三压电双晶片的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，进而使得第一至第三驱动足产生正向的椭圆运动，第一至第三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,在第一至第三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：
对第一至第三压电双晶片输入相同信号幅值和频率、不同相位的电压信号波u1、u2、u3，u3、u2、u1的电信号依次相差120°，使得第一至第三压电双晶片的两端产生不同时间相位差的纵向拉伸力，进而使得第一至第三驱动足产生反向的椭圆运动，第一至第三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,在第一至第三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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