CN201303293Y - 一种压电超声和电磁混合驱动的电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种压电超声和电磁混合驱动的电机。主要包括扭振压电片，纵振压电片，压电驱动定子，套筒，电磁驱动定子，复用转子，预紧弹簧，紧固螺栓，耐磨材料和输出轴。纵振压电片，扭振压电片和压电驱动定子依次安装在薄壁环形的套筒上，通过耐磨材料和复用转子相连，复用转子安装在输出轴上，通过紧固螺栓和预紧弹簧提供预紧力压紧耐磨材料和压电驱动定子。本实用新型电机在传统无刷直流力矩电机结构基础上嵌入了纵扭复合型的压电驱动器，在电机体积几乎没有扩大的情况下，使电机整合两种驱动的优点，既具有电磁驱动的大推力、高可靠性、长寿命，又具有压电超声驱动的高动态响应性(毫秒级)、高控制精度、无源自锁等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及无刷直流力矩电机，尤其是涉及一种压电超声和电磁混合驱动的电机。
背景技术
传统的电磁电机，由于绕组的结构原因，难以实现低速大转矩，而且减速主要使用刹车片等大型的刹车机构，响应速度慢；如果为获得控制系统所要求的低速大转矩的特性，往往需要使用减速传动机构，大大增加了机械部件的复杂性和重量而且减速齿轮对驱动系统的反冲效应，对进给量的放大效应以及对驱动控制的柔性影响也是不可避免的，严重阻碍了控制系统的快速性和精确性的提高。
超声波电机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年发展起来的一种新型微特电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。他与电磁电机相比有很多优点：易调速，控制精度高，低速区平稳脉动小，实现直接驱动，单位质量输出力矩大，响应速度极快，结构设计灵活，紧凑简单，噪声小，无电磁干扰，停电后具有摩擦自锁功能等。但是由于超声波电机的输出力矩、转速特性与激振频率、电压、相位和外界负载相关，具有较大的非线性性，至今还无法建立一个精确的数学控制模型，所以在保证一定输出扭矩的前提下调速很困难，调速的范围也较小；可靠性低和寿命也限制了其应用范围和发展。
因此如何更好地应用电磁驱动技术和压电超声驱动技术的优点，扬长避短，互相补充，设计一种高功率质量比、高动态响应性、高控制精度、低速大力矩直接驱动、小体积和无源自锁的电机具有非常重要的实际价值。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种压电超声和电磁混合驱动的电机，可以实现低速、大力矩，具有无源自锁，响应速度快等目的。
本实用新型采用以下技术方案：
将输出轴的一端支承在电机后端盖上，输出轴的另一端支承在电机前端盖上，两端盖间装有硅钢片并用连接螺钉连接成一整体，硅钢片上绕有电磁定子绕组，电磁定子绕组面对的输出轴轴环上安装复用转子，电磁驱动线圈接线端安装在电机前端盖上并伸出在外，传感器转子安装在输出轴上靠近电机后端盖，正对的传感器定子固定在电机后端盖上，电机前端盖内侧开有薄壁环形的套筒，套筒上依次装有环形的扭振压电片和纵振压电片，用环形的压电驱动定子压紧，扭振和纵振压电片接线端安装在电机前端盖上并伸出在外，法兰安装在输出轴的轴环上，紧靠在复用转子左侧，预紧弹簧安装在复用转子和复用转子右侧的轴环之间，通过紧固螺栓连接复用转子和法兰并压紧压电驱动定子，复用转子和压电驱动定子之间装有耐磨材料。
与背景技术相比具有的有益效果是：
1、充分利用无刷直流力矩电机的本体，几乎没有体积的扩大，充分整合两种驱动的优点；
2、电器时间常数小，动态相应速度快，低速响应速度可以达到毫秒级、线性度好、精度高、结构紧凑、运行可靠、可以获得很好的精度和动态性能；
3、易调速，启动和低速的时候两种驱动方式同时进行，输出力矩大、低速区平稳无脉动；控制上可以实现步进，而且定位精度很高。
4、在高速运行的时候，可以提高纵振动压电片的振动频率，靠超声波振动产生的悬浮能力将USM转子和定子分开，此时只有电磁驱动起作用，具有电磁驱动的调速范围宽、调速稳定等优点；
5、无齿轮减速装置产生的间隙，可以实现精确的定位；
6、具有摩擦自锁功能，在需要停机时，可以摩擦制动，响应速度快。
附图说明
附图是本实用新型的电机装配图。
图中：1.扭振和纵振压电片接线端，2.扭振压电片，3.输出轴，4.前端盖轴承，5.电机前端盖，6.紧固螺栓，7.电子换向开关电路，8.电磁驱动线圈接线端，9.纵振压电片，10.压电驱动定子，11.复用转子，12.法兰，13.传感器转子，14.轴端挡圈，15.后端盖轴承，16.电机后端盖，17.预紧弹簧，18.连接螺钉，19.传感器定子，20.硅钢片，21.电磁定子绕组，22.耐磨材料，23.套筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。
如附图所示的压电超声和电磁混合驱动新型电机。
输出轴3的一端支承在电机后端盖16的后端盖轴承15上，用轴端挡圈14定位，输出轴3的另一端支承在电机前端盖5的前盖轴承4上，两端盖间装有硅钢片20并用连接螺钉18连接成一整体，构成了整个电机的安装空间；硅钢片20上绕有电磁定子绕组21，电磁定子绕组21面对的输出轴3轴环上安装复用转子11，电磁驱动线圈接线端8安装在电机前端盖5上并伸出在外，传感器转子13安装在输出轴上靠近电机后端盖16，正对的传感器定子19固定在电机后端盖16上，电子换向开关电路7位于前端盖5外并与电磁驱动线圈接线端8相连；以上结构构成了本电机的电磁驱动部分，采用了方波自控式永磁无刷直流电机，以霍尔传感器传感器转子13、传感器定子19取代碳刷换向器，电磁定子绕组21做成三相对称星形接法，复用转子11上粘有已充磁的永磁体，电子换向开关电路7控制电磁驱动的启动和停止，并接受传感器转子13、传感器定子19输出的位置信号和速度反馈信号进行系统控制。
电机前端盖5内侧开有薄壁环形的套筒23，铸造而成，套筒23外侧车有外螺纹，套筒23上依次装有环形的扭振压电片2和纵振压电片9，环形的压电驱动定子10是一个螺母，安装在套筒23最左侧，与套筒23配合并压紧扭振压电片2和纵振压电片9，扭振和纵振压电片接线端1安装在电机前端盖5上并伸出在外，法兰12安装在输出轴3的轴环上，紧靠在复用转子11左侧，预紧弹簧17安装在复用转子11和复用转子11右侧的轴环之间，通过紧固螺栓6连接复用转子11和法兰12并压紧压电驱动定子10，复用转子11和压电驱动定子10之间装有耐磨材料22；通过扭振和纵振压电片接线端1施加同频不同相的交流电信号分别作用于纵振压电片9、扭振压电片2，且施加的电信号频率是定子整体的谐振频率，使压电驱动定子10产生纵扭振动，这两种同频振动在压电驱动定子10的接触面质点产生椭圆运动轨迹，在耐磨材料22的作用下，借助弹性体谐振放大，通过摩擦耦合产生复用转子11的旋转运动。由于高频(振动20KHz以上)和转子的转动惯量的作用，可以使转子匀速转动，并且达到低速大力矩的特性，高速运行的时候，纵振压电片9、扭振压电片2通以与振子处于最佳减摩状态的频率相同的交流电，使得压电驱动定子10和复用转子11之间产生间隙，大大降低电磁驱动的摩擦力，使得压电超声不起作用，充分发挥电磁驱动调速范围宽、调速稳定等优点，当急停时，预紧弹簧17提供的预紧力产生减速的摩擦力，同时通过给扭振压电片2反向电压，可以作为电磁驱动的负载而达到刹车的目的，同时具备一般刹车结构无法具有的响应速度快的优点。
整个电机的工作过程是：
在启动和低速运转的时候，压电超声驱动和电磁驱动两种驱动方式同时工作，无刷直流电动机的传感器位置编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论复用转子11的起始位置处在何处，电动机可以产生很大的转矩；通过施加同频不同相的高频交流电信号(频率20KHz以上)分别作用于纵振压电片9、扭振压电片2，且施加的电信号频率是压电驱动定子10整体的谐振频率，使压电驱动定子10产生纵扭振动，这两种同频振动在压电驱动定子10的接触面质点产生椭圆运动轨迹，压电驱动定子10振动断续的作用于压紧耐磨材料22的复用转子11上，借助弹性体谐振放大，通过摩擦耦合产生旋转运动。由于高频(振动20KHz以上)和复用转子的转动惯量的作用，可以使转子匀速转动，并且达到低速大力矩的特性。
在高速运转的时候，给纵振压电片9、扭振压电片2通以与压电驱动定子10处于最佳减摩状态的频率相同的交流电，压电驱动定子10在振动的过程中有瞬间脱离与耐磨材料22接触表面的状况，脱离的次数与频率相同。压电驱动定子10在脱离与耐磨材料22接触面的瞬间相当于与接触面之间有瞬间的间隙存在。由于振动的周期性以及振动的频率很高，压电驱动定子10在脱离与耐磨材料22接触面之间周期性的出现间隙，在出现间隙的瞬间，压电驱动定子10和耐磨材料22之间相当于有一层极薄的空气薄膜将其分开，此时的摩擦系数大大降低。此时实用新型电机相当与直流力矩电机，压电超声驱动此时几乎不起作用，从而也大大延长压电超声驱动部分的寿命。
在需要停止的时候，这时切断电磁驱动供电，同时给扭振压电片2通相反方向的电压，预紧弹簧提供的预紧力产生减速的摩擦力，压电超声驱动相当于负载给电机减速，由于压电超声响应速度快，响应可以达到毫秒级，同时不需要外设刹车片等大型的刹车设备，简化了机构。
由于超声波电机是一种高频弹性体激励，既不产生电磁场也不受电磁场影响，而高频弹性体的振幅是极其有限的，不会影响电磁驱动部分的结构和磁路，因此使得压电超声和电磁混合驱动新型电机具备两种驱动的优点，既具有电磁驱动的大推力、高可靠性、长寿命，又具有压电超声驱动的高动态响应性(毫秒级)、高控制精度、无源自锁等特点。
Claims (1)
1、一种压电超声和电磁混合驱动的电机，其特征在于：将输出轴(3)的一端支承在电机后端盖(16)上，输出轴(3)的另一端支承在电机前端盖(5)上，两端盖间装有硅钢片(20)并用连接螺钉(18)连接成一整体，硅钢片(20)上绕有电磁定子绕组(21)，电磁定子绕组(21)面对的输出轴(3)轴环上安装复用转子(11)，电磁驱动线圈接线端(8)安装在电机前端盖(5)上并伸出在外，传感器转子(13)安装在输出轴上靠近电机后端盖(16)，正对的传感器定子(19)固定在电机后端盖(16)上，电机前端盖(5)内侧开有薄壁环形的套筒(23)，套筒(23)上依次装有环形的扭振压电片(2)和纵振压电片(9)，用环形的压电驱动定子(10)压紧，扭振和纵振压电片接线端(1)安装在电机前端盖(5)上并伸出在外，法兰(12)安装在输出轴(3)的轴环上，紧靠在复用转子(11)左侧，预紧弹簧(17)安装在复用转子(11)和复用转子(11)右侧的轴环之间，通过紧固螺栓(6)连接复用转子(11)和法兰(12)并压紧压电驱动定子(10)，复用转子(11)和压电驱动定子(10)之间装有耐磨材料(22)。
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Granted publication date: 20090902 Effective date of abandoning: 20081021 |