CN203434889U - 驱动足偏置的双向运动压电电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种驱动足偏置的双向运动压电电机，包括电机定子、动子及压电陶瓷片，所述的电机定子由开有通槽结构的矩形块体构成，呈“P”字型，矩形块体的长边一端凸起，形成电机定子的驱动足放置于动子上；所述矩形块体的上下二面和驱动足一侧的表面各粘贴一片压电陶瓷片；其中上下二面的压电陶瓷片极化方向相同，而驱动足一侧表面压电陶瓷片的极化方向与上下二面的压电陶瓷片极化方向相反。本实用新型具有体积小、结构简单、推力自重比大、控制简单、运动精度高等特点，不仅可以单独作用用于直线驱动，也可以组合多个电机实现多自由度的驱动，可应用于微型精密机械设备等领域。

Description

驱动足偏置的双向运动压电电机

技术领域

本实用新型涉及一种驱动足偏置的双向运动压电电机，属直线运动驱动和控制兼用的微型直线电机，特别是微小结构高能量密度的电动机技术领域。

背景技术

压电电机是一种利用压电材料的逆压电效应，通过压电体的各种变形模式，激发弹性体产生振动，利用定子和动子之间的摩擦使其产生相对运动的新型微型致动器。压电电机具有体积小、控制灵活、精度较高等优点，可作为嵌入式驱动广泛用于微小型的自动装置。目前的压电电动机有的体积虽小但其驱动力也小；有的需要二个共振模态合成二相电源驱动，但二相驱动对两个正交的共振模态频率一致性要求严格，在预压力的作用下容易发生频率漂移，破坏电机的两个模态频率简并，影响甚至阻碍驱动足运动，且二相驱动电路复杂，控制要求高，在一定程度上限制了二相驱动电机的产业化。单相驱动避免了二相驱动的频率简并和难以控制的缺点，减少外部的影响和工作的不稳定性，增加了设计的灵活性。

实用新型内容

       针对现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种驱动足偏置的双向运动压电电机，实现一种单相驱动、体积小、出力大、可双向运动、操作稳定、控制容易的压电电动机。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种驱动足偏置的双向运动压电电机，包括电机定子、压电陶瓷片及动子，所述的电机定子由开有通槽结构的矩形块体构成，呈“P”字型，矩形块体的长边一端凸起，形成电机定子的驱动足放置于动子上；所述矩形块体的上下二面和驱动足一侧的表面各粘贴一片压电陶瓷片；其中上下二面的压电陶瓷片极化方向相同，而驱动足一侧表面压电陶瓷片的极化方向与上下二面的压电陶瓷片极化方向相反。

       所述的电机定子的矩形块的长边一侧凸起部分为电机的驱动足，该偏置的驱动足利用了放大效应实现了对振动振幅的有效放大，增强了电机定子与动子之间的相对运动。驱动足偏置可以缩短电机振动力传递路径，有利于使电机承受较大预压力，产生较大的输出推力，同时不至于对所设计的电机振动振型产生过大影响。

所述的电机定子的矩形块体正面开有贯通的切槽，槽的形状、方向、大小、个数可以根据不同的电机设计需要确定。开槽的效果是在不同共振频率下的共振模态，获得互异的驱动足驱动方向，同时调节电机的阻抗到需要的范围。通过改变驱动电压频率便可以实现对电机定子驱动足运动方向的控制。

       所述的压电致动件为表面涂有银极的、沿厚度方向极化的压电陶瓷片，采用了上面、下面和侧面三片压电陶瓷片激励电机振动模态。激励电场的不同组合可以分别有效地激发出电机的各阶工作模态，以获得较高的机电耦合系数。为合理激发定子的工作模态，压电陶瓷片粘贴于该表面的振动节点附近。

       电机的工作方式为单相电源驱动工作。电机工作时三片压电陶片联动激励，使驱动足产生斜向往复运动。通过改变激励电压的频率便可改变驱动足的运动方向。

本实用新型与现有技术相比具有如下突出实质性特点和显著优点：

1. 电机定子为P型结构，结构简单，体积小，特别适合于微型化，制造工艺简单、成本低。同时该结构合理设计了电机工作时力的传递路径，预压力垂直作用于驱动足表面，驱动足及其下方为主要受力部分，可以承受较大的预压力，使得电机的推重比较大。粘贴压电陶瓷片的矩形块几乎不受力，避免了因外力造成的模态漂移，减小了理论分析与实际工作的模态频率误差。

2. 电机定子表面压电陶瓷片联动激励，采用单相驱动，避免了薄型构件因预压力而破坏频率简并，驱动电路简单，控制容易。

3. 电机定子矩形块部分开槽，实现了不同频率下对驱动足运动方向的控制。利用变换频率实现运动方向切换，工作稳定，不出现两相频率脱离简并问题，通过改变电源的驱动频率便可改变电机的运动方向，动作精确可调，位移和速度分辨率高，方向变换灵活。

4. 压电陶瓷片布置在振动节点附近，有效地激发出了定子的工作模态。电机定子开槽削弱了定子的弯曲刚度，增加驱动力的同时减少了电机的阻抗，能量交换方式合理，转换效率高。

5. 该电机可以作直线方向的直接驱动，无需直线运动转换机构，具有摩擦驱动特有的自锁功能，定位精度高。

       本实用新型既可以单独作为直线压电电机工作，也可以适当组合形成结构紧凑、相互解耦的多自由度驱动电机。当电机组合成多自由度结构形式时，可以消除现有的多自由度电机驱动齿间的运动干涉现象，因而具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的电机的结构示意图。

图2是电机定子在单相低频电压信号驱动下驱动足的运动状态，

图3是电机定子在单相高频电压信号驱动下驱动足的运动状态。

图4是本实用新型的具体实施例一的结构示意图。

图5是本实用新型的具体实施例一的爆炸图。

图6是本实用新型的具体实施例二的结构示意图。

图7是本实用新型的具体实施例二的正视图。

具体实施方式

       下面结合附图具体说明本实用新型的具体实施方式。

       如图1所示，一种驱动足偏置的双向运动压电电机，包括电机定子1、压电陶瓷片2及动子3，所述的电机定子1由开有通槽结构的矩形块体构成，呈“P”字型，矩形块体的长边一端凸起，形成电机定子1的驱动足放置于动子3上；所述矩形块体的上下二面和驱动足一侧的表面各粘贴一片压电陶瓷片2；其中上下二面的压电陶瓷片2极化方向相同，而驱动足一侧表面压电陶瓷片2的极化方向与上下二面的压电陶瓷片2极化方向相反。

如图2和图3所示，是电机定子的工作模态图，图中箭头表示驱动足端部外沿的往复运动方向，图中 (1)~(4)依次是电机定子在一个模态振动周期过程内的4个状态。电机定子的激励信号施加方式为3片压电陶瓷片在电路上并联，输入电压信号E=Vsinωt，电机定子接地。当在信号输入端输入低频信号时，激发电机定子产生如图2所示的振动模态；当输入信号为高频时，电机定子产生如图3所示的振动模态，驱动足往复运动方向如图中箭头所示。其中：V为电压值；ω是电机定子的工作模态频率；t为时间。

图4为单个电机自行式驮重物行走，包括砝码4、电机封装件5及工作台6组成，其爆炸图如图5所示。电机封装件5的具体结构形式为：电机置于特制的封装外壳12内，电机与封装外壳12之间安装有柔性软垫7、8。在封装外壳12的另一端安装一内置于槽内的滚轮10，由螺栓11和螺母9固定。电机定子1的驱动足与滚轮10底面位于同一水平面上。将一定质量的砝码4置于电机封装件12上方，使电机驱动足与工作台6表面产生一定的预压力。给电机施加高频或低频的激励信号时，电机便会带着砝码4在工作台6表面做直线运动。根据此原理合理设计电机的封装和外围结构，可以实现电机自行式驮载重物行走。若将工作台6变成直线导轨则电机可作为直线电机使用。

       图6为4个电机联动驱动球形转子旋转，由编号为a ~ d的4个电机、柔性软垫7、8和球形转子13组成。图7为本实施例的正视图。如图所示，编号为a ~ d的电机驱动足相对排列，呈“十”字形放置在水平面上。球形转子13置于结构中心处上方，与4个电机的驱动足接触。在具体的应用中，为避免外加刚性支承影响电机定子的振动，需要在电机的外部添加如图7中7、8所示的柔性软垫。当单独给a号电机施加低频电压信号时，a号电机产生如图2所示的振动模态。由于球形转子在自身重力作用下对定子的驱动足产生了一定的预压力，此时球形转子绕x轴做顺时针圆周运动。当单独给a号电机施加高频电压信号时，激发出如图3所示的模态，此时转子绕x轴逆时针运动。同理，当单独给b、c或d号电机施加高频或低频信号时，便能使转子产生绕y轴或者x轴的圆周运动。将4个电机在不同驱动频率下组合，选择较易实现顺畅转动的组合，可实现球形转子分别绕x、y、z轴的转动。 

Claims (1)

1.一种驱动足偏置的双向运动压电电机，包括电机定子（1）、压电陶瓷片（2）及动子（3），其特征在于，所述的电机定子（1）由开有通槽结构的矩形块体构成，呈“P”字型，矩形块体的长边一端凸起，形成电机定子（1）的驱动足放置于动子（3）上；所述矩形块体的上下二面和驱动足一侧的表面各粘贴一片压电陶瓷片（2）；其中上下二面的压电陶瓷片（2）极化方向相同，而驱动足一侧表面压电陶瓷片（2）的极化方向与上下二面的压电陶瓷片（2）极化方向相反。

Images