CN2525728Y

CN2525728Y - 压电谐波电机

Info

Publication number: CN2525728Y
Application number: CN 02205521
Authority: CN
Inventors: 辛洪兵; 郑伟智
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2002-12-11
Anticipated expiration: 2012-03-04

Abstract

一种压电谐波电机，它包括：柔轮、刚轮、压电波发生器，所述的压电波发生器包括：压电驱动器、与压电驱动器连接的三级放大的位移放大器，它们为铰链连接，一级为三角形放大，二级为杠杆放大，三级为压曲放大，位移放大器的个数为2kn个，n为波数，k为≥2的整数，且沿圆周方向均布，压电波发生器与柔轮接触，柔轮与刚轮啮合。本实用新型的优点是：不需要安装减速器便可直接得到低速的旋转输出，其结构简单、体积小、重量轻、输出力矩大、转动惯量小、精度高、效率高、噪音低，并且容易控制、制动性和响应好，不产生磁场也不受磁场影响。

Description

压电谐波电机

技术领域

本实用新型涉及一种压电谐波电机，它基于谐波传动原理，通过压电驱动器的伸缩变形，产生低速旋转输出的电机。

背景技术

作为原动装置，目前电磁式电机应用非常广泛，其技术也已基本趋于成熟。但在大部分应用场合均是与减速器相结合而得到低速输出，所以结构复杂，体积较大，随着微纳技术的发展，近些年来开发出各种压电超声电机，它是利用压电体振动产生行波，依靠摩擦进行传动，不能输出很大的驱动力矩。并且，随着载荷的增大，在施加相同的电压下，压电体振幅会变小，使驱动变得困难。虽然电磁式谐波电机也是基于谐波传动原理而直接得到低速旋转输出，但其承载能力较低，效率不高，而且本身是利用磁场来传递运动，所以容易受到强磁场的影响。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种压电谐波电机，该电机可以直接获得低转速输出，而且结构简单，体积小，承载能力及效率均较高，并且因为采用压电驱动器驱动，所以还可避免受到强磁场的影响。

为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案：这种压电谐波电机，它包括：柔轮、刚轮、压电波发生器，所述的压电波发生器包括：压电驱动器、与压电驱动器连接的三级放大的位移放大器，它们为铰链连接，一级为三角形放大，二级为杠杆放大，三级为压曲放大，位移放大器的个数为2kn个，n为波数，k为≥2的整数，且沿圈周方向均布，压电波发生器与柔轮接触，柔轮与刚轮啮合。

本实用新型中，利用了谐波齿轮传动的传动原理，无论波发生器部件旋转与否，只要使柔轮产生周期性的弹性变形，通过柔轮与刚轮的啮合便可获得低速输出，因此，应用这种传动中的柔轮的波动变形原理，赋予了谐波传动新的性能，即基于同一的挠性构件的波动变形原理的无减速器型低速原动机(谐波电机)的出现。

附图说明

图1为谐波传动基本原理简图

图2为具有内置压电式波发生器的压电谐波电机剖面图

图3为图2中弹性铰链位移放大机构简图

图4为铰链连接位移放大机构简图

图5为压电驱动器的结构示意图

图6为本实用新型电机的控制框图

图7为压电波发生器按凸轮轮廓进行变形时各组压电驱动器变形相序图

图8为压电波发生器按双滚轮或双圆盘式波发生器形式进行变形时，各组压电驱动器变形相序图

具体实施方式

谐波传动原理是建立在薄壳弹性变形理论基础上的一种新型传动，根据弹性壳体理论，当柔轮在波发生器作用下产生变形时，柔轮上任一点产生径向位移w(相当图1的横向位移)的同时必将伴随着切向位移v(相当图1的纵向位移)。通过图1所示的特殊机构可以看出，当一个不可伸长的柔性带承受力F1和F2作用，在平衡位置时，柔性带将在F1的方向产生一个横向位移w，在F2的相反方向产生一个纵向位移v。由此可明显看出纵向位移v是横向位移w通过柔性带的变形而形成的。此种原理的实质在于，当柔轮作为圆环发生连续的波动变形时，将使柔轮上的所有点都具有圆周速度和径向速度。

如图2所示，谐波电机包括刚轮5、柔轮6及压电波发生器，其中，压电波发生器由四组位移发生器1、2、3、4等组成，间隔45°沿圆周方向均布。其中位移发生器由位移放大器7和压电驱动器8组合而成。波发生器中心开有用于固定安装的圆孔。压电驱动器按照一定相序周期性伸缩变形，变形经位移放大器7进行位移放大后，使柔轮6产生周期性变形，通过柔轮6和固定的刚轮5的啮合作用，使装置产生低速旋转输出，如果柔轮6固定，则刚轮5输出，如果是刚轮5固定，则为柔轮6输出。

如图5所示，压电驱动器8采用压电陶瓷片，呈层叠式结构，各层压电陶瓷片11并联连接，彼此之间有胶层绝缘，因为压电陶瓷为脆性材料，所以在压电驱动器顶部安有保护金属片9，压电陶瓷外围覆有绝缘胶层10，进行绝缘。

如图3、图4所示，在安装由压电陶瓷片组成的压电驱动器时(为了消除间隙和磨擦，保证机构的精密性和灵敏性，采用弹性铰链来代替传统的铰链结构)，其上方，侧面以及下方均有弹性铰链，它们组成三级放大机构，即第一级为三角形放大13；第二级为杠杆放大14；第三级为压曲构件12，可以放大机构最后一级采用了压曲构件12进行放大，使波发生器能够改善柔轮应力状况及增加啮合齿数；放大机构各尺寸能保证足够的放大倍数外，压电构件12还应有合适的曲率半径R12，R12≤Rmin，Rmin是变形后柔轮内径或抗弯环内径的最小曲率半径。

由于压电陶瓷抗压弱拉，故安装时首先应使波发生器产生预变形，将压电驱动器8与位移放大器7进行预紧安装，以使压电驱动器在变形过程中始终为受压状态。波发生器整体可由弹簧钢板等材料进行调质处理(淬火、回火)后，经线切割加工完成。

压电波发生器由多个位移发生器组成，如果做成双波压电发生器时，则需要位移发生器的个数满足2nk，其中n＝2，K为2，3，4，5等整数，则位移发生器数量为8，12，16，20等；如果做成三波压电发生器时，则n＝3，k为2，3，4，5等，位移发生器数量12，18，24，30等。在本实用新型的实施例中是采用双波压电波发生器，即n＝2，k选2，即共有8个位移发生器。

压电波发生器的变形形状(即谐波传动的柔轮变形形状)由输向压电驱动器的电压波形来决定，因此，由控制电压的控制器来执行。其电压波形可以是方波，正弦波，例如，由电子开关控制电源可形成方波。

如图6、图7、图8所示，首先选定柔轮的变形规律，然后根据柔轮变形方程得出所取的离散点处的柔轮变形量，进而确定压电驱动器的变形量，由此，确定须控制的数字量，控制开始，首先由控制器18从存储器中按一定相序取出如图7、图8所示相位的数字量，经接口电路15送至D/A转换电路转换成模拟量，然后再经功率放大电路16放大，而得到所需的驱动电压(V1，V2，V3)或(V1、V2)来驱动谐波电机17旋转。

本实用新型的优点是：不需要安装减速器便可直接得到低速的旋转输出，其结构简单、体积小、重量轻、输出力矩大、转动惯量小、精度高、效率高、噪音低，并且容易控制、制动性和响应好，不产生磁场也不受磁场影响。

Claims

1、一种压电谐波电机，它包括：柔轮、刚轮、压电波发生器，其特征在于：所述的压电波发生器包括：压电驱动器、与压电驱动器连接的三级放大的位移放大器，它们为铰链连接，一级为三角形放大，二级为杠杆放大，三级为压曲放大，位移放大器的个数为2kn个，n为波数，k为≥2的整数，且沿圈周方向均布，压电波发生器与柔轮接触，柔轮与刚轮啮合。

2、根据权利要求1所述的压电谐波电机，其特征在于：所述的三级放大的位移放大器，其放大器中各连接关系为弹性连接结构。

3、根据权利要求1或2所述的压电谐波电机，其特征在于：所述的压曲放大的曲率半径≤Rmin。

4、根据权利要求2所述的压电谐波电机，其特征在于：所述的n为2，K为2，即采用沿直径方向上的一对位移发生器为一组，共设四组。

5、根据权利要求3所述的压电谐波电机，其特征在于：所述的n为2，K为2，即采用沿直径方向上的一对位移发生器为一组，共设四组。

6、根据权利要求4述的压电谐波电机，其特征在于：所述的压电驱动器由层叠式压电陶瓷片并联而成，各层之间有胶层绝缘。

7、根据权利要求5 所述的压电谐波电机，其特征在于：所述的压电驱动器电层叠式压电陶瓷电并联而成，各层之间有胶层绝缘。