CN106100439A - 一种基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，涉及压电精密致动技术领域，能够实现低电压驱动，并且精简了电机结构，还可以通过改变电激励频率来调整电机的旋转速度，控制方便、输出精确。本发明包括定子5与触抓4之间通过螺纹连接，触抓4依据预设的旋出量安装，定子5内部安装有起到自动补偿作用的弹簧结构；压电叠堆2环绕定子5环几何中心均匀排布，压电叠堆2用于驱动所述步进型旋转电机；压电叠堆2依据预设的过盈量以过盈配合的方式嵌入定子5；转子1与触抓4相接处，转子1与触抓4的接触面上涂有摩擦材料，转子1与触抓4的接触面的底部设置有用于防止转子1在旋转时滑脱的凸台。

Description

一种基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机

技术领域

本发明涉及压电精密致动技术领域，尤其涉及一种基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机。

背景技术

压电作动器是一种广泛应于航空航天、医学、工业等领域的重要器件，在近些年压电作动器发展中，伴随着压电叠堆的问世，叠堆型压电作动器由于其大位移、大推力、低驱动电压的特性，应用领域十分广泛，且很快开发出了相关的产品方案。

但在已有的诸多的方案中，基于压电叠堆方案的压电作动器依然存在线位移不足的缺点，且为同时了满足对于输出转速的控制以及低驱动电压的要求，在目前的方案中需要在旋转驱动器中配置位移放大装置、压电叠堆、甚至是专用的控制模块等构件，导致作动器的结构较为复杂、且体积较大，这限制了基于压电叠堆方案的压电作动器在航空航天、医学等精密程度要求高的领域中的应用范围。

发明内容

本发明的实施例提供一种基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，能够实现低电压驱动，并且精简了电机结构，还可以通过改变电激励频率来调整电机的旋转速度，通过改变电压、输入信号模式来调整步进转角与分辨率，控制方便、输出精确。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机由转子1、压电叠堆2、固定螺钉3、触抓4、定子5和底座6组成；

定子5与触抓4之间通过螺纹连接，触抓4依据预设的旋出量安装，定子5内部安装有起到自动补偿作用的弹簧结构；

电机定子5内部安装压电叠堆2，压电叠堆2环绕定子5环几何中心均匀排布，压电叠堆2用于驱动所述步进型旋转电机；

压电叠堆2依据预设的过盈量以过盈配合的方式嵌入定子5；

转子1与触抓4相接处，转子1与触抓4的接触面上涂有摩擦材料，转子1与触抓4的接触面的底部设置有用于防止转子1在旋转时滑脱的凸台。

本发明实施例提供的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，通过压电叠堆驱动的步进型旋转电机，其中，电机包括转子1、定子5、触抓4、压电叠堆2及底座6，通过对压电叠堆2施加带有相位差的电激励使定子5产生变形，定子5驱动触抓4产生规律的椭圆运动推动转子1发生旋转。基于压电叠堆2大位移大推力低驱动电压的特点，本发明提供的定子5结构有效的放大了压电叠堆2的位移，并可实现低电压驱动。是一种由压电叠堆驱动的步进型旋转电机的旋转型压电促动器方案，精简了电机结构，且可以通过改变电激励频率来调整电机的旋转速度，通过改变电压、输入信号模式来调整步进转角与分辨率，因此控制方便、输出精确，可以用于替代现有方案中结构较为复杂、且体积较大的作动器方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机的俯视结构图；

图2为本发明实施例提供的电机的触抓的运动方式示意图；

图3为本发明实施例提供的电机中压电叠堆的极化方向、空间排布及电激励施加方式示意图；

图4为本发明实施例提供的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机的拆解结构示意图，其中的各标号分别表示：1.转子、2.压电叠堆、3.固定螺钉、4.触抓、5.定子、6.底座、11.电机安装定位孔、12.部线槽、13.防滑脱凸台、14.转子1的接触内壁、15.三角放大结构、16.一组压电叠堆、17.一组固定螺钉、18.定子5的定位螺孔、19一组触抓。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，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。

本发明实施例提供一种基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，如图1所示，包括：转子1、压电叠堆2、固定螺钉3、触抓4、定子5和底座6组成。

定子5与触抓4之间通过螺纹连接，触抓4依据预设的旋出量安装，定子5内部安装有起到自动补偿作用的弹簧结构。其中，触抓4的预设的旋出量依据根据实际需要调整。

电机定子5内部安装压电叠堆2，压电叠堆2环绕定子5环几何中心均匀排布，压电叠堆2用于驱动所述步进型旋转电机。

压电叠堆2依据预设的过盈量以过盈配合的方式嵌入定子5。压电叠堆2与所述定子5配合处结构基于三角放大原理设计。压电叠堆2依据预设的过盈量以过盈配合的方式嵌入定子5。其中，预设的过盈量可根据实际需要调整。例如：如图1所示，定子5与压电叠堆2之间以过盈配合的方式使压电叠堆2嵌入定子5，压电叠堆2嵌入处结构根据三角放大原理设计，当给压电叠施加电激励时压电叠堆2沿其极化方向产生线应变如图3所示，压电叠堆2产生的位移由定子5的三角放大结构传递给定子5，定子5在垂直于叠堆变形的方向获得成倍增长的变形量，该变形量在触抓4处得到进一步放大，使触抓4获得足够的位移量驱动转子1。

转子1与触抓4相接处，转子1与触抓4的接触面上涂有摩擦材料，转子1与触抓4的接触面的底部设置有用于防止转子1在旋转时滑脱的凸台。

在本实施例中，定子5与压电叠堆2之间以过盈配合的方式使压电叠堆2嵌入定子5，压电叠堆2嵌入处结构为三角放大结构。

压电叠堆2极化方向如图3所示，压电叠堆2产生的位移由所述定子5的三角放大结构传递给定子5，定子5在垂直于叠堆变形的方向获得成倍增长的变形量，该变形量在触抓4处得到进一步放大，使触抓4获得足够的位移量驱动转子1。

进一步的，定子5嵌入偶数个压电叠堆2，相邻的压电叠堆2之间互相垂直地安装在定子5中。在本实施例的优选方案中，定子5嵌入四个压电叠堆2。例如：如图1所示，电机的定子5内部压电叠堆2环绕定子5环几何中心均匀排布，本实施例采用四个压电叠堆2，相邻叠堆之间互相垂直摆放。

在本实施例中，定子5内部结构为一个起到固定作用的圆盘，在所述圆盘上分布四个定位螺纹孔，定子5由螺钉与底座6固定连接，所述圆盘的外侧设置有四个镂空的圆弧结构，该结构连接固定圆盘外部支撑梁，镂空的圆弧结构起到弹簧作用，对电机进行磨损补偿。例如：如图1所述，定子5内部结构为一个起到固定的圆盘，该圆盘上分布四个定位螺纹孔，所属定子5由螺钉与底座6固定连接，定子5固定圆盘的外侧有四个镂空的圆弧结构，该结构连接固定圆盘外部支撑梁，镂空圆弧起到弹簧作用，对电机进行磨损补偿。

进一步的，定子5外接预设数量的触抓4，触抓4与定子5之间通过螺纹连接，定子5与转子1之间通过触抓4接触。预压力可通过调整触抓4与定子5之间的旋出量调节。例如：如图1所示，定子5外接预设数量的触抓4，触抓4与定子5之间通过螺纹连接，定子5与转子1之间通过触抓4接触，预压力可通过调整触抓4与定子5之间的旋出量调节。转子1与触抓4接触的底部有一凸台，可防止转子1在转动的过程中滑出。且在本实施例中，，转子1与触抓4的接触面上涂抹有摩擦材料。转子1与触抓4的接触面上涂抹有摩擦材料。

如图2所示，所述电机的运动机理可简化为图中的模型，其中，该模型的变形规律基于图3所示电激励模式，T表示触抓4的一个运动周期，t表示时间。

具体的，在一个运动周期由开始至结束的过程中：

t＝0时，定子5无变形，各触抓4不运动；

0<t≤T/4时，定子5呈现子图2-1所示的状态，定子5上侧伸长下侧收缩；

T/4<t≤T/2时，定子5呈现子图2-2所示的状态，定子5右侧伸长左侧收缩。在这个时间段内接触点A处触抓4对转子1的压力最大，对转子1起主导作用，通过摩擦带动转子1朝着子图2-2中箭头方向转动；

T/2<t≤3T/4时，定子5呈现子图2-3所示的状态，定子5右侧伸长左侧收缩。在这个时间段内接触点B处触抓4对转子1的压力最大，对转子1起主导作用，通过摩擦带动转子1朝着子图2-3中箭头方向转动；

3T/4<t≤T时，定子5呈现子图2-4所示的状态，定子5右侧伸长左侧收缩。在这个时间段内接触点C处触抓4对转子1的压力最大，对转子1起主导作用，通过摩擦带动转子1朝着子图2-4中箭头方向转动；

T<t≤5T/4时，定子5呈现子图2-5所示的状态，定子5右侧伸长左侧收缩。在这个时间段内接触点D处触抓4对转子1的压力最大，对转子1起主导作用，通过摩擦带动转子1朝着子图2-5中箭头方向转动；

根据图3所示的接线方式，通过调节电激励的施加频率可增大或减小所述电机的转速，电激励相位反相可实现电机反转。通过调节电激励的信号模式可调整所述电机的驱动步长分辨率。

如图4所示，电机底座6的凹槽用于电机的部线，其中各标号对应表示：11.电机安装定位孔；12.部线槽；13.防滑脱凸台；14.转子1的接触内壁；15.三角放大结构；16.一组压电叠堆(一组的压电叠堆数量可以为如图4所示的4个)；17.一组固定螺钉(一组的固定螺钉数量可以为如图4所示的4个)；18.定子5的定位螺孔；19一组触抓。

在本实施例中，触抓4的预设数量可以为3、4、6或8，例如图4所示的，一组的触抓数量可以为4个。

本发明实施例提供的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，通过压电叠堆驱动的步进型旋转电机，其中，电机包括转子1、定子5、触抓4、压电叠堆2及底座6，通过对压电叠堆2施加带有相位差的电激励使定子5产生变形，定子5驱动触抓4产生规律的椭圆运动推动转子1发生旋转。基于压电叠堆2大位移大推力低驱动电压的特点，本发明提供的定子5结构有效的放大了压电叠堆2的位移，并可实现低电压驱动。是一种由压电叠堆驱动的步进型旋转电机的旋转型压电促动器方案，精简了电机结构，且可以通过改变电激励频率来调整电机的旋转速度，通过改变电压、输入信号模式来调整步进转角与分辨率，因此控制方便、输出精确，可以用于替代现有方案中结构较为复杂、且体积较大的作动器方案。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，包括：转子(1)、压电叠堆(2)、固定螺钉(3)、触抓(4)、定子(5)和底座(6)组成；

定子(5)与触抓(4)之间通过螺纹连接，触抓(4)依据预设的旋出量安装，定子(5)内部安装有起到自动补偿作用的弹簧结构；

电机定子(5)内部安装压电叠堆(2)，压电叠堆(2)环绕定子(5)环几何中心均匀排布，压电叠堆(2)用于驱动所述步进型旋转电机；

压电叠堆(2)依据预设的过盈量以过盈配合的方式嵌入定子(5)；

转子(1)与触抓(4)相接处，转子(1)与触抓(4)的接触面上涂有摩擦材料，转子(1)与触抓(4)的接触面的底部设置有用于防止转子(1)在旋转时滑脱的凸台。

2.根据权利要求1所述的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，定子(5)与压电叠堆(2)之间以过盈配合的方式使压电叠堆(2)嵌入定子(5)，压电叠堆(2)嵌入处结构为三角放大结构。

3.根据权利要求1或2所述的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，定子(5)嵌入偶数个压电叠堆(2)，相邻的压电叠堆(2)之间互相垂直地安装在定子(5)中。

4.根据权利要求3所述的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，定子(5)嵌入四个压电叠堆(2)。

5.根据权利要求1所述的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，定子(5)内部结构为一个起到固定作用的圆盘，在所述圆盘上分布四个定位螺纹孔，定子(5)由螺钉与底座(6)固定连接，所述圆盘的外侧设置有四个镂空的圆弧结构，该结构连接固定圆盘外部支撑梁，镂空的圆弧结构起到弹簧作用，对电机进行磨损补偿。

6.根据权利要求1或5所述的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，定子(5)外接预设数量的触抓(4)，触抓(4)与定子(5)之间通过螺纹连接，定子(5)与转子(1)之间通过触抓(4)接触。

7.根据权利要求1所述的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，转子(1)与触抓(4)的接触面上涂抹有摩擦材料。8、根据权利要求1所述的基于压电叠堆驱动方式的步进型旋转电机，其特征在于，触抓(4)的预设数量为3、4、6或8。