CN112886860A - 一种基于三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机，涉及压电精密致动技术领域，该电机采用宏微融合式设计，能够实现在静电钳位模式、非共振模式及共振模式下工作。该电机包括转子、正柔性三角形定子、压电叠堆及底座。本发明充分利用了压电叠堆大位移、大推力、低驱动电压的特点，发明了一种能够在低电压条件下实现双向超高精度定位的旋转型压电作动器。可广泛应用于精密光学、航空航天、工业制造、医疗器械等领域。
Description
技术领域
本发明涉及压电精密致动技术领域，尤其涉及一种基于三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机。
背景技术
现有的绝大部分叠堆型旋转压电作动器，相较于使用单层压电陶瓷的超声电机而言，具有更高的定位精度、更大的输出扭矩和更低的驱动电压等优点。但往往由于输出行程的限制大大局限了它们的使用范围。
而随着航天科工、尖端技术装备制造及精密光学等领域的快速发展，对叠堆型压电运动执行机构的性能要求越来越多元化，既要实现在小微尺度实现精密定位的同时，又能以较快的速度完成大角度的位置偏转。
现有的运动解决方案需要宏观运动执行机构和微观运动执行机构协同完成。因此，这种融合式的需求给压电运动执行机构的设计带来了极大的挑战。如何针对现有叠堆型旋转压电作动器的行程不足、输出转速低、驱动控制信号复杂等缺陷，在宏、维驱动融合设计的基础上，进行进一步的深度优化，使之实现快速的大位移姿态调整且又能在微观尺度上实现微角度的调节，并且结构还得精简高效，已成为业内需要研究的难题之一。
发明内容
本发明的实施例提供一种基于三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机，驱动电压低，结构稳定可靠，可同步实现宏观大行程作动及微观精密定位功能。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
所述旋转超声电机中包括：一个定子1、至少一个环形回转摩擦传动部件和相应的装夹机构。
其中，定子1包含一个柔性三角形定子框架2，三个沿环向呈120°分布的压电叠堆，和2个用于调整压电叠堆与柔性框架过盈量的楔形金属块，压电叠堆嵌入柔性三角形定子框架2；定子2通过固定螺钉31固定在基座32上，转子28通过转子固定螺钉46紧固在限位轴承39上，限位轴承39的滑轨滚子40被档圈30固定嵌入在基座32中；波形弹簧34的上、下表面，分别与摩擦环42的上表面和预压力调节锁环29的下表面相胶接，预压力调节锁环29由锁环定位螺钉38紧固在转子28上；转子28的上表面和预压力调节锁环29的上表面分别开有转子键槽36和锁环键槽37。
定子1的几何布局形式为正三角形布局。
本实施例的方案，既能够在宏观上实现快速的大位移姿态调整，又能在微观尺度上实现微角度的调节，极大程度的精简了作动器的结构。具体所设计的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机，该电机采用宏微融合式设计，能够实现在静电钳位模式、非共振模式及共振模式下工作。该电机包括转子、正柔性三角形定子、压电叠堆及底座。因此，本实施例充分利用了压电叠堆大位移、大推力、低驱动电压的特点，发明了一种能够在低电压条件下实现双向超高精度定位的旋转型压电作动器。可广泛应用于精密光学、航空航天、工业制造、医疗器械等领域。总的来说，本实施例提供的由压电叠堆作为激振单元的旋转型压电作动器。其驱动电压低，结构稳定可靠，可同步实现宏观大行程作动及微观精密定位功能。
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三角型柔性定子的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机的工作原理的示意图；
图3为本发明实施例提供的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机的接线方式的示意图；
图4为本发明实施例提供的三相驱动信号示意图；
图5为本发明实施例提供的柔性三角形定子在工况下的形变位移云图；
图6为本发明实施例提供的静电钳位微动工作模式原理示意图；
图7为本发明实施例提供的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机的俯视图；
图8为本发明实施例提供的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机的剖视图；
图9为本发明实施例提供的装有面包板的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机结构示意图。
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三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机，如图1、3所示，所述旋转超声电机中包括：一个定子1、至少一个环形回转摩擦传动部件和相应的装夹机构。
其中如图1所示的，定子1包含一个柔性三角形定子框架2，三个沿环向呈120°分布的压电叠堆，和2个用于调整压电叠堆与柔性框架过盈量的楔形金属块，压电叠堆嵌入柔性三角形定子框架2。
定子2通过固定螺钉31固定在基座32上，转子28通过转子固定螺钉46紧固在限位轴承39上，限位轴承39的滑轨滚子40被档圈30固定嵌入在基座32中。转子28通过限位止推轴承结构与定子基座相连接，在未施加定转子之间的预压力之前可自由的在定子底座上转动。具体的，按照图7、8、9所示，其中27为本实施例的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机的剖视结构。
波形弹簧34的上、下表面，分别与摩擦环42的上表面和预压力调节锁环29的下表面相胶接，预压力调节锁环29由锁环定位螺钉38紧固在转子28上。
转子28的上表面和预压力调节锁环29的上表面分别开有转子键槽36和锁环键槽37。可用于固定负载。
具体的，压电叠堆与柔性三角形定子之间可以通过先胶接再过盈的方式相配合，输入到每个压电叠堆之中的驱动信号为带有偏至的正弦信号，相邻压电叠堆的驱动信号的频率相同相位相差120°，通过任意相邻压电叠堆驱动信号的换相可实现电机的反转输出。三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机，其运动输出模式为正、反双向的旋转运动。
本实施例中，如图1所示，定子1的几何布局形式为正三角形布局，O点为该定子的几何中心。柔性三角形定子框架2通过带有三角形定子框架限位柔性铰链12的杠杆放大结构，对压电叠堆输出的位移进行放大。
其中，柔性三角形定子框架2内呈二级杠杆放大构型，第一级杠杆放大构型，包括：压电叠堆沿极化方向输出的位移，通过六边形的柔性三角形定子框架2转化并放大为沿三角形边长方向的位移。
第二级杠杆放大构型，包括：通过柔性三角形定子框架2与定子固定环孔21之间的三角形定子框架限位柔性铰链12所形成的杠杆结构，将三角形边长方向的位移转化并放大为垂直于柔性三角形定子的驱动面与定子1的几何中心连线方向上的位移，其中，柔性铰链通过在三角形定子内部开槽实现。
进一步的，转子28与柔性三角形定子框架2之间通过贴有摩擦环42的波形弹簧34相配合，摩擦环42被波形弹簧34压紧在柔性三角形定子框架2的接触足上，波形弹簧34通过预压力调节锁环29被固定在转子28的内环中，转子28与柔性三角形定子框架2之间的预压力通过调整预压力调节锁环29在转子28的轴向位置来进行调节。
在本实施例中，压电叠堆包括：第一压电叠堆3、第二压电叠堆4、第三压电叠堆5，用于调整压电叠堆与柔性框架过盈量的金属块包括：第一楔形金属块6和第二楔形金属块7。第一压电叠堆3、第二压电叠堆4、第三压电叠堆5嵌入柔性三角形定子框架2，并以柔性三角形定子框架2的三个顶点所处的位置区域作为驱动足(即柔性三角形定子的驱动面，或简称为定子的驱动面)。具体的，柔性正三角形框架内部嵌入三个垂直于定子厚度方向，且沿环向呈120°阵列式分布的压电叠堆作为激振单元，并以三角形框架的三个顶点处所处位置区域作为驱动足。所述柔性三角形定子在特定的驱动信号激励下驱动足可呈现周期性的椭圆运动，这种运动具有驱动转子转动的效果。
进一步的，柔性三角形定子框架2分别在各个压电叠堆的单独作用时，发生作用的驱动端发生位移，其中，压电叠堆的位移放大系数通过调节设计尺寸实现。柔性三角形定子框架2分别在第一压电叠堆3、第二压电叠堆4和第三压电叠堆5单独作用时的驱动端，包括：第一柔性三角形定子的驱动面17、第二柔性三角形定子的驱动面18、第三柔性三角形定子的驱动面19。
柔性三角形定子的驱动面是属于柔性三角形定子的一个平面，被调节的设计尺寸包括：如如1中所示的，柔性三角形定框架2的各尺寸L1、L2、L3、S和H。例如：按照图1所示，柔性三角形定子框架2分别在第一压电叠堆3、第二压电叠堆4和第三压电叠堆5单独作用时的驱动端17、18、19处的位移，相对于压电叠堆的位移放大系数可通过调节L1，L2，L3，S，H的设计尺寸实现。需要说明的是，通过调整三角形定子框架限位柔性铰链12的半径、压电叠堆固定框架切槽13和20的间隙宽度、柔性三角形定子驱动端切槽14、15、16的间隙宽度等尺寸，可调整柔性定子的变形刚度，以上参数对所述电机定子的输出性能的影响十分显著，实际应用需结合具体工况进行设计，本实施例中不做限定。
压电叠堆装配及输出位移测试面，为压电叠堆与柔性三角形定子框架2过盈配合时的预压力校核平面。在叠堆装配过程中将楔形块压入柔性三角形定子框架2，并通过位移传感器对压电叠堆装配及输出位移测试面检测位移变化量，且保持所有压电叠堆装配及输出位移测试面的位移变化量其近似相等。
例如：按照图1所示，第一压电叠堆装配及输出位移测试面9、第二压电叠堆装配及输出位移测试面10、第三压电叠堆装配及输出位移测试面11，为第一压电叠堆3、第二压电叠堆4和第三压电叠堆5与柔性三角形定子框架2过盈配合时的预压力校核平面。压电叠堆在加载相同电信号的情况下，所输出的变形量与预拉力负相关。
具体的，第一压电叠堆3、第二压电叠堆4和第三压电叠堆5在相同电信号加载的条件下所输出的变形量与预拉力负相关且敏感，故而在叠堆装配过程中应分别将第一楔形金属块6和第二楔形金属块7压入柔性定子框架中并使用位移传感器在上述三个校核平面检测位移变化量并保持其近似相等。
举例来说，按照图2所示，从能量转换的角度揭示本专利所提及的三项压电叠堆驱动方式的旋转超声电机的工作原理可简化为图中形式，若有一机械力矩推动三相交流发电机结构简化模型100的转子25沿ω1方向转动，三相成120°排布的绕组线圈22、23、2422、23、24-三相交流发电机绕组线圈，在三相交流发电机转子25转动时切割磁感线产生相位相差120°，幅值与频率相同的感应电流i1、i2、i3，感应电流i1、i2、i3接入三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机结构简化模型101中三相呈120°排布的压电叠堆3、4、5中，压电叠堆产生带有相差的周期性振动带动定子驱动面17、18、19做周期性轨迹形状相同的椭圆运动推动三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机转子26旋转。实现机械能→电能→机械能的转化。将图中的绕组和叠堆拆分成单一支路后，该回路形成典型的LC振荡回路，继而有***最优工作频率为：
其中，f表示最优驱动频率，L表示匹配电路电感系数，C表示压电叠堆的电容系数。
具体的，构成压电叠堆的材料特性属于脆性材料，且能够承受的压应力远大于能够承载的拉应力。第一引线(51)、第二引线(52)、第三引线(53)、第四引线(54)、第五引线(55)、第六引线(56)分别从第一压电叠堆3、第二压电叠堆4、第三压电叠堆5的同水平面的两侧引出，第一引线(51)、第三(53)、第五(55)处施加正向电压，以便于使压电叠堆产生纵向拉伸，其内部受到柔性定子2所施加的压应力，第二引线(52)、第四引线(54)、第六引线(56)处引线并接入电源驱动器57的负极。例如：按照图3所示，由于构成压电叠堆的材料特性属于脆性材料，其可承受的压应力远大于能够承载的拉应力，因此为了保障压电叠堆的使用寿命，在电学上应视其为具有极性的电学原件。本专利所述的实施例中。
按照图4所示，本实施例中输入到压电叠堆引线51、53、55处的电压信号波形分别为A、B、C，其信号幅值及频率相同，量邻两相具有120°的相位差。公式表达有如下形式：
按照图5所示，本实施例中柔性三角形定子2在正常工作下一个周期内的定子的三个柔性三角形定子的驱动面17、18、19与转子摩擦环的接触状态可分为四个状态。以第一柔性三角形定子的驱动面17为例，I、II、III、IV，分别表示完全脱离，预接触，完全接触，预脱离四种状态下的定子应变云图。由对称性可知剩余18、19两柔性三角形定子的驱动面的运行轨迹形状及运行方向与第一柔性三角形定子的驱动面17完全相同，仅有时间上的相位差。因此，在三个柔性三角形定子的驱动面17、18、19的协同作用下转子可获得连续的输出扭矩。
按照图6所示，本实施例中柔性三角形定子的接触模型可以简化为零电位状态电机结构模型48，PSAI,PSAII,PSAIII分别表示柔性三角形定子的三个压电叠堆，转子50在上述三相压电叠堆接入不同强度的静电电压后被柔性三角形定子以钳位的方式沿转子微动旋向71方向转动。通过三相压电叠堆之间的电势差可实现电机微幅偏摆的精密调节施加静电电位后的电机微动模型72。
具体的，按照图9所示，本实施例中的负载可安装在固定面包板44中，以面包板定位孔45进行定位安装。
本实施例的方案，既能够在宏观上实现快速的大位移姿态调整，又能在微观尺度上实现微角度的调节，极大程度的精简了作动器的结构。具体所设计的三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机，该电机采用宏微融合式设计，能够实现在静电钳位模式、非共振模式及共振模式下工作。该电机包括转子、正柔性三角形定子、压电叠堆及底座。因此，本实施例充分利用了压电叠堆大位移、大推力、低驱动电压的特点，发明了一种能够在低电压条件下实现双向超高精度定位的旋转型压电作动器。可广泛应用于精密光学、航空航天、工业制造、医疗器械等领域。总的来说，本实施例提供的由压电叠堆作为激振单元的旋转型压电作动器。其驱动电压低，结构稳定可靠，可同步实现宏观大行程作动及微观精密定位功能。
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 (8)
1.一种基于三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机，其特征在于，所述旋转超声电机中包括：一个定子(1)、至少一个环形回转摩擦传动部件和装夹机构，其中，所述环形回转摩擦传动部件包括转子(28)、预压力调节锁环(29)、波形弹簧(34)和摩擦环(42)；所述装夹机构包括档圈(30)、固定螺钉(31)、基座(32)、螺钉(33)、锁环定位螺钉(38)和限位轴承(39)；
定子(1)包含一个柔性三角形定子框架(2)，三个沿环向呈120°分布的压电叠堆，和2个用于调整压电叠堆与柔性框架过盈量的楔形金属块，压电叠堆嵌入柔性三角形定子框架(2)；
定子(1)通过固定螺钉(31)固定在基座(32)上，转子(28)通过转子固定螺钉(46)紧固在限位轴承(39)上，限位轴承(39)的滑轨滚子(40)被档圈(30)固定嵌入在基座(32)中；波形弹簧(34)的上、下表面，分别与摩擦环(42)的上表面和预压力调节锁环(29)的下表面相胶接，预压力调节锁环(29)由锁环定位螺钉(38)紧固在转子(28)上；
转子(28)的上表面和预压力调节锁环(29)的上表面分别开有转子键槽(36)和锁环键槽(37)。
2.根据权利要求1所述的旋转超声电机，其特征在于，定子(1)的几何布局形式为正三角形布局。
3.根据权利要求1或2所述的旋转超声电机，其特征在于，
柔性三角形定子框架(2)通过带有三角形定子框架限位柔性铰链(12)的杠杆放大结构，对压电叠堆输出的位移进行放大，其中，柔性三角形定子框架(2)内呈二级杠杆放大构型，第一级杠杆放大构型，包括：压电叠堆沿极化方向输出的位移，通过六边形的柔性三角形定子框架(2)转化并放大为沿三角形边长方向的位移；
第二级杠杆放大构型，包括：通过柔性三角形定子框架(2)与定子固定环孔(21)之间的三角形定子框架限位柔性铰链(12)所形成的杠杆结构。
4.根据权利要求3所述的旋转超声电机，其特征在于，转子(28)与柔性三角形定子框架(2)之间通过贴有摩擦环(42)的波形弹簧(34)相配合，摩擦环(42)被波形弹簧(34)压紧在柔性三角形定子框架(2)的接触足上，波形弹簧(34)通过预压力调节锁环(29)被固定在转子(28)的内环中，转子(28)与柔性三角形定子框架(2)之间的预压力通过调整预压力调节锁环(29)在转子(28)的轴向位置来进行调节。
5.根据权利要求4所述的旋转超声电机，其特征在于，压电叠堆包括：第一压电叠堆(3)、第二压电叠堆(4)、第三压电叠堆(5)，用于调整压电叠堆与柔性框架过盈量的金属块包括：第一楔形金属块(6)和第二楔形金属块(7)；
第一压电叠堆(3)、第二压电叠堆(4)、第三压电叠堆(5)嵌入柔性三角形定子框架(2)，并以柔性三角形定子框架(2)的三个顶点所处的位置区域。
6.根据权利要求1或5所述的旋转超声电机，其特征在于，包括：
柔性三角形定子框架(2)分别在各个压电叠堆的单独作用时，发生作用的驱动端发生位移，其中，压电叠堆的位移放大系数通过调节设计尺寸实现；
柔性三角形定子框架(2)分别在第一压电叠堆(3)、第二压电叠堆(4)和第三压电叠堆(5)单独作用时的驱动端，包括：第一柔性三角形定子的驱动面(17)、第二柔性三角形定子的驱动面(18)、第三柔性三角形定子的驱动面(19)。
7.根据权利要求6所述的旋转超声电机，其特征在于，包括：
压电叠堆装配及输出位移测试面，为压电叠堆与柔性三角形定子框架(2)过盈配合时的预压力校核平面；
在叠堆装配过程中将楔形块压入柔性三角形定子框架(2)，并通过位移传感器对压电叠堆装配及输出位移测试面检测位移变化量，且保持所有压电叠堆装配及输出位移测试面的位移变化量其近似相等。
8.根据权利要求1或5所述的旋转超声电机，其特征在于，包括：
构成压电叠堆的材料特性属于脆性材料，且能够承受的压应力远大于能够承载的拉应力；
第一压电叠堆(3)、第二压电叠堆(4)和第三压电叠堆(5)的同水平面的两侧，各自分别引出引线，以便于在引线上施加正向电压使压电叠堆产生纵向拉伸。
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| CN202110312373.2A CN112886860B (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种基于三相压电叠堆驱动方式的旋转超声电机 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115566930A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-01-03 | 吉林大学 | 一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU480875A1 (ru) * | 1973-05-11 | 1975-08-15 | Каунасский Политехнический Институт | Вибродвигатель |
| JPS63198583A (ja) * | 1987-02-12 | 1988-08-17 | Nec Corp | 圧電モ−タ |
| CN102946210A (zh) * | 2012-11-22 | 2013-02-27 | 吉林大学 | 尺蠖式多自由度压电驱动装置 |
| CN106710637A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-05-24 | 南京航空航天大学 | 一种基于压电叠堆的微位移定位机构 |
| CN107947629A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-04-20 | 吉林大学 | 双压电叠堆驱动型精密旋转驱动装置 |
-
2021
- 2021-03-24 CN CN202110312373.2A patent/CN112886860B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU480875A1 (ru) * | 1973-05-11 | 1975-08-15 | Каунасский Политехнический Институт | Вибродвигатель |
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| CN102946210A (zh) * | 2012-11-22 | 2013-02-27 | 吉林大学 | 尺蠖式多自由度压电驱动装置 |
| CN106710637A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-05-24 | 南京航空航天大学 | 一种基于压电叠堆的微位移定位机构 |
| CN107947629A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-04-20 | 吉林大学 | 双压电叠堆驱动型精密旋转驱动装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 苏钊: "双足压电作动器的研究及其在二维平台中的应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）工程科技II辑》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115566930A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-01-03 | 吉林大学 | 一种能够输出连续角位移的大行程压电执行器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112886860B (zh) | 2022-06-28 |
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