[发明专利]纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机

说明书

技术领域

本发明属于压电材料的应用领域，尤其是涉及一种纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机。

背景技术

压电致动器利用压电材料的逆压电效应产生大的变形位移，具有响应快、频响高等优点。压电电机则利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为电机定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。与传统电磁式致动器和电机相比，压电致动器和压电具有许多特点和优点，比如：

1、结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化。

2、低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动。

3、响应速度快，并且能实现断电自锁。

4、位置和速度控制性好，位移分辨率高。

5、通过振动摩擦进行能量转换，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强。

6、安静无噪声。电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行。

7、设计灵活，结构形式多样化。

由于压电陶瓷的切变压电常数d₁₅比压电常数d₃₁和d₃₃都要大，相应的机电耦合系数k₁₅也比k₃₁和k₃₃大，因此利用压电陶瓷的切变效应构造扭转型致动器可能获得更大的位移和力/力矩。在实践中出现了利用扭振压电陶瓷片的纵扭型压电电机，其扭转激励压电陶瓷片如图1所示，其由8个扇形小片11粘接而成。每个小片的极化方向如图1(b)中箭头的方向。压电陶瓷上所施加的激励电场的方向如图1(a)中箭头的方向。利用压电陶瓷的d₁₅逆压电效应，可在陶瓷片上产生一个扭转角110。实践证明，纵扭型压电电机获得的扭矩远大于其他类型的电机，如行波型压电电机、摇头型棒状压电电机等。但是，扭振压电陶瓷片难以产生大的位移。

在致动器领域也出现了利用切变型压电陶瓷构造扭转致动器的例子。如，魏燕定在实用新型CN2627281Y中和发明专利201110399862.2中，提出了利用切变压电陶瓷贴片在金属圆筒上激励扭转变形的致动器方案。这两种方案难以构造大扭转变形量的致动器。

随着技术的发展，对扭转和纵向(轴向)同时有位移要求的致动器需求越来越多。利用大位移纵扭型致动器构造超声电机，有助于提供更大的调速范围，获得更好的电机输出性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种构造对扭转和纵向(轴向)同时有较大位移要求的压电致动器，提出了一种纵扭型压电陶瓷圆筒，并提出了利用该型压电陶瓷圆筒构造纵扭型压电电机的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

纵扭型压电陶瓷筒驱动的压电电机，包括定子、转子和与预压力机构，其中，

定子由纵扭型压电陶瓷圆筒及一个或两个定子驱动端组成，所述的纵扭型压电陶瓷圆筒在定子上激励出纵扭复合振动，定子通过摩擦驱动转子旋转；

转子贯穿定子并和电机输出轴固定在一起；

预压力机构将转子压紧在定子驱动端上。

所述的纵扭型压电陶瓷圆筒由8个扇形小片粘接组成一个圆筒，其中4片为纵振激励压电陶瓷片，均分成2组，2组纵振激励压电陶瓷对称地沿圆周方向布置，另外4片为扭转振动激励压电陶瓷片，也均分成2组，2组扭转振动激励压电陶瓷对称地沿圆周方向布置，2组纵振激励压电陶瓷和2组扭转振动激励压电陶瓷间隔布置。

每组压电陶瓷均由相邻的2片扇形压电陶瓷片拼接而成，纵振激励压电陶瓷片均沿周向极化，扭振激励压电陶瓷片均沿轴向极化，同一组中的2片压电陶瓷片极化方向相反。激励时，每组陶瓷片中间电极接激励信号，两边的电极接地。

所述的陶瓷片，侧面的电极翻边到外圆周表面，以利于引线。

该电机可以采用一阶纵向振动和一阶扭转振动的复合振动模态作为工作模态。此时，纵扭型压电陶瓷筒在定子上激励出一阶纵向振动和一阶扭转振动的复合振动，且两个振动的相位差为90度。此时，电机的定子上有一个驱动端，一阶纵向振动和一阶扭转振动的阶平面均在中部，因此在定子的中部安装支撑转子的轴承，并在中部夹持安装。

该电机也可采用一阶纵向振动和二阶扭转振动的复合振动模态作为工作模态，定子可以有两个驱动端。

定子驱动端面上可以开槽，以排除摩擦碎屑。摩擦材料处理在定子上或转子上，或在定子上和转子上处理有不同的摩擦材料，构成摩擦副。