本發(fā)明屬于微進(jìn)電機(jī)領(lǐng)域，涉及一種基于逆壓電效應(yīng)的微進(jìn)電機(jī)，具體涉及一種基于逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的低頻微進(jìn)電機(jī)。

背景技術(shù)：

1、基于逆壓電效應(yīng)的電機(jī)具有電磁驅(qū)動(dòng)的電機(jī)所不具有的一些優(yōu)勢(shì)，具體為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要線圈和磁鐵，結(jié)構(gòu)可做的更小、更輕、更薄，甚至可以小至1毫米；最小旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)步進(jìn)單位小，單次步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的角度可小至0.001°，可實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)用場(chǎng)合的精密控制；慣性誤差小，靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)體的質(zhì)量較輕，慣性小，響應(yīng)速度快，起動(dòng)和停止時(shí)間為毫秒量級(jí)；沒(méi)有電磁感應(yīng)效應(yīng)，因此不受電磁感應(yīng)影響，同時(shí)，它對(duì)外界也不產(chǎn)生電磁干擾，特別適合強(qiáng)磁場(chǎng)的工作環(huán)境如核磁設(shè)備或太空，以及對(duì)磁場(chǎng)限制的環(huán)境如人行機(jī)器人等。目前，基于逆壓電效應(yīng)的電機(jī)發(fā)展最為成熟的是超聲電機(jī)，其利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械振動(dòng)和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。超聲電機(jī)的工作頻率在超聲頻段范圍，即20khz以上。

2、超聲電機(jī)因其體積小、重量輕、可微調(diào)節(jié)、無(wú)磁等優(yōu)勢(shì)，在相機(jī)自動(dòng)聚焦、手表、汽車、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，超聲電機(jī)也有其需要克服的缺點(diǎn)，如壽命短，超聲電機(jī)高頻的摩擦傳遞對(duì)摩擦相對(duì)面的磨損極高，導(dǎo)致其高精度使用壽命短，一般不超過(guò)1000小時(shí)；可靠性較低，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，材料發(fā)生塑性形變，定轉(zhuǎn)子之間壓力發(fā)生變化，導(dǎo)致電機(jī)工作的精度等可靠性下降；連續(xù)工作時(shí)間短，高頻的摩擦導(dǎo)致動(dòng)靜轉(zhuǎn)子之間的升溫，工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度過(guò)高，對(duì)電機(jī)本身和周圍環(huán)境產(chǎn)生溫場(chǎng)影響。對(duì)于絕大多數(shù)工作場(chǎng)合，應(yīng)用超聲電機(jī)的出發(fā)點(diǎn)是應(yīng)用其的無(wú)磁性和微調(diào)節(jié)性，對(duì)于重量和體積要求并不高。對(duì)于該類使用場(chǎng)合，可通過(guò)降低超聲電機(jī)的頻率來(lái)提高使用壽命和持續(xù)使用時(shí)長(zhǎng)。

3、通過(guò)降低工作頻率來(lái)提升使用壽命和可靠性的目的可以借助彈簧的橢圓運(yùn)動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)。彈簧在壓縮和復(fù)位的過(guò)程中，有一個(gè)橢圓運(yùn)動(dòng)的特性，即彈簧在壓縮時(shí)，對(duì)于右旋彈簧，壓縮時(shí)對(duì)于上端壓縮面有一個(gè)向上、逆時(shí)針的作用力，復(fù)位時(shí)對(duì)上端面有一個(gè)向下、順時(shí)針的力；對(duì)于左旋彈簧，壓縮時(shí)對(duì)于上端面有一個(gè)向上、順時(shí)針的作用力，復(fù)位時(shí)對(duì)于上端面有一個(gè)向下、逆時(shí)針的力。如果彈簧和上部壓縮面之間沒(méi)有剛性連接，那么彈簧在復(fù)位時(shí)，其對(duì)上端面無(wú)作用力(因彈簧有向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì))，這就會(huì)在彈簧上下往復(fù)振動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧對(duì)壓縮面有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的作用力；而彈簧向下復(fù)位時(shí)，并不存在一個(gè)相反的旋轉(zhuǎn)作用力，進(jìn)而可以保持與彈簧接觸的壓縮面單向旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)使彈簧的固有頻率在壓電陶瓷振動(dòng)頻率附近，通過(guò)彈簧系統(tǒng)的共振實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷微小形變的放大，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸，提升系統(tǒng)的可靠性。

4、基于此，利用彈簧的橢圓運(yùn)動(dòng)效應(yīng)及共振放大效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)與其端面接觸壓縮面的高效放大驅(qū)動(dòng)，可以將壓電陶瓷的激振頻率降低到低頻范圍，如1000hz以下，達(dá)到低頻微進(jìn)電機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，解決基于逆壓電效應(yīng)電機(jī)使用壽命和可靠性受限的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、逆壓電電機(jī)因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用在航天、航空、機(jī)器人、鐘表等需要精密調(diào)節(jié)和無(wú)磁場(chǎng)干擾的領(lǐng)域中，但現(xiàn)有逆壓電電機(jī)工作頻率為超聲頻率，即20khz，存在高頻振動(dòng)摩擦帶來(lái)的磨損、發(fā)熱等問(wèn)題，嚴(yán)重影響應(yīng)用的壽命、可靠性和連續(xù)工作能力，為解決上述問(wèn)題，提升逆壓電電機(jī)的工程應(yīng)用可靠性，采用彈簧與逆壓電電機(jī)結(jié)合的方式，利用彈簧的共振特性在保持電機(jī)效率的同時(shí)，將頻率降低到1000hz以下，實(shí)現(xiàn)使用壽命提升20倍、發(fā)熱功率下降95％的目的。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的低頻微進(jìn)電機(jī)，其特征在于，包括基座、陶瓷疊層、彈簧、摩擦片、推力軸承、輸出軸、支撐軸承、軸承壓蓋、拉緊套、預(yù)緊彈簧、預(yù)緊螺母，所述基座、陶瓷疊層、摩擦片、軸承壓蓋、拉緊套為環(huán)形回轉(zhuǎn)體，且基座、陶瓷疊層、彈簧、摩擦片、軸承壓蓋、拉緊套均與輸出軸共軸；所述基座包括與陶瓷疊層相鄰的安裝面和與安裝面相背的安裝腔，安裝腔內(nèi)有臺(tái)階一、臺(tái)階二、臺(tái)階三；所述拉緊套包括拉緊法蘭、空心桿、空心貫通腔、空心桿端部的外螺紋；所述陶瓷疊層放置在安裝面上，彈簧放置在陶瓷疊層上；所述拉緊套從彈簧內(nèi)腔裝入，使拉緊法蘭壓在彈簧的最下部，空心桿穿過(guò)陶瓷疊層和基座，落入安裝腔內(nèi)；所述預(yù)緊彈簧套在空心桿外側(cè)并沿空心桿軸向方向卡在臺(tái)階三上；所述預(yù)緊螺母擰入外螺紋使預(yù)緊彈簧預(yù)緊，進(jìn)而將基座、陶瓷疊層、彈簧壓緊；所述摩擦片通過(guò)螺釘固定在彈簧的上端面，推力軸承放置在摩擦片上，推力軸承的下底座與摩擦片接觸，在上底座上施加預(yù)緊力f，使推力軸承、摩擦片、彈簧三者固定在一起；輸出軸從推力軸承中心插入，從拉緊套的空心貫通腔穿出，輸出軸和推力軸承的下底座固定，而和上底座之間是間隙配合，可以相對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；輸出軸的下端與支撐軸承連接，支撐軸承通過(guò)軸承壓蓋卡在階二上，軸承壓蓋卡在臺(tái)階一上；所述陶瓷疊層在交變電場(chǎng)的作用下發(fā)生交變振動(dòng)，該振動(dòng)作用于彈簧使其與摩擦片接觸的上端發(fā)生橢圓的交變往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)摩擦片帶動(dòng)推力軸承的下底座及與其相連的輸出軸發(fā)生微轉(zhuǎn)動(dòng)。

4、所述微進(jìn)電機(jī)以基座的上端面和下端面之間的中心面為鏡像平面，鏡像設(shè)置兩組陶瓷疊層、彈簧、摩擦片、推力軸承形成兩個(gè)微進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)輸出軸，輸出軸在兩個(gè)系統(tǒng)上分別形成輸出端一和輸出端二兩個(gè)輸出端；兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)預(yù)緊力f1和f2進(jìn)行預(yù)緊。

5、所述推力軸承也可以為向心軸承，向心軸承的內(nèi)圈座與摩擦片、輸出軸相連。

6、所述微進(jìn)電機(jī)的工作頻率為10-500hz。

7、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明提供了一種新的基于逆壓電效應(yīng)的微進(jìn)電機(jī)，補(bǔ)充超聲電機(jī)的低頻段應(yīng)用缺失；(2)本發(fā)明采用彈簧的放大效應(yīng)，使電機(jī)工作頻率從超聲段降低到500hz以下，大幅降低磨損和工作生熱，提高電機(jī)使用壽命和持續(xù)工作時(shí)間；(3)為低頻領(lǐng)域非磁環(huán)境的微進(jìn)操作提供了新的方法。

技術(shù)特征：

1.一種基于逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的低頻微進(jìn)電機(jī)，其特征在于，包括基座(1)、陶瓷疊層(2)、彈簧(3)、摩擦片(4)、推力軸承(5)、輸出軸(6)、支撐軸承(7)、軸承壓蓋(8)、拉緊套(9)、預(yù)緊彈簧(10)、預(yù)緊螺母(11)，所述基座(1)、陶瓷疊層(2)、摩擦片(4)、軸承壓蓋(8)、拉緊套(9)為環(huán)形回轉(zhuǎn)體，且基座(1)、陶瓷疊層(2)、彈簧(3)、摩擦片(4)、軸承壓蓋(8)、拉緊套(9)均與輸出軸(6)共軸；所述基座(1)包括與陶瓷疊層(2)相鄰的安裝面(101)和與安裝面(101)相背的安裝腔(102)，安裝腔(102)內(nèi)有臺(tái)階一(103)、臺(tái)階二(104)、臺(tái)階三(105)；所述拉緊套(9)包括拉緊法蘭(91)、空心桿(92)、空心貫通腔(93)、空心桿(92)端部的外螺紋(94)；所述陶瓷疊層(2)放置在安裝面(101)上，彈簧(3)放置在陶瓷疊層(2)上；所述拉緊套(9)從彈簧(3)內(nèi)腔裝入，使拉緊法蘭(91)壓在彈簧(3)的最下部，空心桿(92)穿過(guò)陶瓷疊層(2)和基座(1)，落入安裝腔(102)內(nèi)；所述預(yù)緊彈簧(10)套在空心桿(92)外側(cè)并沿空心桿(92)軸向方向卡在臺(tái)階三(105)上；所述預(yù)緊螺母(11)擰入外螺紋(94)使預(yù)緊彈簧(10)預(yù)緊，進(jìn)而將基座(1)、陶瓷疊層(2)、彈簧(3)壓緊；所述摩擦片(4)通過(guò)螺釘固定在彈簧(3)的上端面，推力軸承(5)放置在摩擦片(4)上，推力軸承(5)的下底座(51)與摩擦片(4)接觸，在上底座(52)上施加預(yù)緊力f，使推力軸承(5)、摩擦片(4)、彈簧(3)三者固定在一起；輸出軸(6)從推力軸承(5)中心插入，從拉緊套(9)的空心貫通腔(93)穿出，輸出軸(6)和推力軸承(5)的下底座(51)固定，而和上底座(52)之間是間隙配合，可以相對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；輸出軸(6)的下端與支撐軸承(7)連接，支撐軸承(7)通過(guò)軸承壓蓋(8)卡在臺(tái)階二(104)上，軸承壓蓋(8)卡在臺(tái)階一(103)上；所述陶瓷疊層(2)在交變電場(chǎng)的作用下發(fā)生交變振動(dòng)，該振動(dòng)作用于彈簧(3)使其與摩擦片(4)接觸的上端發(fā)生橢圓的交變往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)摩擦片(4)帶動(dòng)推力軸承(5)的下底座(51)及與其相連的輸出軸(6)發(fā)生微轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的低頻微進(jìn)電機(jī)，其特征在于，所述微進(jìn)電機(jī)以基座(1)的上端面和下端面之間的中心面為鏡像平面，鏡像設(shè)置兩組陶瓷疊層(2)、彈簧(3)、摩擦片(4)、推力軸承(5)形成兩個(gè)微進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)輸出軸(6)，輸出軸(6)在兩個(gè)系統(tǒng)上分別形成輸出端一(61)和輸出端二(62)兩個(gè)輸出端；兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)預(yù)緊力f1和f2進(jìn)行預(yù)緊。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的低頻微進(jìn)電機(jī)，其特征在于，所述推力軸承(5)也可以為向心軸承，向心軸承的內(nèi)圈座與摩擦片(4)、輸出軸(6)相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的低頻微進(jìn)電機(jī)，其特征在于，所述微進(jìn)電機(jī)的工作頻率為10-500hz。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的低頻微進(jìn)電機(jī)，克服了高頻超聲電機(jī)工作工作壽命短、無(wú)法持續(xù)運(yùn)行的問(wèn)題，補(bǔ)充了超聲電機(jī)在低頻段應(yīng)用的缺失。本發(fā)明包括基座(1)、陶瓷疊層(2)、彈簧(3)、摩擦片(4)、推力軸承(5)、輸出軸(6)、支撐軸承(7)、軸承壓蓋(8)、拉緊套(9)、預(yù)緊彈簧(10)、預(yù)緊螺母(11)，所述基座(1)、陶瓷疊層(2)、推力軸承(5)、支撐軸承(7)通過(guò)拉緊套(9)、預(yù)緊力F和軸承壓蓋(8)連接為一個(gè)整體，輸出軸(6)可自由旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單輸出和雙輸出，具有在低頻條件下進(jìn)行微進(jìn)的功能，可用于對(duì)體積和重量要求低且需無(wú)磁環(huán)境的微進(jìn)領(lǐng)域，可持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。

技術(shù)研發(fā)人員：馬寧,張光斌,張小鳳,韓明亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：陜西師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17