[發(fā)明專利]S形多足箝位式壓電電機及其工作模式

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110131025.1
• 申請日: 2011-05-20
• 公開（公告）號: CN102195516A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃衛(wèi)清;王寅;潘松
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種S形多足箝位式壓電電機及其工作模式，屬于壓電精密致動技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著微/納米技術(shù)的發(fā)展，眾多工程和技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切的需要亞微米級、微/納米級的精密作動器。基于電磁感應(yīng)原理的電磁電機在微型化，高功重比的發(fā)展方向上很難突破原理的局限。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型功能材料為這些應(yīng)用提出了新的解決方案，其中，逆壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及具有優(yōu)越性能的壓電陶瓷（PZT）材料的出現(xiàn)使得壓電精密作動器的研究得到了廣泛關(guān)注，并在精密作動領(lǐng)域顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。

壓電陶瓷作為作動器的一個突出優(yōu)勢是自身剛度較大，具有較高的負載能力和較寬的頻率響應(yīng)，但是壓電陶瓷的輸出應(yīng)變較小，不能滿足現(xiàn)有應(yīng)用的需求。針對這一矛盾，目前有兩種解決方法：一是利用結(jié)構(gòu)共振，就是利用壓電陶瓷作為激勵元件激發(fā)結(jié)構(gòu)的共振，以達到放大壓電陶瓷微應(yīng)變的目的，這類技術(shù)方案主要是超聲電機；二是采用疊層壓電堆，就是將多層片狀壓電陶瓷疊放，在機械上串聯(lián)，電學(xué)上并聯(lián)，這樣的好處是以較低的電壓實現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，目前主要的技術(shù)方案是尺蠖式箝位步進壓電電機。

尺蠖式箝位步進壓電電機采用的是一種仿生型的工作原理，其動子由兩個箝位單元和一個驅(qū)動單元組成，每個單元都是一個疊層壓電堆，箝位單元和驅(qū)動單元垂直相連，三者組成“工”字形，其中“工”字的兩橫代表箝位單元，箝位單元可以沿橫線方向伸長，一豎代表驅(qū)動單元，驅(qū)動單元可以沿豎線方向伸長，整個“工”字形動子由兩個平行的固定導(dǎo)軌夾在中間，導(dǎo)軌的方向與“工”字形動子驅(qū)動單元伸長的方向平行。

尺蠖式箝位步進壓電電機工作時序如下：

第一步，“工”字形動子下面的箝位單元伸長并鎖緊平行導(dǎo)軌；

第二步，驅(qū)動單元伸長，這樣“工”字形動子上面的箝位單元向上步進一段距離；

第三步，工字動子上面的箝位單元伸長鎖緊平行導(dǎo)軌；

第四步，工字動子下面的箝位單元縮短松開平行導(dǎo)軌；

第五步，驅(qū)動單元縮短，這樣“工”字形動子下面的箝位單元向上步進一段距離；至此“工”字形動子整體向上步進了一段距離，重復(fù)以上步驟，動子將實現(xiàn)連續(xù)步進。

由以上原理分析可以看出，尺蠖式箝位步進壓電電機有以下三個技術(shù)難題：

第一，尺蠖式箝位步進壓電電機能夠?qū)崿F(xiàn)步進的關(guān)鍵是要兩個箝位單位能夠交替鎖緊平行導(dǎo)軌，而兩個箝位單元在運動方向上相隔一段距離，這要求平行導(dǎo)軌的平行度要足夠高，現(xiàn)有技術(shù)條件下，要實現(xiàn)較長距離的兩個導(dǎo)軌具有較高的平行度很困難，需要較高的制作成本；

第二，尺蠖式箝位步進壓電電機的平行導(dǎo)軌是固定的，箝位單元兩端的磨損將最終導(dǎo)致無法實現(xiàn)箝位，導(dǎo)致失效；

第三，疊層壓電堆只能承受較小的拉力，但能承受較大的推力，因此，在驅(qū)動單元縮短時，疊層壓電堆的做功能力就很小，這就降低動子的效率。

第四，在所有疊層壓電堆都斷電的情況下，箝位單元與平行導(dǎo)軌之間的鎖緊力遠小于箝位單元鎖緊平行導(dǎo)軌的鎖緊力，因此尺蠖式箝位步進壓電電機幾乎沒有斷電自鎖的能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于研制一種低制作成本低、壽命長、效率高、具有斷電自鎖功能的S形多足箝位式壓電電機及其工作模式。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：

1、一種S形多足箝位式壓電電機，其特征在于包括：

基座、固定于基座上的定子、通過導(dǎo)軌副安裝于基座上的滑臺、固定于滑臺上的動子；

上述定子從上至下依次包括水平疊放的第一位移轉(zhuǎn)換框架、第二位移轉(zhuǎn)換框架、第三位移轉(zhuǎn)換框架；其中第二位移轉(zhuǎn)換框架一端與第一位移轉(zhuǎn)換框架的對應(yīng)端固定連接，第二位移轉(zhuǎn)換框架的另一端與第三位移轉(zhuǎn)換框架的對應(yīng)端固定連接；第一位移轉(zhuǎn)換框架、第二位移轉(zhuǎn)換框架、第三位移轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)一樣，它們由前邊框、后邊框、左邊框、右邊框組成，且左右對稱、前后對稱，前邊框和后邊框為內(nèi)凹形狀，且前邊框和后邊框外側(cè)分別具有箝位足；第一位移轉(zhuǎn)換框架和第三位移轉(zhuǎn)換框架的左邊框和右邊框之間均夾有疊層壓電堆；第二位移轉(zhuǎn)換框架的左邊框和右邊框之間夾有兩組疊層壓電堆，且兩組疊層壓電堆之間夾有墊塊；該定子還包括固定于墊塊前后兩側(cè)的彈片，該彈片從第三位移轉(zhuǎn)換框架的前后邊框與疊層壓電堆之間的縫隙穿出通過連接座固定于基座上；