一种新型中空轴压电电机的结构设计

白永明

(无锡工艺职业技术学院，江苏宜兴214206)

0 引言

目前市场上使用的中空电机一般为电磁型电机，由空心转轴、磁钢、铁芯、平衡块、端盖、磁环和机壳等主要构件组成。虽然电磁型电机的研究比较成熟，使用广泛，但也存在一定的缺陷，限制其在某些特殊领域的使用。电磁型中空电机转轴是细长型的，中空内径可调范围小；工作时有磁场，在一些必须无磁的医用器材和深空探测的摄像设备上就无法使用；结构复杂致使电机质量大，如用于深空探测则会增大发射质量；电磁电机断电不能自锁如用于相机镜头自动调焦则会影响定位精确性。

为了克服现有电磁型中空电机的不足，国内外很多研究机构和学者研发基于压电技术驱动的中空轴压电电机。压电电机具有无线圈，结构简单、质量轻、断电自锁、低速大力矩和工作无磁等优点［1］。中空轴压电电机将在镜头自动调焦、深空探测和一些特殊医用设备上将有着良好的应用，图1所示为行波驱动中空轴压电电机在相机自动调焦设备上的应用。

图1 应用中空轴压电电机的镜头

1 驻波驱动中空压电电机的设计

行波驱动中空轴压电电机的驱动行波需要两相同频相位差为90°驻波合成，通过在分区极化压电陶瓷上施加同频相位差为90°的正弦激励信号即可实现，电机结构如图2。行波电机定子上开有密布的槽，定子结构设计和加工比较困难，压电陶瓷分区极化精度要求严格，此外如要制作大直径中空压电电机所需的大尺寸压电陶瓷制备也很困难［2］。因此本设计研究提出一种定子结构相对简单、依靠驻波驱动的新型中空压电电机。

本研究设计的中空轴压电电机主要包括定子、转子、机座和其他附属装置，其中定子是重点设计部件。

如图3所示的定子结构图，振动体包括横向振动体3和纵向振动体8两部分构成，通过焊接联接。横向振动体的两端分别装有压电陶瓷2，两者的极化方向相反，施加相同的激励信号产生相反的运动，纵向振动体底部也装有压电陶瓷。利用压电陶瓷的d33效应分别激发定子横向和纵向振动体的刚性振动，可在振动体的端部合成椭圆运动，再通过驱动头9驱动转子旋转。横向和纵向振动体设计为圆柱体结构，便于加工制作，振动也均为独立的强迫振动，结构设计对相互直接影响要比行波压电电机小。

图2 行波驱动中空轴压电电机结构

图3 定子结构设计图

定子两侧和底部为固定安装板1和6，用以固定振动体。两侧的固定安装板侧面有内螺纹孔，装有内调节螺钉6用于固定横向振动体。纵向振动体则直接通过螺纹联接固定于定子底部的固定安装板上。

压电陶瓷使用时需有一定的预紧力，可通过两侧固定件的螺纹联接紧压在振动体上。以横向振动体一侧的压电陶瓷安装为例(图4)，压电陶瓷置于螺纹联接中间，调节螺纹联接的松紧度即可实现预紧力的调整，其余两组压电陶瓷的安装方式一致。

定子装配效果如图5，定子振动体的材料选用磷青铜，其刚度大而且散热快；压电陶瓷采用PZT8压电陶瓷，其可以直接利用信号发生源与功放来驱动和进行测试，可承受的反向电压高，不容易退极化［3］；振动体固定安装板选用45钢。

图4 压电陶瓷安装图

图5 定子结构效果图

压电电机运转时，定、转子间必须有一定的预压力，预压力可通过安装在定子上的薄片弹簧加以调节，调节支座固定在机座上，其上装有一调节螺钉，调节螺钉底部顶住薄片弹簧中心，通过拧紧或旋松螺钉即可方便调节定、转子间的预压力。驱动定子数量可以根据需要合理选择。

定子横向和纵向振动体的压电陶瓷分别施加同频同幅相位差为90°的正弦信号。通过设置两个正弦信号相位差的超前或滞后实现电机的正、反转。

根据需要可以选择将定子置于转子的内部或者外部来调节电机的中空内径。

如图6所示，定子内置式中空压电电机。定子位于转子5内部，安装于机架6的凹槽内，通过两侧压板3固定。定、转子间的预紧力通过薄片弹簧1和调节螺钉2调节。

图6 定子内置式中空压电电机结构图

转子包括转动体5和转子支架4。转动体通过滚珠安装于转子支架上，支架固定在机架上。因此类电机的驱动负载小，转子可采用类似球轴承结构或直接通过球轴承改装。机架中间开通孔，由此形成定子内置式中空压电电机。电机机架设有安装孔7。装配效果如图7。

图8所示为定子外置式中空压电电机，工作原理与定子内置式一致中空压电电机，选择将定子置于外部可以增大中空内径，装配效果如图9。

图7 定子内置式电机效果图

图8 定子外置式中空压电电机结构图

图9 定子外置式电机效果图

2 结语

研究发现，与行波中空轴压电电机相比，采用驻波驱动具有以下优点:电机结构简单，制作方便；采用PZT8压电陶瓷，驱动电路简单；定子安装方式灵活，中空内径的调节范围宽；定子数量可根据实际需要灵活调节，需要大推力就增加定子数量，需要减轻电机质量就减少定子数量。要得出驻波驱动中空轴压电电机的具体运行参数，还须制作出样机并进行大量试验研究。

［1］褚祥诚，袁松梅，李龙土.一种新型中空结构的行波压电电机［J］.压电与声光，2005，27(6):640-642.

［2］赵淳生.超声电机技术与应用［M］.北京:科学出版社，2007.

［3］苏艳文.薄板面内振动直线型超声电机及其驱动电路的设计［D］.南京:南京航空航天大学，2007.