一种压电致动的永磁调速器的精确转速控制装置

1.本实用新型涉及永磁调速器的转速控制领域，具体涉及一种压电致动的永磁调速器的精确转速控制装置。


背景技术：

2.永磁调速器是通过导体部分与永磁部分的电磁感应传递转速和转矩的非接触式传动装置。常见的永磁调速器有盘状和筒状两种结构，通过调节机构调整永磁部分与导体部分的气隙或耦合面积可以调节永磁调速器的输出速度和扭矩，永磁调速器的调节机构与方法直接影响永磁调速器的输出性能。
3.永磁调速器中常见的调节机构有圆柱凸轮、滚珠丝杠以及齿轮齿条等，圆柱凸轮机构调节的精度较高，但从动件磨损后调节精度下降；滚珠丝杠和齿轮齿条单向调节精度较高，但机构中的间隙会使回程误差增加，导致控制精度的降低。由于永磁调速器转速随着气隙的变化并不是线性的，较小的气隙差距可能引起永磁调速器较大的转速误差，因此以上方式在永磁调速器自动控制中容易造成输出速度的稳态误差较大。且由于执行机构的精度有限，以上调速方式在调速时也容易出现实际转速在设定值附近振荡，使得调速器输出速度达不到所需目标转速的精度，同时造成调速机构使用寿命的减少。此外由于运行过程中永磁调速器的温度变化以及机构的振动等原因，永磁调速器的输出转速在气隙固定时也会发生变化，因此永磁调速器转速的精确控制对调速机构的控制精度和响应速度都有较高的要求。
4.pzt压电陶瓷是一种优异的压电材料，能够使机械能和电能发生相互转换。在正压电效应下，pzt能将受到的压力转化为电压；在负压电效应下，pzt能将电压量转化为压力和变形量。pzt压电陶瓷能承受较大的压力，在其作用下的电学量与力学量具有良好的线性转化关系。因此可以对pzt施加电压控制，使其成为具有精密运动特性的微执行器。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种压电致动的永磁调速器的精确转速控制装置。本实用新型在原有的用圆柱凸轮改变永磁调速器气隙或耦合面积控制转速的基础上，用pzt进行压电致动以实现永磁调速器转速进一步的精确控制，并在工作环境变化或有调速需要时对调速器输出转速进行实时快速地调节。
6.本实用新型所采用的具体技术方案如下：
7.本实用新型的第一目的在于提供了一种压电致动的永磁调速器的精确转速控制装置，其包括圆柱凸轮筒、滑槽块、轴向从动件和同步带组件；
8.所述圆柱凸轮筒为中空的筒状结构，外壁沿其周向开设有弧形槽，弧形槽内设有弧形的滑槽块；位于圆柱凸轮筒轴向上滑槽块的两端通过对称布置的压电材料与所述弧形槽的内壁连接，压电材料初始为压缩状态；滑槽块两端的压电材料分别通过导线与外部的电源相连，且两者的电压极性相反；通过滑槽块两端压电材料的作用，滑槽块能沿圆柱凸轮
筒轴向移动；所述滑槽块上开设有贯通滑槽块厚度方向的螺旋形长条孔；
9.所述圆柱凸轮筒的中空内腔中同轴套设有能与其相对移动的筒状轴向从动件；轴向从动件上设有滑动杆，滑动杆伸入所述长条孔中两者构成滑动副；轴向从动件能在圆柱凸轮筒旋转时由所述滑动副驱动，使其沿圆柱凸轮筒的轴向移动；
10.所述轴向从动件的首端固定连接有能同步移动的动力电机；动力电机的旋转轴穿过轴向从动件的中空内腔并伸出所述圆柱凸轮筒，与外部永磁调速器的转动部分相连接；所述旋转轴能在轴向从动件的中空内腔中旋转；
11.所述同步带组件包括第一同步带轮、同步带和第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮之间通过同步带啮合传动；所述第一同步带轮套设固定于圆柱凸轮筒首端的外周，第一同步带轮能与圆柱凸轮筒同步旋转；所述第二同步带轮通过转轴连接能同步转动的调速电机。
12.作为优选，所述压电材料为pzt压电陶瓷。
13.作为优选，所述永磁调速器为盘状永磁调速器，动力电机通过旋转轴与永磁调速器的导体盘背板固定连接。
14.进一步的，所述盘状永磁调速器的导体盘的材料为铜，导体盘背板的材料为45号钢。
15.作为优选，所述永磁调速器为筒状永磁调速器，动力电机通过旋转轴与永磁调速器的永磁筒或导体筒固定连接。
16.作为优选，所述第一同步带轮的直径大于第二同步带轮的直径。
17.作为优选，所述滑槽块沿圆柱凸轮筒周向的两端分别与所在处弧形槽的内壁贴合连接。
18.作为优选，所述永磁调速器上还设有与控制器输入端相连的速度传感器，控制器的输出端分别与调速电机和压电材料的电源相连接。
19.本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
20.本实用新型对永磁调速器的转速控制精度高，响应速度快，能实现转速的动态调节和有效减轻振动，同时减缓圆柱凸轮机构从动件的磨损。其同步带及调速电机部分与圆柱凸轮能够一起对永磁调速器的转速进行快速粗调，pzt部分可以驱动滑槽块在圆柱凸轮上沿轴向运动，同时带动轴向从动件和与永磁调速器的连接部分沿轴向运动，调整气隙或耦合面积实现永磁调速器转速的精调。本实用新型装置中的转速传感器将调速器转速实时反馈至控制器，控制器通过控制调速电机的旋转角度和pzt两端的电压实现永磁调速器转速的精确控制。本实用新型适用于盘状和筒状的永磁调速器转速的精确控制，以及一些机构轴向位置快速精确调节的实现。
附图说明
21.图1是本实用新型装置的结构示意图；
22.图2是图1中圆柱凸轮筒的局部结构示意图；
23.图3是图1中同步带组件的局部结构示意图；
24.图4是本实用新型压电材料与电源的连接方式示意图；
25.图5是本实用新型压电材料的细调节过程示意图；
26.图6是本实用新型控制器的反馈原理示意图；
27.图中：1、导体盘，2、导体盘背板，3、旋转轴，4、圆柱凸轮筒，5、压电材料，6、滑槽块，7、第一同步带轮，8、轴向从动件，9、动力电机，10、同步带，11、第二同步带轮，12、调速电机。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
29.为了实现永磁调速器转速的精确控制，并在工作环境变化或有调速需要时对调速器输出转速进行实时快速地调节。本实用新型提供了一种压电致动的永磁调速器的精确转速控制装置，该装置是在原有的用圆柱凸轮改变永磁调速器气隙或耦合面积控制转速的基础上，用pzt进行压电致动以实现永磁调速器转速进一步的精确控制。
30.本实用新型的精确转速控制装置可以应用于盘状与筒状的永磁调速器中：当永磁调速器为盘状永磁调速器时，本装置的动力电机9可以通过旋转轴3与永磁调速器的导体盘背板2固定连接，通过调节盘状永磁调速器的气隙实现转速的精确控制。其中，盘状永磁调速器的导体盘1优选采用铜板，导体盘背板2优选采用45号钢钢板。当永磁调速器为筒状永磁调速器时，本装置的动力电机9可以通过旋转轴3与永磁调速器的永磁筒或导体筒固定连接，通过调节筒状永磁调速器的耦合面积实现转速的精确控制。
31.本装置主要通过调速电机控制圆柱凸轮的旋转角度使盘状永磁调速器的导体盘或筒状永磁调速器的永磁筒或导体筒部分产生轴向运动，改变永磁调速器的气隙大小，实现其输出转速较大范围的变化及粗调调节。通过控制作用在压电材料两端的电压使压电材料产生相应的轴向伸缩，使本装置带动与永磁调速器连接的转动部分产生相应的轴向位移，实现输出转速的精调。通过速度传感器实时采集永磁调速器的输出转速作为反馈信息输入到控制器，控制器根据转速误差的大小和设定的阈值控制调速电机的旋转角度和压电材料两端的电压，以实现永磁调速器转速的精确控制。
32.下面以盘状永磁调速器为例进行具体说明，如图1所示，本实用新型的精确转速控制装置包括圆柱凸轮筒4、滑槽块6、轴向从动件8和同步带组件。由于永磁调速器依靠永磁部分和导体部分间的气隙传递动力，并通过调节气隙或耦合面积的大小控制调速器的输出转速，轴向调节的距离通常都比较小，圆柱凸轮筒的直径较大，调速所需的圆柱凸轮筒上的弧形槽在圆柱凸轮筒上环绕角度通常不会超过一周，因此附图1中示意的结构满足大多数永磁调速器所需。当环绕角度较大时，可将弧形槽作为一个整体连接在圆柱凸轮筒之内。
33.如图2所示，圆柱凸轮筒4为中空的筒状结构，外壁沿其周向开设有弧形槽，弧形槽内设有弧形的滑槽块6。位于圆柱凸轮筒4轴向上滑槽块6的两端上设有压电材料5，并通过两端的压电材料5与弧形槽的内壁连接。压电材料5初始为压缩状态，使滑槽块能够稳定地在圆柱凸轮筒上沿轴向运动一段距离。滑槽块6两端的压电材料5分别通过导线与外部的电源相连，且两者的电压极性相反。
34.为了保证本实用新型装置的刚度与转速控制的精度，压电材料在凸轮圆柱筒上的滑槽块两端对称布置，两端的压电材料规格尺寸相同，所接电源的电压极向相反，如图4所示。由于压电材料具有方向性，可以使压电材料产生相应的伸长和压缩量，且在一定范围内具有线性变化的特性。因此，如图5所示，在电压的作用下，滑槽块一端的压电材料伸长一段
距离，另一端压电材料相应地缩短相同的距离。这一过程中滑槽块的两端在压电材料压力的作用下移动了相同的距离，两端的压电材料受相同大小的压力。即通过滑槽块6两端压电材料5的作用，滑槽块6能沿圆柱凸轮筒4轴向发生小距离的精确运动。
35.在本实施例中，压电材料5采用pzt压电陶瓷。滑槽块6沿圆柱凸轮筒4周向的两端分别与所在处弧形槽的内壁贴合连接。
36.滑槽块6上开设有贯通滑槽块6厚度方向的螺旋形长条孔，长条孔可以开设的长度较短，为完整螺旋形的一部分环绕圆柱凸轮筒4的部分外周，也可以开设的长度较长，环绕圆柱凸轮筒4的外周一圈。圆柱凸轮筒4的中空内腔中同轴套设有能与其相对移动的筒状轴向从动件8。轴向从动件8上设有滑动杆，滑动杆伸入长条孔中两者构成滑动副。轴向从动件8能在圆柱凸轮筒4旋转时由滑动副驱动，使其沿圆柱凸轮筒4的轴向移动。轴向从动件8的首端固定连接有能同步移动的动力电机9。动力电机9的旋转轴3穿过轴向从动件8的中空内腔并伸出圆柱凸轮筒4，与外部永磁调速器的转动部分相连接。旋转轴3能在轴向从动件8的中空内腔中旋转。
37.如图3所示，同步带组件包括第一同步带轮7、同步带10和第二同步带轮11，第一同步带轮7和第二同步带轮11之间通过同步带10啮合传动。第一同步带轮7套设固定于圆柱凸轮筒4首端的外周，第一同步带轮7能与圆柱凸轮筒4同步旋转。第二同步带轮11通过转轴连接能同步转动的调速电机12。在本实施例中第一同步带轮7的直径大于第二同步带轮11的直径。
38.利用上述精确转速控制装置调节永磁调速器转速的方法，具体如下：
39.当永磁调速器的实际转速与设定转速之间的误差大于设定阈值时，开启调速电机12带动第二同步带轮11同步转动，通过同步带10的传动使得第一同步带轮7带动圆柱凸轮筒4旋转。同时，通过滑动杆与长条孔的配合作用，轴向从动件8、动力电机9和旋转轴3一同轴向移动，带动与旋转轴3连接的永磁调速器转动部分同步轴向移动。当误差小于设定阈值时，关闭调速电机12，完成永磁调速器转速的粗调节过程。
40.再通过控制与滑槽块6两端压电材料5连接的外部电源的电压，使滑槽块6一端的压电材料5沿轴向压缩，另一端的压电材料5沿轴向拉伸，且压缩和拉伸的形变量相同。通过滑槽块6两端压电材料5沿轴向的伸缩，带动滑槽块6轴向移动。同时，通过滑动杆与长条孔的配合作用，轴向从动件8、动力电机9和旋转轴3一同轴向移动，带动与旋转轴3连接的永磁调速器转动部分同步轴向移动，完成永磁调速器转速的细调节过程。
41.当永磁调速器的实际转速与设定转速之间的误差小于设定阈值时，只需通过控制与滑槽块6两端压电材料5连接的外部电源的电压，完成永磁调速器转速的细调节过程。
42.如图6所示，本实用新型的精确转速控制装置还包括控制器，该控制器的输入端与用于测量永磁调速器转速的速度传感器相连接，控制器的输出端分别与调速电机12和压电材料5的电源相连接。即采用负反馈的方式，速度传感器实时采集永磁调速器的输出转速并输入至控制器，与控制器相连的比较器通过比较转速误差与设定阈值的大小关系选择通过同步带轮及圆柱凸轮机构作为气隙调节的执行机构还是将压电材料作为执行机构，通过控制器对相应机构进行控制，以保证永磁调速器转速控制的精度和响应速度。
43.利用该装置调节永磁调速器转速时，通过速度传感器实时测量永磁调速器的输出转速并反馈至控制器，与控制器连接的比较器通过比较永磁调速器的实际转速与设定转速
之间的误差与设定阈值的大小关系，使控制器对不同的部件进行控制，具体如下：
44.当误差大于设定阈值时，控制器首先开启调速电机12带动第二同步带轮11同步转动，通过同步带10的传动使得第一同步带轮7带动圆柱凸轮筒4旋转。同时，通过滑动杆与长条孔的配合作用，轴向从动件8、动力电机9和旋转轴3一同轴向移动，带动与旋转轴3连接的永磁调速器转动部分同步轴向移动。当误差小于设定阈值时，关闭调速电机12，完成永磁调速器转速的粗调节过程。
45.当误差小于设定阈值时，控制器再通过调节与滑槽块6两端压电材料5连接的外部电源的电压，由于其方向性和电压与压力一定范围内的线性特性，因此滑槽块6一端的压电材料5沿轴向压缩，另一端的压电材料5沿轴向拉伸，且压缩和拉伸的形变量相同。通过滑槽块6两端压电材料5沿轴向的伸缩，带动滑槽块6轴向移动。同时，通过滑动杆与长条孔的配合作用，轴向从动件8、动力电机9和旋转轴3一同轴向移动，带动与旋转轴3连接的永磁调速器转动部分同步轴向移动，完成永磁调速器转速的细调节过程。
46.在永磁调速器的工作过程中，通过控制器对永磁调速器的粗调节和细调节过程，实现对永磁调速器转速的精确控制。
47.本实用新型中的压电致动的永磁涡流调速器的精确转速控制技术与装备通过同步带模组和圆柱凸轮机构实现永磁调速器转速的粗调，通过pzt压电陶瓷等实现永磁调速器转速的精调，通过转速传感器获得调速器输出速度并由控制器控制调速电机旋转角度和pzt两端电压实现永磁调速器转速的精确控制。转速控制的精度高，响应速度较快。
48.以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。