CN102403924B - 直线超声电机磨损减缓方法及直线超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线超声电机磨损减缓方法，属于超声电机技术领域。本发明将表面改性技术用于直线超声电机，通过在定子或动子的摩擦端面上制备凹坑型表面微结构，降低了三体摩擦所导致的磨损，从而有效提高了电机的输出力、输出功率及使用寿命；并通过对凹坑型表面微结构的结构参数进行优化进一步减小三体摩擦，通过在定子和/或动子的摩擦端面上覆盖耐磨层来降低表面摩擦的环境敏感性。本发明还公开了一种直线超声电机，在在定子和/或动子的摩擦端面上制备有凹坑型表面微结构。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机，尤其涉及一种直线超声电机磨损减缓方法及直线超声电机。
背景技术
直线超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，它包括定子、动子及压电元件，利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，并通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线（旋转）运动，直接推动负载。它具有结构紧凑、低速大扭矩、响应快、定位精度高和电磁兼容性等优点。在航空航天、武器装备和精密驱动领域有着广泛的应用前景。
目前国内直线超声电机的研究发展很快，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校先后对直线超声电机展开了研究。从2004年开始陆续公开了多种直线超声电机的专利文献，例如申请号为200510046044.9的环形驻波直线超声电机、申请号为200610132316.1的棱柱型纵弯复合振子直线超声电机、申请号为200710045921.X 的三角形弯板式压电直线超声电机 、申请号为200820014739.8的、申请号为200710020963.8的圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法 、申请号为200810124426.2的基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机等。但是现有的直线超声电机存在输出功率小、效率低、寿命短等不足。经研究发现，常用的直线超声电机用摩擦界面实现能量和运动的传递，在预压力或负载作用下，定子和转子的微凸体产生塑性变形和粘着，超声微幅振动时的切向力使得粘着点被剪切并脱落。定子和动子脱落的磨粒在切向力驱动下如同刀具一样在接触表面高速切削，产生切屑。松散的磨屑像滚珠或滚柱具有减磨作用，使超声电机的摩擦因数明显下降，输出功率随之大大下挫。即由于定子和动子之间的摩擦为干摩擦，磨损产生的磨屑导致三体磨损，进而加速电机的磨损，缩短电机的寿命。
直线超声电机摩擦界面的摩擦特性是影响其稳定性和输出效率的重要因素。目前直线超声电机的磨损问题主要通过研制新型摩擦材料来改善。而对于新型或形状异常的摩擦材料要求不易满足，制作工艺复杂，不利于工业化推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有直线超声电机定子与动子之间的三体摩擦所导致的输出功率低、使用寿命短的问题，提供一种直线超声电机磨损减缓方法及直线超声电机，从而提高直线超声电机的输出功率和使用寿命。
本发明采用以下技术方案：
一种直线超声电机磨损减缓方法，所述直线超声电机包括定子、动子及压电元件，利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线运动，直接推动负载，该方法为在所述定子或动子的摩擦端面上制备凹坑型表面微结构。
进一步地，所述凹坑型表面微结构制备于定子上。
进一步地，所述凹坑型表面微结构的结构参数包括直径、深度、面积比，根据下列经验公式优化确定：
μ＝－2.1＋28.79D－106.6D2＋129.3D3
μ＝0.3＋12.2H－267.5H2＋1770.8H3
μ＝0.5－0.42×10-3A＋2×10-4A2
W＝9.1－13.3D
W＝4.3＋49.9H－453.1H2
W＝2.5＋0.2A
式中，μ为摩擦因数；D为凹坑型微结构的宽度/直径，单位为mm；H为凹坑型微结构的深度，单位为mm；A为凹坑型微结构的面积比，单位为%； W为磨损量，单位为mg。
再进一步地，该方法还包括在所述定子和/或动子的摩擦端面上覆盖耐磨层。
一种直线超声电机，所述直线超声电机包括定子、动子及压电元件，利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线运动，直接推动负载，其特征在于，在所述定子或动子的摩擦端面上制备有凹坑型表面微结构。
进一步地，所述凹坑型表面微结构制备于定子上。
进一步地，所述凹坑型表面微结构的结构参数包括直径、深度、面积比，根据下列经验公式优化确定：
μ＝－2.1＋28.79D－106.6D2＋129.3D3
μ＝0.3＋12.2H－267.5H2＋1770.8H3
μ＝0.5－0.42×10-3A＋2×10-4A2
W＝9.1－13.3D
W＝4.3＋49.9H－453.1H2
W＝2.5＋0.2A
式中，μ为摩擦因数；D为凹坑型微结构的宽度/直径，单位为mm；H为凹坑型微结构的深度，单位为mm；A为凹坑型微结构的面积比，单位为%； W为磨损量，单位为mg。
再进一步地，所述定子和/或动子的摩擦端面上还覆盖有耐磨层。
本发明将表面改性技术用于直线超声电机，通过在定子或动子的摩擦端面上制备凹坑型表面微结构，降低了三体摩擦所导致的磨损，从而有效提高了电机的输出力、输出功率及使用寿命；并通过对凹坑型表面微结构的结构参数进行优化进一步减小三体摩擦，通过在定子和/或动子的摩擦端面上覆盖耐磨层来降低表面摩擦的环境敏感性。
附图说明
图1是具体实施方式中所述V形直线超声电机的结构示意图，其中，1为夹持件；2为开口外框；3为后端盖；4为动子；6为压紧螺栓；7为压电陶瓷；8为电极片；9为驱动足；
图2为具体实施方式中所述V形直线超声电机的定子结构示意图，其中，5为凹坑型表面微结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的发明思路是将表面改性技术用于直线超声电机，在定子或动子的摩擦端面上制备凹坑型表面微结构，从而降低三体摩擦所导致的磨损，提高电机的输出力、输出功率及使用寿命。为了便于公众理解，下面以一种V形直线超声电机为例来说明本发明的技术方案。
所述V形直线超声电机的结构如附图1所示，包括定子和动子4，其中定子由夹持件1、后端盖3、压紧螺栓6、压电陶瓷7、电极片8、驱动足9等构件共同组成；夹持件1、后端盖3、压电陶瓷7、电极片8以及驱动足9等部件通过压紧螺栓6装配为一体，构成兰杰文振子；定子整体呈V形结构，其上带有两个兰杰文振子，并通过夹持件1定位于开口外框2内；开口外框2上与动子4平行的边框上设有开口。其工作原理如下：两个结构对称的兰杰文振子同时做同向的伸缩运动时，形成对称模态。此时，定子在驱动端面上形成竖直y方向的振动；两个兰杰文振子同时做互为反向的伸缩运动时，形成反对称模态，此时，定子驱动端面上形成水平x方向的直线运动。定子端面运动上由于这两种振动的作用形成在空间上为π/2的相位差，只要激发出这两种振动模态在端面上的时间响应具有π/2的相位差，就可以在驱动端面上形成椭圆运动轨迹。如果在定子和滑条状的动子之间施加适当的预压力，使动子和定子驱动端面接触，通过摩擦力作用，定子的驱动端面就可以驱动动子做直线运动。当电机工作时，定子与动子摩擦产生磨屑，松散的磨屑像滚珠或滚柱具有减磨作用，使超声电机的摩擦因数明显下降，输出功率随之大大下挫。为解决该问题，本发明在定子的驱动足9的表面（即定子与动子的摩擦面）制备如附图2所示的凹坑型表面微结构5，该凹坑型表面微结构可通过激光加工、电火花加工、化学腐蚀等现有的技术手段进行制备。制备有凹坑型微结构的驱动足9的表面在摩擦过程中能够储藏磨屑，从而稳定超声电机的摩擦因数，进而稳定输出力，提高输出效率。
凹坑型表面微结构尺寸由直径、深度、面积比（即凹坑型表面微结构面积与摩擦面面积之比）三个参数控制。通过对大量的实验数据进行优化处理与数值分析，得到直径、深度、面积比与摩擦因数以及磨损量具有以下经验关系：
μ＝－2.1＋28.79D－106.6D2＋129.3D3
μ＝0.3＋12.2H－267.5H2＋1770.8H3
μ＝0.5－0.42×10-3A＋2×10-4A2
W＝9.1－13.3D
W＝4.3＋49.9H－453.1H2
W＝2.5＋0.2A
式中，μ为摩擦因数；D为凹坑型微结构的宽度/直径，单位为mm；H为凹坑型微结构的深度，单位为mm；A为凹坑型微结构的面积比，单位为%； W为磨损量，单位为mg。
依照目标摩擦因数及磨损量，根据以上经验公式即可得到优化的凹坑型表面微结构的尺寸参数。
为了降低表面摩擦的环境敏感性，在定子的驱动足表面还覆盖有耐磨层，从而构成复合表面微结构。耐磨层可采用类金刚石薄膜、氮化铬薄膜、氮化钛薄膜等，从而利用其优异的摩擦特性，来降低表面摩擦的环境敏感性。
以上仅用一个例子来说明本发明的技术方案，很显然，所有直线超声电机均可使用本发明的磨损减缓方法。
Claims (6)
1.一种直线超声电机磨损减缓方法，所述直线超声电机包括定子、动子及压电元件，利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线运动，直接推动负载，其特征在于，该方法为在所述定子或动子的摩擦端面上制备凹坑型表面微结构；所述凹坑型表面微结构的结构参数包括直径、深度、面积比，依照目标摩擦因数及磨损量，根据下列经验公式优化确定：
μ＝－2.1＋28.79D－106.6D2＋129.3D3
μ＝0.3＋12.2H－267.5H2＋1770.8H3
μ＝0.5－0.42×10-3A＋2×10-4A2
W＝9.1－13.3D
W＝4.3＋49.9H－453.1H2
W＝2.5＋0.2A
式中，μ为摩擦因数；D为凹坑型微结构的宽度/直径，单位为mm；H为凹坑型微结构的深度，单位为mm；A为凹坑型微结构的面积比，单位为%； W为磨损量，单位为mg。
2.如权利要求1所述直线超声电机磨损减缓方法，其特征在于，所述凹坑型表面微结构制备于定子上。
3.如权利要求1或2所述直线超声电机磨损减缓方法，其特征在于，该方法还包括在所述定子和/或动子的摩擦端面上覆盖耐磨层。
4.一种直线超声电机，所述直线超声电机包括定子、动子及压电元件，利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线运动，直接推动负载，其特征在于，在所述定子或动子的摩擦端面上制备有凹坑型表面微结构；所述凹坑型表面微结构的结构参数包括直径、深度、面积比，依照目标摩擦因数及磨损量，根据下列经验公式优化确定：
μ＝－2.1＋28.79D－106.6D2＋129.3D3
μ＝0.3＋12.2H－267.5H2＋1770.8H3
μ＝0.5－0.42×10-3A＋2×10-4A2
W＝9.1－13.3D
W＝4.3＋49.9H－453.1H2
W＝2.5＋0.2A
式中，μ为摩擦因数；D为凹坑型微结构的宽度/直径，单位为mm；H为凹坑型微结构的深度，单位为mm；A为凹坑型微结构的面积比，单位为%； W为磨损量，单位为mg。
5.如权利要求4所述直线超声电机，其特征在于，所述凹坑型表面微结构制备于定子上。
6.如权利要求4或5所述直线超声电机，其特征在于，所述定子和/或动子的摩擦端面上还覆盖有耐磨层。
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