CN102624280A

CN102624280A - 具有表面微造型的超声波电机

Info

Publication number: CN102624280A
Application number: CN2012101238569A
Authority: CN
Inventors: 曲建俊; 张彦虎
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-08-01

Abstract

具有表面微造型的超声波电机，属于超声波电机技术领域。它解决了现有超声波电机摩擦副的耐磨性差的问题。它包括两种技术方案：第一种为包括定子和动子，所述定子的与动子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽；第二种为包括定子和动子，所述动子的与定子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽。本发明适用于超声波电机。

Description

具有表面微造型的超声波电机

技术领域

本发明涉及一种具有表面微造型的超声波电机，属于超声波电机技术领域。

背景技术

众所周知，超声波电机是一种基于摩擦方式的驱动器件。超声波电机的超声振动在弹性介质，如定子的传播过程中，其表面质点在适当激励条件下发生椭圆轨迹运动，由于质点存在水平方向的运动分量，而转子以适当压力压靠在定子表面时，两者接触面内将发生相对滑动趋势，于是，在摩擦力作用下，转子发生了水平方向的宏观远动。正是由于这样的驱动原理，使得定子与其配副间存在摩擦，同时在接触界面间存在侧向滑动、径向和周向的几何滑动。摩擦的直接结果是磨损，进而影响配副之间的接触特性，并降低了使用寿命；同时，摩擦磨损的程度受控于界面性能，而接触界面的性能影响因素复杂，在超声振动条件下，界面内不同微凸体间存在几何、材料和表面性能差异，这样表现出不同的声学特性，从而产生噪声。而微滑动的存在在限制了摩擦驱动效率的同时，振动环境中微滑动产生和累积的非输出能量均以热能形式耗散，进而形成新的热环境，不但不利于有效功能转换，而且进一步对有效接触界面的材料性能形成热致弱化。

对于超声波电机，为提高其能量转换效率、降低定转子间的磨损、延长电机的寿命，所选用的定子摩擦层和转子摩擦层的接触面间要满足如下要求：摩擦系数要足够大而确保能量转换的正常实现；耐磨性好，且对配伍的磨损轻微；无摩擦噪声，接触过程中不引起定子和转子间的其他振动；摩擦力足够平稳，而非时间函数，保证长期稳定地工作；热化学稳定性好；有良好的机械性能，特别是适当的硬度。

针对与材料结构特性相关的超声波电机摩擦特性、接触特性和声学特性问题，中国专利《具有梯度涂层摩擦材料的转子或定子》，公开号为CN101222188，公开日为20080716，公开了一种梯度涂层材料的转子或定子，其梯度涂层材料由底层、中间层和表层组成，该种超声波电机摩擦副的缺点是难以制备，且可重复性低；另外，中国专利《超声马达各向异性摩擦片的制备方法及其专用制备装置》，公开号为CN101309056，公开日为20081119，公开了一种各向异型摩擦材料的纤维增强树脂基摩擦片，它是先制备出单层复合材料，再按照纤维与轴向不同角度的卷绕法制取管状各向异性摩擦材料，最后通过垂直轴向切割而成薄片，制备方法复杂，制备周期长，且污染环境。

发明内容

本发明是为了解决现有超声波电机摩擦副的耐磨性差的问题，提供一种具有表面微造型的超声波电机。

本发明所述第一种具有表面微造型的超声波电机，它包括定子和动子，所述定子的与动子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽。

本发明所述第二种具有表面微造型的超声波电机，它包括定子和动子，所述动子的与定子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽。

所述超声波电机为旋转电机或直线电机。

所述微观造型为三角形、矩形、梯形、圆弧形或样条曲线形。

所述微观造型沿所述接触表面的长度范围为1μm-90μm。

所述微观造型在定子或转子的接触表面的面积占有率为5％-90％。

所述微观造型沿垂直于定子或转子的接触表面的纵向深度范围为0.5μm-15μm。

所述定子或转子的接触表面材料为金属、非金属或者聚合物。

所述微观造型采用反应式离子刻蚀方法、光刻方法、电铸方法、注塑方法、受激分子激光和光掩膜投影方法或者激光表面微造型方法实施造型。

本发明的优点是：本发明所述的电机定子或转子，制作过程绿色环保，不需要额外的工程表面处理，亦不需后续机械加工，其摩擦性能得到了改善，接触特性也得到提高，同时，使用过程中产生的无功振动可被部分吸收和弱化，能够实现有效降噪。

本发明对超声波电机定子或转子的接触界面运用基于仿生学思路的表面微造型结构，在获得优化的摩擦副匹配的同时，可获得稳定的摩擦力矩；微观造型结构可以对配伍材料及其自身的磨粒进行收集，避免三体甚至多体磨损；微观造型采用类蜂窝等微细造型结构可扩展质点振动波传播空间，延长冲击时间，微观造型的合理布置能弱化非有效振子能量，有利于进一步降噪。

附图说明

图1为本发明所述定子或转子的局部结构示意图，Lx为微观造型的横向间距，Ly为微观造型的纵向间距，d为造型的横向尺度，如为锥坑的轮廓半径；

图2为超声波电机转子含摩擦层并具有所述微观造型时的接触驱动示意图；

图3为超声波电机定子含摩擦层，转子具有所述微观造型时的接触驱动示意图；

图4为超声波电机为直线电机时，动子含摩擦层并具有所述微观造型时的接触驱动示意图；

图5为超声波电机为直线电机时，动子含摩擦层，定子具有所述微观造型时的接触驱动示意图；

图6为超声波电机为直线电机时，动子含摩擦层，动子和定子均具有所述微观造型时的接触驱动示意图；

图7为超声波电机为非接触式旋转电机时，定子和转子表面均具有所述微观造型时的接触驱动示意图。

图2至图7中，1为定子，2为动子或转子，3为摩擦材料层，4为空气间隙。

图2至图7中，

为坐标系的原点，

为坐标系的横轴，

为坐标系的纵轴，v_R为转子的转动速度，v_W为弹性波的波速，F_N为法向载荷，空载时仅为预压力。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述具有表面微造型的超声波电机，它包括定子和动子，所述定子的与动子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽。

具体实施方式二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述具有表面微造型的超声波电机，它包括定子和动子，所述动子的与定子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽。

实施方式一或二所述的微观造型具有一定的排布规则，可选择而优化地造型于定子或转子的表面。

如图1所示，定子通过其表面质点椭圆运动产生伸缩变形，后以摩擦接触的方式与贴有摩擦层的转子作用，从而驱动转子发生转动。

图2所示的驱动曲线为定子不含摩擦层，转子含有摩擦层，并在转子表面进行了所述微观造型的驱动示意图。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述超声波电机为旋转电机或直线电机。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述微观造型为三角形、矩形、梯形、圆弧形或样条曲线形。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述微观造型沿所述接触表面的长度范围为1μm-90μm。

所述的长度范围是对微观造型在接触表面上任何方向的限定，即微观造型在接触表面上不论哪个方向的跨度都在1μm-90μm范围内。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述微观造型在定子或转子的接触表面的面积占有率为5％-90％。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述微观造型沿垂直于定子或转子的接触表面的纵向深度范围为0.5μm-15μm。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，所述定子或转子的接触表面材料为金属、非金属或者聚合物。

所述定子或转子上微观造型的布置不受定子或转子的接触表面材料的限制，也不受电机的非结构限制，可以是原型，也可以是异型。

具体实施方式九：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、五、六、七或八的进一步说明，所述微观造型采用反应式离子刻蚀方法、光刻方法、电铸方法、注塑方法、受激分子激光和光掩膜投影方法或者激光表面微造型方法实施造型。

本发明所述的微观造型可以同时以不同或相同的合理方式实施于定子或转子的接触表面上。

本发明由于有效的增加了电机摩擦副的耐磨性，因此延长了使用寿命，同时提高了摩擦副的摩擦因数，进而使摩擦驱动的效率提高，还有利于进一步解决超声波电机的降噪问题。

本发明的结构基于仿生设计的表面微造型技术，特别是可运用激光微细雕刻技术，一方面通过激光淬火提高材料表面硬度，使得配副间获得优选的硬度差，从而提高摩擦副耐磨性；之外，微造型后的摩擦接触副间可获得均匀而稳定的摩擦力矩，从而提高超声波电机的接触稳定性，也在一定程度上使超声波电机的输出性能得以提高；同时，表面微细造型结构可以对配伍材料及其自身的磨粒进行收集，从而避免了对摩擦性能具有恶劣影响的三体甚至多体磨损的发生及加剧，一定程度上改善了摩擦性能，在保证高耐磨性的条件下，获得了足够大的摩擦力，从而提高了超声波电机的驱动效率。

另外，在定子或转子的接触表面上采用微凹坑结构或微槽结构对流体，如液体或气体的润滑具有重要的意义，已有足够的研究报告显示，表面微造型可明显提高摩擦副的承载能力，从而提高超声波电机的负载性能，尤其针对非接触式超声波电机；最后，由噪声与振动理论可知，加速度噪声与冲击时间的四次方成反比，因类似蜂窝等微细造型结构的存在使传播空间得以扩展，进而延长了冲击时间，同时其合理布置可改变纵向振动波长，从而弱化非作功振子能量，利于超声波电机的进一步降噪。

在定子或转子的接触表面上采用微凸体造型，具有如下优势：

1.通过微凸体和润滑介质的共同作用实现金属的流动；

2.减小了接触面积；

3.改善了润滑作用；

4.均化了应力应变分布。

5.另外，表面微凸体造型的轧辊，提高了轧制速度，减少了板面擦伤，改善板型，提高板材深冲性能等。

总之，表面微造型的摩擦学效应，将给超声电机的使用性能和寿命产生重要的影响。对与超声电机应用方面，还有利于降噪、维持稳定摩擦系数、改善接触特性和保持输出功率的稳定性等作用。

本发明所述微观造型实施于电机定子或转子表面时，定子和转子可分别设置如下：

定子含有摩擦材料层，转子不含有摩擦材料层，对转子表面实施微观造型处理；

定子不含有摩擦材料层，而转子含有摩擦层材料，对定子实施表面微观造型处理；

定子含有摩擦层材料，而转子不含有摩擦层材料，对粘贴或其他接合于定子上的摩擦材料层实施表面微观造型处理；

定子不含有摩擦材料层，而转子含有摩擦材料层，对定子和摩擦材料层均实施表面微观造型处理；

定子不含有摩擦材料层，而动子含有摩擦材料层，只对动子表面粘贴的摩擦层表面实施微观造型处理；

定子不含有摩擦材料层，而动子含有摩擦材料层，只对定子表面实施微观造型处理；

定子不含有摩擦材料层，而动子含有摩擦材料层，对定子和动子表面粘贴的摩擦层表面共同实施微观造型处理；

定子含有摩擦材料层，而动子不含有摩擦材料层，只对动子表面实施微观造型处理；

定子含有摩擦材料层，而动子不含有摩擦材料层，只对定子表面粘贴的摩擦层表面实施微观造型处理；

定子含有摩擦材料层，而动子不含有摩擦材料层，对定子表面粘贴的摩擦层表面和定子表面共同实施微观造型处理；

如图7所示，在定子1和转子2表面均实施表面微观造型，而空气间隙4伴随超声波振动的产生的一定悬浮力调节定子1和转子2的间隙，定子表面质点的行波促使空气介质的声压黏性驱动转子运动，且其运动方向与行波方向一致。

上述转子的设置适用于旋转电机，动子的设置适用于直线电机。

本发明所述的定子或转子，可采用如下的具体方案：

方案一、旋转超声波电机的定子或转子，或直线超声波电机的定子或动子，定子、转子或动子的表面设置表面球凹坑结构，该结构设计参数如下：

方案二、定子、转子或动子表面包含有表面柱凹坑结构，结构设计参数同方案一。

方案三、定子、转子或动子表面包含有表面锥坑结构，结构设计参数同方案一。

方案四、定子、转子或动子表面包含有表面多面棱柱(包括三棱柱)坑结构，棱柱体结构设计参数如下：

方案五、旋转超声波电机的定子或转子，或直线超声波电机的定子或动子，定子、转子或动子材料表面包含有表面矩型凹槽结构，该结构设计参数如下：

方案六、参数槽宽和槽深设计同方案五，只是凹槽交错排列，交错角度在0～180°范围内变化，取两边极限值时便同上述方案五。

方案七、旋转超声波电机的定子或转子，或直线超声波电机的定子或动子，定子、转子或动子材料表面包含有表面梯型凹槽结构，该结构设计参数如下：

方案八、同方案七，只是参数设计的上槽口宽和下槽口宽参数范围对调，形成燕尾槽型。

方案九、参数设计同方案七，只是凹槽交错排列，交错角在0～180°范围内变化，取两边极限值时便同方案七。

方案十.参数设计同方案八，只是凹槽交错排列，交错角在0～180°范围内变化，取两边极限值时便同方案八。

方案十一、旋转超声波电机的定子或转子，或直线超声波电机的定子或动子，定子、转子或动子材料表面包含有微带状结构，该结构设计参数如下：

方案十二.参数设计同方案十一，只是带状结构交错排列，交错角度在0～180°范围内变化，取两边极限值时便同方案十一。

上述方案之间可任意组合。

Claims

1.一种具有表面微造型的超声波电机，它包括定子和动子，其特征在于：所述定子的与动子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽。

2.一种具有表面微造型的超声波电机，它包括定子和动子，其特征在于：所述动子的与定子相接触的接触表面区域上均匀排布有微观造型，该微观造型为微凸体造型、微凹坑或微槽。

3.根据权利要求1或2所述的具有表面微造型的超声波电机，其特征在于：所述超声波电机为旋转电机或直线电机。

4.根据权利要求1或2所述的具有表面微造型的超声波电机，其特征在于：所述微观造型为三角形、矩形、梯形、圆弧形或样条曲线形。

5.根据权利要求1或2所述的具有表面微造型的超声波电机，其特征在于：所述微观造型沿所述接触表面的长度范围为1μm-90μm。

6.根据权利要求1或2所述的具有表面微造型的超声波电机，其特征在于：所述微观造型在定子或转子的接触表面的面积占有率为5％-90％。

7.根据权利要求1或2所述的具有表面微造型的超声波电机，其特征在于：所述微观造型沿垂直于定子或转子的接触表面的纵向深度范围为0.5μm-15μm。

8.根据权利要求1或2所述的具有表面微造型的超声波电机，其特征在于：所述定子或转子的接触表面材料为金属、非金属或者聚合物。

9.根据权利要求1或2所述的具有表面微造型的超声波电机，其特征在于：所述微观造型采用反应式离子刻蚀方法、光刻方法、电铸方法、注塑方法、受激分子激光和光掩膜投影方法或者激光表面微造型方法实施造型。