CN106972778B - 一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法及轻量化超声电机 - Google Patents
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Abstract
一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法及轻量化超声电机，它涉及一种超声电机及塑料定子制备方法，以解决现有超声电机重量难以降低、定子齿加工困难、成本昂贵、加工周期长不利于大批量生产的问题，它包括转轴、定子、转子、外壳、底座、一号轴承和二号轴承；它还包括预紧机构，转轴上设置有用于调整定子和转子作用力的预紧机构，转子的轮缘的端面与定子的一端面相接触，定子的另一端面铺设有环形压电陶瓷层，外壳和底座分别由塑料制成。塑料定子制备方法步骤，步骤一、原料配比和造粒；步骤二、将挤出的共混物注塑成型为齿状塑料定子的坯料；步骤三、将齿状塑料定子的坯料表面处理得到塑料定子。本发明用作超声电机。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机及塑料定子制备方法，属于压电驱动领域。
背景技术
超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动器，其定子通常由压电陶瓷和金属弹性体组成，通过给压电陶瓷施加超声频率的交流电压实现定子弹性体中同频机械振动的激励，进而在定子驱动区域内的质点形成具有驱动作用的运动轨迹，通过定子和转子的摩擦耦合，实现转子宏观运动的输出。目前超声电机的外壳一般采用金属，增加了电机的加工成本和材料成本，且使电机的重量难以进一步降低；在定子表面通常加工有定子齿，用来增大定子表面质点的振幅，增强其驱动效果，定子齿的存在增加了加工的难度，耗费时间长，成本高，不利于批量生产。公开号为CN201742324U，公开日为2011年02月09日，专利名称为“旋转型行波超声电机”没有轻量化和低成本设计，也没有采用塑料定子，本发明采用塑料3D打印技术和塑料成型技术制作电机外壳和定子，可降低超声电机成本60％～80％。目前关于采用塑料外壳和塑料定子的超声电机鲜有报道。
发明内容
本发明提供一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法及轻量化超声电机，为解决现有超声电机重量难以降低、定子齿加工困难、成本昂贵、加工周期长不利于大批量生产的问题。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是；
本发明的一个目的是提供一种轻量化超声电机，它包括转轴、定子、转子、外壳、底座、一号轴承和二号轴承；
外壳与底座连接，底座和外壳上分别安装有一号轴承和二号轴承，转轴安装在一号轴承和二号轴承上，转子安装在转轴上并与外壳相邻设置，定子安装于底座上，所述定子为纤维增强工程塑料定子，它还包括预紧机构，转轴上设置有用于调整定子和转子作用力的预紧机构，转子的轮缘的端面与定子的一端面相接触，定子的另一端面铺设有环形压电陶瓷层，外壳和底座分别由塑料制成。
本发明的另一个目的是提供一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法，该方法的主要步骤包括：
步骤一、原料配比：称取以重量百分比计的如下：
聚合物基体：30％-70％；其中，聚合物基体为聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚苯酯、聚醚醚酮中的一种或多种的混合；聚合物基体的粒度为400-1000目；
增强纤维：10％-35％；其中，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳酸钾晶须、芳纶纤维中的一种或多种的混合；
摩擦导热改进剂：5％-20％；其中，摩擦导热改进剂为纳米铜粉、纳米金刚石粉、镍粉、稀土粉中的一种或几种的混合；
加入双螺杆挤出机共混挤出造粒，设置温度为330℃-360℃；
步骤二、将挤出共混物注射成型为齿状塑料定子的坯料，注塑温度为330℃-360℃，注塑压力为50MPa-120MPa；
步骤三、将齿状塑料的定子坯料表面处理得到塑料定子。
本发明的有益效果是：本发明的轻量化低成本超声电机的底座和外壳采用塑料制作而成，通过3D打印加工技术生成，采用弹簧施加预紧力，减小预紧力的加载刚度，以适应塑料定子对预紧力大小的要求，这种电机加工装配工序简单，降低了超声电机的加工成本和材料成本并大幅减轻了电机的重量。塑料定子包括以重量百分比计的以下组分：聚合物基体，增强纤维和摩擦导热改进剂通过专用注塑模具注射成型，无需二次加工，添加摩擦导热改进剂的纤维增强聚合物基复合材料的齿状塑料定子，可代替摩擦片作为接触层摩擦材料，不需在转子上粘结摩擦片，避免摩擦片繁琐的切片程序，还在一定程度上减轻了电机的重量，也可以可改善定子齿的摩擦磨损性能，增大摩擦系数，提高电机的负载能力，降低磨损提高电机的寿命，并能传导定子和转子接触界面由摩擦产生的热量，这种超声电机及定子有利于大批量生产。
附图说明
图1为本发明一个实施例的轻量化超声电机结构示意图；
图2为本发明为另一个实施例的轻量化超声电机结构示意图；
图3为本发明用的塑料定子的结构示意图；
图4为图3的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参见图1和图3说明，一种轻量化超声电机，它包括转轴1、定子4、转子5、外壳6、底座14、一号轴承3和二号轴承9；
外壳6与底座14连接，底座14和外壳6上分别安装有一号轴承3和二号轴承9，转轴1安装在一号轴承3和二号轴承9上，转子5安装在转轴1上并与外壳6相邻设置，定子4安装于底座14上，其特征在于：所述定子4为纤维增强工程塑料定子，它还包括预紧机构，转轴1上设置有用于调整定子4和转子5作用力的预紧机构，转子5的轮缘的端面与定子4的一端面相接触，定子4的另一端面铺设有环形压电陶瓷层13，外壳6和底座14分别由塑料制成。
定子4为齿状塑料定子，定子4上设置定子齿4-1，相邻定子齿4-1之间为齿槽，定子4加厚能有效传递压电陶瓷片的振动。纤维增强工程塑料定子有利于可提高塑料基体的强度和硬度，改善其力学性能。
参见图1说明，为了实现定子和转子的力的有效传递，方便调节定子和转子的预紧力，预紧机构包括轴承顶环7和弹簧8；所述外壳6延伸有腔室6-1，转轴1的一端部、轴承顶环7和弹簧8设置于所述腔室6-1内，轴承顶环7套装在转轴1的一端并顶靠二号轴承9，轴承顶环7与腔室6-1底面之间设置有弹簧8。通过拧紧外壳6和底座14相互连接的连接螺栓12压紧弹簧8，通过轴承顶环7将力传递到二号轴承9的内圈，经二号轴承9的外圈和轴肩将预紧力传递到定子4和转子5之间，通过调整垫片16来调节预紧力的大小。底座14上有三个通孔，通孔一端加工有六边形盲孔用于安装六角螺母，底座14上还加工有轴承孔，底座14与定子4通过螺栓连接，外壳6上加工有4个通孔，通孔一端加工有六边形盲孔，另一端加工圆形盲孔，用于安装螺母和螺栓，外壳6与底座14通过内六角螺栓连接，外壳6上还加工有轴承孔和弹簧支架。
参见图2说明，为了实现定子和转子的力的有效传递，方便调节定子和转子的预紧力，预紧机构包括轴承顶环7、弹簧8和弹簧顶环10；位于外壳6外侧的转轴1上套装有轴承顶环7和弹簧顶环10，轴承顶环7和弹簧顶环10之间设置有弹簧8，转轴1的端部旋拧有顶压弹簧顶环10的螺母11。外壳上加工有轴承孔，轴承孔为通孔，所述的转轴一端加工有螺纹，轴承顶环7和弹簧顶环8安装在转轴上，能自由沿轴滑动，还有固定弹簧的作用，拧紧螺母11压紧弹簧8，通过轴承顶环7将力传递到轴承内圈，经轴承外圈和轴肩将预紧力传递到定子和转子之间，通过调整垫片16来调节预紧力的大小，所述的定子4采用纤维增强工程塑料由专用模具压制并烧结成型。底座14上有三个通孔，通孔一端加工有六边形盲孔用于安装六角螺母，底座14上还加工有轴承孔，底座14与定子4通过螺栓连接，外壳上加工有4个通孔，通孔一端加工有六边形盲孔，另一端加工圆形盲孔，用于安装螺母和螺栓，外壳6与底座14通过内六角螺栓连接，外壳6上加工有轴承孔，轴承孔为通孔。
优选地，外壳6和底座14的材料为ABS塑料或PC/ABS塑料。质轻廉价，以加工使用。进一步地，外壳6由3D打印技术加工而成的外壳，底座14由3D打印技术加工而成的底座。加工周期短，有利于大批量生产。
优选地，一种轻量化超声电机还包括弹簧挡圈2，位于底座14外侧的转轴1上加工有环形槽，一号轴承3安装在底座14的外端面上，弹簧挡圈2安装在环形槽内且与一号轴承3内圈贴紧。如此设置，牢靠稳定，便于使用，运行稳定可靠。
一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法，它包括如下步骤：
步骤一、原料配比：称取以重量百分比计的如下：
聚合物基体：30％-70％；其中，聚合物基体为聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚苯酯、聚酰亚胺中的一种或多种的混合；聚合物基体的粒度为400-1000目；
增强纤维：10％-35％；其中，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳酸钾晶须、芳纶纤维中的一种或多种的混合；
摩擦导热改进剂：5％-20％；其中，摩擦导热改进剂为纳米铜粉、纳米金刚石粉、镍粉、稀土粉中的一种或几种的混合；
加入双螺杆挤出机共混挤出造粒，设置温度为330℃～360℃；
步骤二、将挤出的共混物在注塑模具上注射成型为齿状塑料定子的坯料，注塑温度为330℃～360℃，注塑压力为50MPa～120MPa；
步骤三、将齿状塑料定子的坯料表面处理得到塑料定子。
得到的塑料定子与压电陶瓷片粘接即可使用。
优选地，聚合物基体的粒度为600目-800目。
优选地，增强纤维采用短切纤维，摩擦导热改进剂为微米级粉料。如此设置，短切纤维配制的混合粉料分散均匀，提高了齿状塑料定子的强度，微米级粉料配制的混合粉料分散均匀，提高了齿状塑料定子的强度。优选地，注塑压力为70MPa，注塑温度为380℃。这种工况下制造的齿状塑料定子用于超声波电机，提高了摩擦系数，提高电机的负载能力，降低磨损提高电机的寿命。
实施例1：齿状塑料定子以重量百分比计的如下：聚苯硫醚85％，聚四氟乙烯5％，碳纤维10％。
具体步骤如下：
1)按比例称取聚苯硫醚、聚四氟乙烯、碳纤维，加入双螺杆挤出机共混挤出造粒，设置温度为350℃；
2)将共混物注射成型为塑料定子，注塑温度330℃，注塑压力80MPa；
3)修饰加工得到的塑料定子，装配；
本实施例所制得金属塑料复合型定子，摩擦系数为0.21，施加30N预紧力，超声电机的转速为60r/min，堵转力矩为0.15Nm。降低磨损提高电机的寿命。
实施例2：齿状塑料定子以重量百分比计的如下：聚醚醚酮80％，聚苯硫醚5％，聚四氟乙烯5％，纳米金刚石5％，碳纤维5％。
具体步骤如下：
1)按比例称取聚苯硫醚、聚四氟乙烯、碳纤维，加入双螺杆挤出机共混挤出造粒，设置温度为330℃；
2)将共混物注射成型为塑料定子，注塑温度340℃，注塑压力100MPa；
3)修饰加工得到的塑料定子，装配；
本实施例所制得金属塑料复合型定子，摩擦系数为0.26，施加40N预紧力，超声电机的转速为70r/min，堵转力矩为0.18Nm。
实施例3：齿状塑料定子以重量百分比计的如下：聚苯硫醚85％，聚四氟乙烯5％，纳米金刚石5％，玻璃纤维5％。
具体步骤如下：
1)按比例称取聚苯硫醚、聚四氟乙烯、碳纤维，加入双螺杆挤出机共混挤出造粒，设置温度为350℃；
2)将共混物注射成型为塑料定子，注塑温度330℃，注塑压力100MPa；
3)修饰加工得到的塑料定子，装配；
本实施例所制得金属塑料复合型定子，摩擦系数为0.21，施加60N预紧力，超声电机的转速为40r/min，堵转力矩为0.22Nm。提高电机的负载能力，降低磨损提高电机的寿命。
实施例4：齿状塑料定子以重量百分比计的如下：聚苯硫醚60％，聚四氟乙烯10％，铜粉15％，玻璃纤维5％，纳米金刚石5％，碳纤维5％。
具体步骤如下：
1)按比例称取聚苯硫醚、聚四氟乙烯、碳纤维，加入双螺杆挤出机共混挤出造粒，设置温度为340℃；
2)将共混物注射成型为塑料定子，注塑温度360℃，注塑压力80MPa；
3)修饰加工得到的塑料定子，装配；
本实施例所制得金属塑料复合定子齿，摩擦系数为0.16，施加150N预紧力，超声电机的转速为60r/min，堵转力矩为0.16Nm。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一、原料配比：称取以重量百分比计的如下：
聚合物基体：30％-70％；其中，聚合物基体为聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚苯酯、聚醚醚酮中的一种或多种的混合；聚合物基体的粒度为400-1000目；
增强纤维：10％-35％；其中，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳酸钾晶须、芳纶纤维中的一种或多种的混合；
摩擦导热改进剂：5％-20％；其中，摩擦导热改进剂为纳米铜粉、纳米金刚石粉、镍粉、稀土粉中的一种或几种的混合；
加入双螺杆挤出机共混挤出造粒，设置温度为330℃-360℃；
步骤二、将挤出的共混物注塑成型为齿状塑料定子的坯料，注塑温度为330℃-360℃，注塑压力为50MPa-120MPa；
步骤三、将齿状塑料定子的坯料表面处理得到塑料定子。
2.根据权利要求1所述一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法，其特征在于：聚合物基体的粒度为600目-800目。
3.根据权利要求1或2所述一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法，其特征在于：增强纤维采用短切纤维，摩擦导热改进剂为微米级粉料。
4.根据权利要求1或2所述一种轻量化超声电机的塑料定子制备方法，其特征在于：注塑压力为70MPa，注塑温度为340℃。
5.一种应用权利要求1得到的塑料定子的轻量化超声电机，它包括转轴(1)、定子(4)、转子(5)、外壳(6)、底座(14)、一号轴承(3)和二号轴承(9)；
外壳(6)与底座(14)连接，底座(14)和外壳(6)上分别安装有一号轴承(3)和二号轴承(9)，转轴(1)安装在一号轴承(3)和二号轴承(9)上，转子(5)安装在转轴(1)上并与外壳(6)相邻设置，定子(4)安装于底座(14)上，其特征在于：所述定子(4)为纤维增强工程塑料定子，所述的轻量化超声电机还包括预紧机构，转轴(1)上设置有用于调整定子(4)和转子(5)作用力的预紧机构，转子(5)的轮缘的端面与定子(4)的一端面相接触，定子(4)的另一端面铺设有环形压电陶瓷层(13)，外壳(6)和底座(14)分别由塑料制成。
6.根据权利要求5所述一种轻量化超声电机，其特征在于：所述预紧机构包括轴承顶环(7)和弹簧(8)；所述外壳(6)延伸有腔室(6-1)，转轴(1)的一端部、轴承顶环(7)和弹簧(8)设置于所述腔室(6-1)内，轴承顶环(7)套装在转轴(1)的一端并顶靠二号轴承(9)，轴承顶环(7)与腔室(6-1)底面之间设置有弹簧(8)。
7.根据权利要求5所述一种轻量化超声电机，其特征在于：所述预紧机构包括轴承顶环(7)、弹簧(8)和弹簧顶环(10)；位于外壳(6)外侧的转轴(1)上套装有轴承顶环(7)和弹簧顶环(10)，轴承顶环(7)和弹簧顶环(10)之间设置有弹簧(8)，转轴(1)的端部旋拧有顶压弹簧顶环(10)的螺母(11)。
8.根据权利要求5、6或7所述一种轻量化超声电机，其特征在于：所述外壳(6)和底座(14)为ABS塑料或PC/ABS塑料。
9.根据权利要求5、6或7所述一种轻量化超声电机，其特征在于：所述外壳(6)由三维打印技术加工而成的外壳，所述底座(14)由三维打印技术加工而成的底座。
10.根据权利要求7所述一种轻量化超声电机，其特征在于：它还包括弹簧挡圈(2)，位于底座(14)外侧的转轴(1)上加工有环形槽，一号轴承(3)安装在底座(14)的外端面上，弹簧挡圈(2)安装在环形槽内且与一号轴承(3)内圈贴紧。
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