CN106992708B - 一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机 - Google Patents
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Abstract
一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，它涉及一种超声电机，以解决单面齿塑料定子超声电机输出功率小和驱动效率低的问题，它包括连接在一起的外壳和底座；它还包括双面齿定子组件、上转子和下转子；双面齿定子组件包括两个金属塑料复合型定子；每个金属塑料复合型定子包括连接为一体的定子金属基体和齿状塑料定子，金属塑料复合型定子中部加工有安装孔；两个金属基体对接在一起且二者之间黏贴有压电陶瓷片；所述腔室内布置有连接在一起能联动的上转子和下转子，所述容腔内布置有安装于底座上的双面齿定子组件，上转子和下转子的轮缘端面分别与相对应的齿状塑料定子的齿面相接触。本发明用作驱动器。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机，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。
公开号为CN201742324U，公开日为2011年02月09日，发明名称为“旋转型行波超声电机”没有采用双面齿定子，也没有采用金属塑料复合型定子。该实用新型申请仍然成本较高，重量较大，公开号为CN101702592A，公开日为2010年05月05日，发明名称为“双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机”采用双定子双转子结构，这种结构采用双压电陶瓷片，两个定子的振动和输出力难以保持一致，虽然输出力有一定提高，但驱动效率降低。
发明内容
本发明提供一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，为解决单面齿塑料定子超声电机输出功率小和驱动效率低的问题。
一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，它包括连接在一起的外壳和底座；它还包括双面齿定子组件、上转子和下转子；
所述双面齿定子组件包括两个金属塑料复合型定子；每个金属塑料复合型定子包括连接为一体的定子金属基体和齿状塑料定子，金属塑料复合型定子中部加工有安装孔；两个金属基体对接在一起且二者之间连接有压电陶瓷片；
外壳和底座之间形成一腔室，所述腔室内布置有连接在一起能联动的上转子和下转子，上转子和下转子之间形成一个容腔，所述容腔内布置有安装于底座上的双面齿定子组件，上转子和下转子的轮缘端面分别与相对应的齿状塑料定子的齿面相接触；
所述齿状塑料定子为纤维增强聚合物基复合材料，所述齿状塑料定子包括以重量百分比计的如下：
聚合物基体：30％-80％；
增强纤维：5％-30％；
摩擦导热改进剂：5％-30％；
所述的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；
所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳酸钾晶须、芳纶纤维中的一种或多种的混合；
所述的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。
本发明的有益效果是：本发明的齿状塑料定子由专用模具压制烧结成型，降低了材料成本和加工成本，可大批量生产，同时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。本发明采用双面齿金属塑料复合型定子和单个压电陶瓷片，双面齿定子的双面齿的振动一致，相对于单面齿金属塑料复合型超声电机，超声电机的输出功率增大和驱动效率提高，输出功率增加了40％以上，驱动效率提高了20％。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为双面齿定子组件主视图；
图3为图2的俯视图；
图4为金属塑料复合型定子的金属基体的主视图；
图5为图4的俯视图；
图6为底座的主视图；
图7为上转子的主视图；
图8为下转子的主视图；
图9为齿状塑料定子制备模具结构示意图。
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8说明，一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，它包括连接在一起的外壳2和底座7；它还包括双面齿定子组件、上转子4和下转子10；
所述双面齿定子组件包括两个金属塑料复合型定子；每个金属塑料复合型定子包括连接为一体的定子金属基体81和齿状塑料定子82，金属塑料复合型定子中部加工有安装孔；两个金属基体81对接在一起且二者之间连接有压电陶瓷片83；
外壳2和底座7之间形成一腔室，所述腔室内布置有连接在一起能联动的上转子4和下转子10，上转子4和下转子10之间形成一个容腔，所述容腔内布置有安装于底座7上的双面齿定子组件，上转子4和下转子10的轮缘端面分别与相对应的齿状塑料定子82的齿面相接触。所述定子金属基体81的横截面为圆环。
所述的双面齿定子组件8由两个定子金属基体81分别黏贴在一个压电陶瓷片83的两面，在定子金属基体81另一面分别黏贴有齿状塑料定子82，在定子金属基体81上加工有三个微槽84，用于给压电陶瓷片83连接导线13；所述的底座7上加工有导线孔，用于引出导线13，与双面齿定子组件相接触部分的底座7粘结有绝缘塑料套71，在绝缘塑料套71上加工有键槽，通过键槽内键72连接周向固定定子，通过塑料材质的压环6及压紧螺钉5对双面齿定子组件进行轴向固定；所述的上转子4通过上轴承3与外壳2转动连接；所述的下转子10上加工有轴承孔用于安装下轴承9；所述的上转子4和下转子10外缘加工有4-8个通孔，通过双头螺柱1连接在一起；通过拧紧连接底座7与外壳2的螺钉12给定转子施加预紧力，通过布置在下轴承9和底座7之间的垫片11的厚度调整预紧力的大小，装配简单，不改变上转子装配工艺情况下，通过调整下转子，增加了整个转子预应力调节的灵活性。
参见图2说明，所述齿状塑料定子82为一端敞口的空心圆柱，空心圆柱结构的侧壁上沿周向加工有多个等深度的凹槽，凹槽的底面与空心圆柱的内底面齐平，相邻两个凹槽之间的凸起为定子齿82-1，所述定子金属基体81的一侧面与所述齿状塑料定子82的外底面相连接。定子金属基体81加工工艺简单，能有效传递压电陶瓷片的振动。
参见图4说明，定子金属基体81的另一侧面上还加工有整圈环形凹槽81-2。如此设置，整圈环形凹槽所在的定子金属基体81的实体部形成定子振动臂，增加振动的传递效率。
参见图6说明，底座7包括制成一体的连接座7-1和安装套7-2；安装套7-2竖向布置在连接座7-1上，双面齿定子组件的安装孔安装在安装套7-2上。与双面齿定子组件接触部分的安装套7-2上粘结有绝缘塑料套71，在绝缘塑料套71上加工有键槽，通过键72连接周向固定双面齿定子组件，通过塑料材质的压环6对双面齿定子组件进行轴向固定。优选地，上转子4包括制成一体的上转子轴4-1和支撑座4-2；上转子轴4-1竖向布置在支撑座4-2上，上转子轴4-1转动安装在外壳2上。一体制成的上转子4有利于与外部动力源驱连接实现高效运转，结构紧凑。
优选地，齿状塑料定子82为纤维增强聚合物基复合材料。纤维增强聚合物基复合材料的塑料定子齿B有利于可提高塑料基体的强度和硬度，改善其力学性能。
齿状塑料定子包括以重量百分比计的如下：
聚合物基体：30％-80％；
增强纤维：5％-30％；
摩擦导热改进剂：5％-30％；
所述的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；
所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳酸钾晶须、芳纶纤维中的一种或多种的混合；
所述的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。如此设置，摩擦导热改进剂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。
参见图2-图9说明，所述齿状塑料定子的制备方法为：
步骤一、粉料的混合：称取以重量百分比计的如下，
聚合物基体：30％-80％；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：5％-30％；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％-30％；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；
将聚合物基体、增强纤维和摩擦导热改进剂置于高速搅拌机中混合5次，每次1-2分钟；得到混合粉料；
步骤二、在模具上涂覆脱模剂，然后将上述混合粉料加入模具，压制成型，压力为40-100Mpa，保压10-15分钟，在300-380℃加压烧结，随炉冷却，得到齿状塑料定子坯料；
所述模具包括底座31、外套筒32、端盖34、螺柱35、内套筒37、挡板38和芯柱39；所述底座31加工有中心孔，中心孔的上边缘设有与中心孔内表面齐平且同轴设置的用于压制齿状塑料定子的模齿，相邻模齿之间空间为模槽，外套筒32套装在底座31的模齿外壁面上并与底座31连接，底座31的中心孔内插装有芯柱39，外套筒32和芯柱39之间的环形间隙内插装有内套筒37，端盖34定位在内套筒7的上端面并与外套筒2连接，挡板38定位在内套筒37内壁面上，挡板38上固装有与端盖34螺纹连接的螺柱35，所述步骤一中得到的混合粉料40填充在环形间隙内并高于模齿；
步骤三、将齿状塑料定子坯料表面进行处理得到齿状塑料定子82，将齿状塑料定子82与预制好的定子金属基体81粘结，得到金属塑料复合型定子。
步骤二中挡板38与端盖34之间的螺柱35上还套装有弹簧36，以保证螺柱35的良好运行，外套筒32和端盖34通过螺栓33连接，底座31和外套筒32通过螺钉连接。
聚合物基体的粒度为400-1000目。增强纤维采用短切纤维。摩擦导热改进剂为微米级粉料。一定粒度的聚合物基体，短切纤维以及微米级粉料配制的混合粉料分散均匀，提高了塑料定子齿的强度。这种工况下制造的齿状塑料定子齿用于超声波电机，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。
优选地，齿状塑料定子包括以重量百分比计的如下：聚四氟乙烯48％，聚苯硫醚32％，铜粉10％，碳纤维10％。本实施例所制得金属塑料复合型定子，摩擦系数为0.19，施加120N预紧力，超声电机的转速为80r/min，堵转力矩为0.55Nm。提高电机的负载能力，降低磨损提高电机的使用寿命。
优选地，齿状塑料定子包括以重量百分比计的如下：聚四氟乙烯50％，聚苯硫醚20％，铜粉15％，玻璃纤维5％，纳米金刚石5％，碳纤维5％。本实施例所制得金属塑料复合定子齿，摩擦系数为0.21，施加150N预紧力，超声电机的转速为90r/min，堵转力矩为0.6Nm。
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 (7)
1.一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，它包括连接在一起的外壳(2)和底座(7)；其特征在于：它还包括双面齿定子组件(8)、上转子(4)和下转子(10)；
所述双面齿定子组件(8)包括两个金属塑料复合型定子；每个金属塑料复合型定子包括连接为一体的定子金属基体(81)和齿状塑料定子(82)，金属塑料复合型定子中部加工有安装孔；两个金属基体(81)对接在一起且二者之间连接有压电陶瓷片(83)；
外壳(2)和底座(7)之间形成一腔室，所述腔室内布置有连接在一起能联动的上转子(4)和下转子(10)，上转子(4)和下转子(10)之间形成一个容腔，所述容腔内布置有安装于底座(7)上的双面齿定子组件，上转子(4)和下转子(10)的轮缘端面分别与相对应的齿状塑料定子(82)的齿面相接触；
所述齿状塑料定子(82)为纤维增强聚合物基复合材料，所述齿状塑料定子(82)包括以重量百分比计的如下：
聚合物基体：30％-80％；
增强纤维：5％-30％；
摩擦导热改进剂：5％-30％；
所述的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；
所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳酸钾晶须、芳纶纤维中的一种或多种的混合；
所述的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。
2.根据权利要求1所述一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，其特征在于：所述齿状塑料定子(82)为一端敞口的空心圆柱，空心圆柱结构的侧壁上沿周向加工有多个等深度的凹槽，凹槽的底面与空心圆柱的内底面齐平，相邻两个凹槽之间的凸起为定子齿(82-1)，所述定子金属基体(81)的一侧面与所述齿状塑料定子(82)的外底面相连接。
3.根据权利要求2所述一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，其特征在于：所述定子金属基体(81)的另一侧面上还加工有整圈环形凹槽(81-2)。
4.根据权利要求3所述一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，其特征在于：所述底座(7)包括制成一体的连接座(7-1)和安装套(7-2)；安装套(7-2)竖向布置在连接座(7-1)上，双面齿定子组件的安装孔安装在安装套(7-2)上。
5.根据权利要求1、2或4所述一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，其特征在于：所述上转子(4)包括制成一体的上转子轴(4-1)和支撑座(4-2)；上转子轴(4-1)竖向布置在支撑座(4-2)上，上转子轴(4-1)转动安装在外壳(2)上。
6.根据权利要求5所述一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，其特征在于：所述聚合物基体的粒度为400-1000目。
7.根据权利要求6所述一种具有双面齿金属塑料复合型定子的超声电机，其特征在于：增强纤维采用短切纤维。
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