CN106992709A - 一种超声电机金属塑料复合型定子及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声电机金属塑料复合型定子及制备方法，它涉及一种超声电机定子及制备方法，以解决现有单纯的金属定子的定子齿加工困难，成本较高以及不利于大批量生产的问题，它包括定子金属基体和塑料定子齿；塑料定子齿为纤维增强聚合物基复合材料，定子金属基体的一侧面粘结有压电陶瓷片，定子金属基体上靠近中心孔处加工有沿周向均匀布置的多个螺孔，定子金属基体的另一侧面与塑料定子齿的外底面相连接。制备方法步骤，步骤一、粉料的混合；步骤二、制备塑料定子齿，将混合粉料在模具上压制并烧结成型，得到塑料定子齿坯料；步骤三、塑料定子齿与预制好的定子金属基体粘结，得到金属塑料复合型定子。本发明用作超声电机定子。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机定子及制备方法，具体涉及一种超声电机金属塑料复合型定子及制备方法。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。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。目前关于超声电机金属塑料复合型定子鲜有报道。
发明内容
本发明提供一种超声电机金属塑料复合型定子及制备方法，为解决现有单纯的金属定子的定子齿加工困难，成本较高以及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：
一种超声电机金属塑料复合型定子，它包括定子金属基体和塑料定子齿；
所述塑料定子齿为纤维增强聚合物基复合材料，所述塑料定子齿为一端封闭的空心圆柱，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；
所述定子金属基体的横截面为圆环，所述定子金属基体的一侧面粘结有压电陶瓷片，所述定子金属基体上靠近中心孔处加工有沿周向均匀布置的多个螺纹孔，所述定子金属基体的另一侧面与所述塑料定子齿的外底面相连接。
一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法，它包括如下步骤：
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目-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，得到塑料定子齿坯料；
所述模具包括底座、外套筒、端盖、螺柱、内套筒、挡板和芯柱；所述底座加工有中心孔，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塑料定子齿的模齿，相邻模齿之间空间为模槽，外套筒套装在底座的模齿外壁面上并与底座连接，底座的中心孔内插装有芯柱，外套筒和芯柱之间的环形间隙内插装有内套筒，端盖定位在内套筒的上端面并与外套筒连接，挡板定位在内套筒内壁面上，挡板上固装有与端盖螺纹连接的螺柱，所述步骤一中混合粉料填充在环形间隙内并高于模齿；
步骤三、将塑料定子齿坯料表面进行处理得到塑料定子齿，将塑料定子齿与预制好的定子金属基体粘结，得到金属塑料复合型定子。
本发明的有益效果是：本发明的塑料定子齿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塑料定子齿，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。
附图说明
图1为本发明定子的整体结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为定子金属基体的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为塑料定子齿的结构示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为制备超声电机金属塑料复合型定子用的模具示意图。
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6说明，一种超声电机金属塑料复合型定子，它包括定子金属基体A和塑料定子齿B；
所述塑料定子齿B为纤维增强聚合物基复合材料，所述塑料定子齿B为一端封闭的空心圆柱，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B1；
所述定子金属基体A的横截面为圆环，所述定子金属基体A的一侧面粘结有压电陶瓷片，所述定子金属基体A上靠近中心孔处加工有沿周向均匀布置的多个螺纹孔A1，所述定子金属基体A的另一侧面与所述塑料定子齿B的外底面相连接。
螺纹孔A1用于连接复合型定子和电机壳体，定子金属基体A加工工艺简单，能有效传递压电陶瓷片的振动。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。
参见图3说明，定子金属基体A的一侧面上还加工有整圈环形凹槽A2。如此设置，整圈环形凹槽所在的定子金属基体A的实体部形成定子振动臂，增加振动的传递效率。
优选地，塑料定子齿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；增强纤维可提高塑料基体的强度和硬度，改善其力学性能。
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。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。
基于上述超声电机金属塑料复合型定子，制备该复合型定子的方法为：
一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法包括如下步骤，
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；得到塑料定子齿坯料；
所述模具包括底座1、外套筒2、端盖4、螺柱5、内套筒7、挡板8和芯柱9；所述底座1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塑料定子齿的模齿，相邻模齿之间空间为模槽，外套筒2套装在底座1的模齿外壁面上并与底座1连接，底座1的中心孔内插装有芯柱9，外套筒2和芯柱9之间的环形间隙内插装有内套筒7，端盖4定位在内套筒7的上端面并与外套筒2连接，挡板8定位在内套筒7内壁面上，挡板8上固装有与端盖4螺纹连接的螺柱5，所述步骤一中的混合粉料10填充在环形间隙内并高于模齿；
步骤三、将塑料定子齿坯料表面进行处理得到塑料定子齿B，将塑料定子齿B与预制好的定子金属基体A粘结，得到金属塑料复合型定子。
步骤二中挡板8与端盖4之间的螺柱5上还套装有弹簧6，以保证螺柱5的良好运行。外套筒2和端盖4通过螺栓3连接，底座1和外套筒2通过螺钉连接。
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。如此设置，短切纤维配制的混合粉料分散均匀，提高了塑料定子齿的强度。优选地，摩擦导热改进剂为微米级粉料。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。优选地，压制的压力为70MPa，烧结温度为340℃。这种工况下制造的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。
实施例1：称取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％。
具体步骤如下：
1)按比例称取各组分，在高速搅拌机中混合5次，每次1分钟；
2)在模具上涂覆脱模剂，然后将混合后的粉料加入模具，压制成型，压力为100Mpa，保压12分钟，在温度380℃加压烧结，随炉冷却；
3)进行简单修饰与定子金属基体粘结；
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70r/min，堵转力矩为0.6Nm。降低磨损提高电机的寿命。
实施例2：称取以重量百分比计的如下：聚四氟乙烯55％，聚苯硫醚30％，铜粉10％，碳纤维5％。
具体步骤如下：
1)按比例称取各组分，在高速搅拌机中混合5次，每次1分钟；
2)在模具上涂覆脱模剂，然后将混合后的粉料加入模具，压制成型，压力为100Mpa，保压15分钟，在温度370℃加压烧结，随炉冷却；
3)进行简单修饰与定子金属基体粘结；
本实施例所制得金属塑料复合型定子，摩擦系数为0.17，施加100N预紧力，超声电机的转速为60r/min，堵转力矩为0.5Nm。
实施例3：称取以重量百分比计的如下：聚四氟乙烯60％，聚苯硫醚20％，铜粉15％，玻璃纤维5％。
具体步骤如下：
1)按比例称取各组分，在高速搅拌机中混合5次，每次1分钟；
2)在模具上涂覆脱模剂，然后将混合后的粉料加入模具，压制成型，压力为90Mpa，保压15分钟，在最高温度360℃加压烧结，随炉冷却；
3)塑料定子齿坯料表面进行处理得到塑料定子齿，并与定子金属基体粘结。
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180N预紧力，超声电机的转速为80r/min，堵转力矩为0.7Nm。提高电机的负载能力，降低磨损提高电机的寿命。
实施例4：称取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％。
具体步骤如下：
1)按比例称取各组分，在高速搅拌机中混合5次，每次1分钟；
2)在模具上涂覆脱模剂，然后将混合后的粉料加入模具，压制成型，压力为70Mpa，保压10分钟，在温度380℃加压烧结，随炉冷却；
3)塑料定子齿坯料表面进行处理得到塑料定子齿，并与定子金属基体粘结；
本实施例所制得金属塑料复合定子齿，摩擦系数为0.19，施加150N预紧力，超声电机的转速为60r/min，堵转力矩为0.65Nm。
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 (9)
1.一种超声电机金属塑料复合型定子，其特征在于：它包括定子金属基体(A)和齿状塑料定子(B)；
所述齿状塑料定子(B)为纤维增强聚合物基复合材料，所述齿状塑料定子(B)为一端封闭的空心圆柱，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(B1)；
所述定子金属基体(A)的横截面为圆环，所述定子金属基体(A)的一侧面粘结有压电陶瓷片，所述定子金属基体(A)上靠近中心孔处加工有沿周向均匀布置的多个螺纹孔(A1)，所述定子金属基体(A)的另一侧面与所述齿状塑料定子(B)的外底面相连接。
2.根据权利要求1所述一种超声电机金属塑料复合型定子，其特征在于：所述定子金属基体(A)的一侧面上还加工有整圈环形凹槽(A2)。
3.根据权利要求1或2所述一种超声电机金属塑料复合型定子，其特征在于：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。
4.一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤，
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(1)、外套筒(2)、端盖(4)、螺柱(5)、内套筒(7)、挡板(8)和芯柱(9)；所述底座(1)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(2)套装在底座(1)的模齿外壁面上并与底座(1)连接，底座(1)的中心孔内插装有芯柱(9)，外套筒(2)和芯柱(9)之间的环形间隙内插装有内套筒(7)，端盖(4)定位在内套筒(7)的上端面并与外套筒(2)连接，挡板(8)定位在内套筒(7)内壁面上，挡板(8)上固装有与端盖(4)螺纹连接的螺柱(5)，所述步骤一中的混合粉料(10)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(B)，将齿状塑料定子(B)与预制好的定子金属基体(A)粘结，得到金属塑料复合型定子。
5.根据权利要求4所述一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法，其特征在于：聚合物基体的粒度为600目-800目。
6.根据权利要求4或5所述一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法，其特征在于：增强纤维采用短切纤维。
7.根据权利要求6所述一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法，其特征在于：摩擦导热改进剂为微米级粉料。
8.根据权利要求4、5或7所述一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法，其特征在于：压制的压力为70MPa。
9.根据权利要求8所述一种超声电机金属塑料复合型定子的制备方法，其特征在于：烧结温度为340℃。
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