CN109639177B - 一种基于3d打印树脂定子的贴片式直线超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印树脂定子的贴片式直线超声电机，包括：一个定子、一个动子、两片压电陶瓷片和两个固定凸台；定子是在长方体基础上切除一个角构成的五边棱柱，在斜侧面有连个对称分布的凸台，定子带动动子做旋转运动，两个压电陶瓷片与定子胶接。本发明中，定子结构简单，加工方式新颖，易实现微型化，电频率一致性较好，输出力矩大，可应用于医疗、精密控制、对焦系统。
Description
技术领域
本发明涉及直线超声电机技术领域，尤其是一种基于3D打印树脂定子的贴片式直线超声电机。
背景技术
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动带动转子运动，与电磁式电机相比，具有不易受电磁干扰、断电自锁、响应速度快、易于小型化等优点，另外还能适应强辐射、真空环境。在精密驱动、医疗器材、核辐射区无人检测、航空航天等领域有广泛的应用前景。其中，直线超声电机具有不需要多余机械结构传动的特点，在国内外备受关注。美国专利US8217553B2，提出了一种长方体超声电机，利用定子的两个正交弯振模态，驱动螺杆轴向直线运动。我国专利CN 201310229534.7提出了不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机，激励存在相位差的两个工作模态，驱动螺纹转动。我国专利CN 201210497227.2公开了一种螺纹式直线超声电机，在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，通过螺纹摩擦驱动转子运动。
上述螺纹副驱动的直线超声电机具有作动精度高、体积小等特点，但目前随着微机电系统的发展和医疗设备的小型化，对电机的尺寸和安装方式提出了更高的要求，以满足电子设备和医疗器材狭小的安装空间。由于螺纹机械加工技术的限制，使得定子尺寸受到一定限制，电机难以进一步小型化。同时，机械加工的微型螺纹质量差，定子的输出力矩小，动子运动效率低。
表面织构微细制备技术是利用激光、电火花等制造技术，在结构表面加工出微米级别的摩擦副表面，普通机械加工方法加工误差大，且不易控制摩擦副表面织构分布和形状。表面织构技术可以显著提高界面性能，加工微型的摩擦结构，在微机械结构中可用于替代螺纹的摩擦传递作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于3D打印树脂定子的贴片式直线超声电机，定子结构简单，加工方式新颖，易实现微型化，电频率一致性较好，输出力矩大，可应用于医疗、精密控制、对焦系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于3D打印树脂定子的贴片式直线超声电机，包括：一个定子、一个动子、两片压电陶瓷片和两个固定凸台；定子是在长方体基础上切除一个角构成的五边棱柱，在斜侧面有两个对称分布的凸台，定子带动动子做旋转运动，两个压电陶瓷片与定子胶接。
优选的，定子材料为非金属材料韧性光敏树脂，由3D打印方式加工而成。
优选的，定子中心为通孔，孔中间段内壁有球状突起的微织结构螺纹，定子工作时，微织结构螺纹突起产生椭圆运动，带动动子做旋转运动，动子在摩擦接触下降旋转运动转化为直线运动。
优选的，动子材料为韧性光敏树脂，外形为柱状光杆，由3D打印方式加工而成。
优选的，压电陶瓷片材料为PZT8压电陶瓷，外形为板状长方体，上下表面镀有电极。
本发明的有益效果为：(1)本发明采用3D打印技术，电机尺寸可以达到1毫米以内，有利于电机的微型化，可以在内窥镜等精密仪器、医疗设备中作为作动装置，3D打印精度高，可以构造复杂的定子内孔结构和螺纹样式；(2)本发明采用3D打印技术制造电机定子，定子材料为非金属，不易氧化和腐蚀，电机寿命长，动子材料可更换；(3)本发明采用材料为韧性光敏树脂，不易受磁场和电场干扰，利于在航天活动中精密驱动和在核电站核辐射区作动；(4)本发明采用螺纹状微织结构，增加了定子与动子之间的有效接触，该结构有利于提高电机直线运动的输出力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明电机第一个工作模态的振型示意图。
图3为本发明电机第二个工作模态的振型示意图。
图4为本发明电机电磁激励接线示意图。
图5为本发明电机工作原理示意图。
图6为本发明沿一对角线剖面示意图。
具体实施方式
如图1、图4和图6所示，一种基于3D打印树脂定子的贴片式直线超声电机，包括：一个定子、一个动子、两片压电陶瓷片和两个固定凸台；定子是在长方体基础上切除一个角构成的五边棱柱，在斜侧面有两个对称分布的凸台，定子带动动子做旋转运动，两个压电陶瓷片与定子胶接。
定子3为非金属材料韧性光敏树脂，由3D打印方式加工而成。定子外形是在长方体基础上切除一个角构成的五边棱柱，在斜侧面有两个对称分布的凸台5和6，电机安装时，凸台的端面51和52用强力胶与外部结构粘接，用于固定定子。定子中心为通孔，孔中间段内壁有球状突起的微织结构螺纹7，微织结构呈螺旋排列，电机定子工作时，微织结构螺纹突起产生椭圆运动，带动动子做22所示的旋转运动，动子在摩擦接触下将旋转运动转化为直线运动21。动子4材料为韧性光敏树脂，外形为柱状光杆，利用3D打印技术制造，工作时在与定子的摩擦中进行前后运动。压电片1和2材料为PZT8压电陶瓷，外形为板状长方体，上下表面镀有电极。压电片与定子的连接方式为胶接，负极与定子的平面通过胶水粘住。
压电片1正极41接入正弦信号E＝W0sin(ωt)，同时给压电片2正极42接入信号E＝W0cos(ωt)，定子信号输入端43接地。激发的第一个模态如图2，工作第二个模态如图3，图中箭头方向为定子振动方向，两个模态相互正交。图5为定子驱动质点产生椭圆的一个工作周期示意图。当给信号输入端41信号为E＝W0cos(ωt)，给信号输入端42信号为E＝W0sin(ωt)，定子信号输入端43接地，可实现动子反向直线运动。
本发明利用非金属弹性体的两个正交弯振模态，在与动子的接触处产生椭圆运动，通过微织结构螺纹将旋转运动转换成转子的宏观直线运动。
本发明利用3D打印技术加工，尺寸可微型化，加工精度可以达到微米，可以加工复杂排列的仿生物微织结构。
本发明利用两相具有相位差的正弦信号分别给压电陶瓷片供电，激励出定子的两个振动模态，它们具有相应相位差，定子驱动动子做直线运动；通过改变接入压电陶瓷片信号的相位差，改变两个工作模态的响应相位差，可实现动子反向直线运动。
Claims (2)
1.一种基于3D打印树脂定子的贴片式直线超声电机，其特征在于，包括：一个定子、一个动子、两片压电陶瓷片和两个固定凸台；定子是在长方体基础上切除一个角构成的五边棱柱，在斜侧面有两个对称分布的凸台，定子带动动子做旋转运动，两个压电陶瓷片与定子胶接；定子材料为非金属材料韧性光敏树脂，由3D打印方式加工而成；定子中心为通孔，孔中间段内壁有球状突起的微织结构螺纹，定子工作时，微织结构螺纹突起产生椭圆运动，带动动子做旋转运动，动子在摩擦接触下降旋转运动转化为直线运动；动子材料为韧性光敏树脂，外形为柱状光杆，由3D打印方式加工而成。
2.如权利要求1所述的基于3D打印树脂定子的贴片式直线超声电机，其特征在于，压电陶瓷片材料为PZT8压电陶瓷，外形为板状长方体，上下表面镀有电极。
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