CN111555657A - 带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，行波旋转型超声电机包括定子、转子、摩擦片和压电陶瓷，所述转子位于定子的上方，所述压电陶瓷粘接在定子下表面，所述摩擦片粘接在转子下表面；定子和转子在预压力的作用下保持接触，对压电陶瓷施加激励信号；所述摩擦片为圆环状结构，摩擦片朝向定子的一侧设有沟槽结构。本发明提供的摩擦片应用于行波旋转型超声电机，可以减小接触界面周向滑移和径向滑移造成的能量损耗，提高超声电机的输出转矩和工作效率。
Description
技术领域
本发明属于超声电机技术领域，具体涉及一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片。
背景技术
行波旋转型超声电机具有输出转矩质量比大、低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动、不受磁场干扰、断电自锁等优点，广泛应用于医疗设备、航天仪器、机器人、汽车等领域。
现有的行波旋转型超声电机结构模型中，压电陶瓷粘接在定子表面，通过对压电陶瓷施加一定频率的激励信号，使定子表面产生行波型振动，为了改善定子和转子的接触特性，通常在转子表面粘接相对较软的摩擦片，定子齿与摩擦片接触，并且定子齿表面质点通过摩擦驱动摩擦片转动，进而输出转矩。
摩擦片粘贴在转子表面，作为转子的一部分与定子接触传动。超声电机定转子接触区域是实现能量转换的重要部分，因此摩擦片是组成超声电机的关键零件。超声电机定转子接触面能量损耗方式主要为径向滑移损耗和周向摩擦损耗。在预压力的作用下，超声电机工作时定子和摩擦片接触区域分为驱动转子转动区域和阻碍转子转动区域，其中阻碍转子转动区域定子齿表面质点和摩擦片存在周向滑动，并造成了能量的消耗。当负载较小时，接触区域的大部分为阻碍转子转动部分，造成的能量损失占比更大；当负载较大时，接触区域大部分为驱动转子转动部分，此时能量损失占比较小。
径向滑移造成的能量损失为纯消耗，当负载较小时，超声电机径向摩擦损耗可以达到整个接触界面能量损失的60％，随着载荷的增加，径向滑动造成的摩擦损耗占比逐渐降低，减小接触面径向滑移是提高超声电机效率的关键。
现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：
目前市场上超声电机摩擦片的结构为环状且厚度均匀，一面粘接在转子表面，另一面与定子齿接触，由于摩擦片厚度相同，使电机工作时更容易产生周向滑移进而造成一定的能量损耗；进一步，定子齿表面质点的运动轨迹是空间三维曲线，在接触区域与摩擦片的径向滑移造成接触界面能量的纯消耗。由于大部分时间超声电机并不是工作在负载较大的工况下，接触界面周向滑移和径向滑移造成的能量损耗较大，影响了超声电机的输出转矩和工作效率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和缺陷，本发明提供了一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，应用于行波旋转型超声电机，可以减小接触界面周向滑移和径向滑移造成的能量损耗，提高超声电机的输出转矩和工作效率。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，行波旋转型超声电机包括定子、转子、摩擦片和压电陶瓷，所述转子位于定子的上方，所述压电陶瓷粘接在定子下表面，所述摩擦片粘接在转子下表面；定子和转子在预压力的作用下保持接触，对压电陶瓷施加激励信号；所述摩擦片为圆环状结构，摩擦片朝向定子的一侧设有沟槽结构。
优选地，所述沟槽的方向指向摩擦片的圆心。
优选地，所述沟槽为收口状，外环沟槽的尺寸大于内环沟槽的尺寸。
优选地，所述沟槽沿圆周方向均匀分布，相邻沟槽之间的间距相等。
优选地，所述沟槽用于减小超声电机接触面摩擦片与定子齿的相对滑动，增大输出转矩。
优选地，所述沟槽与定子齿产生的行波振动相匹配。
优选地，定子齿表面质点周向上的振动大小与径向上的尺寸有关。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)增大了超声电机的输出转矩，使超声电机具有良好的负载特性。经有限元分析计算发现，在相同边界条件下，采用本发明所提供的带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片的超声电机的负载提升了大约四分之一。
(2)减小了接触区域阻碍转子转动区域的大小以及周向滑移和径向滑移造成的能量损失，使接触应力沿径向均匀分布，提高了超声电机的效率。
(3)结构简单，使用方便，提高了超声电机的机械性能。
附图说明
图1是本发明所提供的一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片的结构示意图。
图2是本发明实施例所提供的行波旋转型超声电机的定转子模型截面结构示意图。
图3是本发明实施例所提供的转子截面结构示意图。
图4是本发明实施例所提供的转子俯视图。
图5是本发明实施例所提供的定子截面结构示意图。
图6是本发明实施例所提供的定子俯视图。
图7是本发明实施例所提供的摩擦片截面结构示意图。
图8是本发明实施例所提供的摩擦片俯视图。
图9是本发明实施例所提供的行波旋转型超声电机的原理图。
图10是本发明实施例所提供的定子齿表面质点运动轨迹图。
图11是本发明实施例所提供的行波旋转型超声电机的有限元分析模型。
图12是本发明实施例所提供的行波旋转型超声电机的负载特性曲线。
图13是本发明实施例所提供的行波旋转型超声电机的接触应力分布图(现有摩擦片)。
图14是本发明实施例所提供的行波旋转型超声电机的接触应力分布图(本发明摩擦片)。
附图标记说明：1、定子；2、压电陶瓷；3、摩擦片；4、转子。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明公开了一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，其关键点在于摩擦片上的沟槽结构设置。其沟槽的方向指向摩擦片的圆心，与定子齿产生的行波振动相匹配，定子齿表面质点周向上的振动大小与径向上的尺寸有关，因此沟槽的设计为收口状，外环沟槽尺寸大，内环沟槽尺寸小，沟槽之间等间距。沟槽的设置用于减小超声电机接触面摩擦片与定子齿的相对滑动，增大输出转矩。
实施例
行波旋转型超声电机的定转子模型如图2所示，其中转子、定子、新型摩擦片的结构分别如图3-图8所示。
压电陶瓷2粘接在定子1下表面，摩擦片3粘接在转子4下表面，定子1和转子4在预压力的作用下保持接触，对压电陶瓷2施加一定的激励信号，由于压电陶瓷2的逆压电效应使定子1表面产生行波振动，定子齿表面质点的运动形式如图9和图10所示，其中质点沿径向(X方向)的运动分量较小，但是在接触区域质点沿径向摩擦造成的能量损失为纯消耗，定子齿质点的运动方向主要为沿周向(Y方向)和轴向(Z方向)。沿周向运动的分量通过摩擦驱动转子4转动，转子4转动方向与定子1行波振动方向相反，转子4固定在输出轴上，进而输出转矩。
采用有限元分析软件ANSYS建立行波旋转型超声电机接触分析三维模型，有限元分析模型如图11所示。选择八节点六面体单元Soid185对分析模型进行网格划分，采用扫掠网格划分方法，对接触区域网格进行密集处理。根据超声电机传动机理，定子和转子接触面的接触形式属于面-面接触，使用目标单元Targe170和接触单元Conta174，由于定子具有较大硬度，因此在建立接触面对时，设置定子齿表面为目标面，设置摩擦片下表面为接触面，指定接触面摩擦系数。为了使模型与实际工作相符合，在转子上表面施加预压力F，并在转子孔施加径向约束，对定子的螺钉孔施加全约束。根据中性面相关知识，将定子中性面以下部分略去，而只考虑中性面及其以上的部分，因此在定子中性面施加行波振动方程，超声电机负载施加在转子孔表面。超声电机分析模型参数如表1所示。
表1超声电机分析模型参数
在相同边界条件下，超声电机的负载特性曲线如图12所示。
接触区域可以分为阻碍转子转动区域和驱动转子转动区域，其中接触区域部分波峰处(即接触应力最大处)定子齿表面质点沿周向运动速度最大，当接触区域部分定子齿表面质点的周向速度小于转子的转动速度时，此质点所处位置为阻碍转子转动区域，此区域定子表面质点的滑动造成了一定的能量损失；当接触区域质点定子齿表面质点的周向速度大于转子转动速度时，定子表面质点摩擦驱动转子转动，此区域为驱动转子转动区域。在相同边界条件下，一个波长接触区域内的接触应力分布分别如图13(现有摩擦片)和图14(本发明摩擦片)所示，本发明所提供的新式摩擦片减小了阻碍转子转动区域的大小，并使接触应力沿径向均匀分布，达到提高超声电机效率的结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，行波旋转型超声电机包括定子、转子、摩擦片和压电陶瓷，其特征在于：所述转子位于定子的上方，所述压电陶瓷粘接在定子下表面，所述摩擦片粘接在转子下表面；定子和转子在预压力的作用下保持接触，对压电陶瓷施加激励信号；所述摩擦片为圆环状结构，摩擦片朝向定子的一侧设有沟槽结构。
2.根据权利要求1所述的一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，其特征在于：所述沟槽的方向指向摩擦片的圆心。
3.根据权利要求2所述的一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，其特征在于：所述沟槽为收口状，外环沟槽的尺寸大于内环沟槽的尺寸。
4.根据权利要求2所述的一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，其特征在于：所述沟槽沿圆周方向均匀分布，相邻沟槽之间的间距相等。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，其特征在于：所述沟槽用于减小超声电机接触面摩擦片与定子齿的相对滑动，增大输出转矩。
6.根据权利要求5所述的一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，其特征在于：所述沟槽与定子齿产生的行波振动相匹配。
7.根据权利要求6所述的一种带沟槽的行波旋转型超声电机摩擦片，其特征在于：定子齿表面质点周向上的振动大小与径向上的尺寸有关。
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