一种MEMS超声电机转子低损耗支承装置

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)超声电机领域，具体涉及一种MEMS超声电机转子低损耗支承装置。

背景技术

MEMS超声电机是利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转换为弹性体的超声振动，然后通过定、转子间的摩擦作用实现电机转子(滑块)转动(直线运动)。

MEMS超声电机具有尺寸小的特点，故一些器件难以加工，比如滚动轴承，所以一般会用摩擦系数较小的滑动轴承，轴与滑动轴承会直接接触，或者用摩擦系数较小的光轴，这里会有几个问题：(1)直接接触工作会产生不少热量，会增加能量损耗，降低能量转化效率；(2)直接接触工作对转子与其支承结构都会产生一定程度磨损，减少电机使用寿命。

现有技术(Zhou,A Piezoelectric Microultrasonic Motor With High Q andGood Mode Match.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 2021,26(4),1773-1781.)设计了一种电机结构，定子固定在衬底上，约束轴也固定在衬底上，对转子径向起支撑作用，转子与定子同心，它们直接接触，转子通过重力用作转子和定子之间的预紧力。

该技术存在以下缺点：

(1)轴与转子内孔直接接触，工作过程中会增加能量损耗，降低能量转化效率。

(2)轴与转子内孔直接接触，易发生磨损，减少电机使用寿命。

现有技术(T.Kanda,A micro ultrasonic motor using a micro-machinedcylindrical bulk PZT transducer,Sensors and Actuators A:Physical 2006,127,131-138.)介绍了一种采用微机械体压电换能器的微型超声电机，微型超声波电机由转子、定子换能器、外壳部件、弹簧和轴承组成。直径为0.8mm的转子使用直径为0.8mm的弹簧压在定子传感器的末端。预紧力由弹簧提供，输出轴与转子连接在一起，输出轴径向由轴承进行支撑，轴承由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

该技术存在以下缺点：

(1)轴承与输出轴会直接接触，工作过程中会增加能量损耗，降低能量转化效率。

(2)轴承与输出轴会直接接触，易发生磨损，减少电机使用寿命。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种MEMS超声电机转子低损耗支承装置，以达到以下目的：

(1)克服转子(或输出轴)与支承结构直接接触带来的能量损耗。

(2)克服转子(或输出轴)与支承结构直接接触带来的磨损，提高MEMS超声电机的使用寿命。

一种MEMS超声电机转子低损耗支承装置，包括：底座，第一永磁体，输出轴，定子，转子，第二永磁铁，上盖。

底座中心有槽，槽口盖有上盖；第一永磁体和第二永磁铁分别粘接在底座与上盖上；输出轴上下端分别穿过第一永磁体和第二永磁铁；转子通过过盈配合装配固定在输出轴上，并且位于底座的槽内的定子上；第一永磁体、第二永磁铁、转子均为圆环形状的永磁铁磁体，三者同心放置，磁极方向和磁化强度相同；第一永磁体与转子的距离小于第二永磁铁与转子的距离。

本发明具体的技术效果：

(1)输出轴与支承结构不接触，极大减少摩擦，增大能量转化效率，并且增强了转子的运动稳定性；

(2)结构简单，易加工；

(3)输出轴与支承结构不接触，可减少磨损，提高MEMS超声电机的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为实施例的径向磁吸力仿真；

图3为实施例的转子轴向预紧力仿真。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，一种MEMS超声电机转子低损耗支承装置，包括：底座1，第一永磁体2，输出轴3，定子4，转子5，第二永磁铁6，上盖7。

底座1中心有槽，槽口盖有上盖7；第一永磁体2和第二永磁铁6分别粘接在底座1与上盖7上；输出轴3上下端分别穿过第一永磁体2和第二永磁铁6；转子5通过过盈配合装配固定在输出轴3上，并且位于底座1的槽内的定子4上；第一永磁体2、第二永磁铁6、转子5均为圆环形状的永磁铁磁体，三者同心放置，磁极方向和磁化强度相同；第一永磁体2与转子2的距离小于第二永磁铁6与转子5的距离。

本发明工作原理：

底座1、输出轴3和上盖7的材料都为铝，定子采用单晶硅和压电薄膜组合材料，第一永磁体2和第二永磁铁6分别粘接在底座1与上盖7上，它们与同为永磁铁的转子5磁极方向和磁化强度相同，三个永磁铁尺寸一致，都为圆环状，同心放置。第一永磁体2与转子5的距离小于第二永磁铁6与转子5的距离，故由于静磁场的作用，转子5在轴向方向受到两个方向相反的磁吸力，且与第一永磁体2产生的磁吸力大于与第二永磁铁6产生的磁吸力，让转子5被压在定子4上，提供摩擦所需的预紧力，当输出轴3在径向任意方向发生偏移时，上下两块永磁铁会对转子5产生反向的径向磁吸力分力，又转子5通过过盈配合装配固定在输出轴3上，故可以达到对转子5支承的效果。

本实施例中，第一永磁体2、第二永磁铁6、转子5均为铷铁硼，尺寸：厚500μm，圆环外圈直径为4400μm，内圈直径为1400μm，磁化强度为750kA/m。第一永磁体2与转子5的距离为1100μm，第二永磁铁6与转子5的距离为1200μm；输出轴3材料为铝，其两端的直径为1000μm，总长5500μm，故输出轴3与第一永磁体2、第二永磁铁6两块永磁铁内圈的间隙为200μm。

通过有限元软件COMSOL仿真，发现当偏移距离为5μm时，径向磁吸分力约为0.8mN,转子5与输出轴3的总重力约为0.6mN，而偏移距离越大，磁吸力越大，因此在不加负载的情况下，输出轴3的偏移会小于5μm，完全不会与第一永磁体2、第二永磁铁6内圈接触。本次仿真了偏移量1-25μm的情况，详见图2与图3，根据图3可知，转子5轴向所受预紧力约为16mN，输出轴3偏移距离对轴向预紧力影响不大。