專利名稱：直流行波電動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到直流電動機(jī)，具體地說，是涉及到一個(gè)高速、高效率的直流行波電動機(jī)。
在先有技術(shù)中，電磁電動機(jī)已為人們所熟知，但絕大多數(shù)類型的電動機(jī)效率相對來說是低的并且需要采取排除熱量的措施。熱量產(chǎn)生于電阻和滑環(huán)的滑動觸點(diǎn)、電刷、以及在電動機(jī)和發(fā)電機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之間傳輸功率的整流子。此外，滑動接觸限制了接觸電阻的低限額，而且接觸的凹凸不平引起產(chǎn)生電噪聲的高頻電阻的變化。通過滑動接觸即使傳導(dǎo)適量的電流也會使觸點(diǎn)受到重復(fù)性地熔化和破壞而引起導(dǎo)電材料的連續(xù)重新排列。因此，觸點(diǎn)表面由于連續(xù)使用變得比較粗糙。具有相對小的接觸表面面積的電刷一般要比滑環(huán)磨損得快些。電動機(jī)部件的電阻發(fā)熱、觸點(diǎn)熔化和短壽命的這些特征使常規(guī)的電動機(jī)在某些應(yīng)用和環(huán)境中不盡令人滿意。
在一些環(huán)境中，例如在外層空間，電動機(jī)的這些局限性引起對另外一些型式的變換器、傳動裝置和電動機(jī)進(jìn)行研究。例如，壓電裝置，具有重量和效率方面的優(yōu)勢，作為太空方面的應(yīng)用是很重要的理由。但是，已知的壓電電動機(jī)和傳動裝置要求高頻交流電源并且不適于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣，為在苛刻環(huán)境中和遠(yuǎn)距離條件下完成工作，就需要一種高速的、高效率的直流電動機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種直流行波電動機(jī)，其中包括連接到第一電勢的第一材料層;連接到與第一電勢極性相反的第二電勢的第二材料層;配置在第一和第二材料層之間并與它們保持電氣和摩擦接觸的滾動元件;至少一個(gè)第一材料層;第二材料層和由剪切一形變材料制成的滾動元件，由于電氣接觸，響應(yīng)剪切變形材料中產(chǎn)生的電場，剪切一形變材料經(jīng)受剪切變形;以及由剪切形變形成的行波，當(dāng)波隨著滾動元件的電接觸行進(jìn)時(shí)，引起滾動元件滾動，滾動元件與各層之間的摩擦造成第一層相對于第二層運(yùn)動。
本發(fā)明包括一個(gè)直流行波電動機(jī)。先有技術(shù)的交流諧振行波壓電電動機(jī)一般取決于諧振彈性元件的橢圓形運(yùn)動，通過包括滑動摩擦在內(nèi)的斷續(xù)的觸點(diǎn)將運(yùn)動傳送給轉(zhuǎn)子。這種類型的接觸伴有噪聲、發(fā)熱，并且其磨損降低了效率。相反，本發(fā)明可以通過應(yīng)用由在滾動元件和壓電層之間的電接觸形成的壓電剪切形變產(chǎn)生原動力。在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)是由觸點(diǎn)附近在圍繞轉(zhuǎn)軸的滾珠和承受剪切形變的壓電材料外座圈之間的不均勻電場強(qiáng)度形成的。當(dāng)各滾珠逐個(gè)向下滾過隨滾珠行進(jìn)的壓電剪切波表面時(shí)，開始發(fā)生旋轉(zhuǎn)。滾珠完成了整流子的功能，而無滑動磨擦，且它們無需傳統(tǒng)的滾珠軸承。電動機(jī)各部件之間的零間隙得到了允許精確高速轉(zhuǎn)軸定位的運(yùn)行剛度。本發(fā)明的壓電電動機(jī)的效率可能比常規(guī)電磁電動機(jī)要高，更可取地是，因?yàn)槟ゲ凛^低，不會產(chǎn)生渦流，而且大多數(shù)內(nèi)部流動的電流是局部的和無功的。電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的既不是交變電流也不是可變的直流。電動機(jī)的速度通過改變直流電勢簡單地加以調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的直流行波電動機(jī)可以靠電池運(yùn)轉(zhuǎn)，這在某些軍事的和工業(yè)應(yīng)用方面是有利的。因?yàn)殡姍C(jī)不需要潤滑，它在太空和宇宙機(jī)器人應(yīng)用方面是有益的。此外，電動機(jī)更可取的是會運(yùn)行在被微導(dǎo)電液體，如鹽水，浸漬的時(shí)候，這是因?yàn)殡妶鼋^大多數(shù)駐留在壓電材料的內(nèi)部。電動機(jī)的效率可超過98%，而它的寧靜的平滑的運(yùn)行對超高速非常有利。方便地，電動機(jī)的容量可以小到驅(qū)動一只手表，大到驅(qū)動一艘遠(yuǎn)洋輪的范圍。
為了較全面了解本發(fā)明及其進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，最佳實(shí)施例的以下說明作為對附圖的參考，其中

圖1A系取自具體概括本發(fā)明的直流壓電電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸向延伸處一個(gè)點(diǎn)的端視圖;
圖1B系圖1A的電動機(jī)橫斷面視圖;以及圖2是圖1A的部分放大了的視圖。
圖1A和1B說明一個(gè)直流行波壓電電動機(jī)2的主要部件。雖然本發(fā)明所敘述的是由壓電材料，諸如多晶鐵電陶瓷和定向極化聚合物制成的實(shí)施例，但是本發(fā)明的原理可以用對外施電場表現(xiàn)出有用的剪切形變響應(yīng)的任何其它材料付諸實(shí)施。參照圖1A和1B，電動機(jī)2包括一個(gè)座于電動機(jī)外殼6內(nèi)的作為旋轉(zhuǎn)定位的轉(zhuǎn)軸4。一個(gè)環(huán)狀內(nèi)座圈10連到且環(huán)繞在轉(zhuǎn)軸4上。一個(gè)環(huán)狀外座圈12附在機(jī)殼6上并且同內(nèi)座圈10同軸定位。外座圈12由一個(gè)環(huán)狀的極化的壓電材料制成。多個(gè)滾珠8配置在內(nèi)座圈10和外座圈12之間並與它們有電和摩擦接觸。在最佳實(shí)施例中說明的滾珠8是園柱形元件。但在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中它們可以是球形的。滾珠8與常規(guī)的滾珠軸承是相似的，但它們在內(nèi)座圈10和外座圈12之間承載，在徑向壓力的作用下在接觸點(diǎn)上提供了一個(gè)垂直于座圈表面的力。引線16通過觸點(diǎn)14，轉(zhuǎn)軸4，以及內(nèi)座圈10為滾珠8提供負(fù)極性直流電勢，而引線18與外殼6電氣接地或提供相對于轉(zhuǎn)軸4的正極性直流電勢。除外座圈12之外，電動機(jī)2的所有部件皆為電導(dǎo)體。在圖1A和1B中所示的電氣連接下，轉(zhuǎn)動軸4旋轉(zhuǎn)的方向如圖1A中在轉(zhuǎn)軸4上箭頭指示。改變電勢極性使轉(zhuǎn)軸4在箭頭反向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度對應(yīng)于外施直流電勢的幅值。
圖2是圖1A的部分放大示出的電動機(jī)2的一個(gè)滾珠8，內(nèi)座圈10的一段以及外座圈12的一段，滾珠8的表面30在點(diǎn)28與內(nèi)座圈10的外表面以及在點(diǎn)34與外座圈12的內(nèi)表面之間作滾動磨擦接觸。座圈10和12分別在點(diǎn)28和34上的形變是由上述徑向壓力加載引起的并以徑向力的箭頭44指示，為了清楚起見，座圈10和12的形變是作了夸張的。外座圈12用具有有限單元元件的圖解示出僅僅是為了說明形變的目的。
由于沒有外加電勢或轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，由徑向力44在點(diǎn)28和34上引起的變形通過各接觸點(diǎn)在徑向路線附近都是對稱的。然而，假定轉(zhuǎn)軸4在方向?yàn)榧^48示出外施力矩下旋轉(zhuǎn)的話，那么滾珠8按內(nèi)擺線方式轉(zhuǎn)動如箭頭50所示，而在觸點(diǎn)28和34上的形變成為不對稱的了，如象滾珠軸承所熟知的那樣。這種不對稱的形變使其導(dǎo)致有時(shí)認(rèn)為是滾動磨擦的阻止?jié)L動部分的反對轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
參照圖2，壓電外座圈12以箭頭36所指的方向作環(huán)形極化。當(dāng)內(nèi)座圈10和滾珠8(兩者皆為導(dǎo)電體)相對外座圈12保持在負(fù)電勢時(shí)，用虛線箭頭38指出的電場是在外座圈12的壓電材料中產(chǎn)生的。電場是不均勻的且在觸點(diǎn)34的附近電場最強(qiáng)。與壓電極化36結(jié)合在一起的電場38使在接近接觸點(diǎn)34的外座圈12的部分由剪切引起形變。剪切量與局部電場強(qiáng)度的幅值成比例。剪切的不對稱用正切線40和以平均正斜率示出的正切角42表示。角42為凈正值等于鄰近接觸點(diǎn)34壓電材料的最大局部剪切角加上上述因滾動摩擦引起的負(fù)斜率的代數(shù)和。由壓電剪切引起的不對稱形變實(shí)質(zhì)上大于由滾磨擦引起的形變。這樣，由接觸磨擦使?jié)L珠8受力以箭頭50的方向滾動，并且以箭頭48的方向推動轉(zhuǎn)軸4。變換外加電勢的極性就逆變了電場38的方向，從而逆旋了轉(zhuǎn)軸4的旋轉(zhuǎn)方向。
當(dāng)電動機(jī)2空轉(zhuǎn)時(shí)，在轉(zhuǎn)軸4(忽略滾動磨擦)上的靜態(tài)或起動力矩約等于正切角42乘以力44乘以外座圈12的內(nèi)表面半徑乘以滾珠8的數(shù)目的乘積。滾珠8可以認(rèn)為使在外座圈12的壓電材料中的行波表面向下滾動。起動力矩略大于旋轉(zhuǎn)力矩，這是因?yàn)闈L動磨擦在低速時(shí)是很小的。當(dāng)電動機(jī)起動時(shí)，轉(zhuǎn)軸4的旋轉(zhuǎn)速度一直增加到力矩等于由一些因素如滾動磨擦和滯后引起的反力矩為止。電動機(jī)2的速度的調(diào)節(jié)是通過改變外施電勢幅值來實(shí)現(xiàn)的。改變外施電勢的極性將使速度放慢并且使轉(zhuǎn)軸4的旋轉(zhuǎn)方向逆轉(zhuǎn)而不會損傷電動機(jī)2。使電動機(jī)工作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行在如上所述的相同旋轉(zhuǎn)方向上，則將產(chǎn)生負(fù)極性直流，這是因?yàn)橛煞磳ν馐┝氐臐L動磨擦引起的相切斜率是負(fù)值的緣故。
當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，壓電剪切波隨每個(gè)滾珠8行進(jìn)，因?yàn)槊總€(gè)滾珠8相當(dāng)于在壓電材料中產(chǎn)生電場的移動電極。滾珠8執(zhí)行著常規(guī)電動機(jī)的整流子電刷的職能，但它們運(yùn)行在一個(gè)平滑的和連續(xù)的狀態(tài)之中并且承受著滾動磨擦而不是滑動磨擦。電動機(jī)2平滑地運(yùn)行，因?yàn)樗械臐L珠8都有助于力矩的產(chǎn)生，同時(shí)各種力和形變不會隨時(shí)間而改變強(qiáng)度，它們只改變位置。
增加滾珠8的半徑，則會降低滾動磨擦和接觸應(yīng)力，而增加垂直力44則會增加磨擦力，球形滾珠增加的比園柱形的要多。沿一條線而不是沿一個(gè)點(diǎn)接觸平面表面的園柱形滾珠優(yōu)于球形滾珠，因?yàn)樗鼈兪棺柚剐D(zhuǎn)的滾動磨擦減到最小。
本發(fā)明的另一些實(shí)施例可能的結(jié)構(gòu)是用壓電內(nèi)座圈和導(dǎo)電外座圈，兩個(gè)座圈都為壓電材料，或者用導(dǎo)電座圈和壓電滾珠。在兩個(gè)皆由壓電材料構(gòu)成的座圈的實(shí)施例中，導(dǎo)電的滾珠承受著一個(gè)中間值電勢，而且內(nèi)座圈的壓電材料被極化，在某種意義上說，與外座圈材料的極化相反，這就使?jié)L珠的兩相切點(diǎn)對電動機(jī)提供力矩。一種直線的實(shí)施例可能由配置在兩平行平面之間的滾珠構(gòu)成，其中至少一個(gè)平面或滾珠是由壓電材料組成的。盡管本發(fā)明已經(jīng)對壓電材料，諸如多晶鐵電陶瓷和定向極化聚合物作了說明，但是，任何由外施電場而產(chǎn)生有用的剪切形變的材料都適合電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。
電動機(jī)2各運(yùn)動部件之間的零間隙，大大剛化了外殼6中的轉(zhuǎn)動軸4。這種剛性引起的高諧振頻率推進(jìn)了電動機(jī)2在要求高速精密定位的場合下的使用。此外，電動機(jī)2可以用整流的交變電流運(yùn)行，但比用直流電欠平滑。用直流電運(yùn)行避免了轉(zhuǎn)換為高頻交變電流有關(guān)的損耗，電源為電池或阻擋層光電池時(shí)是有利的。此外，電動機(jī)2的效率高于常規(guī)的電磁式電動機(jī)的，因?yàn)椴划a(chǎn)生渦流且電阻損耗可降到最小。電動機(jī)2也可將其起動停車力矩加到扭轉(zhuǎn)負(fù)載上而不另外消耗電能。這與要求恒流熱量-生成電流以維持力矩的常規(guī)電動機(jī)相反。
雖然本發(fā)明已經(jīng)對具體實(shí)施例進(jìn)行了說明，但還可能由熟悉本技術(shù)的人們作出各項(xiàng)變更和改進(jìn)。因此，試圖使本發(fā)明所包含的這些變更和改進(jìn)屬于附加權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.直流行波電動機(jī)，包括一個(gè)連接到第一電勢的第一材料層；一個(gè)連接到與所述第一電勢反極性的第二電勢的第二材料層；一個(gè)配置在用所述第一層和第二層之間並與它們有電和摩擦接觸的滾動元件；至少一個(gè)所述第一層，所述第二層，以及所述滾動元件包括剪切一變形材料，由于上述電接觸，響應(yīng)上述剪切一變形材料產(chǎn)生的電場，剪切變形材料經(jīng)受剪切變形，以及由所述剪切形變形成的行波，當(dāng)上述波隨著上述滾流元件的電接觸運(yùn)動時(shí)，上述波引起滾動元件滾動。在所述滾動元件和上述二層之間的摩擦接觸使上述第一層相對第二層運(yùn)動。
2.權(quán)利要求1的直流行波電動機(jī)，還包括配置在用所述第一和第二層之間並與它們有電和摩擦接觸的多個(gè)滾動元件，上述滾動元件的每一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電場、剪切形變，以及在所述剪切一形變材料中的行波。
3.權(quán)利要求2的直流行波電動機(jī)，其中所述第一材料層包括配置在電動機(jī)外殼內(nèi)形成環(huán)狀外座圈的第一園柱形表面;所述第二材料層包括形成連接在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸周圍的環(huán)狀內(nèi)座圈的第二園柱形表面，所述內(nèi)座圈配置在所述外座圈內(nèi)并與之同軸;以及所述多個(gè)滾動元件包括在所述內(nèi)座圈和所述外座圈之間承載徑向壓力的多元園柱形滾珠。
4.權(quán)利要求3的直流行波電動機(jī)，其中，至少一個(gè)所述內(nèi)座圈并且所述外座圈包括環(huán)狀極化的、剪切-形變的壓電材料。
5.權(quán)利要求4的直流行波電動機(jī)，其中，所述內(nèi)座圈包括環(huán)狀地在第一方向內(nèi)極化了的壓電材料，而所述外座圈則包括環(huán)狀地在與第一方向相反的第二方向內(nèi)極化了的壓電材料。
6.權(quán)利要求4的直流行波電動機(jī)，其中，電動機(jī)作用象一個(gè)發(fā)電機(jī)時(shí)，根據(jù)所述電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生所述電勢。
7.權(quán)利要求3的直流行波電動機(jī)，其中，所述多個(gè)園柱形滾珠是由形變的壓電材料構(gòu)成的。
8.一個(gè)直流行波壓電電動機(jī)，包括連接到第一電勢的第一材料層;連接到與所述第一電勢極性相反的第二電勢的第二材料層;配置在用所述第一和第二層之間並與它們有電和摩擦接觸的滾動元件;至少一個(gè)所述第一層，所述第二層以及所述滾動元件包括由于電接觸，響應(yīng)于在上述壓電材料中產(chǎn)生的電場，壓電材料受到剪切變形;以及由所述壓電材料的剪切形變形成的行波，當(dāng)上述波隨著上述滾動元件的電接觸運(yùn)動時(shí)，上述波引起上述滾動元件滾動，在上述滾動元件和上述二層之間的摩擦使第一層相對第二層運(yùn)動。
9.權(quán)利要求8的壓電電動機(jī)，還包括一組配置在用所述第一和第二層之間並與它們有電和摩擦接觸的多個(gè)滾動元件，產(chǎn)生相應(yīng)的電場，剪切形變，以及在所述壓電材料中的行波的所述多個(gè)滾動元件的每一個(gè)元件。
10.權(quán)利要求9的壓電電動機(jī)，其中所述第一材料層包括形成配置在電動機(jī)外殼內(nèi)的環(huán)狀外座圈的第一園柱形表面;所述第二材料層包括形成連接到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸周圍的環(huán)狀內(nèi)座圈的第二園柱形表面，所述內(nèi)座圈配置在所述外座圈之內(nèi)并與之同軸;以及所述多個(gè)滾動元件包括在所述內(nèi)座圈和所述外座圈之間承載徑向壓力的一組多個(gè)滾動元件。
11.權(quán)利要求10的壓電電動機(jī)，其中至少一個(gè)所述內(nèi)座圈，并且所述外座圈包括環(huán)狀極化的、剪切-形變的壓電材料。
12.權(quán)利要求11的壓電電動機(jī)，其中，所述內(nèi)座圈包括環(huán)狀地在第一方向內(nèi)極化的壓電材料，而所述外座圈包括環(huán)狀地與第一方向相反的第二方向內(nèi)極化的壓電材料。
13.權(quán)利要求11的壓電電動機(jī)，其中，電動機(jī)的作用如同一臺發(fā)電機(jī)時(shí)，根據(jù)所述電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生所述電勢。
14.直流行波壓電電動機(jī)，包括伸進(jìn)電動機(jī)外殼的一臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸;形成配置在所述機(jī)殼內(nèi)并連接到一個(gè)第一電勢的第一園柱形層;形成連接到所述轉(zhuǎn)軸周圍的環(huán)形內(nèi)座圈且連接到與所述第一電勢極性相反的第二電勢的第二園柱形層，所述轉(zhuǎn)軸定位于所述機(jī)殼內(nèi)，使所述內(nèi)座圈與所述外座圈同軸;在所述內(nèi)座圈和所述外座圈之間，並與它們保持電和摩擦接觸，承載徑向壓力的一組多個(gè)滾動元件;至少一個(gè)所述第一園柱形的層，所述第二園柱形層，以及所述多元滾動元件包括壓電材料，它由于上述電接觸，響應(yīng)于壓電材料中產(chǎn)生的電場而經(jīng)受剪切變形;以及由所述壓電材料的剪切形變形成的一組多個(gè)行波，當(dāng)上述波隨著上述滾動元件電接觸行進(jìn)時(shí)，上述波引起上述滾動元件滾動，在所述滾動元件和上述座圈之間的摩擦引起上述軸相對機(jī)殼運(yùn)動。
15.權(quán)利要求14的壓電電動機(jī)，其中，所述多元滾動元件包括一組多個(gè)園柱形滾珠。
16.權(quán)利要求15的壓電電動機(jī)，其中，至少一個(gè)所述內(nèi)座圈而所述外座圈包括環(huán)狀地極化了的、剪切-形變的壓電材料。
17.權(quán)利要求16的壓電電動機(jī)，其中，所述內(nèi)座圈包括環(huán)狀地在第一方向內(nèi)極化了的壓電材料而所述外座圈則包括環(huán)狀地在與第一方向相反的第二方向內(nèi)極化了的壓電材料。
18.權(quán)利要求16的壓電電動機(jī)，其中，電動機(jī)的作用象一臺發(fā)電機(jī)，根據(jù)所述電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生所述電勢。
全文摘要
直流行波電動機(jī)，包括一個(gè)連接到第一電勢的第一材料層；一個(gè)連接到與所述第一電勢反極性的第二電勢的第二材料層；一個(gè)配置在用所述第一層和第二層之間并與它們有電和摩擦接觸的滾動元件；至少一個(gè)所述第一層，第二層以及滾動元件包括剪切一變形材料，由于電接觸，響應(yīng)剪切一變形材料產(chǎn)生的電場，剪切變形材料經(jīng)受剪切變形以及由此形成的行波，當(dāng)上述波隨著滾動元件的電接觸運(yùn)動時(shí)，上述波引起滾動元件滾動。在滾動元件和二層之間的摩擦接觸使第一層相對第二層運(yùn)動。
文檔編號H02N2/00GK1054863SQ9110148
公開日1991年9月25日 申請日期1991年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月13日
發(fā)明者戈登·沃爾特·卡爾普 申請人:洛克威爾國際公司