专利名称：压电谐波电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种将谐波齿轮传动技术与压电(或电致伸缩)技术相结合的电动机。
电磁电动机不适用于小型化和簿型化的设备，而且制造工艺复杂，效率低。超生波电机虽然结构简单，体积小，效率高，但由于采用磨擦传动，力矩小，传动的可靠性差，转速的可变范围小。
本发明提供一种效率高，结构简单，低造价，力矩大，体积小的电动机。具有同步能力高和变速范围大，运转无惯性的特点，可以灵活的改变运转方向。可以方便的将多个定子和转子叠起来使用得到更大的功率。
本发明由刚性部件(1)，柔性部件(2)，和压电(电致伸缩)部件(3)组成，其结构形式可以是园筒形的旋转电机，如图一所示，一个刚性轮(1)在内壁加工有供传动用的齿，在刚性轮内有一个薄壁柔轮(2)，其上加工有供传动用的齿。刚轮与柔轮上的齿数不等。柔轮的内部安装有压电器件(3)(为了说明方便，以下将压电或电致伸缩器件均简称压电器件)，当给压电器件加上驱动电源时，压电器件产生谐波变形，并带动柔轮按谐波传动原理使刚轮旋转。
也可以是平面结构的旋转电机，如图二所示，由刚性园盘(4)和柔性园片(5)组成。刚性园盘如图四所示，两面加工有供传动用的齿。柔性园片如图三所示，由起支撑作用(也可兼作中心电极)的柔性薄片(6)，压电器件(7)，压电器件上的电极(8)，和紧贴在压电器件表面，并与压电器件(7)的电极绝缘的柔性齿片(9)组成，其上加工有供传动用的齿。柔性园片与刚性园盘上的齿数不等。当压电器件上加有驱动电源时压电器件产生传动谐波(实际上是按园形传送的行波，这里按习惯称谐波)，并带动柔性园片按谐波传动原理传动，使刚性园盘和柔性园片产生相对转动。若选择柔性园片为定子则刚性园盘作为转子转动。也可将多个电机叠起来用，增大功率。
也可以是直线电机如图五所示，由刚性齿条(10)和柔性齿条(11)组成。柔性齿条如图六所示，由柔性齿片(12)，压电器件(13)和压电器件上的电极(14)组成。当压电器件被加上驱动电源时，则压电器件按谐波(行波)变形，并带动柔性齿条(11)按谐波传动原理驱动刚性齿条(10)按直线运动。如果压电器件(13)的两面均有柔性齿片(12)，则可将多个刚性和柔性齿条叠起来用，增大功率。
其驱动电源可以是电子电路提供的谐波(行波)，如图七所示，由一个闭合的移位寄存器线列在时钟的控制下将谐波信号一步一步的向前移位，因此谐波得以在闭合的移位寄存器线列中循环，使谐波传动持续不断。图七的输出为方波，压电器件按方波变形，由于柔性部件所起的平滑作用，最终的变形仍然是谐波。如图七所示，时钟信号(15)经分频(16)后形成方波，方波信号送入移位寄存器阵列(17)，寄存器阵列中的每个触发器的输出端控制一个开关(k)，开关的一端接电源，另一端接压电器件，在时钟的控制下开关的输出端形成了一个随时钟行走的方波。
开关可以是晶体管，场效应管，电子管，继电器或可控硅，视所需功率而定。
波的运动方向由控制信号(18)电位的高低决定。
其驱动电源也可以是多相电源如图八所示，由电子开关提供的多相电源本身即可提供谐波。电子开关提供的波形为方波，压电器件按方波变形，由于柔性部件所起的平滑作用。最终的变形仍然是谐波。电子线路也可提供正弦波，但电源的效率比方波低。
多相电源的产生电路同图七，只不过在应用时按多相电源对待。可以在一对谐波齿轮中多用几个周期(可看作移位寄存器阵列的重复)，增大驱动力。
其驱动电源也可以是三相电源提供谐波如图九所示，三相电源本身可看作简化的多相电源可提供质量较差的谐波。
作为波发生器的压电器件其形状可以是园柱形结构，如图十所示，电极(19)的排列可以是径向的，也梢允窃爸芘帕械模沟缙骷 0)有多种结构，可以是单晶体型的结构(A)，根据电极在晶体上的不同排列位置，可以采用不同的变形模式，以产生足够的动力和位移(径向)。也可以是双晶体型的结构(B)，由两个晶体和中心金属片(21)组成，中心金属片也起中心电极的作用，当两个晶体上对应的电极(19)分别加上电源时，一个伸长，一个收缩，产生相应的形变。也可以是多层结构的晶体(C)，其特点是可以在较低的电压下提供更大的动力和位移。可以将多层器件作成一个整体，也可分成几个部分(多元结构)。
其形状也可以是园片形结构如图十一所示，其形状可以是园形的片或块，可以采用单晶体形(B)，双晶片形(E)，也可以是多层结构(F)，只要提供的(轴向)位移和动力足够即可。图中(22)表示电极，(23)表示压电晶体。
波发生器也可以是条形结构如图十二所示，其形状可以是条形的片(G)，块(H)或多层结构(I)，图中(21)表示电极，(25)表示压电晶体。
压电谐波电机的驱动电源的效率非常重要，如果电源提供正弦波则电源的转换效率较低(发电机除外)，虽然开关电源效率高，但是所提供的矩形波距谐波相差太远，不令人满意。采用分裂(分段)电极可以解决这个问题，如图十三所示，将一个电极分为数个分电极，依次给各分电极加上不同迟延的电源，则各分电极电场所产生的合形变将近似为谐波形变，经柔性部件平滑后将形成非常满意的谐波(行波)。图中(26)表示电极，(27)表示分电极，(28)表示压电晶体。
本发明的优点和积极效果1.高效率。压电器件和谐波传动的效率均可达95%以上，因此一个设计合理的电机效率可达90%以上。
2.结构简单，造价低。只有三部分组成，且原材料价廉。
3.工艺简单。对平面结构的谐波电机可采用冲压工艺，效率高。
4.功率大。平面结构的电机可以一片片叠加，增加电机的功率。
5.力矩大。这是谐波传动的特点。
6.无电磁干扰。
7.运动无惯性。
8.转速严格与时钟对应，同步性能好。
9.变速范围大，对零到几十兆赫兹以上的频率，压电(或电至伸缩)器件都能响应(视材料而定)，变速范围可达百万。
10.转速的稳定性特别高，当时钟采用晶振等高稳定源时，频率稳定性可达10，电机的稳定性可达10，10(视传动齿的结构而定)。
11.可以和计算机等数字设备直接连接，可以由计算机直接控制电机的运转，特别适用于计算机外设和机器人中。
权利要求
1.一种压电谐波电机，其特征是由有齿的刚性部件和有齿的柔性部件，以及产生动力和位移的压电(或电致伸缩)器件(完成谐波传动中波发生器的功能)组成。压电(或电致伸缩)器件在电源的驱动下产生谐波(行波)运动，并带动柔性器件，按谐波传动原理实现转动或直线运动。
2.按权利要求(1)所述的压电谐波电机，其特征在于驱动电源可以是三相电源，或多相电源，或者是电子电路提供的谐波(行波)。
3.按权利要求(1)所述的压电谐波电机，其特征在于其电源是将直流电源(或整流后的交流电源)接到多个开关上，由电子线路控制开关的通断，在多个开关的输出端形成一个由时钟控制的行波，或者形成一个多相电源。行波的方向(或相位的次序)由一个控制信号电位的高低决定。
4.按权力要求(1)的压电谐波电机，其特征在于由内壁有齿的刚轮，外部有齿的柔轮，和位于柔轮内部的压电(或电致伸缩)器件组成。
5.按权利要求(1)的压电谐波电机，其特征在于刚性部件，柔性部件和压电(或电致伸缩)器件均为园片状，刚性部件和柔性部件相接触的面加工有齿。
6.按权力要求(1)的压电谐波电机，其特征在于刚性部件，柔性部件钧为条状，压电器件可以是条状薄片或者条状体，压电器件紧贴在柔性部件上。刚性部件和柔性部件的接触面上加工有齿。
7.按权利要求(1)所述的压电谐波电机，其特征在于压电(或电致伸缩)器件可以是单晶片，双晶片，或者多层结构。可以是单元(单块)，或多元(多块)结构。其材料可以是晶体，陶瓷，或高分子材料。其工作模式可以采用任何一种，只要提供的动力和位移足够即可。
8.按权利要求(7)所述的器件的电极，其特征在于其电极由分列(或分段)的多个分电极组成，各分电极接按一定时序延时的驱动电压，各分电极电场综合作用在晶体上最终形成一个近似正弦的谐波(形波)变形。
全文摘要
压电谐波电机是一种高效率低成本的新型电机，由刚性部件，柔性部件和压电(或电致伸缩)器件三部分组成。
文档编号A23K1/10GK1038572SQ8910318
公开日1990年1月10日 申请日期1989年5月15日 优先权日1989年5月15日
发明者郝义兵 申请人:郝义兵