专利名称：直流行波电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及到直流电动机，具体地说，是涉及到一个高速、高效率的直流行波电动机。
在先有技术中，电磁电动机已为人们所熟知，但绝大多数类型的电动机效率相对来说是低的并且需要采取排除热量的措施。热量产生于电阻和滑环的滑动触点、电刷、以及在电动机和发电机中定子和转子结构之间传输功率的整流子。此外，滑动接触限制了接触电阻的低限额，而且接触的凹凸不平引起产生电噪声的高频电阻的变化。通过滑动接触即使传导适量的电流也会使触点受到重复性地熔化和破坏而引起导电材料的连续重新排列。因此，触点表面由于连续使用变得比较粗糙。具有相对小的接触表面面积的电刷一般要比滑环磨损得快些。电动机部件的电阻发热、触点熔化和短寿命的这些特征使常规的电动机在某些应用和环境中不尽令人满意。
在一些环境中，例如在外层空间，电动机的这些局限性引起对另外一些型式的变换器、传动装置和电动机进行研究。例如，压电装置，具有重量和效率方面的优势，作为太空方面的应用是很重要的理由。但是，已知的压电电动机和传动装置要求高频交流电源并且不适于高速运转。这样，为在苛刻环境中和远距离条件下完成工作，就需要一种高速的、高效率的直流电动机。
根据本发明的一个方面，提供了一种直流行波电动机，其中包括连接到第一电势的第一材料层;连接到与第一电势极性相反的第二电势的第二材料层;配置在第一和第二材料层之间并与它们保持电气和摩擦接触的滚动元件;至少一个第一材料层;第二材料层和由剪切一形变材料制成的滚动元件，由于电气接触，响应剪切变形材料中产生的电场，剪切一形变材料经受剪切变形;以及由剪切形变形成的行波，当波随着滚动元件的电接触行进时，引起滚动元件滚动，滚动元件与各层之间的摩擦造成第一层相对于第二层运动。
本发明包括一个直流行波电动机。先有技术的交流谐振行波压电电动机一般取决于谐振弹性元件的椭圆形运动，通过包括滑动摩擦在内的断续的触点将运动传送给转子。这种类型的接触伴有噪声、发热，并且其磨损降低了效率。相反，本发明可以通过应用由在滚动元件和压电层之间的电接触形成的压电剪切形变产生原动力。在电动机转轴旋转的实施例中，旋转是由触点附近在围绕转轴的滚珠和承受剪切形变的压电材料外座圈之间的不均匀电场强度形成的。当各滚珠逐个向下滚过随滚珠行进的压电剪切波表面时，开始发生旋转。滚珠完成了整流子的功能，而无滑动磨擦，且它们无需传统的滚珠轴承。电动机各部件之间的零间隙得到了允许精确高速转轴定位的运行刚度。本发明的压电电动机的效率可能比常规电磁电动机要高，更可取地是，因为磨擦较低，不会产生涡流，而且大多数内部流动的电流是局部的和无功的。电动机运转所需要的既不是交变电流也不是可变的直流。电动机的速度通过改变直流电势简单地加以调节。
本发明的直流行波电动机可以靠电池运转，这在某些军事的和工业应用方面是有利的。因为电机不需要润滑，它在太空和宇宙机器人应用方面是有益的。此外，电动机更可取的是会运行在被微导电液体，如盐水，浸渍的时候，这是因为电场绝大多数驻留在压电材料的内部。电动机的效率可超过98%，而它的宁静的平滑的运行对超高速非常有利。方便地，电动机的容量可以小到驱动一只手表，大到驱动一艘远洋轮的范围。
为了较全面了解本发明及其进一步的优点，最佳实施例的以下说明作为对附图的参考，其中
图1A系取自具体概括本发明的直流压电电动机转轴的轴向延伸处一个点的端视图;
图1B系图1A的电动机横断面视图;以及图2是图1A的部分放大了的视图。
图1A和1B说明一个直流行波压电电动机2的主要部件。虽然本发明所叙述的是由压电材料，诸如多晶铁电陶瓷和定向极化聚合物制成的实施例，但是本发明的原理可以用对外施电场表现出有用的剪切形变响应的任何其它材料付诸实施。参照图1A和1B，电动机2包括一个座于电动机外壳6内的作为旋转定位的转轴4。一个环状内座圈10连到且环绕在转轴4上。一个环状外座圈12附在机壳6上并且同内座圈10同轴定位。外座圈12由一个环状的极化的压电材料制成。多个滚珠8配置在内座圈10和外座圈12之间並与它们有电和摩擦接触。在最佳实施例中说明的滚珠8是园柱形元件。但在本发明的另一些实施例中它们可以是球形的。滚珠8与常规的滚珠轴承是相似的，但它们在内座圈10和外座圈12之间承载，在径向压力的作用下在接触点上提供了一个垂直于座圈表面的力。引线16通过触点14，转轴4，以及内座圈10为滚珠8提供负极性直流电势，而引线18与外壳6电气接地或提供相对于转轴4的正极性直流电势。除外座圈12之外，电动机2的所有部件皆为电导体。在图1A和1B中所示的电气连接下，转动轴4旋转的方向如图1A中在转轴4上箭头指示。改变电势极性使转轴4在箭头反向旋转。旋转速度对应于外施直流电势的幅值。
图2是图1A的部分放大示出的电动机2的一个滚珠8，内座圈10的一段以及外座圈12的一段，滚珠8的表面30在点28与内座圈10的外表面以及在点34与外座圈12的内表面之间作滚动磨擦接触。座圈10和12分别在点28和34上的形变是由上述径向压力加载引起的并以径向力的箭头44指示，为了清楚起见，座圈10和12的形变是作了夸张的。外座圈12用具有有限单元元件的图解示出仅仅是为了说明形变的目的。
由于没有外加电势或转轴旋转，由径向力44在点28和34上引起的变形通过各接触点在径向路线附近都是对称的。然而，假定转轴4在方向为箭头48示出外施力矩下旋转的话，那么滚珠8按内摆线方式转动如箭头50所示，而在触点28和34上的形变成为不对称的了，如象滚珠轴承所熟知的那样。这种不对称的形变使其导致有时认为是滚动磨擦的阻止滚动部分的反对转轴旋转。
参照图2，压电外座圈12以箭头36所指的方向作环形极化。当内座圈10和滚珠8(两者皆为导电体)相对外座圈12保持在负电势时，用虚线箭头38指出的电场是在外座圈12的压电材料中产生的。电场是不均匀的且在触点34的附近电场最强。与压电极化36结合在一起的电场38使在接近接触点34的外座圈12的部分由剪切引起形变。剪切量与局部电场强度的幅值成比例。剪切的不对称用正切线40和以平均正斜率示出的正切角42表示。角42为净正值等于邻近接触点34压电材料的最大局部剪切角加上上述因滚动摩擦引起的负斜率的代数和。由压电剪切引起的不对称形变实质上大于由滚磨擦引起的形变。这样，由接触磨擦使滚珠8受力以箭头50的方向滚动，并且以箭头48的方向推动转轴4。变换外加电势的极性就逆变了电场38的方向，从而逆旋了转轴4的旋转方向。
当电动机2空转时，在转轴4(忽略滚动磨擦)上的静态或起动力矩约等于正切角42乘以力44乘以外座圈12的内表面半径乘以滚珠8的数目的乘积。滚珠8可以认为使在外座圈12的压电材料中的行波表面向下滚动。起动力矩略大于旋转力矩，这是因为滚动磨擦在低速时是很小的。当电动机起动时，转轴4的旋转速度一直增加到力矩等于由一些因素如滚动磨擦和滞后引起的反力矩为止。电动机2的速度的调节是通过改变外施电势幅值来实现的。改变外施电势的极性将使速度放慢并且使转轴4的旋转方向逆转而不会损伤电动机2。使电动机工作为发电机运行在如上所述的相同旋转方向上，则将产生负极性直流，这是因为由反对外施力矩的滚动磨擦引起的相切斜率是负值的缘故。
当电动机运行时，压电剪切波随每个滚珠8行进，因为每个滚珠8相当于在压电材料中产生电场的移动电极。滚珠8执行着常规电动机的整流子电刷的职能，但它们运行在一个平滑的和连续的状态之中并且承受着滚动磨擦而不是滑动磨擦。电动机2平滑地运行，因为所有的滚珠8都有助于力矩的产生，同时各种力和形变不会随时间而改变强度，它们只改变位置。
增加滚珠8的半径，则会降低滚动磨擦和接触应力，而增加垂直力44则会增加磨擦力，球形滚珠增加的比园柱形的要多。沿一条线而不是沿一个点接触平面表面的园柱形滚珠优于球形滚珠，因为它们使阻止旋转的滚动磨擦减到最小。
本发明的另一些实施例可能的结构是用压电内座圈和导电外座圈，两个座圈都为压电材料，或者用导电座圈和压电滚珠。在两个皆由压电材料构成的座圈的实施例中，导电的滚珠承受着一个中间值电势，而且内座圈的压电材料被极化，在某种意义上说，与外座圈材料的极化相反，这就使滚珠的两相切点对电动机提供力矩。一种直线的实施例可能由配置在两平行平面之间的滚珠构成，其中至少一个平面或滚珠是由压电材料组成的。尽管本发明已经对压电材料，诸如多晶铁电陶瓷和定向极化聚合物作了说明，但是，任何由外施电场而产生有用的剪切形变的材料都适合电动机的结构。
电动机2各运动部件之间的零间隙，大大刚化了外壳6中的转动轴4。这种刚性引起的高谐振频率推进了电动机2在要求高速精密定位的场合下的使用。此外，电动机2可以用整流的交变电流运行，但比用直流电欠平滑。用直流电运行避免了转换为高频交变电流有关的损耗，电源为电池或阻挡层光电池时是有利的。此外，电动机2的效率高于常规的电磁式电动机的，因为不产生涡流且电阻损耗可降到最小。电动机2也可将其起动停车力矩加到扭转负载上而不另外消耗电能。这与要求恒流热量-生成电流以维持力矩的常规电动机相反。
虽然本发明已经对具体实施例进行了说明，但还可能由熟悉本技术的人们作出各项变更和改进。因此，试图使本发明所包含的这些变更和改进属于附加权利要求的范围。
权利要求
1.直流行波电动机，包括一个连接到第一电势的第一材料层；一个连接到与所述第一电势反极性的第二电势的第二材料层；一个配置在用所述第一层和第二层之间並与它们有电和摩擦接触的滚动元件；至少一个所述第一层，所述第二层，以及所述滚动元件包括剪切一变形材料，由于上述电接触，响应上述剪切一变形材料产生的电场，剪切变形材料经受剪切变形，以及由所述剪切形变形成的行波，当上述波随着上述滚流元件的电接触运动时，上述波引起滚动元件滚动。在所述滚动元件和上述二层之间的摩擦接触使上述第一层相对第二层运动。
2.权利要求1的直流行波电动机，还包括配置在用所述第一和第二层之间並与它们有电和摩擦接触的多个滚动元件，上述滚动元件的每一个产生一个相应的电场、剪切形变，以及在所述剪切一形变材料中的行波。
3.权利要求2的直流行波电动机，其中所述第一材料层包括配置在电动机外壳内形成环状外座圈的第一园柱形表面;所述第二材料层包括形成连接在电动机转轴周围的环状内座圈的第二园柱形表面，所述内座圈配置在所述外座圈内并与之同轴;以及所述多个滚动元件包括在所述内座圈和所述外座圈之间承载径向压力的多元园柱形滚珠。
4.权利要求3的直流行波电动机，其中，至少一个所述内座圈并且所述外座圈包括环状极化的、剪切-形变的压电材料。
5.权利要求4的直流行波电动机，其中，所述内座圈包括环状地在第一方向内极化了的压电材料，而所述外座圈则包括环状地在与第一方向相反的第二方向内极化了的压电材料。
6.权利要求4的直流行波电动机，其中，电动机作用象一个发电机时，根据所述电动机转轴的旋转产生所述电势。
7.权利要求3的直流行波电动机，其中，所述多个园柱形滚珠是由形变的压电材料构成的。
8.一个直流行波压电电动机，包括连接到第一电势的第一材料层;连接到与所述第一电势极性相反的第二电势的第二材料层;配置在用所述第一和第二层之间並与它们有电和摩擦接触的滚动元件;至少一个所述第一层，所述第二层以及所述滚动元件包括由于电接触，响应于在上述压电材料中产生的电场，压电材料受到剪切变形;以及由所述压电材料的剪切形变形成的行波，当上述波随着上述滚动元件的电接触运动时，上述波引起上述滚动元件滚动，在上述滚动元件和上述二层之间的摩擦使第一层相对第二层运动。
9.权利要求8的压电电动机，还包括一组配置在用所述第一和第二层之间並与它们有电和摩擦接触的多个滚动元件，产生相应的电场，剪切形变，以及在所述压电材料中的行波的所述多个滚动元件的每一个元件。
10.权利要求9的压电电动机，其中所述第一材料层包括形成配置在电动机外壳内的环状外座圈的第一园柱形表面;所述第二材料层包括形成连接到电动机转轴周围的环状内座圈的第二园柱形表面，所述内座圈配置在所述外座圈之内并与之同轴;以及所述多个滚动元件包括在所述内座圈和所述外座圈之间承载径向压力的一组多个滚动元件。
11.权利要求10的压电电动机，其中至少一个所述内座圈，并且所述外座圈包括环状极化的、剪切-形变的压电材料。
12.权利要求11的压电电动机，其中，所述内座圈包括环状地在第一方向内极化的压电材料，而所述外座圈包括环状地与第一方向相反的第二方向内极化的压电材料。
13.权利要求11的压电电动机，其中，电动机的作用如同一台发电机时，根据所述电动机转轴的旋转产生所述电势。
14.直流行波压电电动机，包括伸进电动机外壳的一台电动机的转轴;形成配置在所述机壳内并连接到一个第一电势的第一园柱形层;形成连接到所述转轴周围的环形内座圈且连接到与所述第一电势极性相反的第二电势的第二园柱形层，所述转轴定位于所述机壳内，使所述内座圈与所述外座圈同轴;在所述内座圈和所述外座圈之间，並与它们保持电和摩擦接触，承载径向压力的一组多个滚动元件;至少一个所述第一园柱形的层，所述第二园柱形层，以及所述多元滚动元件包括压电材料，它由于上述电接触，响应于压电材料中产生的电场而经受剪切变形;以及由所述压电材料的剪切形变形成的一组多个行波，当上述波随着上述滚动元件电接触行进时，上述波引起上述滚动元件滚动，在所述滚动元件和上述座圈之间的摩擦引起上述轴相对机壳运动。
15.权利要求14的压电电动机，其中，所述多元滚动元件包括一组多个园柱形滚珠。
16.权利要求15的压电电动机，其中，至少一个所述内座圈而所述外座圈包括环状地极化了的、剪切-形变的压电材料。
17.权利要求16的压电电动机，其中，所述内座圈包括环状地在第一方向内极化了的压电材料而所述外座圈则包括环状地在与第一方向相反的第二方向内极化了的压电材料。
18.权利要求16的压电电动机，其中，电动机的作用象一台发电机，根据所述电动机转轴的旋转产生所述电势。
全文摘要
直流行波电动机，包括一个连接到第一电势的第一材料层；一个连接到与所述第一电势反极性的第二电势的第二材料层；一个配置在用所述第一层和第二层之间并与它们有电和摩擦接触的滚动元件；至少一个所述第一层，第二层以及滚动元件包括剪切一变形材料，由于电接触，响应剪切一变形材料产生的电场，剪切变形材料经受剪切变形以及由此形成的行波，当上述波随着滚动元件的电接触运动时，上述波引起滚动元件滚动。在滚动元件和二层之间的摩擦接触使第一层相对第二层运动。
文档编号H02N2/00GK1054863SQ9110148
公开日1991年9月25日 申请日期1991年3月12日 优先权日1990年3月13日
发明者戈登·沃尔特·卡尔普 申请人:洛克威尔国际公司