專利名稱：直流行波電動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及到直流電動機，具體地說，是涉及到一個高速、高效率的直流行波電動機。
在先有技術中，電磁電動機已為人們所熟知，但絕大多數類型的電動機效率相對來說是低的并且需要采取排除熱量的措施。熱量產生于電阻和滑環的滑動觸點、電刷、以及在電動機和發電機中定子和轉子結構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生電噪聲的高頻電阻的變化。通過滑動接觸即使傳導適量的電流也會使觸點受到重復性地熔化和破壞而引起導電材料的連續重新排列。因此，觸點表面由于連續使用變得比較粗糙。具有相對小的接觸表面面積的電刷一般要比滑環磨損得快些。電動機部件的電阻發熱、觸點熔化和短壽命的這些特征使常規的電動機在某些應用和環境中不盡令人滿意。
在一些環境中，例如在外層空間，電動機的這些局限性引起對另外一些型式的變換器、傳動裝置和電動機進行研究。例如，壓電裝置，具有重量和效率方面的優勢，作為太空方面的應用是很重要的理由。但是，已知的壓電電動機和傳動裝置要求高頻交流電源并且不適于高速運轉。這樣，為在苛刻環境中和遠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。
根據本發明的一個方面，提供了一種直流行波電動機，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，響應剪切變形材料中產生的電場，剪切一形變材料經受剪切變形;以及由剪切形變形成的行波，當波隨著滾動元件的電接觸行進時，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動。
本發明包括一個直流行波電動機。先有技術的交流諧振行波壓電電動機一般取決于諧振彈性元件的橢圓形運動，通過包括滑動摩擦在內的斷續的觸點將運動傳送給轉子。這種類型的接觸伴有噪聲、發熱，并且其磨損降低了效率。相反，本發明可以通過應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生原動力。在電動機轉軸旋轉的實施例中，旋轉是由觸點附近在圍繞轉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度形成的。當各滾珠逐個向下滾過隨滾珠行進的壓電剪切波表面時，開始發生旋轉。滾珠完成了整流子的功能，而無滑動磨擦，且它們無需傳統的滾珠軸承。電動機各部件之間的零間隙得到了允許精確高速轉軸定位的運行剛度。本發明的壓電電動機的效率可能比常規電磁電動機要高，更可取地是，因為磨擦較低，不會產生渦流，而且大多數內部流動的電流是局部的和無功的。電動機運轉所需要的既不是交變電流也不是可變的直流。電動機的速度通過改變直流電勢簡單地加以調節。
本發明的直流行波電動機可以靠電池運轉，這在某些軍事的和工業應用方面是有利的。因為電機不需要潤滑，它在太空和宇宙機器人應用方面是有益的。此外，電動機更可取的是會運行在被微導電液體，如鹽水，浸漬的時候，這是因為電場絕大多數駐留在壓電材料的內部。電動機的效率可超過98%，而它的寧靜的平滑的運行對超高速非常有利。方便地，電動機的容量可以小到驅動一只手表，大到驅動一艘遠洋輪的范圍。
為了較全面了解本發明及其進一步的優點，最佳實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明的直流壓電電動機轉軸的軸向延伸處一個點的端視圖;
圖1B系圖1A的電動機橫斷面視圖;以及圖2是圖1A的部分放大了的視圖。
圖1A和1B說明一個直流行波壓電電動機2的主要部件。雖然本發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施例，但是本發明的原理可以用對外施電場表現出有用的剪切形變響應的任何其它材料付諸實施。參照圖1A和1B，電動機2包括一個座于電動機外殼6內的作為旋轉定位的轉軸4。一個環狀內座圈10連到且環繞在轉軸4上。一個環狀外座圈12附在機殼6上并且同內座圈10同軸定位。外座圈12由一個環狀的極化的壓電材料制成。多個滾珠8配置在內座圈10和外座圈12之間並與它們有電和摩擦接觸。在最佳實施例中說明的滾珠8是園柱形元件。但在本發明的另一些實施例中它們可以是球形的。滾珠8與常規的滾珠軸承是相似的，但它們在內座圈10和外座圈12之間承載，在徑向壓力的作用下在接觸點上提供了一個垂直于座圈表面的力。引線16通過觸點14，轉軸4，以及內座圈10為滾珠8提供負極性直流電勢，而引線18與外殼6電氣接地或提供相對于轉軸4的正極性直流電勢。除外座圈12之外，電動機2的所有部件皆為電導體。在圖1A和1B中所示的電氣連接下，轉動軸4旋轉的方向如圖1A中在轉軸4上箭頭指示。改變電勢極性使轉軸4在箭頭反向旋轉。旋轉速度對應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2的一個滾珠8，內座圈10的一段以及外座圈12的一段，滾珠8的表面30在點28與內座圈10的外表面以及在點34與外座圈12的內表面之間作滾動磨擦接觸。座圈10和12分別在點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軸旋轉，由徑向力44在點28和34上引起的變形通過各接觸點在徑向路線附近都是對稱的。然而，假定轉軸4在方向為箭頭48示出外施力矩下旋轉的話，那么滾珠8按內擺線方式轉動如箭頭50所示，而在觸點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致有時認為是滾動磨擦的阻止滾動部分的反對轉軸旋轉。
參照圖2，壓電外座圈12以箭頭36所指的方向作環形極化。當內座圈10和滾珠8(兩者皆為導電體)相對外座圈12保持在負電勢時，用虛線箭頭38指出的電場是在外座圈12的壓電材料中產生的。電場是不均勻的且在觸點34的附近電場最強。與壓電極化36結合在一起的電場38使在接近接觸點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斜率的代數和。由壓電剪切引起的不對稱形變實質上大于由滾磨擦引起的形變。這樣，由接觸磨擦使滾珠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，從而逆旋了轉軸4的旋轉方向。
當電動機2空轉時，在轉軸4(忽略滾動磨擦)上的靜態或起動力矩約等于正切角42乘以力44乘以外座圈12的內表面半徑乘以滾珠8的數目的乘積。滾珠8可以認為使在外座圈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力矩，這是因為滾動磨擦在低速時是很小的。當電動機起動時，轉軸4的旋轉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2的速度的調節是通過改變外施電勢幅值來實現的。改變外施電勢的極性將使速度放慢并且使轉軸4的旋轉方向逆轉而不會損傷電動機2。使電動機工作為發電機運行在如上所述的相同旋轉方向上，則將產生負極性直流，這是因為由反對外施力矩的滾動磨擦引起的相切斜率是負值的緣故。
當電動機運行時，壓電剪切波隨每個滾珠8行進，因為每個滾珠8相當于在壓電材料中產生電場的移動電極。滾珠8執行著常規電動機的整流子電刷的職能，但它們運行在一個平滑的和連續的狀態之中并且承受著滾動磨擦而不是滑動磨擦。電動機2平滑地運行，因為所有的滾珠8都有助于力矩的產生，同時各種力和形變不會隨時間而改變強度，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點接觸平面表面的園柱形滾珠優于球形滾珠，因為它們使阻止旋轉的滾動磨擦減到最小。
本發明的另一些實施例可能的結構是用壓電內座圈和導電外座圈，兩個座圈都為壓電材料，或者用導電座圈和壓電滾珠。在兩個皆由壓電材料構成的座圈的實施例中，導電的滾珠承受著一個中間值電勢，而且內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，這就使滾珠的兩相切點對電動機提供力矩。一種直線的實施例可能由配置在兩平行平面之間的滾珠構成，其中至少一個平面或滾珠是由壓電材料組成的。盡管本發明已經對壓電材料，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生有用的剪切形變的材料都適合電動機的結構。
電動機2各運動部件之間的零間隙，大大剛化了外殼6中的轉動軸4。這種剛性引起的高諧振頻率推進了電動機2在要求高速精密定位的場合下的使用。此外，電動機2可以用整流的交變電流運行，但比用直流電欠平滑。用直流電運行避免了轉換為高頻交變電流有關的損耗，電源為電池或阻擋層光電池時是有利的。此外，電動機2的效率高于常規的電磁式電動機的，因為不產生渦流且電阻損耗可降到最小。電動機2也可將其起動停車力矩加到扭轉負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電動機相反。
雖然本發明已經對具體實施例進行了說明，但還可能由熟悉本技術的人們作出各項變更和改進。因此，試圖使本發明所包含的這些變更和改進屬于附加權利要求的范圍。
權利要求
1.直流行波電動機，包括一個連接到第一電勢的第一材料層；一個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，響應上述剪切一變形材料產生的電場，剪切變形材料經受剪切變形，以及由所述剪切形變形成的行波，當上述波隨著上述滾流元件的電接觸運動時，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動。
2.權利要求1的直流行波電動機，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滾動元件，上述滾動元件的每一個產生一個相應的電場、剪切形變，以及在所述剪切一形變材料中的行波。
3.權利要求2的直流行波電動機，其中所述第一材料層包括配置在電動機外殼內形成環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轉軸周圍的環狀內座圈的第二園柱形表面，所述內座圈配置在所述外座圈內并與之同軸;以及所述多個滾動元件包括在所述內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.權利要求3的直流行波電動機，其中，至少一個所述內座圈并且所述外座圈包括環狀極化的、剪切-形變的壓電材料。
5.權利要求4的直流行波電動機，其中，所述內座圈包括環狀地在第一方向內極化了的壓電材料，而所述外座圈則包括環狀地在與第一方向相反的第二方向內極化了的壓電材料。
6.權利要求4的直流行波電動機，其中，電動機作用象一個發電機時，根據所述電動機轉軸的旋轉產生所述電勢。
7.權利要求3的直流行波電動機，其中，所述多個園柱形滾珠是由形變的壓電材料構成的。
8.一個直流行波壓電電動機，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，響應于在上述壓電材料中產生的電場，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，當上述波隨著上述滾動元件的電接觸運動時，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動。
9.權利要求8的壓電電動機，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滾動元件，產生相應的電場，剪切形變，以及在所述壓電材料中的行波的所述多個滾動元件的每一個元件。
10.權利要求9的壓電電動機，其中所述第一材料層包括形成配置在電動機外殼內的環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轉軸周圍的環狀內座圈的第二園柱形表面，所述內座圈配置在所述外座圈之內并與之同軸;以及所述多個滾動元件包括在所述內座圈和所述外座圈之間承載徑向壓力的一組多個滾動元件。
11.權利要求10的壓電電動機，其中至少一個所述內座圈，并且所述外座圈包括環狀極化的、剪切-形變的壓電材料。
12.權利要求11的壓電電動機，其中，所述內座圈包括環狀地在第一方向內極化的壓電材料，而所述外座圈包括環狀地與第一方向相反的第二方向內極化的壓電材料。
13.權利要求11的壓電電動機，其中，電動機的作用如同一臺發電機時，根據所述電動機轉軸的旋轉產生所述電勢。
14.直流行波壓電電動機，包括伸進電動機外殼的一臺電動機的轉軸;形成配置在所述機殼內并連接到一個第一電勢的第一園柱形層;形成連接到所述轉軸周圍的環形內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，所述轉軸定位于所述機殼內，使所述內座圈與所述外座圈同軸;在所述內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滾動元件;至少一個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，響應于壓電材料中產生的電場而經受剪切變形;以及由所述壓電材料的剪切形變形成的一組多個行波，當上述波隨著上述滾動元件電接觸行進時，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殼運動。
15.權利要求14的壓電電動機，其中，所述多元滾動元件包括一組多個園柱形滾珠。
16.權利要求15的壓電電動機，其中，至少一個所述內座圈而所述外座圈包括環狀地極化了的、剪切-形變的壓電材料。
17.權利要求16的壓電電動機，其中，所述內座圈包括環狀地在第一方向內極化了的壓電材料而所述外座圈則包括環狀地在與第一方向相反的第二方向內極化了的壓電材料。
18.權利要求16的壓電電動機，其中，電動機的作用象一臺發電機，根據所述電動機轉軸的旋轉產生所述電勢。
全文摘要
直流行波電動機，包括一個連接到第一電勢的第一材料層；一個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，響應剪切一變形材料產生的電場，剪切變形材料經受剪切變形以及由此形成的行波，當上述波隨著滾動元件的電接觸運動時，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 優先權日1990年3月13日
發明者戈登·沃爾特·卡爾普 申請人:洛克威爾國際公司