CN1030025C - 电气牵引电动机 - Google Patents

Abstract

一种牵引电动机利用多对致动器被电激励而产生周期步进牵引使电动机轴有力的旋转或线性定位。因无滑动摩擦从而机械效率高和寿命长。各致动器受高效电激励系统而定位比较大面积的牵引元件。各压电致动器具有多层剪切变形的压电材料。不需常规的轴承和润滑剂，能满足于工作在强磁场和强离子辐射环境。该牵引电动机能从微观级到很大等级的范围，已证实定位精度为毫微米级。

Description

本发明涉及到电气设备，具体讲，涉及到利用多对周期、平滑步进的致动器产生线性或旋转运动的电气牵引电动机。

常规的电磁电动机一般需要排热措施，这是因为有电阻和在固定构件、转动构件之间传输功率的滑环、电刷及整流子上的滑动摩擦，而在电动机和发电机中产生热量。极适度的电流通过滑动触头的传导反复地接通和断开触头，会造成导体材料的连续重新排列。结果使触头表面随着连续使用而变得比较粗糙。具体相对小的接触表面的电刷通常比滑环磨损的快。由于电阻发热、触头焊接和电动机各部件寿命短的这些特性，使常规的电动机不满足于某些应用和环境的条件。因此，改进电动机的重量、效率和可靠性是有必要的，这些因素对电动机应用于恶劣环境，例如外层空间是重要的。

在恶劣环境中，对电动机的种种限制导致了各种传感器，致动器和电动机的改型研究。例如包括有两层压电层的二形压电致动器已经阐述在下面相关待审定的1989年8月16日提交的申请号NO.891056122的中国专利申请中，该申请在这里结合的做为对比文件。一种同质二形件是具有两层压电剪切材料的一个压电单元，它具有一个公共的中央电极和一些外接地电极。由于固定于基座上的底接地电极，施加到该公共电极上的电位造成顶接地电极相对于底电极的位移。这个压电位移矢量或行程由各压电层的极化强度和方向、各压电层的厚度和施加电位的大小和极性来决定。选择一合适的压电材料组合、极化矢量、各层厚度和电位即能获得所期望的行程矢量。因为这种二形件具有一些外接地电极，所以多个这种二形件可以叠堆起来而与相邻材料的电气状态无关。压电剪切激活允许双极电力激励，这样可使机械行程相对于厚度型或延伸型激活的有效行程增加一倍。况且，剪切变形是二维的，这就可使压电二形件固定到不变形的表面上而不产生内应力。

压电致动器可由多片叠堆的弧段构成以提供三维的机械输出。通过两个或多个致动器周期地改变牵引行程的组合，能产生步进运动，“平滑步进”致动器的运动要求非正弦的行程波形，以使致动器速度与被定位物体的表面速度相匹配。1990年8月15日提交的相关待审定的中国申请号NO.9010679.3中已公开了一种激励平滑步进致动器的电气系统，这里结合作为参考。在那样的系统中，一个致动器的每一弧段通过一个独立的电气回 路连接到一个电气控制器上。该电气控制器在每个回路上提供一个单独的谐振电信号，以激发传感器的每一弧段。每一弧段反作用给该回路上的谐振电激励。通常以改变余弦振幅来控制力，同时以改变正弦振幅来控制速度。因为各弧段是耦合在一起的，所以致动器的总输出包括该致动器各单独弧段输出反作用的向量总和（忽略耦合效应）。因此，每一致动器回路采取由傅里叶机械之和求出的频率、振幅、相位和极性唯一的组合来进行电气激励，以产生一个予定的、通常是非正弦波形的行程。

本发明的一个目的是提供一种电气牵引电动机，它包括：一个电动机外壳;设置在该外壳内的一对致动器;一个延伸在该外壳内并与各致动器相啮合的电动机轴;以及，该对致动器可被激励以提供周期的步进牵引，藉此将该轴运动和定位。

本发明包括一台电气牵引电动机，利用多对牵引致动器的同期，平滑，步进来使一物体运动。该牵引电动机利用各对致动器周期的步进牵引而方便地对一个电动机轴提供有力的旋转或线性定位，该电动机可在低的每分钟转数（RPM）或每秒时数（IPS）的线速度下为转动或线性运动装置分别提供高转矩或力。该线性运动装置可在要求低重量和无驱动液体的系统中代替液压致动器。各具体装置能被制造成满足于工作在强磁场或强离子辐射环境中。本发明牵引电动机的规范能从微观级到很大等级的范围，并且已证实其定位精度为毫微米级。

举例说明，但不受此限制，本发明的牵引电动机可利用压电致动器、电磁致动器、磁致伸缩的致动器或热膨胀装置。所有的最佳实施例应用双数致动器形成平滑步进对儿。各平滑步进致动器因消除了滑动摩擦而提供高机械效率和长的寿命。当致动器受一高效电激励系统激励时，该致动器可使相当大面积的牵引部件被定位。该最佳实施例包括多层具有剪切变形压电材料的压电致动器。在任一实施例中不需要常规的轴承。

为了更完整理解本发明和其进一步的优点，下面参照附图对这些较佳实施例说明，在各图中相同的标号指示相同或相似的部件。其中：

图1是本发明的一台旋转或牵引电动机的半透视图;

图2是图1电动机的横断面图;

图3是图1电动机的部分端视图;

图4是图2电动机的改形实施例的部分横断面图;

图5是图2电动机的第二改形实施例的部分横断面图;

图6是本发明一个实施例的部分横断面图，突出地扼要叙述了在运行期间它的致动器;和

图7是本发明一个实施例的部分端视图，包括有用于致动器压缩予负载的弹簧环。

图1是本发明旋转式牵引电动机2的部分透视图，电动机2包括一个圆筒外壳4，附在外壳4内表面上的多个致动器6，多个致动器6的每一个端部上固定有一个牵引元件8，通过各致动器6啮合的一个圆盘形转子10，以及一个固定到转子10上并伸出外壳4的电动机轴12。转子10可以是在轴12上的一个简单的凸缘。在一直线运动的实施例中;该凸缘可以取沿该轴伸长的一条肋或脊柱的形式。在旋转式电动机2的较佳实施例中，至少有三对致动器6与转子10相啮合。虽然本发明的各较佳实施例（包括牵引电动机2）利用了压电致动器，其原理同样可应用于其它的致动装置，例如，电磁致动器磁致伸缩致动器以及热膨胀装置。为了实用但不是限制，本发明基本上就较佳压电致动器来进行阐述。同样地，因为它们是本技术领域众所周知的，所以致动器的电气连接以及为排除污染的外壳密封都在图中略去，以便清晰，在图1的透视部分中，各附加的致动器6是以幻象线描绘出的。

图2是牵引电动机2的横断面图。取自沿转轴12和转子10的旋转轴线。图2表示一个附到外壳4上的致动器6，附到致动器6上的牵引元件8，以及被牵引元件8啮合的转子10。致动器6包括：一个轴向致动器压电部件14，以下称为切向器14，以及一对轴向致动的压电部件16，以下称为轴向器16。牵引元件8被轴向器16定位以紧握住和释放转子10。轴向器16被切向器14固定和定位，无需插入结构元件。切向器14被固定在外壳4的内表面上。转子1a包括各牵引面20，它可包括两个相对的圆锥面部分，与虚线中心线指示的轴心线其中心。轴向器16包括多层压电材料构成的圆柱弧段，该材料在剪切中已被极化。对轴向器16施加一合适的电位时牵引元件8即在18所示的各方向运动。轴向器16通常被齐步地激励，但具 有相对方向的行程，以紧握住转子10另外，各轴向器16可根据具体应用的要求以单独的电位分别地激励以至少三对近似相等角度间隔开的各致动器6，交替地用这些激励器的轴向器即能紧握牵引面20到位和转动转子10，而其余各致动器的轴向器可释放转子10，并执行步进运动的回程部分。

图3是径向牵引电动机2的部分端部视图，仅说明一个致动器6如图3所示，切向器14包括用剪切极化的压电材料成层叠垒的圆弧弧段，对切向器14各叠层适当的电位，即能把牵引元件8沿箭头22所示的方向定位。切向器14各弧层的功能即是把牵引元件8围绕电动机轴12的轴线转动一个小的弧度。

图1到3所示的旋转式电动机2借助于对各致动器6的所有切向器和轴向器同时施加予定的随时间变化的电位而进行工作，各致动器6的平滑步进运动是靠施加傅里叶电激励信号使致动器6各压电层产生剪切应变而实现的。平滑步进包括有致动器牵引、升、退回、再接触以及再牵引的各周期地动作步骤。牵引元件8接触牵引表面20而无滑动摩擦，并且向转轴12传送平滑的转矩。

图4是径向牵引电动机2的1/4断面图表示一个较佳实施例，其中外壳4比较宽大，而切向器14、轴向器16和牵引元件8是喇叭口渐缩形的以分配压电作用力到一个比较大的面积上。该切向器14在附到外壳4处比较大的表面宽度使由外部施加的轴力引起压电材料内的拉张应力减至最小。

在图4的实施例中，轴12的环形平的各牵引表面28是平行的这样一来使两个径向轴可以垂直于轴的轴线运动。牵引接触面的平面与轴向器16的动作线正交，以便在各轴向器被激励而对步进循环牵引部分的表面28施加握紧力时不致产生滑动。由于轴的定位和旋转是压电式地进行控制，所以不需一般的轴承。图4的实施例需要一些外部装置（未示出）以便维持径向对准。不然的话，过大的径向对准误差会在牵引接触点处产生磨损。每个致动器可以包括一个径向动作部件（未示出），以借助电气控制使轴定准中心。

图5表明企图获得比较大的轴力的径向牵引电动机2的一个实施例。它是由示于图2到4的各实施例中某些特点组合而成，可以在比较大的结构支撑面积上分配大的力，藉此降低应力。压电材料通常由具有比较低抗张强度的陶瓷制品所组成。可以附加一个张力分配元件24进一步保护这些压电材料免受过大的拉张应力。轴12的牵引面26被弄成楔形可把牵引接触的法向力导向与致动器的压电材料成一定角度。一个予定的角度就把拉伸负载改变成压缩负载，这就更易为脆性材料所承受。在电动机运行期间，接近一半的致动器握紧、校准旋转并定位该轴，这样执行常规轴承的功能而且具有零间隙和相对高的刚性，并且没有磨损。

在本发明实施例中应用了牵引接触的平面不正交于轴向器的动作线，当牵引接触被形成而违背了这种情况时，发生了某些磨擦。随着转子倾斜角度的增加和电动机整体结构刚性的降低，该接触起始摩擦也增大。实际上，倾斜角可作得大到足以保证径向运动的转子稳定性，然而小到足能使接触起始摩擦变成可以忽略。

图6表明旋转电动机2的一个实施例，其中由于轴被轴向器16握紧所以法向力向量集中并保持压在致动器本体内部上。因为致动器本体受压，故无必要设置如图4和5实施例中的张力分配器24。消除了张力分配器24使致动器重量变轻而且更加坚固，因此提供出较快的循环和较大的动力。

如图6所示，轴12可沿表面30分裂成12a和12b两部分以便于电动机的装配。切向器14包括有多个圆柱形弧段，强使轴在切线方向具有多个连续的短圆弧段行程，以使摩擦减到最小。轴12的圆锥形接触表面20显示出相对于轴线有一比较大的角度。这种构形有利于比较大的致动器本体压缩，而且引起小量的接触起始摩擦。将表面20的角度减小些可降低摩擦，而外壳4的宽度和切向器14的附着部分就不得不增加，以致防碍致动体本体的拉伸力。

图7是径向牵引电动机2的端部视图，说明一对致动器37和38。在图7所示实施例中，每两组交替相间的致动器的牵引元件被连接在一起并接到一个压力环上，且每组交替相间的致动器接在一个压力环上，例如，单数致动器37被接到一个公用压力环32，而双数致动器38就接到一个公用压力环34上。在环34上的一些孔36允许致动器38穿过环接到环32上。孔36周围的间隙大于致动器的行程再加上偏差，该偏差要考虑预先料到的外部施加的轴力所造成的最大值。每个环在最初装配 期间在压力下置放于电动机2中。每个环的变形就朝着外壳4径向向外地压迫所接致动器的压电材料。利用环的予置负载产生的予定量的致动器压力排除了发生在致动器本体材料上产生的拉张应力，这种应力是在其它不安全操作状态下遇到的。显为本技术领域所熟知的各种其它予负载技术也可被应用，但都不脱离本发明的范围。

熟知本技术领域者也显然知道，旋转电动机2的基本原理同样可适用于线性物体。例如，图4、5和6可被视为线性牵引装置的横断面，该装置具有多个沿轴12的长度方向（即垂直于该图的平面）伸张的肋或脊骨。一个线性牵引电动机的最大的行程仅受轴牵引面的长度限制。线性电动机要求平的致动器元件，对制造上有利，在平滑步进中免受摩擦。本发明的所有实施例都将法向力分布在优越的牵引面积上，导致最小的接触压力。降低的接触压力，给出特定的法向力，延长了牵引面的运行寿命。

本发明工作于惰性气体中以及真空中可没有污染，因为没使用润滑剂。压电陶瓷的线性热膨胀比电动机结构元件应用的一般材料较低要求比较低重量的电动机的应用中可利用最小体积的结构和致动器材料，这样就会限制可允许的机械行程和回程间距。本发明的这些例子因线性热膨胀与致动器本体配合极好的材料做成外壳和轴，以致在具体应用中指定的工作温度范围内不同的膨胀允许足够的回程间距和足够有力的行程。此外，各压电物体可不用铁磁材料构成，不用提供给大多数电磁电动机那样的强磁场。这些物体也是难于因磁敏检测器检测和探测位置的。

本发明已就压电场物体方面进行了描述，但须知，其它型式的致动器也可用于操作平滑步进的牵引电动机。例如，可用电磁力代替一个或多个致动器部件中的静电力。电磁致动器包括那些具有绝对大小的力（整流的）和具有线性大小的力（双极的）。

绝对大小的力包括一个载流元件对邻近的一个具有导磁率大于1的材料构成的物体的吸引力，以及两个靠近的载有同向电流导线的互吸力，以及两个靠近的载有相反方向电流导线的互斥力。这些类型的磁致动器，例如螺管线圈，产生的力可不考虑某一个电流的极性。力相对于电流的线性程度随设备的几何形状而改变。通常，力的相同矢量方向取决于两者中任何一个电流的方向。对这类各致动器应用傅里叶激励则需修正所取得的双极的和对称的机械行程。

线性大小的力致动器包括音圈和应用辅助的稳定磁场装置，例如磁场线圈和永久磁铁。这些装置在正电流方向时提供推力，而负电流时为拉力。傅里叶激励可以应用于这些装置，因为它们通常是线性的双极的和对称的。

在电磁的和本发明静电的实施例之间明显的区别在于产生恒定的力。所有已知的电磁物体，不包括机械闭锁装置，它们都需要一个恒定的电流以保持恒定的力。相反，静电物体储存电荷，以致不用再输入电力即保持住所应用的力。在静电与电磁物体之间的另一区别涉及到由于涡电流而降低了电效率。静电物体由于电流造成的磁场则相当的弱和不用铁磁部件，所以具有极小涡电流。相反，电磁场体由于相当大的能量耗散和因涡流而导致的内部发热是烦恼的。

所有的压电物体和这类线性力电磁物体是互换性的;也即，当机械功率传送的方向倒反时，电动机可变成发电机。然而这些实施例并不是可以完全倒换，因为当一台电动机当作一台发电机运行时，轴向器仍然需要激励。但是，当应用傅里叶激励时，发电机的电效率是颇高的。当利用低阻抗电流通路而将回路电流耗损降到极低量时，轴向器激励所用的功率变成可被忽略。

虽然本发明已结合指定的各实施例进行阐明，精通本技术领域者可提出各种不同的改变和修改。所以本发明企图将这种种改变和修改包括到属于后附的权利要求保护范围内。

Claims (8)

1、一种电气牵引电动机，包括：

一个电动机外壳；

至少一对致动器，设置在所述外壳内，每个致动器包括一个附到所述外壳上的切向动作的弧段和一对附在所述切向动作的弧段上互相对着的轴向动作的弧段；

一个可转动部件，可交替地与所述致动器相啮合，藉此移动和定位所述的可转动部件。

2、如权利要求1所述的电气牵引电动机，其特征是所述的切向动作的弧段和所述轴向动作的弧段由多层压电材料所组成。

3、如权利要求1所述的电气牵引电动机，其特征是：

所述的可转动部件包括一个其上附有一个凸缘的轴;以及所述的轴向作用弧段附有牵引元件与所述轴上的凸缘啮合。

4、如权利要求2所述的电气牵引电动机，其特征是所述的轴向作用弧段和切向作用弧段为剪切形变作用弧段。

5、如权利要求1所述的电气牵引电动机，其特征是所述的可转动部件包括一个凸缘，该凸缘被所述各致动器相啮合，而使所述转动部件运动和定位。

6、如权利要求5所述的电气牵引电动机，其特征所述的凸缘包括一个圆盘形转子，并且所述的可转动部件包括一个沿所述转子的旋转轴线延伸的轴，所述转子可被所述各致动器相啮合，用于转动所述转子和轴。

7、如权利要求1所述的电气牵引电动机，其特征是：

所述的可转动部件包括一个轴，以及

所述的各致动部件通过提供所有的轴导装置而实现轴承的功能。

8、如权利要求1所述的电气牵引电动机，其特征是所有所述至少一对致动器当与所述转动部件啮合时提供周期步进牵引。