專利名稱：具有超聲波非接觸軸承的電馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有非接觸軸承的電馬達(dá)領(lǐng)域，更特別是涉及具有非接觸軸承的馬達(dá)，該非接觸軸承能夠用于提供敏感部件的懸浮。
背景技術(shù)：
通過(guò)直流電或交流電來(lái)工作的無(wú)刷馬達(dá)為本領(lǐng)域公知。這樣的馬達(dá)通常包括無(wú)刷加速單元，它包括定子和轉(zhuǎn)子以及軸向系統(tǒng)。在普通的同步或異步無(wú)刷馬達(dá)中，定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組的電磁場(chǎng)相互作用，或者與轉(zhuǎn)子的永磁體磁場(chǎng)相互作用，這在馬達(dá)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生力矩。轉(zhuǎn)子安裝在軸上，該軸通過(guò)軸承來(lái)固定。通常有滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)元件軸承。盡管這樣的無(wú)刷馬達(dá)為公知，但是它們還是被認(rèn)為有多個(gè)缺點(diǎn)。例如，這樣的馬達(dá)已知具有由軸承的壽命限定的有限使用壽命。無(wú)刷電馬達(dá)還已知由于軸承的特征而產(chǎn)生較大水平的振動(dòng)和噪音。特別是，認(rèn)為較大的振動(dòng)水平大大限制了馬達(dá)的工作特征，例如它的速度。在以非接觸支承的原理工作的馬達(dá)中部分消除了與無(wú)刷電馬達(dá)相關(guān)聯(lián)的一些問(wèn)題。例如，已經(jīng)提出了多種靜電、磁性和超導(dǎo)無(wú)接觸懸浮/支承。例如見(jiàn)KasatkimA. S. "New types of gyroscopes，，Leningrad :Sudostroenie, 1971, ρ· 9 禾口 ρ· 31。這些裝置的工作原理在于在鞍形件和相應(yīng)耳軸之間產(chǎn)生靜電或磁性排斥力。包括各種靜電、磁性和超導(dǎo)無(wú)接觸懸浮/支承的馬達(dá)的缺點(diǎn)是在它們的實(shí)施中涉及較大的技術(shù)困難。這使得這種馬達(dá)具有相對(duì)較差的技術(shù)規(guī)格和性能。例如，這些馬達(dá)將有相對(duì)較低的承載能力，產(chǎn)生不利力矩，并由于相當(dāng)大的間隙等而涉及復(fù)雜的空間穩(wěn)定性。 與這些馬達(dá)相關(guān)聯(lián)的技術(shù)困難還導(dǎo)致裝置具有相對(duì)較高成本。因此，結(jié)合這些原理的馬達(dá)不能在商業(yè)上廣泛應(yīng)用。在本領(lǐng)域中還已知基于形成三軸無(wú)接觸超聲波支承件的各種裝置。這些裝置例如在Petrenko等的烏克蘭專利No. 4169和Petrenko等的USSR專利No. 1782316中進(jìn)行了討論，該烏克蘭專利No. 4169涉及用于氣體軸承精密儀器的設(shè)計(jì)，該USSR專利No. 1782316用于可靠精密儀器。不過(guò)，這些參考文獻(xiàn)通常局限于各種通用支承件，而不是馬達(dá)結(jié)構(gòu)。在本領(lǐng)域中還已知涉及在氣動(dòng)陀螺儀中使用的氣體支承件或軸承的非接觸支承系統(tǒng)。例如見(jiàn) Proceedings of the VII St-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems，St. Petersburg，2000，pp. 106-110。這些系統(tǒng)基于在鞍形件和耳軸的鄰接或配對(duì)面之間產(chǎn)生升高壓力的氣體微薄膜。在這種方法中的升高壓力區(qū)域是由于在燃?xì)鉁u輪(鞍形件)_耳軸組件的鄰接表面之間的間隙中形成的氣流的動(dòng)態(tài)特
4征而產(chǎn)生。氣體支承系統(tǒng)的缺點(diǎn)是與形成具有所需動(dòng)態(tài)參數(shù)的氣流相關(guān)的較大技術(shù)復(fù)雜性。 例如，形成所需氣流包括在鄰接表面之間的復(fù)雜間隙結(jié)構(gòu)、渦輪設(shè)計(jì)以及需要高度穩(wěn)定的渦輪旋轉(zhuǎn)。氣流方法的其它問(wèn)題包括不能使用靜態(tài)模式的方法(例如當(dāng)渦輪/耳軸靜止時(shí))；高能量需求(特別是當(dāng)系統(tǒng)從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí))；由于在鄰接表面之間的較大間隙(對(duì)于某些設(shè)計(jì)大到Imm)和氣流波動(dòng)而引起支承件的三軸穩(wěn)定不充分；這種支承件的較大氣動(dòng)阻力矩(例如高到10-3g.cm)；急動(dòng)動(dòng)作；以及這種支承件/軸承的高成本。而且， 還已知?dú)怏w支承馬達(dá)很難穩(wěn)定，這在很多情況下需要較大和仔細(xì)的轉(zhuǎn)子平衡，特別是當(dāng)在高轉(zhuǎn)速下工作時(shí)。具體地說(shuō)，在這樣的系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子需要良好平衡，以避免“拍打”效果，該 “拍打”效果的特征是在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)軸線沿各個(gè)方向的急動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這在質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸線并不重合時(shí)發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種低成本自定心馬達(dá)，它使用了新穎的物理原理，具有提高的技術(shù)規(guī)格，包括對(duì)于支承件的阻力矩、消耗功率、單位負(fù)載能力和三軸穩(wěn)定性的改進(jìn)。馬達(dá)利用在氣體中的壓電超聲波懸浮，用于產(chǎn)生精密儀器的無(wú)接觸軸承支承件，特別是電磁馬達(dá)。 這通過(guò)在軸承支承件的球形彎曲鞍形件和相應(yīng)球形彎曲耳軸的鄰接表面之間形成升高壓力的氣體微薄膜而實(shí)現(xiàn)。軸承支承件包括環(huán)形鞍形件，該環(huán)形鞍形件限定凹形球形表面的一部分。耳軸限定凸形球形表面的一部分，該凸形球形表面設(shè)置成在環(huán)形鞍形件中旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上，環(huán)形鞍形件相對(duì)于耳軸的至少一部分表面形成共軛面或配對(duì)面(conjugated surface)0壓電諧振器元件剛性附接在軸承支承件上，用于產(chǎn)生氣體微薄膜。當(dāng)沒(méi)有激勵(lì)器信號(hào)施加在壓電元件上時(shí)，耳軸沿由鞍形件和耳軸中每一個(gè)限定的球形區(qū)域的配對(duì)面而與鞍形件接觸。壓電元件附接在基座上，電馬達(dá)的定子安裝在該基座上。轉(zhuǎn)子軸固定在耳軸上，同時(shí)轉(zhuǎn)子和耳軸的合成質(zhì)心有利地位于鞍形件的曲率中心的下面。壓電元件設(shè)置成與激勵(lì)發(fā)生器電連接。諧振超聲波在鞍形件內(nèi)激勵(lì)。因此，輻射聲壓通過(guò)形成定向超聲波聲場(chǎng)而施加在耳軸的配對(duì)面上。定向超聲波聲場(chǎng)通過(guò)鞍形件的配對(duì)面通過(guò)在鞍形件和耳軸的鄰接表面之間的間隙中形成駐波聲波而形成。因此，由于由輻射聲場(chǎng)產(chǎn)生的相反力和與軸承支承件的承載能力相關(guān)的力，在鄰接表面之間產(chǎn)生工作間隙。根據(jù)一個(gè)方面，轉(zhuǎn)子是包括至少一個(gè)永磁體的無(wú)刷轉(zhuǎn)子。該至少一個(gè)永磁體能夠限定環(huán)形磁性環(huán)。更特別是，轉(zhuǎn)子能夠包括安裝在耳軸上的對(duì)稱磁性環(huán)，該磁性環(huán)相對(duì)于耳軸的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)稱地對(duì)齊。磁性環(huán)位于包含由耳軸的凸形球形表面限定的曲率中心并垂直于耳軸的旋轉(zhuǎn)軸線的平面內(nèi)。定子在特定狀態(tài)下與轉(zhuǎn)子軸向?qū)R，并設(shè)置成用于在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生角加速度。而且， 定子設(shè)置成用于當(dāng)定子通電時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子位于包含曲率中心并與由鞍形件限定的對(duì)稱軸線垂直的平面中。在一些實(shí)施例中，定子位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部。在其它實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)部。
壓電諧振器能夠形成為扁平環(huán)形壓電諧振器環(huán)，其具有與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊的極化矢量。壓電諧振器能夠沿由環(huán)形壓電諧振器環(huán)的面限定的整個(gè)平的表面與軸承支承件接觸。根據(jù)本發(fā)明的一些方面，軸承支承件的圓柱形輪廓表面與壓電諧振器的圓柱形輪廓共軛面或配對(duì)面接觸。在這些情況下，壓電諧振器有與壓電諧振器的環(huán)形半徑對(duì)齊的極化矢量。本發(fā)明還包括產(chǎn)生用于壓電諧振器的激勵(lì)器信號(hào)的發(fā)生器。如果馬達(dá)設(shè)置成壓電諧振器沿環(huán)形壓電諧振器環(huán)的平的面與軸承支承件接觸，則發(fā)生器頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式的自然頻率或者軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。也可選擇， 如果馬達(dá)設(shè)置成使得軸承支承件與壓電諧振器的圓柱形輪廓配對(duì)面接觸，則發(fā)生器頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式的自然頻率或軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。本發(fā)明還涉及一種用于操作馬達(dá)的方法。該方法包括響應(yīng)由定子提供的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而在馬達(dá)的無(wú)刷轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生角加速度。響應(yīng)在無(wú)刷轉(zhuǎn)子中的角加速度，使得附接在轉(zhuǎn)子上耳軸旋轉(zhuǎn)，該耳軸有凸形球形表面，該凸形球形表面設(shè)置成用于在形成于軸承支承件中的鞍形件的凹形球形表面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。該方法還包括使用壓電諧振器來(lái)在凸形球形表面和凹形球形表面之間產(chǎn)生氣體微薄膜的步驟。產(chǎn)生步驟還包括在限定于鞍形件的凹形球形表面和耳軸的凸形球形表面之間的氣體層中形成球形高階駐波聲波。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該方法能夠包括通過(guò)選擇使得轉(zhuǎn)子組件的質(zhì)心位于鞍形件的曲率中心的下方，使得轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線豎直穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子組件包括耳軸、轉(zhuǎn)子、附接在轉(zhuǎn)子上的磁性環(huán)以及至少一個(gè)工作元件。該方法還能夠包括通過(guò)激勵(lì)器信號(hào)來(lái)激勵(lì)壓電諧振器，該激勵(lì)器信號(hào)的頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式的自然頻率或軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。 也可選擇，該方法能夠包括通過(guò)激勵(lì)器信號(hào)來(lái)激勵(lì)壓電諧振器，該激勵(lì)器信號(hào)的頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式或軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。


下面將參考附圖介紹實(shí)施例，在全部附圖中，相同參考標(biāo)號(hào)表示相同部件，且附圖中圖1是用于理解本發(fā)明的馬達(dá)的簡(jiǎn)化示意剖視圖。圖2是圖1中的馬達(dá)的簡(jiǎn)化示意剖視圖，其中，基座平面以及定子和轉(zhuǎn)子的軸線相對(duì)移動(dòng)成偏離豎直方向(當(dāng)存在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)不平衡時(shí))。圖3表示了懸浮-擺錘質(zhì)量m的物理模型，其中，懸浮點(diǎn)為“0R”，懸浮長(zhǎng)度L等于耳軸的曲率半徑。圖4是用于理解本發(fā)明可選實(shí)施例的馬達(dá)的簡(jiǎn)化示意剖視圖，其中，軸承支承件與環(huán)形壓電諧振器元件沿它的圓柱形表面接觸。
具體實(shí)施例方式下面將參考附圖介紹本發(fā)明。附圖并不按比例畫(huà)出，且它們只是用于示例表示本發(fā)明。下面將參考示例應(yīng)用來(lái)介紹本發(fā)明的多個(gè)方面。應(yīng)當(dāng)知道，大量的特定細(xì)節(jié)、關(guān)系和方法是用于充分理解本發(fā)明。不過(guò)，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明能夠在沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)特定細(xì)節(jié)的情況下或者通過(guò)其它方法來(lái)實(shí)施。在其它情況中，公知的結(jié)構(gòu)或操作未被詳細(xì)示出，以避免本發(fā)明不清楚。本發(fā)明并不由所示順序的動(dòng)作或事件來(lái)限制， 因?yàn)橐恍﹦?dòng)作可以以不同順序和/或與其它動(dòng)作或事件同時(shí)發(fā)生。而且，并不需要全部的示例動(dòng)作或事件都用于實(shí)施本發(fā)明的方法。由于在鞍形件(用作無(wú)接觸軸承)和耳軸(該耳軸是轉(zhuǎn)子組件的一部分)的配對(duì)面之間產(chǎn)生升高壓力的氣體微薄膜，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提供了電馬達(dá)的三維轉(zhuǎn)子的非接觸超聲波懸浮。如這里使用的，整體術(shù)語(yǔ)“配對(duì)面”是指具有共同特定特征(例如球形或曲率半徑)的一對(duì)表面，但是它們以其他方式形成相對(duì)或相反的對(duì)。因此，鞍形件和耳軸的相對(duì)凹形和凸形表面有時(shí)將稱為配對(duì)面。在如這里所述的配對(duì)面之間的氣體微薄膜用于完全消除在鞍形件和耳軸之間的機(jī)械接觸。沒(méi)有這樣的接觸將大大降低在轉(zhuǎn)子和它的支承件(鞍形件)之間的摩擦。例如， 摩擦力能夠降低兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)槭Ｏ碌哪Σ林皇怯赊D(zhuǎn)子與在耳軸(轉(zhuǎn)子)和鞍形件 (轉(zhuǎn)子支承件)之間的間隙中的空氣或其它氣體的摩擦來(lái)確定。這種結(jié)構(gòu)提供了可能無(wú)限的馬達(dá)使用壽命。而且，消除機(jī)械接觸使得轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)非常平滑，從而消除任何急動(dòng)運(yùn)動(dòng)。由于升高壓力的氣體微薄膜的固有彈性而對(duì)轉(zhuǎn)子的任何振蕩的阻尼將最小化振動(dòng)和噪音水平。馬達(dá)包括單個(gè)三維支承件，意味著轉(zhuǎn)子組件的位置在三維中進(jìn)行控制。支承件保證在自由狀態(tài)中(懸浮系統(tǒng)激活)的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸線保持豎直方位。在轉(zhuǎn)子開(kāi)始角加速之后， 旋轉(zhuǎn)軸線自身在空間中穩(wěn)定。如果質(zhì)心處于轉(zhuǎn)子的對(duì)稱中心上，旋轉(zhuǎn)軸線將與豎直軸線重合。如果質(zhì)心并不在轉(zhuǎn)子的對(duì)稱中心上(為存在不平衡負(fù)載的情況)，旋轉(zhuǎn)軸線將不與豎直軸線重合。轉(zhuǎn)子象在支承件中自由“浮動(dòng)” 一樣進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著“加速”開(kāi)始，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)和自身穩(wěn)定，類似于抽陀螺(Whip-top)。轉(zhuǎn)子的超聲波無(wú)接觸懸浮通過(guò)保持在由鞍形件和耳軸的鄰接或配對(duì)面限定的氣體層中的駐波聲波來(lái)提供。駐波的聲壓提供了支承件的承載能力?！案?dòng)”軸效果通過(guò)轉(zhuǎn)子組件的非接觸三維支承件來(lái)實(shí)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)子組件的質(zhì)心相對(duì)于虛擬懸浮點(diǎn)移動(dòng)。下面參考圖1，圖中表示了馬達(dá)100的簡(jiǎn)化示意圖，它用于理解本發(fā)明。該馬達(dá)包括非接觸球形懸浮件和無(wú)刷加速單元。非接觸球形懸浮件包括超聲波非接觸軸承支承件1， 該超聲波非接觸軸承支承件1包括鞍形件14，該鞍形件14限定具有曲率半徑R和對(duì)稱軸線 “0-0”的凹形球形表面。軸承支承件有利地能夠有限定圓柱形外表面的環(huán)形形狀。軸承支承件1剛性附接在壓電諧振器2上，該壓電諧振器2有極化矢量“E”。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，該矢量限定壓電諧振器的電激勵(lì)將施加的方向，即與矢量E對(duì)齊。 壓電諧振器2是壓電元件，能夠由目前已知或?qū)?lái)確定具有壓電特征的任意合適材料而形成。用于該目的的合適材料能夠包括(而非限定)壓電陶瓷，該壓電陶瓷從壓電的鉛-鋯酸鹽_鈦酸鹽_鍶陶瓷(PZT)材料的組中選擇。發(fā)生器9與壓電諧振器2的電觸點(diǎn)電連接。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，壓電諧振器2和軸承支承件1能夠各自有環(huán)形形狀。在圖1所示的本發(fā)明實(shí)施例中，環(huán)形軸承支承件1的平坦面15能夠與壓電諧振器的平的面16接合。 在圖4所示的其它實(shí)施例中，由壓電諧振器2的環(huán)形形狀限定的圓柱形表面17能夠設(shè)置為相對(duì)于由軸承支承件1限定的圓柱形表面18的配對(duì)面。因此，壓電諧振器2的表面能夠與軸承支承件1緊貼接合。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，激勵(lì)電極(未示出)位于環(huán)形壓電諧振器環(huán)的上部和下部平的面16、19上。激勵(lì)電極位于圖4所示的環(huán)形壓電諧振器環(huán)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)圓柱形表面17、20上。鞍形件14與球形凸形耳軸3 (具有對(duì)稱軸線“1-1”)接合。耳軸3有與球形鞍形件相同的曲率半徑R。耳軸3承載具有驅(qū)動(dòng)元件的轉(zhuǎn)子4，該驅(qū)動(dòng)元件包括至少一個(gè)永磁體，該永磁體布置為形成環(huán)形磁性環(huán)5。定子6通過(guò)合適裝置而固定在基座7上。例如，懸臂式支承臂10能夠用于該目的。還有，本發(fā)明并不局限于此，也可以使用其它支承結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有限制。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，耳軸和軸承支承件能夠由玻璃、高溫陶瓷或玻璃陶瓷來(lái)制造。不過(guò)，本發(fā)明并不局限于此，任意其它合適材料也能夠用于該目的。轉(zhuǎn)子4有用于接收工作元件8的多個(gè)座13。工作元件能夠?yàn)橛糜趫?zhí)行馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功能的任意結(jié)構(gòu)。例如，工作元件8能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)葉片、光學(xué)或磁性傳感器，而沒(méi)有限制。轉(zhuǎn)子 4、磁性環(huán)5、工作元件8和耳軸3的組合在本文中稱為轉(zhuǎn)子組件。馬達(dá)100有利地設(shè)置成使得轉(zhuǎn)子組件(包括轉(zhuǎn)子4、磁性環(huán)5、工作元件8和耳軸 3)的質(zhì)心OM位于具有曲率半徑R的鞍形件的曲率中心“OR”的下面。加速磁性環(huán)5位于耳軸3的直徑面“11-11”內(nèi)。定子6沿鞍形件1的直徑面“00-00” (與它的軸線“0-0”垂
直)對(duì)稱布置。圖2表示了當(dāng)有靜態(tài)或動(dòng)態(tài)不平衡時(shí)在轉(zhuǎn)子的軸線與豎直方向有某些偏離的情況下基座平面以及定子(“0-0”，“00-00”)和轉(zhuǎn)子("1-1", "11-11")的軸線的相對(duì)位移的簡(jiǎn)化示意圖。圖3表示了懸浮-擺錘質(zhì)量m(其中，m是轉(zhuǎn)子組件的合成質(zhì)量)的物理模型，其中，懸浮點(diǎn)為“0R”，懸浮長(zhǎng)度L等于鞍形件14的曲率半徑R。下面將更詳細(xì)地介紹馬達(dá)100的工作原理。周期性的AC電壓由發(fā)生器9以頻率 F來(lái)供給。例如，周期性的波可以是正弦波。如果馬達(dá)設(shè)置為如圖1中所示，其中壓電諧振器2沿環(huán)形壓電諧振器環(huán)的平的面16與軸承支承件1接觸時(shí)，發(fā)生器頻率F有利地選擇為相應(yīng)于壓電諧振器2的一階徑向模式的頻率或者軸承支承件1的零階彎曲模式的自然頻率 (如果它們并不相同)。在這種情況下，由激勵(lì)信號(hào)提供的電場(chǎng)垂直于包含壓電諧振器和進(jìn)行一階徑向振動(dòng)的平面、沿壓電諧振器的厚度施加給它的側(cè)壁16、19。這導(dǎo)致壓電諧振器沿它的厚度方向膨脹和收縮。不過(guò)，因?yàn)閴弘娭C振器的彈性，當(dāng)壓電諧振器的壁厚以頻率F變化時(shí)，也激勵(lì)振動(dòng)的一階徑向模式。也可選擇，如果馬達(dá)100設(shè)置為如圖4中所示，其中軸承支承件與壓電諧振器的圓柱形輪廓配對(duì)面接觸時(shí)，發(fā)生器頻率F有利地選擇為相應(yīng)于壓電諧振器2的一階徑向模式的頻率或者軸承支承件1的零階彎曲模式的自然頻率(如果它們并不相同)。在這種情況下，激勵(lì)頻率直接施加在壓電諧振器2的內(nèi)部和外部圓柱形壁17、20上，這促進(jìn)了一階徑向模式的直接激勵(lì)，該一階徑向模式處于與壓電諧振器相同平面中。換句話說(shuō)，壓電諧振器沿徑向方向膨脹和收縮。還有，本發(fā)明并不局限于此，也可以使用其它頻率。頻率F選擇為相應(yīng)于壓電諧振器2的自然頻率或者壓電諧振器2的一階徑向模式的自然頻率或者軸承支承件1的零階彎曲模式的自然頻率(如果它們不同)。這樣，壓電諧振器2和軸承支承件1的尺寸優(yōu)選是選擇為使得它們的自然頻率類似。例如，壓電諧振器和軸承支承件的各自然頻率優(yōu)選是選擇為使得它們相差不超過(guò)大約50%。根據(jù)一些實(shí)施例， 正弦波的頻率能夠在20kHz至150kHz的范圍內(nèi)。不過(guò)，本發(fā)明并不局限于此，也能夠使用其它頻率。實(shí)際上，使用的較低頻率優(yōu)選是高于聲頻范圍，因?yàn)橥ǔ２幌Ｍ诼曨l范圍內(nèi)操作。上限在某種程度上是結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)。給定頻率范圍適合大約IOmm小的結(jié)構(gòu)。具有更小尺寸的馬達(dá)能夠在高得多的頻率下操作。例如，這樣的馬達(dá)可以通過(guò)MEMS方法構(gòu)成。 來(lái)自發(fā)生器9的激勵(lì)信號(hào)與壓電諧振器2的激勵(lì)電極導(dǎo)電連接。將周期性的AC電壓施加給壓電諧振器將由于反向壓電效果而導(dǎo)致在壓電諧振器中引起“延伸_收縮”彈性變形。由于這種壓電效果，壓電諧振器的振動(dòng)沿壓電諧振器2的平的端表面(它在該端表面處附接在軸承支承件1上)來(lái)引導(dǎo)。在壓電諧振器2附接在軸承支承件1上的情況下(如圖1中所示)，在鞍形件14中也激勵(lì)這些彈性變形。在鞍形件14中產(chǎn)生的彈性變形導(dǎo)致在軸承支承件1中形成駐波彎曲波。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，彎曲波包括振動(dòng)狀態(tài)，其中，物理本體的一部分能夠在振動(dòng)的過(guò)程中沿相反方向運(yùn)動(dòng)。駐波彎曲波由于軸承支承件1的剛性沿它的直徑變化(由于鞍形件的高度14 變化)而產(chǎn)生。該駐波彎曲波引起鞍形件14中的“傘形”振動(dòng)。在這種情況下，“傘形”振動(dòng)的特征是鞍形件的凹形形狀的曲率半徑在振動(dòng)過(guò)程中周期性地變化，這是因?yàn)檩S承支承件沿徑向方向膨脹和收縮。由于這樣的傘形振動(dòng)，鞍形件14的、朝向耳軸3的配對(duì)面開(kāi)始微角度振動(dòng)。更特別是，鞍形件的配對(duì)面由于與氣體介質(zhì)例如空氣相互作用而開(kāi)始產(chǎn)生朝向耳軸3的定向聲場(chǎng)。同樣，鞍形件14的配對(duì)面成為聲波源。如果軸承支承件1沿壓電諧振器的圓柱形表面接觸則產(chǎn)生類似情況，如圖4中所示。不過(guò)，在這種情況下，為了激勵(lì)壓電諧振器元件的徑向振蕩，需要沿環(huán)形諧振器的半徑的極化“E”。當(dāng)由鞍形件14的配對(duì)面產(chǎn)生的聲波在鞍形件14和耳軸3之間的間隙中傳播時(shí)， 該聲波由耳軸3的類似凸形表面反射。因此，球形高階駐波聲波形成于間隙中。這樣，間隙能夠認(rèn)為是氣體聲共振器。球形駐波聲波的輻射聲壓在耳軸的表面和鞍形件的表面(它們彼此相鄰和相對(duì))上施加力。這種輻射聲壓提供了鞍形件14的承載能力。這樣，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明馬達(dá)1的轉(zhuǎn)子4的超聲波懸浮。轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)能夠通過(guò)在定子6的線圈上形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而開(kāi)始，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與磁性環(huán)5相互作用，并產(chǎn)生施加在電馬達(dá)的工作元件上的旋轉(zhuǎn)力矩。人們不應(yīng)該混淆這里所述的轉(zhuǎn)子的超聲波非接觸懸浮與普通超聲波“漂浮”方法， 因?yàn)橛沙暡òl(fā)生器在20-200kHz頻率范圍中形成的超聲波漂浮是在大約幾毫米至幾十毫米的氣體薄膜厚度下工作。該厚度比本發(fā)明技術(shù)方案中的厚度多3個(gè)數(shù)量級(jí)，在本發(fā)明技術(shù)方案中，厚度通常為大約2或3微米，盡管本發(fā)明并不局限于此。本發(fā)明能夠獲得這種非常小氣體薄膜厚度的主要原因是在本發(fā)明的耳軸和鞍形件之間的間隙中產(chǎn)生的球形波是高階波(階數(shù)至少大于1)。相反，這種普通的超聲波漂浮方法通常涉及一階駐波。為了能夠在本發(fā)明中獲得高階球形波，耳軸和鞍形件的相應(yīng)相鄰表面制造成非常高的公差。例如，在由鞍形件和耳軸限定的配對(duì)面中的任何缺陷應(yīng)當(dāng)大大小于在耳軸和鞍形件之間的間隙的尺寸。如果間隙預(yù)計(jì)為2或3微米時(shí)，在配對(duì)面中的任意不規(guī)則部分或不連續(xù)部分應(yīng)當(dāng)大大小于該間隙尺寸。這解釋了所述系統(tǒng)的高精度(旋轉(zhuǎn)軸線的穩(wěn)定精度在微米范圍內(nèi))， 超聲波漂浮不能實(shí)現(xiàn)這樣的高精度。在圖1、2和4所示的一個(gè)實(shí)施例中，定子6能夠包括多個(gè)定子繞組，這些定子繞組環(huán)繞形成磁性環(huán)5的一個(gè)或多個(gè)永磁體。使用這樣的技術(shù)來(lái)引起旋轉(zhuǎn)的方法為本領(lǐng)域公知，因此這里將不再詳細(xì)說(shuō)明。不過(guò)應(yīng)當(dāng)知道，定子6的多個(gè)繞組能夠根據(jù)預(yù)定方式或正時(shí)
9而選擇地通電，以便提供所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。合適的控制器和控制電路能夠用于這樣的目的， 如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知?？刂破骰緢?zhí)行在刷式DC馬達(dá)中可見(jiàn)的相同定時(shí)配電，但是使用固態(tài)電路，而不是換向器/刷系統(tǒng)。在典型實(shí)施例中，控制器將包含多個(gè)雙向驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)高電流DC電，再由簡(jiǎn)單的邏輯電路或微控制器來(lái)控制。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，邏輯電路和微控制器能夠設(shè)置成管理馬達(dá)加速、控制速度和效率。定子的繞組能夠成三角結(jié)構(gòu)或 Y形結(jié)構(gòu)而相互連接，但并不是限制，如本領(lǐng)域已知。應(yīng)當(dāng)知道，能夠有很多不同的馬達(dá)結(jié)構(gòu)，且所有這些結(jié)構(gòu)將包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，在圖1、2和4中，定子6布置在轉(zhuǎn)子4的內(nèi)部。不過(guò)，本發(fā)明并不局限于此。所示結(jié)構(gòu)也能夠顛倒，以使得轉(zhuǎn)子4位于定子內(nèi)部。這些類型的可選結(jié)構(gòu)為本領(lǐng)域公知。還有，本發(fā)明并不局限于此。還能獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自定心能力，這是因?yàn)楹铣赊D(zhuǎn)子質(zhì)量m的質(zhì)心“0M”用作擺錘(具有懸浮點(diǎn)“0R”，且懸浮長(zhǎng)度“L”等于“R”)。這種概念在圖3中表示，其中，質(zhì)心 “0M”表示在相對(duì)于曲率中心“OR”的多個(gè)位置。由該實(shí)施例這樣限定的擺錘狀轉(zhuǎn)子導(dǎo)致質(zhì)心“0M”將總是運(yùn)動(dòng)至它的最低豎直位置(如圖1中所示)。在該位置，全部力都處于平衡。 當(dāng)偏離該位置時(shí)(見(jiàn)圖2和3)，質(zhì)心“0M”并不與對(duì)稱軸線“1-1”重合。因此，轉(zhuǎn)子將自動(dòng)調(diào)節(jié)至穩(wěn)定位置。顯然，當(dāng)質(zhì)心偏離該對(duì)稱軸線時(shí)，轉(zhuǎn)子將不會(huì)離開(kāi)定子范圍，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的中心線“11-11”與磁性環(huán)5同步地相對(duì)于定子中心“OR”運(yùn)動(dòng)。該特征在圖2中能最佳觀察。由于前述結(jié)構(gòu)，即使有不平衡時(shí)(如圖2中所示)，也能夠有角加速度。在任何情況下， 馬達(dá)的幾何形狀為使得系統(tǒng)快速返回它的動(dòng)態(tài)平衡位置。這里所述的馬達(dá)100包括單個(gè)三維支承件，其中，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸線在自由狀態(tài)下(懸浮激活)獲得豎直位置。由于馬達(dá)100設(shè)計(jì)成使得重心處于“假想”懸浮點(diǎn)“OR”的下面 (該假想懸浮點(diǎn)“OR”由鞍形件的曲率中心來(lái)確定)，因此獲得該平衡位置。這種結(jié)構(gòu)將定子6布置在水平平面00-00中。在轉(zhuǎn)子4開(kāi)始角加速之后，軸線1-1在空間中自穩(wěn)定。如果轉(zhuǎn)子組件的質(zhì)心處于轉(zhuǎn)子的對(duì)稱中心上，旋轉(zhuǎn)軸線與豎直軸線重合。如果質(zhì)心并不在轉(zhuǎn)子的對(duì)稱中心上(例如在不平衡負(fù)載的情況下)，旋轉(zhuǎn)軸線將偏離豎直軸線。因此，所述馬達(dá)首先具有有三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)軸線，且在角加速之后，軸線由于動(dòng)態(tài)效應(yīng)(即陀螺效應(yīng)) 而在空間中穩(wěn)定。具有“浮動(dòng)”軸線的所述類型電馬達(dá)是新型無(wú)噪音馬達(dá)，具有單個(gè)三維無(wú)接觸支承件和可能無(wú)限的使用壽命。這種馬達(dá)的區(qū)別特征是它的較低成本和可制造性，因?yàn)樗恍枰_的初始對(duì)齊和調(diào)節(jié)，普通的單軸線電馬達(dá)通常需要精確的初始對(duì)齊和調(diào)節(jié)。這使得這樣的馬達(dá)能夠大量制造，而并無(wú)特別裝置(set up)用于精確制造，因?yàn)樗恍枰獦?biāo)準(zhǔn)球形光學(xué)制造能力，并可以使用便宜牌號(hào)的玻璃。申請(qǐng)人:已經(jīng)在這里提出了被認(rèn)為正確的某些原理方面，這些原理方面似乎能夠解釋本發(fā)明的實(shí)施例。不過(guò)，本發(fā)明的實(shí)施例可以在沒(méi)有所述原理方面的情況下實(shí)施。而且， 原理方面的提出應(yīng)當(dāng)理解為申請(qǐng)人并不是為了由所述原理來(lái)界定。而且，盡管上面已經(jīng)介紹了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)知道，它們只是通過(guò)示例來(lái)提出，而不是限制。根據(jù)這里的說(shuō)明，能夠在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下對(duì)所述實(shí)施例進(jìn)行多種變化。例如，本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例并沒(méi)有對(duì)這里所述材料的任意特定類型進(jìn)行限制。因此，本發(fā)明的寬度和范圍并不由任意上述實(shí)施例來(lái)限制。而是，本發(fā)明的范圍將根據(jù)下面的權(quán)利要求和它們的等效物來(lái)限定。盡管已經(jīng)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式表示和介紹了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀和理解本說(shuō)明書(shū)和附圖將清楚等效可選方案和變化。此外，盡管只通過(guò)多個(gè)實(shí)施方式中的一個(gè)來(lái)介紹了本發(fā)明的特殊特征，但是該特征可以與其它實(shí)施方式的一個(gè)或多個(gè)其它特征組合，因?yàn)檫@可能對(duì)于任意給定或特殊用途是合適和優(yōu)選的?？偟膩?lái)說(shuō)，這里使用的術(shù)語(yǔ)只是為了介紹特殊實(shí)施例，而不是為了限制本發(fā)明。這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”也將包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中另外清楚說(shuō)明。 而且，在詳細(xì)說(shuō)明和/或權(quán)利要求中使用術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”、“有”、“具有”、“和”或者它們的變化形式，這些術(shù)語(yǔ)以類似于術(shù)語(yǔ)“包括”的方式表示包含在內(nèi)的意思。除非另外說(shuō)明，這里使用的全部術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有本發(fā)明所述領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同意思。還應(yīng)當(dāng)知道，術(shù)語(yǔ)(例如在通用字典中定義的術(shù)語(yǔ))應(yīng)當(dāng)解釋為具有與它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域中的意思一致的意思，而不應(yīng)當(dāng)解釋為理想的或過(guò)度正式的意義，除非這里這樣明確說(shuō)明。
權(quán)利要求
1.一種馬達(dá)，包括軸承支承件，所述軸承支承件包括鞍形件，所述鞍形件具有環(huán)形形狀并限定凹形球形表面的一部分；壓電諧振器，所述壓電諧振器剛性附接在所述軸承支承件上；耳軸，所述耳軸限定設(shè)置成用于在所述鞍形件內(nèi)旋轉(zhuǎn)的凸形球形表面的一部分，所述鞍形件相對(duì)于所述耳軸的至少一部分形成配對(duì)面；轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子布置在所述耳軸上；定子，所述定子在特定狀態(tài)下與所述轉(zhuǎn)子軸向?qū)R并設(shè)置成用于在所述轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生角加速度；其中，所述鞍形件響應(yīng)所述壓電諧振器，用于在限定于所述鞍形件的球形配對(duì)面和所述耳軸的球形配對(duì)面之間的氣體層中產(chǎn)生球形高階駐波聲波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中當(dāng)激勵(lì)所述壓電諧振器時(shí)，所述耳軸僅僅被支承在所述球形高階駐波聲波上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬達(dá)，其中所述耳軸在三維上由所述球形高階駐波聲波來(lái)支承。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述轉(zhuǎn)子為包括至少一個(gè)永磁體的無(wú)刷轉(zhuǎn)子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述至少一個(gè)永磁體限定環(huán)形磁性環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述定子設(shè)置成用于在所述定子通電時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述耳軸的所述凸形球形表面具有與所述鞍形件的凹形球形表面相同的曲率半徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，還包括至少一個(gè)工作元件，所述至少一個(gè)工作元件附接在所述轉(zhuǎn)子上并設(shè)置成用于執(zhí)行馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的馬達(dá)，其中所述耳軸、所述轉(zhuǎn)子、附接在所述轉(zhuǎn)子上的磁性環(huán)和所述至少一個(gè)工作元件一起組成轉(zhuǎn)子組件，轉(zhuǎn)子組件的質(zhì)心位于鞍形件的曲率中心的下方。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述壓電諧振器在與所述鞍形件相對(duì)的表面上剛性附接于所述軸承支承件上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的馬達(dá)，其中所述壓電諧振器形成為環(huán)形壓電環(huán)，所述壓電環(huán)具有與所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊的極化矢量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的馬達(dá)，其中所述壓電諧振器沿由所述環(huán)形壓電環(huán)的面限定的整個(gè)平的表面與所述軸承支承件接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述轉(zhuǎn)子包括磁性環(huán)，所述磁性環(huán)相對(duì)于耳軸的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)稱地安裝在耳軸上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的馬達(dá)，其中所述磁性環(huán)與所述旋轉(zhuǎn)軸線軸向?qū)R，并位于包含由所述耳軸的所述凸形球形表面限定的曲率中心并垂直于所述耳軸的所述旋轉(zhuǎn)軸線的平面內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的馬達(dá)，其中定子位于包含所述曲率中心并垂直于由所述鞍形件限定的對(duì)稱軸線的平面內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述定子位于轉(zhuǎn)子的直徑內(nèi)部。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述轉(zhuǎn)子位于定子的直徑內(nèi)部。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述軸承支承件具有圓柱形輪廓表面，所述壓電諧振器具有配對(duì)的圓柱形輪廓。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中所述軸承支承件的所述圓柱形輪廓表面與圓柱形輪廓配對(duì)面接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的馬達(dá)，其中所述壓電諧振器具有環(huán)形形狀，并具有與壓電諧振器的半徑對(duì)齊的極化矢量。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，還包括發(fā)生器，用于產(chǎn)生用于所述壓電諧振器的激勵(lì)器信號(hào)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的馬達(dá)，其中所述發(fā)生器設(shè)置成通過(guò)沿壓電諧振器的厚度向壓電諧振器的側(cè)壁施加激勵(lì)信號(hào)而產(chǎn)生激勵(lì)器信號(hào)，所述激勵(lì)器信號(hào)的頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式的自然頻率或軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的馬達(dá)，其中所述發(fā)生器設(shè)置成通過(guò)直接向壓電諧振器的外部圓柱形壁和內(nèi)部圓柱形壁施加激勵(lì)電壓而產(chǎn)生激勵(lì)器信號(hào)，所述激勵(lì)器信號(hào)的頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式的自然頻率或軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的馬達(dá)，其中發(fā)生器設(shè)置成產(chǎn)生頻率在20-150kHz范圍內(nèi)的激勵(lì)信號(hào)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的馬達(dá)，其中壓電諧振器和軸承支承件的自然頻率相差不超過(guò)50%。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)，其中耳軸和鞍形件中的每一個(gè)都由從以下組中選擇的材料來(lái)制造，所述組包括玻璃、高溫陶瓷或玻璃陶瓷。
27.一種用于操作馬達(dá)的方法，包括響應(yīng)由定子提供的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而在馬達(dá)的無(wú)刷轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生角加速度；響應(yīng)所述無(wú)刷轉(zhuǎn)子中的所述角加速度，使得附接在轉(zhuǎn)子上并具有凸形球形表面的耳軸旋轉(zhuǎn)，所述凸形球形表面設(shè)置成用于在形成于軸承支承件中的環(huán)形鞍形件的凹形球形表面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；使用壓電諧振器來(lái)在所述凸形球形表面和所述凹形球形表面之間產(chǎn)生氣體微薄膜；其中，所述產(chǎn)生氣體微薄膜的步驟還包括在限定于所述環(huán)形鞍形件的凹形球形表面和所述凸耳的凸形球形表面之間的氣體層中形成球形高階駐波聲波。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括通過(guò)沿壓電諧振器的厚度向壓電諧振器的側(cè)壁施加激勵(lì)電壓而由激勵(lì)器信號(hào)來(lái)激勵(lì)所述壓電諧振器，所述激勵(lì)器信號(hào)的頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式的自然頻率或軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括通過(guò)直接向壓電諧振器的外部壁和內(nèi)部壁施加激勵(lì)電壓而由激勵(lì)器信號(hào)來(lái)激勵(lì)所述壓電諧振器，所述激勵(lì)器信號(hào)的頻率相應(yīng)于壓電諧振器元件的一階徑向模式的自然頻率或軸承支承件的零階彎曲模式的自然頻率。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括通過(guò)選擇使得轉(zhuǎn)子組件的質(zhì)心位于鞍形件的曲率中心的下方，使得所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線沿豎直方向穩(wěn)定，所述轉(zhuǎn)子組件包括耳軸、所述轉(zhuǎn)子、附接在所述轉(zhuǎn)子上的磁性環(huán)以及至少一個(gè)工作元件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在氣體中的壓電超聲波懸浮體，用于產(chǎn)生精密儀器的無(wú)接觸軸承支承件，特別是公開(kāi)了一種電磁馬達(dá)。在球形鞍形件和球形耳軸的鄰接表面之間形成了升高壓力的氣體微薄膜。當(dāng)壓電諧振器被激勵(lì)時(shí)，該球形耳軸通過(guò)氣體微薄膜與鞍形件的球形表面分隔開(kāi)。
文檔編號(hào)H02K5/16GK102460910SQ201080027352
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者S·彼得連科, V·R·熱爾瓦科夫 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)技術(shù)國(guó)際股份有限公司