CN101839717A - 近场超声悬浮陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场超声悬浮陀螺仪，包括圆筒定子、转子以及端盖，转子位于圆筒定子内部，端盖设置在转子的两端，在转子两端部还分别设置有轴向悬浮支撑板，在圆筒定子上设置有圆筒定子陶瓷，在轴向悬浮支撑板与端盖之间设置有环形陶瓷片。在圆筒定子陶瓷上施加第一电压，使圆筒定子激发出第一行波，定子在所述的第一行波的作用下与圆筒定子沿径向保持非接触，并绕轴向转动；在环形陶瓷片上施加第二电压使轴向悬浮支撑板激发出第二行波，定子在第二行波的作用下与圆筒定子两端保持非接触并增加绕轴向的转动力矩。本发明与现有技术相比，本发明结构更加紧凑，不受外磁场的影响，加工和装配都易于实现较高的精度，同时更便于安装和应用。

Description

近场超声悬浮陀螺仪

技术领域：

本发明涉及一种陀螺仪，具体是一种超声悬浮陀螺属悬浮陀螺领域中的超声悬浮陀螺。

背景技术：

陀螺仪是惯性导航系统和陀螺导航设备的基本元件，其基本结构如图1所示，主要部件有：(1)陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并且其转速近似为常值)；(2)内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)；(3)附件(是指力矩马达、信号传感器等)。现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器。陀螺仪的精度决定着这些系统和设备的精度，而陀螺仪的精度和工作状况又主要取决于陀螺支承系统的性能，如支承系统的摩擦力矩、抗干扰能力等。采用非接触式的支承系统可有效减少干扰力矩，提高陀螺系统的精度。但是，目前提出的电磁、静电等悬浮陀螺需要有强电场或高真空的工作条件，系统结构的实现较为复杂，限制了这类悬浮式陀螺的应用。目前，尚没有提出完全基于近场超声悬浮的陀螺仪。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种精度高、结构简单、不受外磁场影响的近场超声悬浮陀螺仪。

技术方案：一种近场超声悬浮陀螺仪，包括圆筒定子、转子以及端盖，所述的转子位于所述的圆筒定子内部，所述的端盖设置在转子的两端，其特征在于：在所述的转子两端部还分别设置有轴向悬浮支撑板，在所述的圆筒定子上设置有圆筒定子陶瓷，在所述的轴向悬浮支撑板与端盖之间设置有环形陶瓷片，在所述的圆筒定子陶瓷上施加第一电压，使所述的圆筒定子激发出第一行波，所述的定子在所述的第一行波的作用下转动，在所述的环形陶瓷片上施加第二电压使所述的轴向悬浮支撑板激发出第二行波，所述的定子在所述的第二行波的作用下转动。

所述的圆筒定子陶瓷为两组，每组为四片，对称设置在圆筒定子径向的两端，每端包括上下两片，上下两片陶瓷片的极化方向相反且接入电压相同，相对的两面陶瓷片的极化方向相反，所述的第一电压采用两相电源，在两组陶瓷片上依次接入两相相位差为90度的电压信号；所述的环形陶瓷片均匀分成20个分区，其中A相和B相分别有8个分区，依次正向极化和反向极化，在A，B两相极化区中间留有λ/4和3λ/4的区域，其中把3λ/4的区域中正向极化的λ/4区域作为孤极，用来提供频率自动跟踪控制的反馈信号，所述的第二电压采用两相电压，在陶瓷片的A相和B相极化区依次接入两相相位差90度的电压信号。

本发明超声悬浮陀螺仪通过轴向悬浮支撑板为转子提供轴向悬浮力，使其沿轴向悬浮和定位。圆筒定子通过其本身高频振动激发的声场近场作用为转子提供径向定位，并驱动转子高速旋转。陀螺转子与外界没有任何机械接触，不存在传统的接触式轴承产生的固体间的摩擦力，有效避免了干扰力矩，陀螺精度可以得到提高。

本发明与现有技术相比，本发明结构更加紧凑，不受外磁场的影响，加工和装配都易于实现较高的精度，同时更便于安装和应用。

附图说明：

图1是陀螺仪的结构示意图。

图2是本发明陀螺仪的结构示意图。

图3是本发明陀螺仪的分解图。

图4是圆筒型定子B(1，3)模态图。

图5是圆筒型定子B(1，3)模态的临近模态图。

图6是圆盘型电机定子的有限元模型。

图7是圆盘型电机定子的B(0，9)模态图。

图8是圆筒定子的压电陶瓷的布局图。

图9是轴向悬浮支撑压电陶瓷的极化和配置方式图。

其中：1、端盖，2、环形陶瓷片，3、圆筒定子，4、圆筒定子陶瓷，5、轴向悬浮支撑板，6、环形陶瓷片，7、端盖，8、弹性垫，9、、圆筒定子陶瓷，10、转子，11、轴向悬浮支撑板，12、弹性垫。

具体实施方式：

本发明近场超声悬浮陀螺仪，是基于压电陶瓷的逆压电效应制成的，其结构参考图2和图3，包括：圆筒定子3，转子10，上下端盖1和7，上下弹性垫8和12，上下环形陶瓷片2和6，上下轴向悬浮支撑板5和11，在圆筒定子3上粘贴有圆筒定子陶瓷4，圆筒定子陶瓷4共有8片，其中4片为一组，对称分布在圆筒定子径向的两端，且每端包括上下两片，两组8片均匀分布在圆筒定子3的圆周上，在轴向悬浮支撑板5与弹性垫8之间放置环形陶瓷片2，在轴向悬浮支撑板11与弹性垫12之间放置环形陶瓷片6。

本发明是基于压电陶瓷片的逆压电效应，即通过外加电信号，使压电陶瓷产生机械变形，从而使圆筒定子产生超声波振动，并将其传播到空气介质中，推动转子运动。压电陶瓷的逆压电效应可激发出圆筒定子的B(1，3)阶弯曲振动模态，即沿母线为一个波长、沿圆周3波长的振动形式，圆筒定子振动模态的选择可以多样，主要根据自己设计的尺寸和要求圆筒定子内表面产生的振幅最大来选择；同时，可激发出轴向悬浮支撑板5和11的B(0，9)阶弯曲振动模态，即0节圆、沿圆周9波长的振动形式，轴向悬浮支撑板振动模态的选择同上。近场超声悬浮陀螺主要由圆筒定子3、转子10、轴向悬浮支撑板5和11等三部分组成。图2是本发明的具体结构示意图，由图可知，超声悬浮陀螺的圆筒定子3，将压电陶瓷片(共8片)，粘贴于其外侧(如附图3)，8片陶瓷均匀布置，相对的四片陶瓷片为一组，共两组陶瓷片，称为A相和B相，上下两片陶瓷片的极化方向相反和接入电压相同，相对的两面陶瓷片的极化方向相反。电源采用两相电源，在两组陶瓷片上依次接入两相相位差为90度的电压信号，即可激发出行波，行波产生机理见如下：

对圆筒定子陶瓷施加交变电压V_A＝V_AMcos(ωt)，ω为A相振型对应的固有频率，从而激发出B(1，3)的驻波(也可能存在其他振动成分，但由于激振频率与固有频率相同，该模态的振动是主要的)，其表达式为

W_A＝ξ_Acos(3θ)cos(ωt+θ_A)    (1.1)

式中，ξ_A为驻波的振幅，θ_A为A相激励电压与圆筒振动响应的相位差(与定子的阻尼有关)。

由于圆筒是轴对称结构，存在与A相振型在空间上相差1/4波长的正交振型(该振型不妨称之为B相振型)的波峰处也粘贴一片压电陶瓷片，此波峰处恰恰是A相振型的节线处，因此当对B相陶瓷片施加交变电压V_B＝V_BMsin(ωt+α)，由于B相陶瓷片的位置处于A相振型的节点处，对A相振型的激发没有影响，同时A相陶瓷片也位于B相振型的节点处，对B相振型的激发也没有影响，所以B相的驻波被激发，其振动位移函数为

W_B＝ξ_Bsin(3θ)sin(ωt+α+θ_B)    (1.2)

式中，ξ_B为驻波的振幅，θ_B为A相激励电压与圆筒振动响应的相位差。

利用线性波的叠加原理，两个驻波叠加为如下振动

W＝W_A+W_B＝ξ_Acos(3θ)cos(ωt+θ_A)+ξ_Bsin(3θ)sin(ωt+α+θ_B)    (1.3)

假设ξ_A＝ξ_B＝ξ₀，θ_A＝θ_B＝θ₀，即两相驻波的振幅相同，激励电压与圆筒振动响应的相位差也相同，那么根据两相电压相位差α值的不同，振动的形式也各不同：

1.当α＝0，

W＝ξ₀cos(3θ)cos(ωt+θ₀)+ξ₀sin(3θ)sin(ωt+θ₀)    (14)＝ξ₀cos(3θ-wt-θ₀)

上式为一行波。

2.当α＝π，

W＝ξ₀cos(3θ)cos(ωt+θ₀)+ξ₀sin(3θ)sin(ωt+θ₀+π)    (1.5)＝ξ₀cos(3θ+ωt+θ₀)

此时也是行波，但传播方向与1相反。

3.当 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2},$

$W={\mathrm{\ξ}}_0\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0)+{\mathrm{\ξ}}_0\sin \left(3\mathrm{\θ}\right)\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

$={\mathrm{\ξ}}_0\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0)(\cos \left(3\mathrm{\θ}\right)+\sin \left(3\mathrm{\θ}\right))---\left(1.6\right)$

$={\mathrm{\ξ}}_0\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0)\cos (3\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})$

圆筒中只有驻波，不形成行波。

这样，按上述的方式布置压电陶瓷，在两相相位差90度的电压的作用下，圆筒上沿周向可形成两个时间上相差90度，空间上相差1/4波长的驻波，进而合成为一个行波。

若要使行波的方向改变，只需改变接入信号的相位差为-90度，可激发出圆筒定子3的B(1，3)模态行波。这样，可在定子的母线方向产生一节圆，为的是方便定子的夹持和安装。圆筒定子3内表面行波产生的同时，在近声场作用下对转子10实现径向定位并提供动力，使转子10高速旋转，转子沿行波的传播方向转动，并与圆筒定子3保持非接触状态。

为激发出轴向悬浮支撑板5和11的B(0，9)模态的行波，采用了如附图9的压电陶瓷分区方式。可以发现，总有一个波长的分区是不起激振作用的，为充分利用压电陶瓷，将陶瓷片均匀分成20个分区，其中A相和B相分别有8个分区，依次正向极化和反向极化，在A，B两相极化区中间留有λ/4和3λ/4的区域，其中常把正向极化的λ/4区域用来提供频率自动跟踪控制的反馈信号，称为孤极，参见图9。采用两相电压驱动，在陶瓷片的A相和B相极化区依次接入两相相位差90度的电压信号。上述的分区形式和接入电压信号可在轴向悬浮支撑板中激发出两相空间和时间相位差均为90度的驻波，进而合成出行波，因此可激发出圆盘的B(0，9)模态的行波。要产生反向的行波，只需改变或互换输入信号。此时可分别在轴向悬浮支撑板5和11的上、下表面产生行波，在近声场作用下为转子10提供动力，使转子10旋转，转子沿行波的传播方向转动，并与轴向悬浮支撑板5和11保持非接触状态，从而使转子10阻力矩减小。

Claims (2)

1.一种近场超声悬浮陀螺仪，包括圆筒定子、转子以及端盖，所述的转子位于所述的圆筒定子内部，所述的端盖设置在转子的两端，其特征在于：在所述的转子两端部还分别设置有轴向悬浮支撑板，在所述的圆筒定子上设置有圆筒定子陶瓷，在所述的轴向悬浮支撑板与端盖之间设置有环形陶瓷片，在所述的圆筒定子陶瓷上施加第一电压，使所述的圆筒定子激发出第一行波，所述的定子在所述的第一行波的作用下转动，在所述的环形陶瓷片上施加第二电压使所述的轴向悬浮支撑板激发出第二行波，所述的定子在所述的第二行波的作用下转动。

2.根据权利要求1所述的近场超声悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的圆筒定子陶瓷为两组，每组为四片，对称设置在圆筒定子径向的两端，每端包括上下两片，上下两片陶瓷片的极化方向相反且接入电压相同，相对的两面陶瓷片的极化方向相反，所述的第一电压采用两相电源，在两组陶瓷片上依次接入两相相位差为90度的电压信号；所述的环形陶瓷片均匀分成20个分区，其中A相和B相分别有8个分区，依次正向极化和反向极化，在A，B两相极化区中间留有λ/4和3λ/4的区域，其中把3λ/4的区域中正向极化的λ/4区域作为孤极，用来提供频率自动跟踪控制的反馈信号，所述的第二电压采用两相电压，在陶瓷片的A相和B相极化区依次接入两相相位差90度的电压信号。

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