CN102506840A - 高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其总体结构包括永磁电机、差动式电感传感器、动铁式双轴力矩器、多平衡环接头、整流件及分区温控件等。永磁电机采用半球型动压气体轴承，整流件主要分布在陀螺和电机转子外围，分区温控件分布在陀螺内部不同区域。本发明是一种精度优于0.001°/h，并且具有体积小、启动快、成本低、寿命长、可拆卸的高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，本陀螺仪通过安装半球轴承、整流件以及分区温控件，实现了提高测量精度的目的，适合应用于有长时间、高精度导航要求的现代惯性导航系统中。

Description

高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪

技术领域

本发明涉及动压马达动力调谐陀螺仪领域，特别是一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪。 

背景技术

当前，国内作为角速率敏感器的惯性元件主要有以下几种：1)静电陀螺，试验室样机精度已达到优于0.0001°/h的水平，但其工程应用仍处于探索阶段；2)液浮陀螺，精度已达到优于0.001°/h的水平，广泛应用于舰船导航，战略导弹制导；3)激光陀螺，精度已达到优于0.003°/h的水平，应用于飞机、导弹导航与制导；4)光纤陀螺，精度已达到优于0.01°/h的水平，但只有0.1°/h的应用于战术导弹。从以上的分析看出，目前国内精度优于0.001°/h的陀螺种类很少。在优于0.001°/h的陀螺种类中，静电陀螺、液浮陀螺制造成本高，其快速反应能力较差，启动后需要稳定十几个小时，甚至几十个小时才能正常工作。 

现今，动力调谐陀螺仪的设计和制造已经进入成熟阶段。动力调谐陀螺仪具有结构简单、制造成本低、体积小等突出优点。国内动力调谐陀螺仪电机普遍采用滚珠轴承，滚珠轴承带来的振动是造成动力调谐陀螺仪精度误差的主要来源之一，滚珠轴承的特性使得动力调谐陀螺仪的精度普遍限定在0.01°/h左右。因此，发明一种精度优于0.001°/h，并且具有体积小、启动快、成本低、寿命长等特点的动压马达动力调谐陀螺仪，对于提升我国惯性元件的基础实力具有现实意义。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够实现对旋转角速率的精确测量，可应用于长时间、高精度导航要求的现代惯性导航系统的高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪。 

本发明的目的是通过以下技术手段实现的： 

一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其总体结构包括永磁电机、差动式电感传感器、动铁式双轴力矩器和多平衡环接头，永磁电机安装在底座上，陀螺转子组件通过多平衡环接头安装在永磁电机轴上，底座将陀螺转子组件和电机分隔于两侧，差动式电感传感器和动铁式双轴力矩器依次安装在陀螺转子组件同侧的底座上，其特征在于：永磁电机采用半球型动压气体轴承。 

而且，所述的永磁电机由半球型动压气体轴承、定子、转子、永磁体、外导磁环和内导磁环组成，半球型动压气体轴承由半球、球碗、轴和螺母等组成，两个半球对称设置于球碗内并套装在轴上，半球与球碗之间具有微间隙，球碗和定子通过螺钉固定在陀螺仪的底座上。 

而且，所述的电机定子组件外围覆盖特殊材料薄层，该薄层材料为特种塑料或者精密陶瓷或者氧化锆。 

而且，所述的永磁电机在外导磁环外侧套装一磁滞环片和一磁滞定子组件，该磁滞环片和磁滞定子组件间具有微间隙。 

而且，所述的差动式电感传感器由导磁环、传感器定子组件以及安装底板组成，定子组件由四个磁芯、八个线圈组合件及一块接线板组成，磁芯采用U型结构，直接安装到安装底板上所制的安装槽内，安装底板通过螺钉固定在陀螺仪底座上，安装底板和传感器接线板与陀螺仪底座、球碗之间留有空隙。 

而且，所述的动铁式双轴力矩器由永磁辐射环组件及力矩器定子组件组成，永磁辐射环组件由永磁辐射环及热磁补偿片组成，力矩器定子组件主要由陶瓷骨架及四个在陶瓷骨架圆周上均布的线圈组成，同一轴上两个线圈反接串联，力矩器定子组件外围覆盖特殊材料薄层，该薄层材料为特种塑料或者精密陶瓷或者氧化锆。 

而且，所述的陀螺转子组件和永磁电机转子外侧分别套装一组陀螺转子组件整流件和电机转子整流件，该陀螺转子组件整流件通过支架安装在底座上或者直接安装在底座上；电机转子整流件通过螺钉固定在底座上或者直接安装到底座上；整流件和支架在圆周上留有用作气体温度交换的通气孔；整流件材料采用1J12、1J50、1J79软磁材料。 

而且，所述的陀螺转子组件和永磁电机转子外侧分别套装一组陀螺转子侧温控件和电机转子侧温控件。 

而且，所述的陀螺转子侧温控件的加热丝缠绕在陀螺转子组件整流件上，热敏电阻安装在力矩器定子上；电机转子侧温控件的加热丝缠绕在电机转子整流件或者底座上，热敏电阻均安装在电机定子上。 

而且，所述的底座上安装外罩。 

本发明的优点和积极效果是： 

1、本陀螺仪采用对置半球型动压轴承，动压轴承可以基本上消除振动以及具有低柔量等特点，利用其气体润滑的特性，使得动压轴承所产生的振动幅值比滚珠轴承小1～2个数量级，动压轴承动力调谐陀螺仪输出的信号中混有极少 与振动相关的杂波信号，避免了与振动相关的干扰信号对陀螺精度产生的不利影响，并且动压气体轴承的寿命主要用轴承的启-停次数来衡量的，其理论寿命是无限长的，因此本陀螺仪具有长寿命的显著特点。 

2、本陀螺仪内所安装的整流件为降噪设计，通过加装整流件来减少随高速旋转部件流动的气体体积，维持相对稳定的气体层流状态，从而解决了传统动力调谐陀螺仪输出噪声大等问题，本陀螺仪输出频谱噪声幅值比传统滚珠轴承动力调谐陀螺仪输出频谱噪声幅值小一个数量级。 

3、本陀螺仪采用分区温控设计可消除温度场不均匀对陀螺仪精度及性能产生的不利影响，有利于提高陀螺仪的精度。 

4、本陀螺仪经过若干年长期工作或者储存后常值稳定性好，不需要对使用本陀螺仪的惯导系统反复进行定标。 

5、本陀螺仪采用“模块化可拆性”设计，在装配和调试过程中，陀螺仪的零部件可做到全部或大多数零部件可拆卸，并使零部件做到最大限度的可循环利用，具有研发制造成本低、性价比高的特性。 

6、本陀螺仪中的永磁电机设计成两种结构形式，可根据陀螺仪的使用场合以及使用需要进行选择，极大地增加了陀螺仪的使用灵活性以及使用范围。 

7、本发明是一种体积小、启动快、成本低、寿命长、可拆卸的高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，本陀螺仪通过安装半球轴承、整流件以及分区温控件，实现了提高测量精度的目的，其固定姿态测漂精度优于0.001°/h，尤其是采用陀螺电机转速补偿和温度补偿等装置后，陀螺仪固定姿态测漂精度可达0.0005°/h，符合高精度测量的要求，适合应用于有长时间、高精度导航要求的现代惯性导航系统中。 

附图说明

图1为本发明总体结构示意图(图2的A-A向剖视图)； 

图2为图1去掉外罩、转子组件、整流件及支架后的俯视图； 

图3为本发明中安装底板的主视图； 

图4为图3的右视图； 

图5是本发明永磁-磁滞电机的剖面示意图。 

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。 

一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，包括永磁电机、差动式电感传 感器、动铁式双轴力矩器和多平衡环接头25。永磁电机安装在底座5上，底座上安装外罩29，陀螺转子组件通过多平衡环接头安装在永磁电机轴上，底座将陀螺转子组件和电机分隔于两侧。差动式电感传感器和动铁式双轴力矩器依次安装在陀螺转子组件同侧的底座上。多平衡环接头可消除两倍频角振动误差，本发明不对平衡环的个数进行限定，大于等于两个以上平衡环均可。 

本发明的创新点在于：永磁电机由半球型动压气体轴承、定子15、转子13、永磁体11、外导磁环10和内导磁环12组成，电机定子组件外围覆盖特殊材料薄层14，该薄层材料为特种塑料或者精密陶瓷或者氧化锆。半球型动压气体轴承由半球9、球碗7、轴6和螺母等组成，两个半球对称设置于球碗内并套装在轴上，半球与球碗之间具有微间隙。球碗和定子通过螺钉固定在陀螺仪的底座上，以便于电机的拆装和试验。除球碗和定子为静止件外，上述其它件为旋转件。定子、永磁体、外导磁环、内导磁环构成电磁场回路。电机根据通电导线在磁场中受到力的作用而产生电磁转矩而工作。电机启动后半球与球碗间形成润滑气膜支撑所有旋转件高速旋转。半球、轴、电机转子等旋转部件需采用密度低、比刚度高材料，例如铍、钛合金等，其目的是为了减轻旋转部件的重量，提升半球马达的承载能力和耐回转能力。 

上述实施例一所示永磁电机本身无启动转矩，启动困难，需外加专用电子启动电路。因此如图5所示永磁电机实施例一的基础上，在外导磁环外侧套装一磁滞环片32和一磁滞定子组件31，磁滞环片和磁滞定子组件间具有微间隙，形成永磁-磁滞电机，完成磁滞启动、永磁主工作的工作方式，从而具有启动方便，陀螺重复性好等优点。 

差动式电感传感器由导磁环23、传感器定子组件以及安装底板3组成，定子组件由四个磁芯1、八个线圈组合件26及一块接线板组成，磁芯采用U型结构，直接安装到安装底板上所制的安装槽30内，安装底板通过螺钉固定在陀螺仪底座上，安装底板和传感器接线板与陀螺仪底座、球碗之间留有空隙。供陀螺内部轴向气流通过(参考图1中曲线箭头所示)。每个磁芯与导磁环构成闭合磁路，同一轴上两个磁芯上的四个线圈按照一定的绕序串联，合用同一导磁环构成差动结构来感知陀螺转子偏角。 

动铁式双轴力矩器由永磁辐射环组件22及力矩器定子组件21组成，永磁辐射环组件由永磁辐射环及热磁补偿片组成，力矩器定子组件主要由陶瓷骨架及四个在陶瓷骨架圆周上均布的线圈组成，同一轴上两个线圈反接串联，处于磁场中对陀螺转子产生加矩作用，力矩器定子组件外围覆盖特殊材料薄层20， 该薄层材料为特种塑料或者精密陶瓷或者氧化锆。薄层特殊材料经精加工后必须具有较高光洁度，以减弱陀螺转子与力矩器定子组件之间高速旋转气体的阻尼效应。 

在陀螺转子组件28和永磁电机转子外侧分别套装一组陀螺转子组件整流件和电机转子整流件，整流件主要分布在陀螺和电机转子外围，该陀螺转子组件整流件2和27通过支架18安装在底座上，陀螺转子组件整流件24直接安装在底座上。电机转子整流件8通过螺钉固定在底座上或者直接安装到底座上。整流件和支架在圆周上留有用作气体温度交换的通气孔，以便热敏电阻4更快速感知加热丝19加温的气体温度。整流件材料采用1J12、1J50、1J79等磁材料，可降低陀螺与惯导系统元器件之间、陀螺内部各主要元器件间以及陀螺内部各元器件与线缆间的电磁干扰。 

加装整流件后，陀螺转子组件和电机转子圆柱面外围的薄层区域形成I型流动区；陀螺转子组件和电机转子端面外围的薄层区域形成II型流动区(参见图1所示)。各整流件与电机转子或陀螺转子的圆柱面的I型流动区间隙按照如下流体力学公式确定： 

$h={\left(\frac{\mathrm{Rey}\×\mathrm{\μ}\×\sqrt{r}}{\mathrm{\ρ\υ}}\right)}^{\frac{2}{3}}$

整流件与电机转子或陀螺转子端面的II型流动区间隙按照如下公式确定： 

$\mathrm{\δ}=\sqrt{4\mathrm{\μ}/\mathrm{\ρ\ω}}$

其中，ρ为陀螺内部所充气体密度，v为陀螺内部所充气体的平均线速度，h为I型流动区间隙，μ为陀螺内部所充气体的粘度，r为陀螺转子或电机转子的半径，常数Rey为流体力学的临界雷诺数，ω为电机转速，δ为II型流动区间隙。 

所有与电机转子周围的I型流动区及II型流动区接触的底座、整流件及电机转子表面(包括圆柱面和端面)的粗糙度需达到0.8级以上，以减小电机转子高速旋转的气体阻尼力矩。特别地，所有与陀螺转子周围的I型流动区及II型流动区接触的陀螺转子组件表面以及与陀螺转子组件对应的整流件表面粗糙度需达到0.4级以上，以减小陀螺转子组件高速旋转时的气体阻尼力矩。 

在陀螺转子组件和永磁电机转子外侧分别套装一组陀螺转子侧温控件和电机转子侧温控件，分区温控件分布在陀螺内部不同区域。陀螺转子侧温控件的加热丝19缠绕在陀螺转子整流件上，热敏电阻4安装在力矩器定子上。电机转 子侧温控件的加热丝16缠绕在电机转子整流件8或者底座上，热敏电阻17均安装在电机定子上。本发明不对温控所分区的个数进行限定，大于等于两个以上分区均可，每区温控可以分布在陀螺内部任意合理区域上，理论上分区个数越多，对提高陀螺仪的性能越有利。 

本发明的工作原理 

在本发明所涉及陀螺仪工作时，若陀螺转子旋转轴与驱动轴之间出现相对偏角，则接头扭杆产生正弹性力矩作用到陀螺转子上，与此同时平衡环将做扭摆运动并产生负弹性力矩来补偿正弹性力矩。传感器感知陀螺转子相对陀螺壳体的转角，并将其转换成对应的交流信号，陀螺外部力矩反馈控制回路将传感器交流信号通过放大、滤波及校正等环节变换成为直流信号，并通入到陀螺力矩器，陀螺力矩器对陀螺转子施加力矩，从而对陀螺转子产生修正和补偿效应。 

本发明所涉及陀螺仪采用对置半球型动压轴承的原理使该轴承对几何失调的敏感度小，球面本身具有自对准性，并且对置半球型轴承工作的姿态角趋于零对于动力调谐陀螺仪具有重要意义。传统动力调谐陀螺仪使用滚珠轴承所带来的振动是造成动力调谐陀螺仪精度误差的主要来源之一。由于动压轴承使用气体润滑的特性，使得动压轴承所产生的振动幅值比滚珠轴承小1～2个数量级，动压轴承动力调谐陀螺仪输出的信号中混有极少与振动相关的杂波信号，避免了与振动相关的干扰信号对陀螺精度产生的不利影响。 

本发明采用整流件实现降噪设计的原理是消除高速旋转部件周围气体的湍流状态，维持相对稳定的层流状态，通过加装整流件来减少随高速旋转部件流动的气体体积，使流动气体的雷诺数小于临界雷诺数。动压马达动力调谐陀螺仪内部气压影响半球动压轴承的承载能力。为了保证半球动压轴承具有一定的承载能力，动压马达动力调谐陀螺仪内部气压比传统动力调谐陀螺仪内部气压高10倍左右。在传统动力调谐陀螺仪的低气压环境下随转子旋转的径向旋转气体的质量较小，径向旋转气体的流态对陀螺仪的精度并未产生较大影响。但在动压马达动力调谐陀螺仪内部较高气压环境下，随转子旋转的径向旋转气体的质量较大，径向旋转气体产生的湍流对动压马达动力调谐陀螺仪的精度产生较大负面影响。径向湍流是动压马达动力调谐陀螺仪输出噪声的主要来源之一。因此采用降噪设计来维持相对稳定的气体层流状态。 

本发明采用整流件实现分区设计的原理是规范轴向和径向气流的流动线路，依据主要部件所处的区域通过借助加装整流件来实现。参考图1中通过借助加装整流件将陀螺整体划分为：①陀螺转子工作区；②气流运动区；③电机 工作区；④温控区；⑤常规部件区(除①、②、③、④以外的区域)等。半球型动压轴承一般在半球上开“泵进型”螺旋槽，使气流由与环境相通的一端向轴承间隙内流动，气流在轴承的光滑面处被截流构成压力升高，引起动压马达动力调谐陀螺仪轴向剖面的旋转气流(参考图1中曲线箭头所示)。若轴向气流由电机一侧沿底座上行至转子一侧，则对陀螺转子产生冲击。轴向气流还会与陀螺转子高速旋转产生的径向气流产生交链，对动压马达动力调谐陀螺仪精度产生消极影响。因此采用分区设计来规范轴向和径向气流的流动线路。 

本发明采用分区温控设计的原理是消除温度场不均匀对陀螺仪精度及性能产生的不利影响。动压马达动力调谐陀螺仪常规启动后电机区域不可避免会产生温升，由于采用分区设计的缘故，阻断了电机区域气流向转子区域的正常流动，造成电机区域和转子区域间存在温度梯度，该温度梯度需要在陀螺工作较长一段时间才能够消除。另一方面，电机的温升首先向底座传导，底座及其上安装的部件由于热膨胀效应产生形位误差，对动压马达动力调谐陀螺仪整体性能也将产生负面影响，因此采用分区温控设计来消除温度场不均匀对陀螺仪精度及性能产生的不利影响。 

Claims (10)

1.一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其总体结构包括永磁电机、差动式电感传感器、动铁式双轴力矩器和多平衡环接头，永磁电机安装在底座上，陀螺转子组件通过多平衡环接头安装在永磁电机轴上，底座将陀螺转子组件和电机分隔于两侧，差动式电感传感器和动铁式双轴力矩器依次安装在陀螺转子组件同侧的底座上，其特征在于：永磁电机采用半球型动压气体轴承。

2.根据权利要求1所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的永磁电机由半球型动压气体轴承、定子、转子、永磁体、外导磁环和内导磁环组成，半球型动压气体轴承由半球、球碗、轴和螺母等组成，两个半球对称设置于球碗内并套装在轴上，半球与球碗之间具有微间隙，球碗和定子通过螺钉固定在陀螺仪的底座上。

3.根据权利要求2所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的电机定子组件外围覆盖特殊材料薄层，该薄层材料为特种塑料或者精密陶瓷或者氧化锆。

4.根据权利要求2所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的永磁电机在外导磁环外侧套装一磁滞环片和一磁滞定子组件，该磁滞环片和磁滞定子组件间具有微间隙。

5.根据权利要求1所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的差动式电感传感器由导磁环、传感器定子组件以及安装底板组成，定子组件由四个磁芯、八个线圈组合件及一块接线板组成，磁芯采用U型结构，直接安装到安装底板上所制的安装槽内，安装底板通过螺钉固定在陀螺仪底座上，安装底板和传感器接线板与陀螺仪底座、球碗之间留有空隙。

6.根据权利要求1所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的动铁式双轴力矩器由永磁辐射环组件及力矩器定子组件组成，永磁辐射环组件由永磁辐射环及热磁补偿片组成，力矩器定子组件主要由陶瓷骨架及四个在陶瓷骨架圆周上均布的线圈组成，同一轴上两个线圈反接串联，力矩器定子组件外围覆盖特殊材料薄层，该薄层材料为特种塑料或者精密陶瓷或者氧化锆。

7.根据权利要求1所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的陀螺转子组件和永磁电机转子外侧分别套装一组陀螺转子组件整流件和电机转子整流件，该陀螺转子组件整流件通过支架安装在底座上或者直接安装在底座上；电机转子整流件通过螺钉固定在底座上或者直接安装到底座上；整流件和支架在圆周上留有用作气体温度交换的通气孔；整流件材料采用1J12、1J50、1J79软磁材料。

8.根据权利要求1所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的陀螺转子组件和永磁电机转子外侧分别套装一组陀螺转子侧温控件和电机转子侧温控件。

9.根据权利要求8所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的陀螺转子侧温控件的加热丝缠绕在陀螺转子组件整流件上，热敏电阻安装在力矩器定子上；电机转子侧温控件的加热丝缠绕在电机转子整流件或者底座上，热敏电阻均安装在电机定子上。

10.根据权利要求1所述的一种高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪，其特征在于：所述的底座上安装外罩。

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