CN103346637B - 一种利用单联轴轴承单元电机组成的挠性陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单联轴轴承单元电机及利用该电机组成的挠性陀螺仪。本发明的单联轴轴承电机主要由高精度联轴轴承与下端轴承组成支承系统，提高了支承系统结构刚度，减小电机运转摩擦力矩，提高了电机旋转轴线的稳定性、旋转精度，减小陀螺仪漂移系数，延长工作寿命；本发明的挠性陀螺仪采用哑铃式对称结构，采用高精度挠性接头支承陀螺转子，整体飞轮、高性能永磁合金组成闭环磁路，优化力矩器结构，减小了电磁干扰力矩，有利于调整转子旋转引起的气隙阻尼力矩，调整漂移系数量值。

Description

一种利用单联轴轴承单元电机组成的挠性陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种电机及利用该电机组成的挠性陀螺仪，尤其涉及一种单联轴轴承单元电机及利用该电机组成的挠性陀螺仪，属于机电一体化技术领域。

背景技术

陀螺电机是挠性陀螺仪中最重要的核心元件，它在很大的程度上也决定陀螺仪的性能：精度，寿命，准备时间，轮廓尺寸，以及一些其它方面的性能。前苏联伊.恩.奥勒劳夫编著的《陀螺仪的电动机设计》一书指出：陀螺仪的精度在很大程度上取决于电机所保障的动量矩值和它的稳定性，同时在陀螺仪表中，陀螺电机的轴承和壳体在陀螺仪中通常拥有最小的刚度，电机自己的质心弹性和非弹性移动有相当大的数量值，因此，陀螺电机也是陀螺仪引起不等刚度最大误差份额的元件。甚至在没有外过载力的条件下，仅按照在陀螺电机的重量、动不平衡度、轴承几何尺寸不精引起的固有振动和电磁振动的作用下，有时，电机不等刚度的力矩引起的误差就有相当大的数量值。低精度陀螺仪的漂移在很大程度上与电机摩擦力矩有关，精密的陀螺仪中，它们的漂移与陀螺电动机不同形式的不平衡、质心移动和消耗功率有极大的关系。

陀螺电机的支承也是陀螺仪表的主要支承。在飞轮高速旋转下，支承保障陀螺电机质心位置稳定。目前获得广泛应用的陀螺电机利用可拆卸的径向-止推滚珠轴承，采取分离式结构，一对轴承背靠背安装在驱动轴上，轴承内圈与驱动轴刚性连接、外圈与仪表底座刚性连接，对于小型化陀螺仪而言往往选用微型轴承，其轴承结构刚度低，驱动轴旋转稳定性差，降低了陀螺仪动量矩稳定性，影响陀螺仪精度，轴承振动噪声大，外过载力通过轴承支承系统传递致挠性支承时放大效应较大，同时影响陀螺仪耐力学环境能力。

挠性动调陀螺仪是两自由度陀螺仪，其转子经挠性支承与电机驱动轴连接，并在电机的驱动下，相对壳体作高速转动。当动调陀螺仪在调谐转速下工作时，挠性接头的弹性恢复力矩可以完全被平衡环振荡运动产生的动力反弹性力矩所抵消。这时陀螺仪转子将稳定在惯性空间，成为不受约束的自由转子。在捷联惯测组合系统应用时，陀螺仪与伺服回路组成闭合系统，在力矩器产生的力矩驱动下，陀螺转子跟踪仪表壳体运动，分别测量沿陀螺仪两输出轴的加矩电流(或经I/F变换为脉冲频率)值，则可分别测得仪表壳体绕相应输入轴相对惯性空间的运动角速度，经捷联解算即可得到运载体的角速度。现有挠性陀螺仪存在功耗大、体积大、重量大的缺点，陀螺仪体积小、精度高、寿命长等要求较难同时满足，陀螺电机振动噪声大，驱动轴旋转稳定性差，耐力学环境能力低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种单联轴轴承单元电机及利用该电机组成的挠性陀螺仪，本发明采用高精度单联轴轴承单元组成支承系统，提高了支承系统结构刚度，减小电机运转摩擦力矩，提高了电机旋转轴线的稳定性、旋转精度，减小陀螺仪漂移系数，延长工作寿命；同时由该电机组成的挠性陀螺仪采用哑铃式对称结构，采用高精度挠性接头支承陀螺转子，整体飞轮、高性能永磁合金组成闭环磁路，优化了力矩器结构，减小了电磁干扰力矩，有利于调整转子旋转引起的气隙阻尼力矩，调整漂移系数量值。

本发明的技术解决方案为：一种单联轴轴承单元电机，由底座、绝缘子、电机定子、电机转子、联轴轴承单元、外轴套、下端轴承、挡板、螺帽、螺母组成，电机转子安装在联轴轴承单元驱动轴末端并通过螺母进行轴向锁紧，电机定子安装在底座上与电机转子相配合，底座上引出绝缘子，挡板安装在联轴轴承单元的上端用于联轴轴承单元的轴向定位，外轴套调整单联轴轴承单元中上端轴承和下端轴承的预紧力，螺帽用于联轴轴承单元与下端轴承的轴向锁紧，所述联轴轴承单元为单联轴轴承单元，包括驱动轴和上端轴承，上端轴承由外圈、滚珠和保持架组成，在驱动轴上加工有轴承滚道和凸台，其中轴承滚道作为上端轴承的内圈，凸台用于对下端轴承进行轴向定位。

一种利用所述单联轴轴承单元电机组成的挠性陀螺仪，包括飞轮、第一磁钢环组件、隔磁环、第二磁钢环组件、导磁环、内挠性支承、外挠性支承、调谐杆、力矩器骨架、力矩器线圈、磁芯、传感器线圈、传感器基座和所述的单联轴轴承单元电机，第一磁钢环组件、隔磁环、第二磁钢环组件、导磁环顺序粘接在飞轮上组成挠性陀螺仪转子部分，内挠性支承与外挠性支承组成挠性接头组件，外挠性支承的上环与飞轮相连接，内挠性支承的下环通过驱动轴与电机转子相连，调谐杆安装在内挠性支承的内部，力矩器线圈粘贴于力矩器骨架上组成力矩器定圈组件，力矩器定圈组件安装在底座上并位于陀螺仪转子内，传感器线圈粘贴在磁芯上，磁芯安装在传感器基座上，传感器基座固定在底座上，传感器线圈与导磁环构成电感式传感器。

所述内挠性支承、外挠性支承采用马氏体时效钢3J33C弹性材料，内挠性支承与外挠性支承通过激光焊方式联结为一个整体。

所述飞轮、隔磁环、导磁环采用1J12软磁材料。

所述第一磁钢环组件与第二磁钢环组件均为双排磁钢结构。

所述力矩器骨架采用陶瓷TSG材料；

所述力矩器骨架在外圆周均匀加工了四个环形凹槽用于安装四组力矩器线圈，法兰盘加工有四个凸台，凸台上均加工有安装孔。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的单联轴轴承电机主要由高精度联轴轴承与下端轴承组成支承系统，提高了支承系统结构刚度，减小电机运转摩擦力矩，提高了电机旋转轴线的稳定性、旋转精度，减小陀螺仪漂移系数，延长工作寿命；

(2)本发明的挠性陀螺仪采用哑铃式对称结构，采用高精度挠性接头支承陀螺转子，整体飞轮、高性能永磁合金组成闭环磁路，优化力矩器结构，减小了电磁干扰力矩，有利于调整转子旋转引起的气隙阻尼力矩，调整漂移系数量值。陀螺仪随机漂移优于0.04(°)/h，陀螺仪漂移系数稳定性优于0.05(°)/h，陀螺仪最大测量范围可达100°/s以上。本发明陀螺仪采用零部件小型化、整体化设计，缩小体积和质量，仪表质量小于360g，实现了仪表结构和电气元件的一体化，具有体积小、重量轻、加工制造方便的优点，可用以检测运动载体的角速度和角度增量，作为运动载体的姿态敏感器件，可以模拟量电压形式和脉冲数形式输出。

附图说明

图1为单联轴轴承单元电机的组成结构图；

图2为联轴轴承单元的结构示意图；

图3为分离式轴承单元的结构示意图；

图4为本发明挠性陀螺仪的组成结构图；

图5为本发明陀螺仪挠性接头组件的组成结构图；

图6为内挠性支承的结构示意图；

图7为外挠性支承的结构示意图；

图8为陀螺仪力矩器组件的结构示意图；

图9为陀螺仪力矩器骨架的结构示意图；

图10为陀螺仪力矩器骨架的结构侧视图；

图11为飞轮组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

挠性动调陀螺仪漂移误差表达式见(1)式：

ω＝M/H…………………………………………(1)

式(1)中:ω—陀螺仪漂移误差；

M—作用在陀螺仪上的干扰力矩；

H—陀螺仪角动量。

其中陀螺仪角动量H表达式见(2)式：

H＝C×N…………………………………………(2)

式(2)中:C—陀螺仪转动惯量；

N—陀螺仪转子转动速度。

因此要提高陀螺仪精度，减小陀螺仪漂移误差ω，可以从两方面着手进行，一是减小干扰力矩M，二是提高陀螺仪角动量H，本发明小型化高精度挠性陀螺仪采取的技术解决方案如下：

(1)研制单联轴轴承单元电机，电机极对数为2，电机转速提高至15000转/分钟，提高陀螺仪转动惯量H，达到150g.cm以上。

(2)研制高精度单联轴轴承单元组成支承系统，采取轴与内圈一体的单联轴轴承单元，提高轴的结构刚度，轴承对的预紧力采用定力方式施加，提高支承系统结构刚度，减小电机质心移动，提高轴承精度，减小电机摩擦力矩，减小陀螺仪随机漂移，提高漂移系数稳定性。

(3)小型化高精度挠性陀螺仪采用组合式挠性支承，内、外挠性支承通过激光焊方式联结为一个整体，提高内、外挠性支承加工精度，保证四个细颈在同一个平面，组合时内、外挠性支承选配，保证四对细颈的共面度，可以有效地减小陀螺仪正交漂移系数，提高陀螺仪动态性能。

(4)陀螺仪飞轮、隔磁环、导磁环采用1J12软磁材料作为磁路导体，增加飞轮径向厚度，第一磁钢环组件、第二磁钢环组件为双排磁钢结构，通过隔磁环分离，两磁钢环组件磁场极性相反，可以提高主气隙磁场密度，同时减小飞轮组件外周漏磁，减小电磁干扰力矩，以减小陀螺仪常值漂移系数；

(5)陀螺仪力矩器骨架采用可加工陶瓷TSG材料，材料热膨胀系数小，提高了尺寸稳定性。力矩器骨架安装法兰盘采用四个安装凸台，便于在底座的安装，四个安装螺钉可调整力矩器外圆与飞轮腔体的间隙，达到调整陀螺仪常值漂移误差的目的。

如图1所示，一种单联轴轴承单元电机由底座15、绝缘子16、电机定子17、电机转子18、联轴轴承单元19、外轴套20、下端轴承21、挡板22、螺帽23、螺母24组成，该电机为小型化磁滞电机。电机定子17铁芯采用电工钢片叠制，36个凹槽沿圆周径向均布，定子绕组漆包线线径Φ0.18mm，电机定子17采用胶粘方式安装于底座15；电机转子18的衬套采用钛合金，结构轻量化设计，端面有12个螺钉孔，用于安装调整螺钉达到动平衡精度，电机转子18的磁钢片采用磁滞合金2J4Y，电机转子18安装于驱动轴101的末端，通过螺母24进行轴向锁紧；底座15上通过玻璃烧结方式引出24个径向绝缘子，绝缘子16将陀螺仪电机信号线引出；电机支承系统采用单联轴轴承单元，一对轴承背靠背安装，单联轴轴承单元电机转速为15000转/分钟，电机工作电流小于0.1A，同步时间小于15min，振动噪声低于0.1g，动不平衡度低于0.1μm。电机装配后进行预跑合，跑合时间192小时，跑合后进行振动应力筛选，反力矩曲线测试，剔除早期失效电机，提高电机稳定运转性能。

如图2所示，联轴轴承单元19采用单联轴轴承单元，由驱动轴101、轴承外圈102、滚珠103、保持架104、滚道105、凸台106组成，单联轴轴承单元将滚道105做在了驱动轴101上，驱动轴101采用甲组轴承钢制造，为空心结构，驱动轴101上端铣扁，下端为螺纹，便于装配，单联轴轴承单元SN729\LZ\P4提高了轴承精度要求，提高了内套圈滚道对端面的平行度Si、外套圈滚道对端面的平行度Se、滚道的形状误差(Wt)、外圈径向跳动Kea、内圈径向跳动Kia、内圈内孔平均内径变动量Vdmp、外圈外径平均变动量VDmp等精度指标要求，提高了配对的一对轴承接触角相互差值要求，滚珠103等级提高为G5，粒间差减小为0.2μm。此种结构形式提高了轴承结构刚度，提高了轴承精度，减小轴承摩擦力矩，提高陀螺仪转子运转性能，减小陀螺仪随机漂移。

如图3所示，分离式轴承串由轴201、上端轴承202、外轴套203、内轴套204、下端轴承205组成，对比两种结构形式，单联轴轴承单元电机轴承串中将内轴套做在了驱动轴上，减少了联结环节，轴承串采取定力的方式施加预紧力，通过挡板22、螺帽23进行轴向锁紧定位，调整外轴套20长度可以调整预紧力量值，采取在轴承串上悬挂砝码测量刚度变形量的方式检测预紧力大小。

如图4所示，利用上述单联轴轴承单元电机组成的挠性陀螺仪为哑铃式结构，主要由上盖1、飞轮2、第一磁钢环组件3、隔磁环4、第二磁钢环组件5、导磁环6、内挠性支承7、外挠性支承8、调谐杆9、力矩器骨架10、力矩器线圈11、磁芯12、传感器线圈13、传感器基座14、底座15、绝缘子16、电机定子17、电机转子18、上端单联轴轴承单元19、外轴套20、下端轴承21、挡板22、螺帽23、螺母24、后盖25、输出插座26、静平衡螺帽27等组成，底座15将动调陀螺仪分为电机驱动部分和陀螺仪转子部分，其中第一磁钢环组件3、隔磁环4、第二磁钢环组件5、导磁环6顺序粘接在飞轮2上组成陀螺仪转子部分，内挠性支承7、外挠性支承8通过激光焊接组成挠性接头组件，外挠性支承8的上环801与飞轮2相连接，内挠性支承7的下环703通过驱动轴101与电机转子18相连，调谐杆9安装在内挠性支承7的内部，力矩器线圈11粘贴于力矩器骨架10上组成力矩器组件并位于陀螺仪转子内，力矩器组件通过四个螺钉安装固定在底座15上，传感器线圈13粘贴于磁芯12上，磁芯12安装于传感器基座，传感器基座通过四个螺钉安装固定在底座15上，传感器线圈13与导磁环6构成电感式传感器，挡板21、上端单联轴轴承单元19、外轴套20、下端轴承21、固定于底座15和驱动轴101之间构成驱动轴101的支撑机构，电机转子18通过螺母24固定安装在驱动轴101一端带动驱动轴101转动，电机定子17固定在底座15上，绝缘子16用于将力矩器组件、电感式传感器和电机信号线引出。电感式传感器测量出陀螺仪转子的偏转角信号，此信号经前置放大器、伺服回路放大解调后输给力矩器线圈13，力矩器组件与陀螺仪转子上的第一磁钢环组件3、第二磁钢环组件5组成永磁动铁式力矩器，可对陀螺施加必要的控制力矩。

如图5、6所示，陀螺仪挠性接头组件由内挠性支承7、外挠性支承8组成。内挠性支承由上环701、平衡环702、下环703、细颈704组成，其中4对细颈704通过8个圆孔加工形成，与轴线平行。如图7所示，外挠性支承由上环801、平衡环802、下环803、细颈804组成，其中4对细颈804通过8个圆孔加工形成，与轴线垂直。挠性接头组件通过激光焊接的方式将内挠性支承上环701、外挠性支承上环801组合在一起，将内挠性支承下环703、外挠性支承下环803组合在一起，使其成为一个整体，其中4对内挠性支承细颈704与外挠性支承细颈804互相对准正交，共同支承陀螺转子，使转子相对驱动轴101具有两个转动自由度。调谐杆9用于调整内挠性支承平衡环702、外挠性支承平衡环802的极转动惯量与赤道转动惯量，以达到调谐的目的，当动调陀螺仪在调谐转速下工作时，挠性接头的弹性恢复力矩可以完全被平衡环振荡运动产生的动力反弹性力矩所抵消。这时陀螺仪转子将稳定在惯性空间，成为不受约束的自由转子。

如图8、9、10所示，陀螺仪力矩器组件由力矩器骨架10、力矩器线圈11组成，力矩器骨架10采用可加工陶瓷TSG材料，尺寸稳定性好，力矩器骨架10在外圆加工了4处环形凹槽301用于安装4组线圈11，法兰盘303有四处凸台304～306，四处安装凸台在圆周方向90°均布，凸台上有安装孔302，通过四个安装螺钉将力矩器定圈组件安装在底座15上，调整安装孔302与螺钉间隙，可以调整组件外圆与陀螺仪转子气隙，当转子高速旋转时可改变气隙阻尼力矩，减小陀螺仪常值漂移误差。

如图11所示，飞轮组件由飞轮2、第一磁钢环组件3、隔磁环4、第二磁钢环组件5、导磁环6组成，飞轮2、隔磁环4、导磁环5采用软磁材料1J12制作，增大飞轮径向厚度，扩大导磁通路，第一磁钢环组件3、第二磁钢环组件5各由六块扇形磁钢拼装成磁环，采用低温度系数2：17钐钴磁钢GYROS28材料，径向充磁。两个磁环磁场极性相反，与导磁环5可以形成良好磁路，以减小漏磁小于5Gs，减小电磁干扰力矩，减小常值漂移系数。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种利用单联轴轴承单元电机组成的挠性陀螺仪，其特征在于：包括飞轮(2)、第一磁钢环组件(3)、隔磁环(4)、第二磁钢环组件(5)、导磁环(6)、内挠性支承(7)、外挠性支承(8)、调谐杆(9)、力矩器骨架(10)、力矩器线圈(11)、磁芯(12)、传感器线圈(13)、传感器基座(14)和所述的单联轴轴承单元电机，第一磁钢环组件(3)、隔磁环(4)、第二磁钢环组件(5)、导磁环(6)顺序粘接在飞轮(2)上组成挠性陀螺仪转子部分，内挠性支承(7)与外挠性支承(8)组成挠性接头组件，外挠性支承(8)的上环(801)与飞轮(2)相连接，内挠性支承(7)的下环(703)通过驱动轴(101)与电机转子(18)相连，调谐杆(9)安装在内挠性支承(7)的内部，力矩器线圈(11)粘贴于力矩器骨架(10)上组成力矩器定圈组件，力矩器定圈组件安装在底座(15)上并位于陀螺仪转子内，传感器线圈(13)粘贴在磁芯(12)上，磁芯(12)安装在传感器基座(14)上，传感器基座(14)固定在底座(15)上，传感器线圈(13)与导磁环(6)构成电感式传感器；

所述单联轴轴承单元电机由底座(15)、绝缘子(16)、电机定子(17)、电机转子(18)、联轴轴承单元(19)、外轴套(20)、下端轴承(21)、挡板(22)、螺帽(23)、螺母(24)组成，电机转子(18)安装在联轴轴承单元(19)驱动轴末端并通过螺母(24)进行轴向锁紧，电机定子(17)安装在底座(15)上与电机转子(18)相配合，底座(15)上引出绝缘子(16)，挡板(22)安装在联轴轴承单元(19)的上端用于联轴轴承单元(19)的轴向定位，外轴套(20)调整单联轴轴承单元(19)中上端轴承和下端轴承(21)的预紧力，螺帽(23)用于联轴轴承单元(19)与下端轴承(21)的轴向锁紧，联轴轴承单元(19)为单联轴轴承单元，包括驱动轴(101)和上端轴承，上端轴承由外圈(102)、滚珠(103)和保持架(104)组成，在驱动轴(101)上加工有轴承滚道(105)和凸台(106)，其中轴承滚道(105)作为上端轴承的内圈，凸台(106)用于对下端轴承(21)进行轴向定位；

所述第一磁钢环组件(3)与第二磁钢环组件(5)均为双排磁钢结构。

2.根据权利要求1所述的挠性陀螺仪，其特征在于：所述内挠性支承(7)、外挠性支承(8)采用马氏体时效钢3J33C弹性材料，内挠性支承(7)与外挠性支承(8)通过激光焊方式联结为一个整体。

3.根据权利要求1所述的挠性陀螺仪，其特征在于：所述飞轮(2)、隔磁环(4)、导磁环(6)采用1J12软磁材料。

4.根据权利要求1所述的挠性陀螺仪，其特征在于：所述力矩器骨架(10)采用陶瓷TSG材料。

5.根据权利要求4所述的挠性陀螺仪，其特征在于：所述力矩器骨架(10)在外圆周均匀加工了四个环形凹槽(301)用于安装四组力矩器线圈(11)，法兰盘(303)加工有四个凸台(304～306)，凸台(304～306)上均加工有安装孔(302)。