CN104038009A - 一种混合磁路力矩器及利用该力矩器构成的挠性陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合磁路力矩器及利用该力矩器构成的挠性陀螺仪。本发明的混合磁路力矩器采用三排磁钢混合磁路力矩器，三排永久磁钢环组成力矩器动圈部分，与飞轮转子固接高速旋转，力矩器定圈与传感器组合在一起，固定在陀螺壳体，提高了工作气隙磁场的磁密B_δ，提高了陀螺仪力矩系数，使陀螺仪最大跟踪角速率达到600°/s以上。采用混合磁路力矩器的挠性陀螺仪通过合理设置电机转速，降低了陀螺仪角动量H，陀螺电机选用低摩擦力矩轴承C2206094JK，降低摩擦力矩，减小定、转子间工作间隙，合理选择工作点，尽力增大驱动电机的启动力矩，使陀螺仪同步时间小于5s，当采用高压启动低压运行时陀螺仪同步时间减小为2s，实现工作快速性要求。

Description

一种混合磁路力矩器及利用该力矩器构成的挠性陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种混合磁路力矩器及利用该力矩器构成的挠性陀螺仪，尤其涉及一种三排磁钢混合磁路混合磁路力矩器及利用该力矩器组成的小型化大动态挠性陀螺仪，属于机电一体化技术领域。

背景技术

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，陀螺仪将来自传感器的信号经放大回路产生电流流入力矩器线圈，通电线圈在转子磁场中产生电磁力，并产生电磁力矩，根据作用与反作用的原理，电磁力矩将作用到陀螺转子上，使陀螺实现预期进动。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。

通常力矩器在挠性陀螺仪中有以下作用:①对陀螺加矩，使陀螺按要求进动；②施加陀螺所需要的修正及补偿力矩，抵消有害力矩，实现对陀螺常值漂移的补偿；③在捷联系统中的动调陀螺，力矩器应产生足够大的力矩，使陀螺转子与壳体在工作过程中，始终保持相互位置不变，即使陀螺仪传感器的输出处于零位；④通过测量输入到力矩器中的电流，可以精确计算陀螺仪的各种误差及漂移。从以上几点作用可以清楚看出，力矩器在挠性陀螺仪中是十分重要的，尤其是捷联用陀螺仪更为突出。

挠性陀螺仪对力矩器的要求：①为实现陀螺仪最大测量范围，力矩系数k_M应尽可能大；②力矩系数k_M的高稳定性，随时间、温度和其它环境条件的变化尽可能小；③力矩系数k_M的高对称性，正反力矩系数尽可能一致；④力矩系数k_M的高线性度。如图1所示，现有力矩器采用两组径向充磁磁钢环，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，两个磁环磁场极性相反，与导磁环5可以形成磁路，但该结构使得挠性陀螺仪力矩系数k_M较小，动态测量范围约±200°/s，大动态时线性度精度低于1×10^-3，大动态与高精度难以兼顾；陀螺仪电机启动时间10s以上，陀螺仪稳定时间需1h，难以满足运动载体快速使用要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种混合磁路力矩器及利用该力矩器构成的挠性陀螺仪，本发明采用混合磁路力矩器，提高工作气隙磁场的磁密B_δ，提高陀螺仪力矩系数，使利用该混合磁路力矩器构成的挠性陀螺仪最大跟踪角速率达到600°/s以上；挠性陀螺仪同步时间小于5s，当采用高压启动低压运行时陀螺仪同步时间减小为2s，实现工作快速性要求。

本发明的技术解决方案为：一种混合磁路力矩器，包括第一磁钢环组件、隔磁环、第二磁钢环组件、第三磁钢环组件、第一热磁补偿片、第二热磁补偿片、加强套、力矩器骨架和力矩器线圈，隔磁环和第二磁钢环组件设置在第一磁钢环组件和第三磁钢环组件之间，在第一磁钢环组件和第三磁钢环组件外部分别安装第一热磁补偿片和第二热磁补偿片，在第一磁钢环组件、第二磁钢环组件、第三磁钢环组件)、第一热磁补偿片和第二热磁补偿片组成的结构上安装加强套，第一磁钢环组件、隔磁环、第二磁钢环组件、第三磁钢环组件、第一热磁补偿片和第二热磁补偿片通过高强度胶粘接在飞轮上构成力矩器混合闭环磁路，力矩器线圈通过胶粘在力矩器骨架上构成力矩器定圈部分；其中第一磁钢环组件由12块扇形磁钢拼装形成第一组磁环并径向充磁，第二磁钢环组件由6块扇形磁钢拼装形成第二组磁环并轴向充磁，第三磁钢环组件由12块扇形磁钢拼装形成第三组磁环并径向充磁，第一磁钢环组件与第三磁钢环组件两个磁环的磁场极性相反，三组磁钢环组件组成混合磁路。

第一磁钢环组件、第二磁钢环组件和第三磁钢环组件均采用高磁能积钐钴磁钢GYROS30材料，磁能积水平最高为29～30MGOe。

第一热磁补偿片和第二热磁补偿片采用磁温度补偿合金1J32材料。

力矩器线圈采用耐高温自粘漆包线，耐温等级超过250℃，力矩器骨架采用氮化铝陶瓷材料。

一种利用权利要求1所述混合磁路力矩器组成的挠性陀螺仪，包括飞轮、内挠性支承、外挠性支承、调谐杆、导磁环、磁芯、传感器线圈、传感器基座、底座、挡板、端环、电机定子、磁钢片、电机转子衬套、调整螺钉和所述的混合磁路力矩器，混合磁路力矩器中的混合闭环磁路、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衬套相连，调谐杆安装在内挠性支承的内部，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，挡板、上轴承、内轴套、外轴套、下轴承固定在底座和驱动轴之间构成驱动轴的支撑机构，电机转子衬套通过螺帽固定安装在驱动轴一端带动驱动轴转动，电机定子固定在底座上，绝缘子用于将混合磁路力矩器组件、电感式传感器和电机信号线引出。

端环、磁钢片、电机转子衬套和调整螺钉组成电机转子组件，与电机定子组成磁滞电机，驱动电机极对数为4，上轴承、下轴承采用微型低摩擦力矩轴承C2206094JK，电机转子组件通过在电机转子衬套上12个螺钉孔中放置调整螺钉调整电机转子动平衡，磁钢片采用磁滞合金2J4Y，电机定子(23)与电机转子组件单边间隙0.07mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明研制的混合磁路力矩器，飞轮组件中两组充磁磁钢(Ⅰ)、(Ⅱ)组成径向充磁磁环，中间增加一组轴向充磁磁环(Ⅲ)，相对于原来两组径向充磁磁钢环，三组磁钢环混合磁路提高了磁路的工作效率，降低了磁路分布的不均匀性，改善了磁路局部过饱和现象，减小了漏磁率，从而有效降低陀螺力矩器漏磁干扰力矩的影响，直接减小了陀螺常值漂移系数的大小，并提高其逐次稳定性精度，同时也使得力矩器的力矩系数有效提高，解决了大动态、高精度的设计难题。

(2)本发明的混合磁路力矩器采用热磁补偿技术，采用磁温度补偿合金1J32材料，降低磁场温度系数，使其小于2×10^-4/℃。

(3)采用混合磁路力矩器的挠性陀螺仪通过合理设置电机转速，降低了陀螺仪角动量H，陀螺电机选用低摩擦力矩轴承C2206094JK，降低摩擦力矩，减小定、转子间工作间隙，合理选择工作点，尽力增大驱动电机的启动力矩，使陀螺仪同步时间小于5s，当采用高压启动低压运行时陀螺仪同步时间减小为2s，实现工作快速性要求。

附图说明

图1为现有力矩器两排磁钢动圈结构示意图；

图2为本发明力矩器三排磁钢动圈结构示意图；

图3为本发明混合磁路三排磁钢环极性示意图；

图4为第一磁钢环组件的剖面图；

图5为第二磁钢环组件的剖面图；

图6为第三磁钢环组件的剖面图；

图7为陀螺仪力矩器定圈俯视剖面图；

图8为本发明陀螺仪结构示意图；

图9为陀螺仪电机定子叠片的立体示意图；

图10为陀螺仪电机转子的立体正面示意图；

图11为陀螺仪电机转子的立体反面示意图。

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。

根据挠性陀螺仪进动原理，陀螺仪跟踪角速率ω为:

ω＝M/H……………………………………………(1)

式(1)中:M—力矩器产生的电磁控制力矩:

H—陀螺仪角动量；

ω—跟踪角速率。

为提高陀螺仪跟踪角速率ω，达到大动态测量范围，可以从两方面着手进行，一是提高力矩器电磁力矩M，二是减小陀螺仪角动量H。其中电磁力矩M与线圈电流之间的关系为:

M_电＝k_M.i…………………………………………(2)

式(2)中:M_电—通电线圈在磁场中受力而产生的电磁力矩；

i—流入力矩器的电流:

k_M—力矩系数。

其中陀螺仪角动量H表达式为：

H＝C×N…………………………………………(3)

式(3)中:C—陀螺仪转动惯量；

N—陀螺仪转子转动速度。

因此为提高陀螺仪跟踪角速率ω，可以减小陀螺仪转子转动速度N，减小陀螺仪角动量H，提高陀螺仪力矩系数k_M，其中k_M表达式为：

k_M＝0.102σ₀×λ₀×r_ep×L×B_δ×W×10^-3………(4)

式(4)中：σ₀—有效工作边数；

λ₀—力矩器圆弧系数；

r_ep—力矩半径；

L—线圈有效边长；

B_δ—工作气隙磁密；

W—线圈匝数，

在陀螺仪小型化前提下，通过提高飞轮工作气隙磁密B_δ，及力矩器线圈匝数W，可以达到提高力矩系数k_M的目的。

因此要提高陀螺仪测量范围，提高陀螺仪跟踪速率ω，可以从二个方面着手进行，一是减小陀螺仪转子转动速度N，减小陀螺仪角动量H；二是提高飞轮工作气隙磁密Bδ，增加力矩器线圈匝数W，提高标度系数k_M，本发明混合磁路力矩器及小型化大动态挠性陀螺仪的技术解决方案如下：

(1)研制混合磁路力矩器，飞轮组件中两组径向充磁磁钢(Ⅰ)、(Ⅱ)组成磁环，中间增加一组轴向充磁磁环(Ⅲ)，相对于原来两组径向充磁磁钢环，三组磁钢环混合磁路提高了磁路的工作效率，降低了磁路分布的不均匀性，改善了磁路局部过饱和现象，减小了漏磁率，从而有效降低陀螺力矩器漏磁干扰力矩的影响，直接减小了陀螺常值漂移系数的大小，并提高其逐次稳定性精度，同时也使得力矩器的力矩系数有效提高，解决了大动态、高精度的设计难题。

(2)混合磁路力矩器采用热磁补偿技术，采用磁温度补偿合金1J32材料，降低磁场温度系数，使其小于2×10^-4/℃。

(3)混合磁路力矩器增加线圈匝数，设置为220匝，分为两组使用，陀螺仪力矩系数达到1000(g.cm)/A，相对一种单联轴轴承单元电机及利用该电机组成挠性陀螺仪的力矩器提高1倍以上，使用耐高温自粘漆包线，耐温等级为250℃以上；力矩器骨架使用氮化铝陶瓷材料,此材料的导热系数为80～100W/m.K，对陀螺大速率工作时局部温度集中有一定效果。

(4)采用混合磁路力矩器的挠性陀螺仪通过合理设置电机转速，降低了陀螺仪角动量H，陀螺电机选用低摩擦力矩轴承C2206094JK，降低摩擦力矩，减小定、转子间工作间隙，合理选择工作点，尽力增大驱动电机的启动力矩，使陀螺仪同步时间小于5s，当采用高压启动低压运行时陀螺仪同步时间减小为2s，实现工作快速性要求。

如图2、3所示，本发明的混合磁路力矩器包括第一磁钢环组件5、隔磁环6、第二磁钢环组件7、第三磁钢环组件8、第一热磁补偿片3、第二热磁补偿片9、加强套4、力矩器骨架15和力矩器线圈14，隔磁环6和第二磁钢环组件7设置在第一磁钢环组件5和第三磁钢环组件8之间，在第一磁钢环组件5和第三磁钢环组件8外部分别安装第一热磁补偿片3和第二热磁补偿片9，在第一磁钢环组件5、第二磁钢环组件7、第三磁钢环组件8、第一热磁补偿片3和第二热磁补偿片9组成的结构上安装加强套4，第一磁钢环组件5、隔磁环6、第二磁钢环组件7、第三磁钢环组件8、第一热磁补偿片3和第二热磁补偿片9通过高强度胶粘接在飞轮2上构成力矩器混合闭环磁路，力矩器线圈14通过胶粘在力矩器骨架15上构成力矩器定圈部分；如图4所示，其中第一磁钢环组件5由12块扇形磁钢501～5012拼装形成第一组磁环并径向充磁，如图5所示，第二磁钢环组件7由6块扇形磁钢701～706拼装形成第二组磁环并轴向充磁，如图6所示，第三磁钢环组件8由12块扇形磁钢801～8012拼装形成第三组磁环并径向充磁，第一磁钢环组件5与第三磁钢环组件8两个磁环的磁场极性相反，三组磁钢环组件组成混合磁路。陀螺转子带动其一起高速旋转，磁钢环与飞轮2间气隙形成力矩器主工作气隙，飞轮2与导磁环10形成磁力线闭环通路。

如图4所示，混合磁路力矩器中第一磁钢环组件5由12块扇形磁钢501～(5012)拼装成磁环，磁钢径向充磁，外圆磁场为N级，内孔磁场为S级。

如图5所示，混合磁路力矩器中第二磁钢环组件7由6块扇形磁钢701～(706)拼装成磁环，磁钢轴向充磁。

如图6所示，混合磁路力矩器中第三磁钢环组件8由12块扇形磁钢801～8012拼装成磁环，磁钢径向充磁，外圆磁场为S级，内孔磁场为N级。

对比单联轴轴承单元电机组成的挠性陀螺仪其力矩器动圈由两组磁钢环组成，对比两种结构形式，混合磁路力矩器增加了一组轴向充磁磁钢环，并且三组磁钢环通过一个加强套组成一个整体，利于整机装配，此种结构提高了工作气隙磁密B_δ，减小了飞轮漏磁。陀螺仪力矩器定圈15与传感器基座19通过在安装面涂抹高强度胶组合为一个整体，通过传感器基座四个安装孔固定在底座20上，力矩器测量轴与传感器输出轴对准通过工艺销钉定位，使其重合，与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力矩器定圈直接安装在底座上的结构形式相比更紧凑，陀螺仪整表调试更方便。

如图7所示，力矩器定圈中四个力矩器线圈1401～1404通过胶依次粘接在力矩器骨架15上，与传感器基座19固定，伸入飞轮2腔体，线圈1401～1403组成力矩器一个测量轴，线圈1402～1404组成力矩器另一个测量轴。

如图8所示，利用上述混合磁路力矩器组成的挠性陀螺仪为哑铃式结构，包括上盖1、飞轮2、内挠性支承11、外挠性支承12、调谐杆13、导磁环10、磁芯17、传感器线圈18、传感器基座19、底座20、挡板21、端环22、电机定子23、磁钢片24、电机转子衬套25、调整螺钉26和所述的混合磁路力矩器，混合磁路力矩器中的混合闭环磁路、导磁环10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11与外挠性支承12组成挠性接头组件，外挠性支承12的上环与飞轮2相连接，内挠性支承11的下环通过驱动轴32与电机转子衬套25相连，调谐杆13安装在内挠性支承11的内部，传感器线圈18粘贴在磁芯17上，磁芯17安装在传感器基座19上，传感器基座19固定在底座20上，传感器线圈18与导磁环10构成电感式传感器，挡板21、上轴承28、内轴套30、外轴套29、下轴承31固定在底座20和驱动轴32之间构成驱动轴32的支撑机构，电机转子衬套25通过螺帽34固定安装在驱动轴32一端带动驱动轴32转动，电机定子23固定在底座20上，绝缘子27用于将混合磁路力矩器组件、电感式传感器和电机信号线引出。35为后盖，33为锁紧轴系的螺母。

陀螺仪挠性接头组件由内挠性支承、外挠性支承组成。内挠性支承由上环、平衡环、下环、细颈组成，其中4对细颈通过8个圆孔加工形成，与轴线平行。外挠性支承由上环、平衡环、下环、细颈组成，其中4对细颈通过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、外挠性支承上环组合在一起，将内挠性支承下环、外挠性支承下环组合在一起，使其成为一个整体，其中4对内挠性支承细颈与外挠性支承细颈互相对准正交，共同支承陀螺转子，使转子相对驱动轴具有两个转动自由度。调谐杆13用于调整内挠性支承平衡环、外挠性支承平衡环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9所示，陀螺仪电机定子由定子叠片组成，在圆周均匀分布36个槽口，用于定子线圈下线。如图10、11所示，陀螺仪电机转子由端环22、磁钢片24、电机转子衬套25组成，磁钢片24通过胶叠压为一个圆环，套入电机转子衬套25，通过端环22压紧固定，电机转子端面均匀分布12个螺纹孔，通过将调整螺钉拧入孔内，精确调整转子动平衡。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种混合磁路力矩器，其特征在于：包括第一磁钢环组件(5)、隔磁环(6)、第二磁钢环组件(7)、第三磁钢环组件(8)、第一热磁补偿片(3)、第二热磁补偿片(9)、加强套(4)、力矩器骨架(15)和力矩器线圈(14)，隔磁环(6)和第二磁钢环组件(7)设置在第一磁钢环组件(5)和第三磁钢环组件(8)之间，在第一磁钢环组件(5)和第三磁钢环组件(8)外部分别安装第一热磁补偿片(3)和第二热磁补偿片(9)，在第一磁钢环组件(5)、第二磁钢环组件(7)、第三磁钢环组件(8)、第一热磁补偿片(3)和第二热磁补偿片(9)组成的结构上安装加强套(4)，第一磁钢环组件(5)、隔磁环(6)、第二磁钢环组件(7)、第三磁钢环组件(8)、第一热磁补偿片(3)和第二热磁补偿片(9)通过高强度胶粘接在飞轮(2)上构成力矩器混合闭环磁路，力矩器线圈(14)通过胶粘在力矩器骨架(15)上构成力矩器定圈部分；其中第一磁钢环组件(5)由12块扇形磁钢(501～5012)拼装形成第一组磁环并径向充磁，第二磁钢环组件(7)由6块扇形磁钢(701～706)拼装形成第二组磁环并轴向充磁，第三磁钢环组件(8)由12块扇形磁钢(801～8012)拼装形成第三组磁环并径向充磁，第一磁钢环组件(5)与第三磁钢环组件(8)两个磁环的磁场极性相反，三组磁钢环组件组成混合磁路。

2.根据权利要求1所述一种混合磁路力矩器，其特征在于：所述第一磁钢环组件(5)、第二磁钢环组件(7)和第三磁钢环组件(8)均采用高磁能积钐钴磁钢GYROS30材料，磁能积水平最高为29～30MGOe。

3.根据权利要求1所述一种混合磁路力矩器，其特征在于：所述第一热磁补偿片(3)和第二热磁补偿片(9)采用磁温度补偿合金1J32材料。

4.根据权利要求1所述一种混合磁路力矩器，其特征在于：所述力矩器线圈采用耐高温自粘漆包线，耐温等级超过250℃，力矩器骨架(15)采用氮化铝陶瓷材料。

5.一种利用权利要求1所述混合磁路力矩器组成的挠性陀螺仪，其特征在于：包括飞轮(2)、内挠性支承(11)、外挠性支承(12)、调谐杆(13)、导磁环(10)、磁芯(17)、传感器线圈(18)、传感器基座(19)、底座(20)、挡板(21)、端环(22)、电机定子(23)、磁钢片(24)、电机转子衬套(25)、调整螺钉(26)和所述的混合磁路力矩器，混合磁路力矩器中的混合闭环磁路、导磁环(10)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(11)与外挠性支承(12)组成挠性接头组件，外挠性支承(12)的上环与飞轮(2)相连接，内挠性支承(11)的下环通过驱动轴(32)与电机转子衬套(25)相连，调谐杆(13)安装在内挠性支承(11)的内部，传感器线圈(18)粘贴在磁芯(17)上，磁芯(17)安装在传感器基座(19)上，传感器基座(19)固定在底座(20)上，传感器线圈(18)与导磁环(10)构成电感式传感器，挡板(21)、上轴承(28)、内轴套(30)、外轴套(29)、下轴承(31)固定在底座(20)和驱动轴(32)之间构成驱动轴(32)的支撑机构，电机转子衬套(25)通过螺帽(34)固定安装在驱动轴(32)一端带动驱动轴(32)转动，电机定子(23)固定在底座(20)上，绝缘子(27)用于将混合磁路力矩器组件、电感式传感器和电机信号线引出。

6.根据权利要求5所述的挠性陀螺仪，其特征在于：端环(22)、磁钢片(24)、电机转子衬套(25)和调整螺钉(26)组成电机转子组件，与电机定子(23)组成磁滞电机，驱动电机极对数为4，上轴承(28)、下轴承(31)采用微型低摩擦力矩轴承C2206094JK，电机转子组件通过在电机转子衬套(25)上12个螺钉孔中放置调整螺钉(26)调整电机转子动平衡，磁钢片采用磁滞合金2J4Y，电机定子(23)与电机转子组件单边间隙0.07mm。