CN108036782B - 球形对称陀螺 - Google Patents

Abstract

提供一种球形对称陀螺，具有陀螺电机，与陀螺电机关联的陀螺内环组件和陀螺外环组件，以陀螺电机为中心对称安装的球形力矩器和球形角度传感器，且陀螺电机、陀螺内环组件、陀螺外环组件、力矩器和角度传感器均组装于封闭的壳体内，所述陀螺电机为球形对称，并组装于与其呈同球心不同直径呈球形对称的陀螺房内；与陀螺房和陀螺电机同球心，由内向外设置有与陀螺房和陀螺电机呈同一同球心不同直径球形对称结构双轴式的力矩器、差动式的角度传感器和壳体。本发明通过将陀螺总体结构采用更为紧凑的球形对称结构设计，来最大限地地缩小转子陀螺整体以及沿陀螺电机轴向各部件的安装间隙，满足转子陀螺小型化、轻量化、高精度高性价比的市场需求，填补国内市场技术空白。

Description

球形对称陀螺

技术领域

本发明属应用惯性导航与控制技术惯性元器件转子陀螺技术领域，具体涉及一种球形对称陀螺。

背景技术

该小型转子陀螺是某型导弹的配套产品，其安装在导弹导引头的双轴稳定平台上，利用陀螺的定轴性和进动性来稳定并控制双轴稳定平台，为雷达导引头测角系统提供精准的惯性参考基准，从而使导弹能准确捕捉、跟踪空中的动态目标。现有技术下，三自由度小型转子陀螺由如图1所示的陀螺电机(a)、陀螺内环组件(b)、陀螺外环组件(c)、永磁式力矩发生器(d)、角度传感器(e)和壳体(f)组成。其中，以传统柱形的微型陀螺电机为中心，同样为传统构型的力矩发生器和角度传感器分别沿陀螺电机主轴轴向对称呈空间柱形分布设置，并安装于沿陀螺电机主轴轴向延伸的圆柱形壳体内，致使该型转子陀螺沿陀螺电机主轴轴向存在过多空间余量。因此，如何从改进传统构型的陀螺外形和陀螺内各组成部件构型入手，在保证陀螺使用性能的前提下，通过对陀螺主要组成部件构型的改进来进一步优化并整合陀螺整体以及内部组装结构空间，优化且改变转子陀螺外形结构，实现其质量和体积的小型化轻量化设计，是亟待解决的技术问题，现提出如下技术方案。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种球形对称陀螺，通过将小型转子陀螺陀螺房、力矩器、角度传感器、陀螺电机和壳体构型改进为结构更为紧凑同心不同直径的空间球形对称结构布置，在保证小型转子陀螺高精度使用性能的基础上，满足了该型陀螺向小型化、质轻、高精度、高性价比方向发展的市场需求，达到了国际同类产品先进水平，提升了其在复杂环境应用能力，填补了国内市场空白。

本发明采用的技术方案：球形对称陀螺，具有陀螺电机，与陀螺电机关联的陀螺内环组件和陀螺外环组件，及以陀螺电机为中心对称安装的力矩器和角度传感器，且陀螺电机、陀螺内环组件、陀螺外环组件、力矩器和角度传感器均组装于封闭的壳体内，所述陀螺电机为球形对称，并组装于与其呈同心不同直径呈球形对称的陀螺房内；与陀螺房和陀螺电机同心，由内向外设置有与陀螺房和陀螺电机呈同一球心不同直径球形对称结构双轴式的力矩器、差动式的角度传感器和壳体。

上述技术方案中，为减小陀螺房组件的体积和重量，作为优选技术方案，所述陀螺房具有呈球形对称的陀螺房盖组件，所述陀螺房盖组件包括呈球形对称设置的陀螺房上盖组件和陀螺房下盖组件；所述陀螺房上盖组件和陀螺房下盖组件通过组合陀螺内环组件与陀螺电机组装为一体。

上述技术方案中，为提高力矩器系数和线性度并减小力矩器体积和重量，作为优选技术方案，所述力矩器为球形对称永磁动铁式力矩器，并由力矩器转子组件和力矩器定子组件组成；所述力矩器转子组件具有的永磁体与陀螺房具有的陀螺房盖组件连为一体；所述力矩器定子组件由从内至外的力矩器支架，安装线、力矩器线圈和力矩器线圈骨架组成。

上述技术方案中，为提高角度传感器的线性度及敏感度，降低相移，增大角度传感器斜率，提高陀螺绕内外环轴的进度角位移，作为优选技术方案，所述角度传感器为双路电感式角度传感器，并包括具有球形对称结构的传感器动磁轭组件和具有左右差动和上下迭加组合的传感器定子组件；所述传感器定子组件具有与传感器定子铁芯迭片组件匹配的差动式传感器定子绕组组件。

上述技术方案中，为提供大角动量，延长电机持续工作时长和电机使用寿命，作为优选技术方案，所述陀螺电机为外转子电机，并具有球形高比重合金外转子轮缘、电积沉铜鼠笼型转子和高速轴承。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本方案陀螺电机、陀螺房、力矩器、角度传感器和壳体的同心不同直径球形对称结构的设置，突破性地减小了陀螺的体积和质量，使转子陀螺具备小角位置测量和大角速率跟踪的双重功能，扩展了框架陀螺的应用范围，在符合小型转子陀螺理论结构的基础上结合仿真分析和鉴定试验已证明了该型陀螺球形对称结构应用的科学性、合理性和有效性，具备小型、轻量化、高精度、高性价比的竞争优势，填补了国内研发技术空白，并达国际同类产品先进水平；

2、本方案双路电感式角度传感器由于采用了球型对称结构的左右差动和上下迭加组合设计，因此大幅提高了角度传感器的线性度和敏感度，同时降低了相移，增大了角度传感器斜率，使角度传感器绕陀螺内、外环轴的进动角位移ω_Ⅰ和ω_Ⅱ精确度和敏感度大大提升；

3、本方案球形对称永磁动铁式力矩器，以及由力矩器支架，安装线、力矩器线圈和力矩器线圈骨架组成的球形对称力矩器定子组件，结合与陀螺房连为一体具有永磁体的力矩器转子组件的设置，不仅增大了线圈匝数，增大了有效磁场切割面积，而且提高了力矩器系数和线性度，同时减小了力矩器体积和重量，最终满足了总体要求的陀螺大速率40°/s指标；

5、本方案陀螺房组件球形对称结构的设置，以及陀螺房上盖组件和陀螺房下盖组件通过组合陀螺内环组件与陀螺电机组装为一体的结构，有效减小了陀螺房组件的体积和重量；

6、本方案外转子球形高速微陀螺电机和高速轴承设置，不仅为陀螺提供了大角动量，经测试，其持续工作时间长达3h、超长累积工作寿命达220h，截至目前，较同类产品综合技术参数居国内之首；

7、本方案通过多安装位工装夹具或模具，并集成先进工艺装备和测试系统后，可大大提高陀螺的生产效率，满足该型陀螺的大批量生产需求。

附图说明

图1为现有技术下三自由度小型转子陀螺结构示意图；

图2为本发明优选实施例的结构示意图；

图3为图2实施例的陀螺房组件结构示意图；

图4为图2实施例的力矩器转子组件结构示意图；

图5为图2实施例的力矩器定子组件结构示意图；

图6为图5实施例的俯视结构示意图；

图7为图5力矩器定子组件的力矩器支架结构示意图；

图8为图7实施例的俯视结构示意图；

图9为图2实施例的传感器动磁轭组件放大示意图；

图10为图2实施例的传感器定子组件结构示意图；

图11为图10实施例的俯视结构示意图；

图12为图10中传感器定子铁芯迭片组件结构示意图；

图13为图12的俯视结构示意图；

图14为本发明陀螺电机结构示意图；

图15为图14实施例的电积沉铜鼠笼型转子结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中所用的部件，如无特殊说明，均为市售。下述实施例中控制电路的实现，如无特殊说明，均为常规控制方式。

球形对称陀螺，具有陀螺电机4，与陀螺电机4关联的陀螺内环组件6和陀螺外环组件7，及以陀螺电机4为中心对称安装的球形的力矩器2和球形的角度传感器3，且陀螺电机4、陀螺内环组件6、陀螺外环组件7、球形的力矩器2和球形的角度传感器3均组装于封闭的壳体5内，其特征在于(如图2所示)所述陀螺电机4为球形对称，并组装于与其呈同球心不同直径呈球形对称的陀螺房1内；与陀螺房1和陀螺电机4同心，由内向外设置有与陀螺房1和陀螺电机4呈同一球心不同直径球形对称结构双轴式的力矩器2、差动式的角度传感器3和壳体5。

具体实施时，依照上述技术方案，与球形的陀螺电机4同球心不同直径的两个永磁式力矩器、两个角度传感器3以及陀螺内环组件6和陀螺外环组件7均组装于陀螺壳体5内，所述陀螺壳体5具有的球形对称的陀螺上盖和陀螺下盖与匹配对应的该陀螺壳体本体之间仍采用焊接并内充氦气来完成。

如图2所示实施例的球形对称转子陀螺属于三自由度陀螺实施例，其各主要部件均采用球形对称结构设计，较现有技术下空间长轴设计，明显具备结构紧凑、体积小、重量轻的优势。应用时，该型陀螺内角度传感器3、力矩器2和陀螺电机4的球型对称设计结构(如图2所示)，结合公司独有的薄壁零件无应力加工技术，进一步保证了其各组件的高加工精度和先进的整表性能，投用后，具有优越的环境适应能力，填补了国内空白，已达国际同类产品先进水平。此外，综合其高精度和较进口产品的高性价比特征，可广泛应用于测量和控制飞机或导弹等运转体的飞行姿态。

上述技术方案中，为减小陀螺房组件的体积和重量，作为优选技术方案(如图3所示)，所述陀螺房1具有呈球形对称的陀螺房盖组件101，所述陀螺房盖组件101包括呈球形对称设置的陀螺房上盖组件1011和陀螺房下盖组件1012；所述陀螺房上盖组件1011和陀螺房下盖组件1012通过组合陀螺内环组件6与陀螺电机4组装为一体。

上述技术方案中，为提高力矩器系数和线性度并减小力矩器体积和重量，作为优选技术方案，所述力矩器2为球形对称永磁动铁式力矩器(结合图2及图4至图8所示)，并由力矩器转子组件201和力矩器定子组件202组成；所述力矩器转子组件201具有的永磁体2011与陀螺房1具有的陀螺房盖组件101连为一体，其中，N极永磁体和S极永磁体之间设有内凹式磁隔体2012；所述力矩器定子组件202由从内至外的力矩器支架2021，对称分色双出线的安装线2022、力矩器线圈2023和力矩器线圈骨架2024组成，其中力矩器线圈骨架2024与其内组装的力矩器线圈2023共同构成力矩器定子的绕组组件。

上述技术方案中，为提高角度传感器的线性度和敏感度，降低相移，增大角度传感器斜率，提高陀螺绕内外环轴的进度角位移，作为优选技术方案，所述角度传感器3为双路电感式角度传感器(结合图2及图9至图13所示)，并包括具有球形对称结构的传感器动磁轭组件301和具有左右差动和上下迭加组合的传感器定子组件302；所述传感器定子组件302具有传感器定子铁芯迭片组件3021和与传感器定子铁芯迭片组件3021匹配的差动式传感器定子绕组组件3022。

上述技术方案中，为提供大角动量，延长电机持续工作时间和电机使用寿命，作为优选技术方案，所述陀螺电机4为外转子电机(如图14所示)，并具有球形高比重合金外转子轮缘401、电积沉铜鼠笼型转子绕组402(如图15所示)和高速轴承403，以及设于轴承电机4内的内定子组件405。其中陀螺电机4的电机端盖404沿轴向一体成型制有高速轴承403安装结构。

可见，本方案陀螺电机、陀螺房、力矩器、角度传感器和壳体的同心不同直径球形对称结构的设置，突破性地减小了陀螺的体积和质量，使转子陀螺具备小角位置测量和大角速率跟踪的双重功能，扩展了框架陀螺的应用范围，在符合小型转子陀螺理论结构的基础上结合仿真分析和鉴定试验已证明了该型陀螺球形对称结构应用的科学性、合理性和有效性，具备小型、轻量化、高精度、高性价比的竞争优势，填补了国内研发技术空白，并达国际同类产品先进水平；双路电感式角度传感器由于采用了球型对称结构的左右差动和上下迭加组合设计，因此大幅提高了角度传感器的线性度和敏感度，同时降低了相移，增大了角度传感器斜率，使角度传感器绕陀螺内、外环轴的进动角位移ω_Ⅰ和ω_Ⅱ精确度和敏感度大大提升；球形对称永磁动铁式力矩器，以及由力矩器支架2021，安装线2022、力矩器线圈2023和力矩器线圈骨架2024组成的球形对称力矩器定子组件，结合与陀螺房1连为一体具有永磁体2011的力矩器转子组件201的设置，不仅增大了线圈匝数，增大了有效磁场切割面积，而且提高了力矩器系数和线性度，同时减小了力矩器体积和重量，最终满足了总体要求的陀螺大速率40°/s指标；陀螺房组件球形对称结构的设置，以及陀螺房上盖组件1011和陀螺房下盖组件1012通过组合陀螺内环组件6与陀螺电机4组装为一体的结构，有效减小了陀螺房组件的体积和重量；外转子球形高速微陀螺电机和高速轴承(57000r/min)设置，为陀螺提供了大角动量，经测试，其长时持续工作时间长达3h、超长累积工作寿命达220h，截至目前，较同类陀螺电机综合技术参数居国内之首。此外，通过多安装位工装夹具或模具，并集成先进工艺装备和测试系统后，可大大提高陀螺的生产效率，满足该型陀螺的大批量生产需求。

工作原理：高速旋转的陀螺转子主轴在惯性空间具有方向稳定性。当给陀螺内环轴、外环轴施加外力矩时，陀螺转子主轴将会绕非施矩轴产生进动。

综上所述，该小型转子陀螺在结构上总体采用了紧凑的球形对称设计技术，不仅减小了陀螺体积和质量，具备优越性能外，扩展了框架陀螺应用范围，结合薄壁零件无应力加工技术的应用，整表性能先进，环境适应能力优越、填补了国内空白，达国际先进水平。由于其测角精度高、跟踪测量速率范围大，已广泛应用于各型导弹的主动雷达搜索或跟踪动态目标。据计算，该型陀螺可为公司创造上亿产值。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (4)

1.球形对称陀螺，具有陀螺电机(4)，与陀螺电机(4)关联的陀螺内环组件(6)和陀螺外环组件(7)，及以陀螺电机(4)为中心对称安装的力矩器(2)和角度传感器(3)，且陀螺电机(4)、陀螺内环组件(6)、陀螺外环组件(7)、力矩器(2)和角度传感器(3)均组装于封闭的壳体(5)内，其特征在于：所述陀螺电机(4)为球形对称，并组装于与其呈同心不同直径呈球形对称的陀螺房(1)内；与陀螺房(1)和陀螺电机(4)同心，由内向外设置有与陀螺房(1)和陀螺电机(4)呈同一球心不同直径球形对称结构双轴式的力矩器(2)、差动式的角度传感器(3)和壳体(5)；所述力矩器(2)为球形对称永磁动铁式力矩器，并由力矩器转子组件(201)和力矩器定子组件(202)组成；所述力矩器转子组件(201)具有的永磁体(2011)与陀螺房(1)具有的陀螺房盖组件(101)连为一体；所述力矩器定子组件(202)由从内至外的力矩器支架(2021)、安装线(2022)、力矩器线圈(2023)和力矩器线圈骨架(2024)组成。

2.根据权利要求1所述的球形对称陀螺，其特征在于：所述陀螺房(1)具有呈球形对称的陀螺房盖组件(101)，所述陀螺房盖组件(101)包括呈球形对称设置的陀螺房上盖组件(1011)和陀螺房下盖组件(1012)；所述陀螺房上盖组件(1011)和陀螺房下盖组件(1012)通过组合陀螺内环组件(6)与陀螺电机(4)组装为一体。

3.根据权利要求1所述的球形对称陀螺，其特征在于：所述角度传感器(3)为双路电感式角度传感器，并包括具有球形对称结构的传感器动磁轭组件(301)和具有左右差动和上下迭加组合的传感器定子组件(302)；所述传感器定子组件(302)具有与传感器定子铁芯迭片组件(3021)匹配的差动式传感器定子绕组组件(3022)。

4.根据权利要求1所述的球形对称陀螺，其特征在于：所述陀螺电机(4)为外转子电机，并具有球形高比重合金外转子轮缘(401)、电积沉铜鼠笼型转子(402)和高速轴承(403)。

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