CN114157077A - 一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法 - Google Patents

一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法 Download PDF

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Abstract

一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，基于机电式陀螺电机的轴系支承结构形式，从温度变化带来陀螺轴系预载力变化出发，根据轴系结构各零部件材料的线胀系数，对轴系零件在高低温下的材料蠕变量进行尺寸链变化推算，并结合同步优化轴系支承距离和选用轴系零件的最佳匹配材料，使内外轴系蠕变量遵循一定的设计准则，从而使轴系预载力随温度变化影响较小，陀螺电机低温下轴系预紧力不增大，高温下预紧力不释放，确保全温下陀螺电机的轴系工作质量的稳定性，以提高陀螺工作的可靠性和长寿命。

Description

一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法
技术领域
本发明涉及机电式惯性传感器领域，具体为一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法。
背景技术
机电式陀螺是由轴承支承陀螺转子，在陀螺电机驱动下产生动量矩，使陀螺转子工作在惯性稳定状态。全温度范围内，陀螺电机的轴系工作质量决定了陀螺工作的可靠性和寿命，而陀螺的可靠性和寿命却一直是技术故障归零的高频点，因此提高陀螺电机的轴系工作质量是提高陀螺可靠性和寿命的关键因素。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，从温度变化带来陀螺轴系预载力变化出发，通过对轴系零件在高低温下的尺寸链变化进行推算，优化轴系支承距离和选用轴系零件的最佳匹配材料，使内外轴系蠕变量遵循一定设计准则，从而使轴系预载力随温度变化影响较小，确保全温下陀螺电机的轴系工作质量的稳定性，以提高陀螺工作的可靠性和长寿命。
本发明的技术方案为：
一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，基于机电式陀螺电机的轴系支承结构形式，将轴系分为内轴系和外轴系，根据轴系结构各零部件材料的线胀系数，对轴系零件在设定的极限高低温下的材料蠕变量进行尺寸链变化推算，并同步优化轴系支承距离和/或选用轴系零件的最佳匹配材料，使内外轴系蠕变量遵循一定的设计准则；所述设计准则为：
1)在极限温度下，外轴系蠕变量与内轴系蠕变量接近，差值不大于设定值；
2)外轴系蠕变量与内轴系蠕变量随温度变化而同步变化，变化趋势相同，而且变化量差异在设定阈值内。
进一步的，在极限温度下，外轴系蠕变量与内轴系蠕变量的差值不大于1％。
进一步的，所述机电式陀螺电机分为内圈加载型机电式陀螺电机和外圈加载型机电式陀螺电机；对于内圈加载型机电式陀螺电机，外轴系蠕变量随温度变化量相对内轴系蠕变量随温度变化量相同或略大；对于外圈加载型机电式陀螺电机，内轴系蠕变量随温度变化量相对外轴系蠕变量随温度变化量相同或略大。
进一步的，对于内圈加载型机电式陀螺电机，电机轴系结构包括电机驱动轴(2)、内轴承(3)、内衬套(11)、外衬套(5)、外轴承(6)、电机转子(7)、弹性垫片(9)和锁紧螺母(10)；
进行电机轴系结构设计时需要计算：电机驱动轴(2)的极限温度蠕变量、内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、陀螺壳体(4)的极限温度蠕变量；
其中电机驱动轴(2)的轴向计算长度为内轴承(3)挡肩外端面至电机转子(7)外端面的距离；
陀螺电机壳体(4)的轴向计算长度为内轴承(3)和外轴承(6)之间的长度；
内轴系尺寸链零件由内轴承(3)内圈、内衬套(11)、外轴承(6)内圈、电机转子(7)组成，内轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)的内圈、内衬套(11)、外轴承(6)内圈的轴向长度和电机转子(7)部分长度组成；
外轴系尺寸链零件由内轴承(3)外圈、外衬套(5)、外轴承(6)外圈组成，外轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)外圈、外衬套(5)、外轴承(6)外圈的轴向长度组成；
然后分别在设定的极限高温和低温条件下，进行设计：
在设定的高温下：
计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，以及电机驱动轴的高温蠕变量，通过调整内轴系尺寸链各零件材质，或者同步调整内衬套长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量与电机驱动轴的高温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
计算外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，以及陀螺电机壳体的高温蠕变量，通过调整外轴系尺寸链各零件材质和外衬套长度，使外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量与陀螺电机壳体的高温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
比较内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，要求蠕变量差值不大于设定值；
在设定的低温下：
计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，以及电机驱动轴的低温蠕变量，通过调整内轴系尺寸链各零件材质，或者同步调整内衬套长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量与电机驱动轴的低温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
计算外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，以及陀螺电机壳体的低温蠕变量，通过调整外轴系尺寸链各零件材质和外衬套长度，使外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量与陀螺电机壳体的低温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
比较内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，要求蠕变量差值不大于设定值；
同时，外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量与内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相同或略大。
进一步的，所述设定值为1％。
进一步的，对于外圈加载型机电式陀螺电机，电机轴系结构包括电机驱动轴(2)、内轴承(3)、外轴承(6)、电机转子(7)和锁紧螺母(10)；
进行电机轴系结构设计时需要计算：内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量；
其中内轴系尺寸链零件由内轴承(3)内圈、电机轴(2)、外轴承(6)内圈组成，内轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)内圈、电机轴(2)、外轴承(6)内圈的轴向长度组成；
外轴系尺寸链零件由左端盖(12)、电机转子(7)、右端盖(14)组成，外轴系尺寸链零件的轴向长度由左端盖(12)、电机转子(7)、右端盖(14)的轴向长度组成；
分别在设定的极限高温和低温条件下进行设计：
在设定的高温下：
分别计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，以及外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，通过调整电机轴(2)和/或电机转子(7)轴向长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量接近，差值不大于设定值；
在设定的低温下：
分别计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，以及外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，通过调整电机轴(2)和/或电机转子(7)轴向长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量接近，差值不大于设定值；
同时，内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量与外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相同或略大。
进一步的，所述设定值为1％。
有益效果
本发明的优点在于：通过对轴系零部件材料优选组合和对两轴承支承距离的优化设计，使电机轴系满足本发明所提出的轴系设计原则，按此设计的陀螺电机轴系结构在高低温下轴系尺寸链蠕变不会带来轴系预紧力的变化，从而确保陀螺工作过程中不会发生低温预紧力过大导致电机堵转、失速或转速不稳，轴承寿命下降，以及高温预紧力过小导致轴系窜动、陀螺信号不稳现象。
本发明可以在各种轴承支承的机电式陀螺仪上进行推广，包括轴承内圈加载型轴系设计和外圈加载型轴系设计等方案。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为内圈加载型机电式陀螺仪的电机轴系结构示意图。
图2为外圈加载型机电式陀螺仪的电机轴系结构示意图。
图中，1—负载转子，2—电机驱动轴，3—内轴承，4—壳体，5—外衬套，6—外轴承，7—电机转子，8—电机定子，9—弹性垫片，10—锁紧螺母，11—内衬套，12—左端盖，13—螺钉，14—右端盖。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，基于机电式陀螺电机的轴系支承结构形式，从温度变化带来陀螺轴系预载力变化出发，根据轴系结构各零部件材料的线胀系数，对轴系零件在高低温下的材料蠕变量进行尺寸链变化推算，并结合同步优化轴系支承距离和选用轴系零件的最佳匹配材料，使内外轴系蠕变量遵循一定的设计准则，从而使轴系预载力随温度变化影响较小，陀螺电机低温下轴系预紧力不增大，高温下预紧力不释放，确保全温下陀螺电机的轴系工作质量的稳定性，以提高陀螺工作的可靠性和长寿命。
本发明根据机电式陀螺电机的轴系支承结构形式，将轴系分为内轴系和外轴系，根据轴系零件材料的线胀系数，在极限高低温下分别计算出内轴系零件尺寸链蠕变量和外轴系零件尺寸链蠕变量，通过优化材料和轴系支承距离，使其满足特定的轴系设计准则，且陀螺电机的轴系分为内圈加载和外圈加载两种类型，对这两种类型也有相应的设计准则：
1)在极限温度下，外轴系蠕变量与内轴系蠕变量接近，
2)外轴系蠕变量与内轴系蠕变量随温度变化而同步变化，即变化趋势相同，而变化量差异在设定阈值内；
其中对内圈加载型机电式陀螺电机，外轴系蠕变量随温度变化量相对内轴系蠕变量随温度变化量相同或略大；
而对外圈加载型机电式陀螺电机，内轴系蠕变量随温度变化量相对外轴系蠕变量随温度变化量相同或略大。
如图1所示，为内圈加载型机电式陀螺仪的电机轴系结构，主要包括电机驱动轴(2)、内轴承(3)、内衬套(11)、外衬套(5)、外轴承(6)、电机转子(7)、弹性垫片(9)和锁紧螺母(10)。如图2所示，为外圈加载型机电式陀螺仪的电机轴系结构，包括电机驱动轴(2)、内轴承(3)、外轴承(6)、电机转子(7)和锁紧螺母(10)。
对于这两种不同类型的机电式陀螺仪的电机轴系结构，下面分别采用对应方法进行设计：
图1所示为一种内圈加载型机电式陀螺电机轴系结构示意图。对于内圈加载型机电式陀螺电机轴系结构，设计时需要计算：电机驱动轴(2)的极限温度蠕变量、内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、陀螺壳体(4)的极限温度蠕变量。
其中电机驱动轴(2)的轴向计算长度为内轴承(3)挡肩外端面至电机转子(7)外端面的距离L2；
陀螺电机壳体(4)的轴向计算长度为内轴承(3)和外轴承(6)之间的长度L1；
内轴系尺寸链零件由内轴承(3)内圈、内衬套(11)、外轴承(6)内圈、电机转子(7)组成，所以内轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)的内圈、内衬套(11)、外轴承(6)内圈的轴向长度(合计长度为L1)和电机转子(7)部分长度(L2-L1)组成，即内轴系尺寸链零件的合计轴向长度也为L2；
外轴系尺寸链零件由内轴承(3)外圈、外衬套(5)、外轴承(6)外圈组成，因此外轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)外圈、外衬套(5)、外轴承(6)外圈的轴向长度组成，即外轴系尺寸链零件的合计轴向长度也为L1。
然后分别在设定的极限高温和低温条件下，进行设计：
在设定的高温下：
首先计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，再计算电机驱动轴的高温蠕变量，因不同材料具有不同线胀系数，所以通过调整内轴系尺寸链各零件材质，或者同步调整内衬套长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量与电机驱动轴的高温蠕变量接近相等，即差值不大于设定阈值；
然后计算外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，再计算陀螺电机壳体的高温蠕变量，通过调整外轴系尺寸链各零件材质和外衬套长度，使外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量与陀螺电机壳体的高温蠕变量接近相等，即差值不大于设定阈值；
最后比较内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，要求蠕变量差值不大于1％；
同样，在设定的低温下：
首先计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，再计算电机驱动轴的低温蠕变量，通过调整内轴系尺寸链各零件材质，或者同步调整内衬套长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量与电机驱动轴的低温蠕变量接近相等，即差值不大于设定阈值；
然后计算外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，再计算陀螺电机壳体的低温蠕变量，通过调整外轴系尺寸链各零件材质和外衬套长度，使外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量与陀螺电机壳体的低温蠕变量接近相等，即差值不大于设定阈值；
最后比较内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，要求蠕变量差值不大于1％；
同时，外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相对内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相同或略大。
图2所示为一种外圈加载型机电式陀螺电机轴系结构示意图。对于外圈加载型机电式陀螺电机轴系结构，设计时需要计算：内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量。
其中内轴系尺寸链零件由内轴承(3)内圈、电机轴(2)、外轴承(6)内圈组成，所以内轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)内圈、电机轴(2)(两轴承面对面之间的长度)、外轴承(6)内圈的轴向长度组成，合计长度为图2中的L1；
外轴系尺寸链零件由左端盖(12)、电机转子(7)、右端盖(14)组成，因此外轴系尺寸链零件的轴向长度由左端盖(12)、电机转子(7)、右端盖(14)的轴向长度组成，合计长度为图2中的L2。
然后分别在设定的极限高温和低温条件下，进行设计：
在设定的高温下：
分别计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，以及外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，通过调整电机轴(2)和/或电机转子(7)轴向长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量接近，即蠕变量差值不大于1％；
同样，在设定的低温下：
分别计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，以及外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，通过调整电机轴(2)和/或电机转子(7)轴向长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量接近，即蠕变量差值不大于1％；
同时，内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相对外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相同或略大。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，其特征在于：基于机电式陀螺电机的轴系支承结构形式，将轴系分为内轴系和外轴系，根据轴系结构各零部件材料的线胀系数，对轴系零件在设定的极限高低温下的材料蠕变量进行尺寸链变化推算，并同步优化轴系支承距离和/或选用轴系零件的最佳匹配材料，使内外轴系蠕变量遵循一定的设计准则；所述设计准则为：
1)在极限温度下，外轴系蠕变量与内轴系蠕变量接近，差值不大于设定值；
2)外轴系蠕变量与内轴系蠕变量随温度变化而同步变化，变化趋势相同，而且变化量差异在设定阈值内。
2.根据权利要求1所述一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，其特征在于：在极限温度下，外轴系蠕变量与内轴系蠕变量的差值不大于1％。
3.根据权利要求1或2所述一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，其特征在于：所述机电式陀螺电机分为内圈加载型机电式陀螺电机和外圈加载型机电式陀螺电机；对于内圈加载型机电式陀螺电机，外轴系蠕变量随温度变化量相对内轴系蠕变量随温度变化量相同或略大；对于外圈加载型机电式陀螺电机，内轴系蠕变量随温度变化量相对外轴系蠕变量随温度变化量相同或略大。
4.根据权利要求3所述一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，其特征在于：对于内圈加载型机电式陀螺电机，电机轴系结构包括电机驱动轴(2)、内轴承(3)、内衬套(11)、外衬套(5)、外轴承(6)、电机转子(7)、弹性垫片(9)和锁紧螺母(10)；
进行电机轴系结构设计时需要计算：电机驱动轴(2)的极限温度蠕变量、内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、陀螺壳体(4)的极限温度蠕变量；
其中电机驱动轴(2)的轴向计算长度为内轴承(3)挡肩外端面至电机转子(7)外端面的距离；
陀螺电机壳体(4)的轴向计算长度为内轴承(3)和外轴承(6)之间的长度；
内轴系尺寸链零件由内轴承(3)内圈、内衬套(11)、外轴承(6)内圈、电机转子(7)组成，内轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)的内圈、内衬套(11)、外轴承(6)内圈的轴向长度和电机转子(7)部分长度组成；
外轴系尺寸链零件由内轴承(3)外圈、外衬套(5)、外轴承(6)外圈组成，外轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)外圈、外衬套(5)、外轴承(6)外圈的轴向长度组成；
然后分别在设定的极限高温和低温条件下，进行设计：
在设定的高温下：
计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，以及电机驱动轴的高温蠕变量，通过调整内轴系尺寸链各零件材质，或者同步调整内衬套长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量与电机驱动轴的高温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
计算外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，以及陀螺电机壳体的高温蠕变量，通过调整外轴系尺寸链各零件材质和外衬套长度，使外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量与陀螺电机壳体的高温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
比较内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，要求蠕变量差值不大于设定值；
在设定的低温下：
计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，以及电机驱动轴的低温蠕变量，通过调整内轴系尺寸链各零件材质，或者同步调整内衬套长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量与电机驱动轴的低温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
计算外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，以及陀螺电机壳体的低温蠕变量，通过调整外轴系尺寸链各零件材质和外衬套长度，使外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量与陀螺电机壳体的低温蠕变量接近相等，差值不大于设定阈值；
比较内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，要求蠕变量差值不大于设定值；
同时，外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量与内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相同或略大。
5.根据权利要求4所述一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，其特征在于：所述设定值为1％。
6.根据权利要求3所述一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，其特征在于：对于外圈加载型机电式陀螺电机，电机轴系结构包括电机驱动轴(2)、内轴承(3)、外轴承(6)、电机转子(7)和锁紧螺母(10)；
进行电机轴系结构设计时需要计算：内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量、外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量；
其中内轴系尺寸链零件由内轴承(3)内圈、电机轴(2)、外轴承(6)内圈组成，内轴系尺寸链零件的轴向长度由内轴承(3)内圈、电机轴(2)、外轴承(6)内圈的轴向长度组成；
外轴系尺寸链零件由左端盖(12)、电机转子(7)、右端盖(14)组成，外轴系尺寸链零件的轴向长度由左端盖(12)、电机转子(7)、右端盖(14)的轴向长度组成；分别在设定的极限高温和低温条件下进行设计：
在设定的高温下：
分别计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，以及外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量，通过调整电机轴(2)和/或电机转子(7)轴向长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计高温蠕变量接近，差值不大于设定值；
在设定的低温下：
分别计算内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，以及外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量，通过调整电机轴(2)和/或电机转子(7)轴向长度，使内轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量和外轴系尺寸链零件的轴向长度累计低温蠕变量接近，差值不大于设定值；
同时，内轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量与外轴系尺寸链零件的轴向长度累计蠕变量随温度的变化量相同或略大。
7.根据权利要求6所述一种机电式陀螺的电机轴系结构设计方法，其特征在于：所述设定值为1％。
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