RU2446382C1 - Gyroscope - Google Patents

Gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2446382C1
RU2446382C1 RU2010133531/28A RU2010133531A RU2446382C1 RU 2446382 C1 RU2446382 C1 RU 2446382C1 RU 2010133531/28 A RU2010133531/28 A RU 2010133531/28A RU 2010133531 A RU2010133531 A RU 2010133531A RU 2446382 C1 RU2446382 C1 RU 2446382C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
gyroscope
coils
annular
stator
Prior art date
Application number
RU2010133531/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010133531A (en
Inventor
Анатолий Михайлович Макаров (RU)
Анатолий Михайлович Макаров
Владимир Витальевич Кожин (RU)
Владимир Витальевич Кожин
Евгений Алексеевич Грязнов (RU)
Евгений Алексеевич Грязнов
Лариса Евгеньевна Уракова (RU)
Лариса Евгеньевна Уракова
Original Assignee
Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") filed Critical Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА")
Priority to RU2010133531/28A priority Critical patent/RU2446382C1/en
Publication of RU2010133531A publication Critical patent/RU2010133531A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2446382C1 publication Critical patent/RU2446382C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrument making.
SUBSTANCE: gyroscope consists of housing 1, gyro motor including stator 2 with coils and rotor 3 on spherical ball bearing support 4, angle sensors and torque sensors. In rotor 3 of gyroscope there made is annular cavity in which there is annular magnetic conductor 6 and annular double-pole constant magnet 7. Fixed coils of stator 2 are rigidly fixed on gyroscope housing and located in annular cavity of rotor so that working parts of winding of coils are arranged opposite annular magnetic conductor 6 and annular double-pole constant magnet 7 of rotor 3. Operation of gyro motor is based on principle of action of two-phase brushless DC motor.
EFFECT: invention allows considerable reduction of overall dimensions and working hours of manufacture, at maintaining accuracy parameters of gimballess gyroscopes on spherical ball bearing support.
4 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании бескарданных гироскопов на сферической шарикоподшипниковой опоре, которые могут применяться, например, в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов или двухканальных измерителей угловой скорости.The invention relates to instrumentation and can be used to create gimballess gyroscopes on a spherical ball bearing, which can be used, for example, as sensitive elements of gyrostabilizers or two-channel angular velocity meters.

Известен гироскоп [1], содержащий корпус, гиромотор, карданов подвес, датчики угла и датчики момента, повернутые относительно друг друга на 90° вокруг продольной оси гироскопа.Known gyroscope [1] containing a housing, a gyromotor, cardan suspension, angle sensors and torque sensors, rotated relative to each other by 90 ° around the longitudinal axis of the gyroscope.

Основным недостатком данного гироскопа является наличие карданова подвеса, что обуславливает значительный дрейф гироскопа из-за необходимости применения токоподводов для подачи электропитания на обмотки гиромотора, датчиков угла и датчиков момента и шарикоподшипников - для обеспечения вращения рамок карданова подвеса.The main disadvantage of this gyroscope is the presence of a cardan suspension, which leads to a significant drift of the gyroscope due to the need to use current leads to supply power to the windings of the gyromotor, angle sensors and torque sensors and ball bearings to ensure rotation of the frames of the cardan suspension.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является гироскоп [2], содержащий корпус с герметично закрывающейся крышкой, гиромотор, ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, датчики угла индуктивного типа и электромагнитные датчики момента. Статор гиродвигателя состоит из двух шихтованных пакетов, разделенных между собой немагнитным элементом, и обмотки, витки которой охватывают оба пакета. Обмотка гиродвигателя кроме основной своей функции выполняет функцию первичной обмотки индуктивного датчика угла. Вторичные обмотки датчиков угла намотаны раздельно на каждом пакете, причем каждая пара обмоток геометрически сдвинута относительно друг друга на 90°, что позволяет производить измерения по двум осям. Датчики момента конструктивно выполнены аналогично с датчиками угла и геометрически сдвинуты относительно них на 180°.The closest in technical essence to the claimed device is a gyroscope [2], comprising a housing with a hermetically sealed cover, a gyromotor, a rotor on a spherical ball bearing, angle sensors of inductive type and electromagnetic torque sensors. The stator of the gyrodrive consists of two burst packages, separated by a non-magnetic element, and a winding, the turns of which cover both packages. The gyro motor winding, in addition to its main function, performs the function of the primary winding of an inductive angle sensor. The secondary windings of the angle sensors are wound separately on each package, with each pair of windings geometrically offset relative to each other by 90 °, which allows measurements on two axes. The torque sensors are structurally made similarly to angle sensors and are geometrically shifted relative to them by 180 °.

Недостатком данного гироскопа является сложная, трудоемкая в изготовлении конструкция статора гиромотора, не позволяющая создание малогабаритных гироскопов.The disadvantage of this gyroscope is the complicated, labor-intensive construction of the gyro motor stator, which does not allow the creation of small-sized gyroscopes.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание малогабаритного гироскопа на сферической шарикоподшипниковой опоре за счет упрощения конструкции и снижения трудоемкости изготовления статора гиромотора.The problem to which the invention is directed, is to create a small-sized gyroscope on a spherical ball-bearing support by simplifying the design and reducing the complexity of manufacturing a gyromotor stator.

Поставленная задача для гироскопа, содержащего корпус с расположенным внутри него гиромотором, включающим статор с катушками и ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, трансформаторно-индуктивные датчики угла и электромагнитные датчики момента, решается за счет того, что в роторе гиромотора выполнена кольцевая полость, в которой расположены катушки статора гиромотора: катушка возбуждения и катушка положения, смещенные относительно друг друга на 90° и жестко закрепленные на корпусе гироскопа, а на роторе находятся кольцевой магнитопровод и кольцевой двухполюсный постоянный магнит гиромотора, расположенные напротив рабочих частей катушек статора.The task for a gyroscope containing a housing with a gyromotor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing, transformer-inductive angle sensors and electromagnetic torque sensors, is solved due to the fact that the annular cavity in which the gyromotor is located has an annular cavity in which gyromotor stator coils: the excitation coil and the position coil are 90 ° offset from each other and rigidly fixed to the gyroscope body, and the ring mag itoprovod and annular pole permanent magnet giromotora located opposite the working portions of the stator coils.

К существенным отличиям предложенного гироскопа по сравнению с известным является выполнение в роторе гиромотора кольцевой полости для расположения катушек возбуждения и положения статора гиромотора и размещение на роторе кольцевого двухполюсного постоянного магнита гиромотора, что позволило уменьшить габариты гироскопа и снизить трудоемкость его изготовления, сохранив при этом точностные параметры устройства-прототипа.Significant differences of the proposed gyroscope compared to the known one are the implementation of the annular cavity in the rotor of the gyromotor for the location of the excitation coils and the position of the stator of the gyromotor and the placement of the annular bipolar permanent magnet of the gyromotor on the rotor, which made it possible to reduce the size of the gyroscope and reduce the complexity of its manufacture, while preserving the exact parameters prototype devices.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг 1 представлен вид предложенного гироскопа сбоку в разрезе; на фиг.2 - вид в сечении по линии А-А фиг.1; на фиг.3 представлен статор в разрезе со схемой обмотки; на фиг.4 - габаритный чертеж одного из вариантов гироскопа.In Fig 1 presents a sectional view of the proposed gyroscope; figure 2 is a view in section along the line aa of figure 1; figure 3 presents the stator in section with a diagram of the winding; figure 4 is a dimensional drawing of one of the options for a gyroscope.

Гироскоп содержит корпус 1, гиромотор, включающий статор 2 с катушками и ротор 3 на сферической шарикоподшипникой опоре 4, датчики 8 угла и датчики 9 момента. В роторе 3 гироскопа выполнена кольцевая полость, в которой находится кольцевой магнитопровод 6 и кольцевой двухполюсный постоянный магнит 7. Неподвижные катушки статора 2 жестко закреплены на корпусе гироскопа и расположены в кольцевой полости ротора 3 таким образом, что рабочие части намотки катушек 12 размещены напротив кольцевого магнитопровода 6 и кольцевого двухполюсного постоянного магнита 7 ротора 3. Работа гиромотора основана на принципе действия двухфазного бесколлекторного двигателя постоянного тока [3]. Создание вращающего момента ротора основано на правиле Флеминга. На проводник с током, расположенный в магнитном поле, действует сила. Направление силы определяется правилом левой руки, а ее значение равноThe gyroscope contains a housing 1, a gyromotor, including a stator 2 with coils and a rotor 3 on a spherical ball bearing support 4, angle sensors 8 and torque sensors 9. An annular cavity is made in the gyro rotor 3, in which there is an annular magnetic circuit 6 and an annular bipolar permanent magnet 7. The fixed stator coils 2 are rigidly fixed to the gyroscope body and are located in the annular cavity of the rotor 3 so that the working parts of the winding coils 12 are located opposite the annular magnetic circuit 6 and the annular bipolar permanent magnet 7 of the rotor 3. The operation of the gyromotor is based on the principle of operation of a two-phase brushless DC motor [3]. The creation of rotor torque is based on Fleming's rule. A force is applied to a current conductor located in a magnetic field. The direction of the force is determined by the rule of the left hand, and its value is equal to

Figure 00000001
Figure 00000001

где z - количество проводников,where z is the number of conductors,

В - магнитная индукция в воздушном зазоре;B - magnetic induction in the air gap;

I - электрический ток;I is the electric current;

l - эффективная длина проводника.l is the effective length of the conductor.

Для регистрации угла поворота ротора 3 гиромотора используются датчики 8 угла, неподвижная (статорная) часть которых выполнена, например, в виде П-образного сердечника, на который надеты две одинаковые катушки 11, одна из этих катушек является обмоткой возбуждения, а вторая - сигнальной обмоткой. Датчик 8 угла по каждому каналу содержит два таких сердечника с катушками 11, расположенных диаметрально и смещенных относительно осей чувствительности гироскопа на угол 45°. Сигнальные обмотки датчиков 8 угла включены последовательно встречно так, что наводимые в них ЭДС вычитаются. Для создания управляющих моментов используются электромагнитные датчики 9 момента, работающие на постоянном токе. На средний стержень каждого сердечника, имеющего, например, Ш-образную форму, надета катушка управления. Ротором, общим для датчиков 8 угла и датчиков 9 момента, является, например, ферритовое кольцо 10, располагаемое на роторе 3 гиромотора.To register the rotation angle of the rotor 3 of the gyromotor, angle sensors 8 are used, the fixed (stator) part of which is made, for example, in the form of a U-shaped core, on which two identical coils 11 are worn, one of these coils is an excitation winding, and the second is a signal winding . The angle sensor 8 for each channel contains two such cores with coils 11 located diametrically and offset relative to the gyro sensitivity axes by an angle of 45 °. The signal windings of the angle sensors 8 are connected in series with each other so that the emf induced in them are subtracted. To create control moments, electromagnetic moment sensors 9 operating on direct current are used. A control coil is put on the middle core of each core, for example, having a U-shape. The rotor common to angle sensors 8 and moment sensors 9 is, for example, a ferrite ring 10 located on the rotor 3 of the gyromotor.

Гироскоп выполнен герметичным и заполнен гелиеводородной смесью до давления, например, 750 мм рт.ст. в целях снижения аэродинамического момента сопротивления и его влияния на дрейф гироскопа (через проекции этого момента на оси чувствительности гироскопа). Для съема и подачи электрических сигналов служат гермовводы 13.The gyroscope is sealed and filled with a helium-hydrogen mixture to a pressure of, for example, 750 mmHg. in order to reduce the aerodynamic moment of resistance and its effect on the drift of the gyroscope (through the projection of this moment on the axis of sensitivity of the gyroscope). For removal and supply of electrical signals, pressurizes 13.

Гироскоп работает следующим образом. В нулевом положении в силу симметрии выходной сигнал с датчиков 8 угла отсутствует. В режиме измерения при наличии угловой скорости, например, относительно оси Y корпус 1 гироскопа начнет разворачиваться относительно этой оси, а ротор 3 будет стремиться сохранить неизменным в инерциальном пространстве направление вектора кинетического момента. Зазоры между ферритовым кольцом 10 и торцевыми поверхностями сердечников датчиков 8 угла изменятся и на выходе датчика 8 угла появится сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому углу, а фаза определяет знак углового перемещения. Данный сигнал электрически обрабатывается и подается в катушки датчика 9 момента по оси Z, при этом ротор 3 по правилу гироскопии будет прецессировать (поворачиваться) относительно оси Y, стремясь уменьшить до нуля рассогласование на датчике 8 угла. Мерой угловой скорости является ток в катушках датчика 9 момента. Зависимость квадратичнаяThe gyroscope works as follows. In the zero position due to symmetry, the output signal from the angle sensors 8 is absent. In the measurement mode, if there is an angular velocity, for example, relative to the Y axis, the gyroscope body 1 will begin to turn around this axis, and the rotor 3 will tend to keep the direction of the kinetic moment vector unchanged in inertial space. The gaps between the ferrite ring 10 and the end surfaces of the cores of the angle sensors 8 will change and a signal will appear at the output of the angle sensor 8, the amplitude of which is proportional to the measured angle, and the phase determines the sign of the angular displacement. This signal is electrically processed and fed into the coils of the torque sensor 9 along the Z axis, while the rotor 3, according to the gyroscopy rule, will precess (rotate) about the Y axis, trying to reduce the mismatch on the angle sensor 8 to zero. A measure of the angular velocity is the current in the coils of the torque sensor 9. Quadratic dependence

Figure 00000002
Figure 00000002

где w - измеряемая угловая скорость;where w is the measured angular velocity;

к - масштабный коэффициент датчика момента;k is the scale factor of the torque sensor;

I - ток в катушке датчика момента.I is the current in the coil of the torque sensor.

При использовании гироскопа в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора сигнал с датчика 8 угла электрически обрабатывается и подается, например, на двигатель разгрузки гиростабилизатора. Датчик 9 момента гироскопа при этом используется либо для компенсации дрейфа гироплатформы, либо для управления, при необходимости разворота гироплатформы.When using a gyroscope as a sensitive element of the gyrostabilizer, the signal from the angle sensor 8 is electrically processed and fed, for example, to the gyro stabilizer unloading engine. The sensor 9 of the gyroscope moment is used either to compensate for the drift of the gyro platform, or to control, if necessary, the turn of the gyro platform.

Предложенная конструкция гироскопа отличается простотой, высокой технологичностью и низкой трудоемкостью по сравнению с аналогичными устройствами, сохраняя при этом точностные параметры гироскопа. Преимущества обусловлены следующими основными особенностями:The proposed design of the gyroscope is simple, high adaptability and low complexity compared to similar devices, while maintaining the accuracy of the gyroscope. The advantages are due to the following main features:

1) отсутствие кардановых рамок;1) lack of cardan frames;

2) использование двухфазного бесколлекторного электродвигателя постоянного тока;2) the use of a two-phase brushless DC motor;

3) использование единой сферической шарикоподшипниковой опоры, сочетающей функции подшипников ротора гиромотора и подшипников рамок и реализующей принцип уменьшения трения Жуковского, согласно которому момент трения направлен противоположно вектору относительной угловой скорости вращения колец шарикоподшипника и в данном случае практически не проектируется на оси чувствительности гироскопа.3) the use of a single spherical ball bearing that combines the functions of the gyro rotor bearings and frame bearings and implements the Zhukovsky friction reduction principle, according to which the friction moment is directed opposite to the relative angular velocity of rotation of the ball bearing rings and in this case is practically not projected on the gyro sensitivity axis.

Источники информацииInformation sources

1. АС СССР №431808 Трехстепенный гироскоп // МПК G01C 19/00, заявлено 26.11.1971 г.1. AS of the USSR No. 431808 Three-stage gyroscope // IPC G01C 19/00, declared on 11.26.1971

2. Патент США №3517562, НКИ 74/5.6, МПК G01C 19/28, выдан 30.06.1970 г. (прототип).2. US patent No. 3517562, NKI 74 / 5.6, IPC G01C 19/28, issued June 30, 1970 (prototype).

3. Информационный материал «AVR440: Управление двухфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков» с.1-10.3. Information material “AVR440: Control of a two-phase brushless DC motor without sensors” p.1-10.

Сайт в Интернете: www.gaw.ru, б/г.Website on the Internet: www.gaw.ru, b / g.

Claims (1)

Гироскоп, содержащий корпус с расположенным внутри него гиромотором, включающим статор с катушками и ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, трансформаторно-индуктивные датчики угла и электромагнитные датчики момента, отличающийся тем, что в роторе гиромотора выполнена кольцевая полость, в которой расположены катушки статора гиромотора, катушка возбуждения и катушка положения, смещенные друг относительно друга на 90° и жестко закрепленные на корпусе гироскопа, а на роторе находятся кольцевой магнитопровод и кольцевой двухполюсный постоянный магнит гиромотора, расположенные напротив рабочих частей катушек статора. A gyroscope containing a housing with a gyromotor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing, transformer-inductive angle sensors and electromagnetic torque sensors, characterized in that the rotor of the gyromotor has an annular cavity in which the stator coils of the gyromotor are located, the coil excitations and position coils, 90 ° offset from each other and rigidly fixed to the gyroscope body, and on the rotor there is an annular magnetic circuit and an annular double-field coherent integrated permanent magnet giromotora located opposite the working parts of the stator coils.
RU2010133531/28A 2010-08-10 2010-08-10 Gyroscope RU2446382C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010133531/28A RU2446382C1 (en) 2010-08-10 2010-08-10 Gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010133531/28A RU2446382C1 (en) 2010-08-10 2010-08-10 Gyroscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010133531A RU2010133531A (en) 2012-02-20
RU2446382C1 true RU2446382C1 (en) 2012-03-27

Family

ID=45854251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010133531/28A RU2446382C1 (en) 2010-08-10 2010-08-10 Gyroscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2446382C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2728733C1 (en) * 2019-09-13 2020-07-30 Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" Gyroscope
RU2771918C2 (en) * 2021-07-12 2022-05-13 Акционерное общество "Мичуринский завод "Прогресс" Gyroscope

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3517562A (en) * 1967-09-12 1970-06-30 Raytheon Co Inertial gyroscope
RU2210735C1 (en) * 2002-01-23 2003-08-20 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Gyroscope
RU2215261C2 (en) * 2002-01-30 2003-10-27 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Gyroscope
SU431808A1 (en) * 1971-11-26 2005-08-20 Е.С. Аршинов THREE-STEPPED GYRO
RU2308680C2 (en) * 2005-11-30 2007-10-20 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Gyroscope

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3517562A (en) * 1967-09-12 1970-06-30 Raytheon Co Inertial gyroscope
SU431808A1 (en) * 1971-11-26 2005-08-20 Е.С. Аршинов THREE-STEPPED GYRO
RU2210735C1 (en) * 2002-01-23 2003-08-20 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Gyroscope
RU2215261C2 (en) * 2002-01-30 2003-10-27 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Gyroscope
RU2308680C2 (en) * 2005-11-30 2007-10-20 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Gyroscope

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2728733C1 (en) * 2019-09-13 2020-07-30 Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" Gyroscope
RU2771918C2 (en) * 2021-07-12 2022-05-13 Акционерное общество "Мичуринский завод "Прогресс" Gyroscope

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010133531A (en) 2012-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8471552B2 (en) Rotational angle-measurement apparatus and rotational speed-measurement apparatus
EP3186131B1 (en) Low-height sensor for measuring torque angle
US9587963B2 (en) Brushless linear rotary transformer
EP2771646A1 (en) Magnetic flux enhancer system for reluctance type sensors
RU2460040C1 (en) Gyroscope (versions)
JP2005513992A (en) Canned motor
JP2019219049A (en) Magnetic bearing system and rotary machine
RU2446382C1 (en) Gyroscope
RU2308680C2 (en) Gyroscope
RU2728733C1 (en) Gyroscope
CN104483510B (en) A kind of measuring method for measuring rotary acceleration sensors
JP2009271054A (en) Position detecting device and rotary linear motion motor with the same
RU2687169C1 (en) Dynamically tuned gyroscope
JP2009222542A (en) Magnetometric sensor element and electronic azimuth meter
US2753718A (en) Induced voltage pickoff for rate gyros
JPH01318901A (en) Magnetic induction type sensor
RU2725880C1 (en) Two-channel angular speed sensor
RU2771918C2 (en) Gyroscope
RU154135U1 (en) GYROSCOPIC ANGULAR SPEED METER
JP2020153980A (en) System for determining at least one rotation parameter of rotating member
ES2656515T3 (en) Angle sensor
RU2178142C2 (en) Dynamically adjusted gyro
CN110887466A (en) Non-magnetic coupling bimodal high-precision permanent magnetic torquer
JP2002540613A (en) Method for determining the position of a movable element within at least one main pole air gap of an electromagnetic actuator
RU105427U1 (en) TRANSFORMER ANGULAR MOVEMENT SENSOR

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180811