專利名稱：高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及動壓馬達動力調諧陀螺儀領域，特別是一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀。
背景技術：
當前，國內作為角速率敏感器的慣性元件主要有以下幾種1)靜電陀螺，試驗室樣機精度已達到優于0. 0001° /h的水平，但其工程應用仍處于探索階段；幻液浮陀螺，精度已達到優于0. 001° /h的水平，廣泛應用于艦船導航，戰略導彈制導；3)激光陀螺，精度已達到優于0. 003° /h的水平，應用于飛機、導彈導航與制導；4)光纖陀螺，精度已達到優于0.01° /h的水平，但只有0.1° /h的應用于戰術導彈。從以上的分析看出，目前國內精度優于0.001° /h的陀螺種類很少。在優于0.001° /h的陀螺種類中，靜電陀螺、液浮陀螺制造成本高，其快速反應能力較差，啟動后需要穩定十幾個小時，甚至幾十個小時才能正常工作。現今，動力調諧陀螺儀的設計和制造已經進入成熟階段。動力調諧陀螺儀具有結構簡單、制造成本低、體積小等突出優點。國內動力調諧陀螺儀電機普遍采用滾珠軸承，滾珠軸承帶來的振動是造成動力調諧陀螺儀精度誤差的主要來源之一，滾珠軸承的特性使得動力調諧陀螺儀的精度普遍限定在0.01° /h左右。因此，發明一種精度優于0.001° /h, 并且具有體積小、啟動快、成本低、壽命長等特點的動壓馬達動力調諧陀螺儀，對于提升我國慣性元件的基礎實力具有現實意義。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種能夠實現對旋轉角速率的精確測量，可應用于長時間、高精度導航要求的現代慣性導航系統的高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀。本發明的目的是通過以下技術手段實現的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其總體結構包括永磁電機、差動式電感傳感器、動鐵式雙軸力矩器和多平衡環接頭，永磁電機安裝在底座上，陀螺轉子組件通過多平衡環接頭安裝在永磁電機軸上，底座將陀螺轉子組件和電機分隔于兩側，差動式電感傳感器和動鐵式雙軸力矩器依次安裝在陀螺轉子組件同側的底座上，其特征在于永磁電機采用半球型動壓氣體軸承。而且，所述的永磁電機由半球型動壓氣體軸承、定子、轉子、永磁體、外導磁環和內導磁環組成，半球型動壓氣體軸承由半球、球碗、軸和螺母等組成，兩個半球對稱設置于球碗內并套裝在軸上，半球與球碗之間具有微間隙，球碗和定子通過螺釘固定在陀螺儀的底座上。而且，所述的電機定子組件外圍覆蓋特殊材料薄層，該薄層材料為特種塑料或者精密陶瓷或者氧化鋯。
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而且，所述的永磁電機在外導磁環外側套裝一磁滯環片和一磁滯定子組件，該磁滯環片和磁滯定子組件間具有微間隙。而且，所述的差動式電感傳感器由導磁環、傳感器定子組件以及安裝底板組成，定子組件由四個磁芯、八個線圈組合件及一塊接線板組成，磁芯采用U型結構，直接安裝到安裝底板上所制的安裝槽內，安裝底板通過螺釘固定在陀螺儀底座上，安裝底板和傳感器接線板與陀螺儀底座、球碗之間留有空隙。而且，所述的動鐵式雙軸力矩器由永磁輻射環組件及力矩器定子組件組成，永磁輻射環組件由永磁輻射環及熱磁補償片組成，力矩器定子組件主要由陶瓷骨架及四個在陶瓷骨架圓周上均布的線圈組成，同一軸上兩個線圈反接串聯，力矩器定子組件外圍覆蓋特殊材料薄層，該薄層材料為特種塑料或者精密陶瓷或者氧化鋯。而且，所述的陀螺轉子組件和永磁電機轉子外側分別套裝一組陀螺轉子組件整流件和電機轉子整流件，該陀螺轉子組件整流件通過支架安裝在底座上或者直接安裝在底座上；電機轉子整流件通過螺釘固定在底座上或者直接安裝到底座上；整流件和支架在圓周上留有用作氣體溫度交換的通氣孔；整流件材料采用1J12、1J50、1J79軟磁材料。而且，所述的陀螺轉子組件和永磁電機轉子外側分別套裝一組陀螺轉子側溫控件和電機轉子側溫控件。而且，所述的陀螺轉子側溫控件的加熱絲纏繞在陀螺轉子組件整流件上，熱敏電阻安裝在力矩器定子上；電機轉子側溫控件的加熱絲纏繞在電機轉子整流件或者底座上， 熱敏電阻均安裝在電機定子上。而且，所述的底座上安裝外罩。本發明的優點和積極效果是1、本陀螺儀采用對置半球型動壓軸承，動壓軸承可以基本上消除振動以及具有低柔量等特點，利用其氣體潤滑的特性，使得動壓軸承所產生的振動幅值比滾珠軸承小1 2 個數量級，動壓軸承動力調諧陀螺儀輸出的信號中混有極少與振動相關的雜波信號，避免了與振動相關的干擾信號對陀螺精度產生的不利影響，并且動壓氣體軸承的壽命主要用軸承的啟-停次數來衡量的，其理論壽命是無限長的，因此本陀螺儀具有長壽命的顯著特點。2、本陀螺儀內所安裝的整流件為降噪設計，通過加裝整流件來減少隨高速旋轉部件流動的氣體體積，維持相對穩定的氣體層流狀態，從而解決了傳統動力調諧陀螺儀輸出噪聲大等問題，本陀螺儀輸出頻譜噪聲幅值比傳統滾珠軸承動力調諧陀螺儀輸出頻譜噪聲幅值小一個數量級。3、本陀螺儀采用分區溫控設計可消除溫度場不均勻對陀螺儀精度及性能產生的不利影響，有利于提高陀螺儀的精度。4、本陀螺儀經過若干年長期工作或者儲存后常值穩定性好，不需要對使用本陀螺儀的慣導系統反復進行定標。5、本陀螺儀采用“模塊化可拆性”設計，在裝配和調試過程中，陀螺儀的零部件可做到全部或大多數零部件可拆卸，并使零部件做到最大限度的可循環利用，具有研發制造成本低、性價比高的特性。6、本陀螺儀中的永磁電機設計成兩種結構形式，可根據陀螺儀的使用場合以及使用需要進行選擇，極大地增加了陀螺儀的使用靈活性以及使用范圍。
7、本發明是一種體積小、啟動快、成本低、壽命長、可拆卸的高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，本陀螺儀通過安裝半球軸承、整流件以及分區溫控件，實現了提高測量精度的目的，其固定姿態測漂精度優于0.001° /h，尤其是采用陀螺電機轉速補償和溫度補償等裝置后，陀螺儀固定姿態測漂精度可達0.0005° /h，符合高精度測量的要求，適合應用于有長時間、高精度導航要求的現代慣性導航系統中。
圖1為本發明總體結構示意圖(圖2的A-A向剖視圖)；圖2為圖1去掉外罩、轉子組件、整流件及支架后的俯視圖；圖3為本發明中安裝底板的主視圖；圖4為圖3的右視圖；圖5是本發明永磁-磁滯電機的剖面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細敘述本發明的實施例；需要說明的是，本實施例是敘述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，包括永磁電機、差動式電感傳感器、 動鐵式雙軸力矩器和多平衡環接頭25。永磁電機安裝在底座5上，底座上安裝外罩29，陀螺轉子組件通過多平衡環接頭安裝在永磁電機軸上，底座將陀螺轉子組件和電機分隔于兩側。差動式電感傳感器和動鐵式雙軸力矩器依次安裝在陀螺轉子組件同側的底座上。多平衡環接頭可消除兩倍頻角振動誤差，本發明不對平衡環的個數進行限定，大于等于兩個以上平衡環均可。本發明的創新點在于永磁電機由半球型動壓氣體軸承、定子15、轉子13、永磁體 11、外導磁環10和內導磁環12組成，電機定子組件外圍覆蓋特殊材料薄層14，該薄層材料為特種塑料或者精密陶瓷或者氧化鋯。半球型動壓氣體軸承由半球9、球碗7、軸6和螺母等組成，兩個半球對稱設置于球碗內并套裝在軸上，半球與球碗之間具有微間隙。球碗和定子通過螺釘固定在陀螺儀的底座上，以便于電機的拆裝和試驗。除球碗和定子為靜止件外， 上述其它件為旋轉件。定子、永磁體、外導磁環、內導磁環構成電磁場回路。電機根據通電導線在磁場中受到力的作用而產生電磁轉矩而工作。電機啟動后半球與球碗間形成潤滑氣膜支撐所有旋轉件高速旋轉。半球、軸、電機轉子等旋轉部件需采用密度低、比剛度高材料， 例如鈹、鈦合金等，其目的是為了減輕旋轉部件的重量，提升半球馬達的承載能力和耐回轉能力。上述實施例一所示永磁電機本身無啟動轉矩，啟動困難，需外加專用電子啟動電路。因此如圖5所示永磁電機實施例一的基礎上，在外導磁環外側套裝一磁滯環片32和一磁滯定子組件31，磁滯環片和磁滯定子組件間具有微間隙，形成永磁-磁滯電機，完成磁滯啟動、永磁主工作的工作方式，從而具有啟動方便，陀螺重復性好等優點。差動式電感傳感器由導磁環23、傳感器定子組件以及安裝底板3組成，定子組件由四個磁芯1、八個線圈組合件沈及一塊接線板組成，磁芯采用U型結構，直接安裝到安裝底板上所制的安裝槽30內，安裝底板通過螺釘固定在陀螺儀底座上，安裝底板和傳感器接線板與陀螺儀底座、球碗之間留有空隙。供陀螺內部軸向氣流通過(參考圖1中曲線箭頭所示)。每個磁芯與導磁環構成閉合磁路，同一軸上兩個磁芯上的四個線圈按照一定的繞序串聯，合用同一導磁環構成差動結構來感知陀螺轉子偏角。動鐵式雙軸力矩器由永磁輻射環組件22及力矩器定子組件21組成，永磁輻射環組件由永磁輻射環及熱磁補償片組成，力矩器定子組件主要由陶瓷骨架及四個在陶瓷骨架圓周上均布的線圈組成，同一軸上兩個線圈反接串聯，處于磁場中對陀螺轉子產生加矩作用，力矩器定子組件外圍覆蓋特殊材料薄層20，該薄層材料為特種塑料或者精密陶瓷或者氧化鋯。薄層特殊材料經精加工后必須具有較高光潔度，以減弱陀螺轉子與力矩器定子組件之間高速旋轉氣體的阻尼效應。在陀螺轉子組件28和永磁電機轉子外側分別套裝一組陀螺轉子組件整流件和電機轉子整流件，整流件主要分布在陀螺和電機轉子外圍，該陀螺轉子組件整流件2和27通過支架18安裝在底座上，陀螺轉子組件整流件M直接安裝在底座上。電機轉子整流件8 通過螺釘固定在底座上或者直接安裝到底座上。整流件和支架在圓周上留有用作氣體溫度交換的通氣孔，以便熱敏電阻4更快速感知加熱絲19加溫的氣體溫度。整流件材料采用 1J12、1J50、1J79等磁材料，可降低陀螺與慣導系統元器件之間、陀螺內部各主要元器件間以及陀螺內部各元器件與線纜間的電磁干擾。加裝整流件后，陀螺轉子組件和電機轉子圓柱面外圍的薄層區域形成I型流動區；陀螺轉子組件和電機轉子端面外圍的薄層區域形成II型流動區(參見圖1所示)。各
整流件與電機轉子或陀螺轉子的圓柱面的I型流動區間隙按照如下流體力學公式確定
權利要求
1.一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其總體結構包括永磁電機、差動式電感傳感器、動鐵式雙軸力矩器和多平衡環接頭，永磁電機安裝在底座上，陀螺轉子組件通過多平衡環接頭安裝在永磁電機軸上，底座將陀螺轉子組件和電機分隔于兩側，差動式電感傳感器和動鐵式雙軸力矩器依次安裝在陀螺轉子組件同側的底座上，其特征在于永磁電機采用半球型動壓氣體軸承。
2.根據權利要求1所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的永磁電機由半球型動壓氣體軸承、定子、轉子、永磁體、外導磁環和內導磁環組成，半球型動壓氣體軸承由半球、球碗、軸和螺母等組成，兩個半球對稱設置于球碗內并套裝在軸上，半球與球碗之間具有微間隙，球碗和定子通過螺釘固定在陀螺儀的底座上。
3.根據權利要求2所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的電機定子組件外圍覆蓋特殊材料薄層，該薄層材料為特種塑料或者精密陶瓷或者氧化 ,告。
4.根據權利要求2所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的永磁電機在外導磁環外側套裝一磁滯環片和一磁滯定子組件，該磁滯環片和磁滯定子組件間具有微間隙。
5.根據權利要求1所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的差動式電感傳感器由導磁環、傳感器定子組件以及安裝底板組成，定子組件由四個磁芯、八個線圈組合件及一塊接線板組成，磁芯采用U型結構，直接安裝到安裝底板上所制的安裝槽內，安裝底板通過螺釘固定在陀螺儀底座上，安裝底板和傳感器接線板與陀螺儀底座、球碗之間留有空隙。
6.根據權利要求1所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的動鐵式雙軸力矩器由永磁輻射環組件及力矩器定子組件組成，永磁輻射環組件由永磁輻射環及熱磁補償片組成，力矩器定子組件主要由陶瓷骨架及四個在陶瓷骨架圓周上均布的線圈組成，同一軸上兩個線圈反接串聯，力矩器定子組件外圍覆蓋特殊材料薄層，該薄層材料為特種塑料或者精密陶瓷或者氧化鋯。
7.根據權利要求1所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的陀螺轉子組件和永磁電機轉子外側分別套裝一組陀螺轉子組件整流件和電機轉子整流件，該陀螺轉子組件整流件通過支架安裝在底座上或者直接安裝在底座上；電機轉子整流件通過螺釘固定在底座上或者直接安裝到底座上；整流件和支架在圓周上留有用作氣體溫度交換的通氣孔；整流件材料采用1J12、1J50、1J79軟磁材料。
8.根據權利要求1所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的陀螺轉子組件和永磁電機轉子外側分別套裝一組陀螺轉子側溫控件和電機轉子側溫控件。
9.根據權利要求8所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的陀螺轉子側溫控件的加熱絲纏繞在陀螺轉子組件整流件上，熱敏電阻安裝在力矩器定子上；電機轉子側溫控件的加熱絲纏繞在電機轉子整流件或者底座上，熱敏電阻均安裝在電機定子上。
10.根據權利要求1所述的一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其特征在于所述的底座上安裝外罩。
全文摘要
本發明涉及一種高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，其總體結構包括永磁電機、差動式電感傳感器、動鐵式雙軸力矩器、多平衡環接頭、整流件及分區溫控件等。永磁電機采用半球型動壓氣體軸承，整流件主要分布在陀螺和電機轉子外圍，分區溫控件分布在陀螺內部不同區域。本發明是一種精度優于0.001°/h，并且具有體積小、啟動快、成本低、壽命長、可拆卸的高精度半球動壓馬達動力調諧陀螺儀，本陀螺儀通過安裝半球軸承、整流件以及分區溫控件，實現了提高測量精度的目的，適合應用于有長時間、高精度導航要求的現代慣性導航系統中。
文檔編號G01C19/08GK102506840SQ20111028738
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者于洪宇, 凌林本, 江建華, 陳偉, 龍春國 申請人:中國船舶重工集團公司第七0七研究所