一種動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀大加矩力矩器設(shè)計(jì)

韋宇聰，呂英豪，羅麟經(jīng)

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

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一種動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀大加矩力矩器設(shè)計(jì)

韋宇聰，呂英豪，羅麟經(jīng)

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

為滿足捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀大跟蹤速率的要求，提出了一種新的力矩器永磁磁鋼結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)參考Halbach永磁體陣列，在常規(guī)的雙徑向充磁磁環(huán)中間增加了一個(gè)軸向充磁磁環(huán)。利用電磁場仿真軟件Maxwell對典型結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)力矩器的工作氣隙磁場進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)力矩器的力矩系數(shù)可提高36%。陀螺儀樣機(jī)的實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了分析的結(jié)果。

動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀；力矩器;Halbach永磁體陣列；磁場

0 引言

力矩器是動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀(以下簡稱“陀螺儀”)的基本元件，用來對陀螺轉(zhuǎn)子施加力矩，以產(chǎn)生修正和補(bǔ)償效應(yīng),并間接測量陀螺儀的輸入角速度。因此，陀螺儀對力矩器的力矩系數(shù)提出了高穩(wěn)定性、高線性度和高對稱性的要求[1]。特別地，對應(yīng)用于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺儀，其最大跟蹤速率一般要求達(dá)到60～400(°)/s，甚至更高，因此力矩器應(yīng)具備較高的力矩系數(shù)，以產(chǎn)生足夠的進(jìn)動(dòng)力矩。

根據(jù)ω=M/H可知，為實(shí)現(xiàn)大的跟蹤速率，捷聯(lián)陀螺儀在設(shè)計(jì)上一般有以下特點(diǎn)：一是力矩器的力矩系數(shù)較大，保證在電流一定的前提下獲得較大的進(jìn)動(dòng)力矩M；二是陀螺儀的調(diào)諧轉(zhuǎn)速較低，即陀螺儀的角動(dòng)量H較小。但是較小的陀螺儀角動(dòng)量，將帶來撓性接頭剛度低，陀螺儀抗沖擊能力弱的不良影響，限制了陀螺儀的使用范圍。

在某改進(jìn)型陀螺儀研制過程中，為了提高陀螺儀的抗沖擊能力，需增大陀螺儀撓性接頭的角剛度，并提高陀螺儀的調(diào)諧轉(zhuǎn)速。陀螺儀轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)子角動(dòng)量提高，為保持一定的跟蹤速率，需要力矩器提供更大的進(jìn)動(dòng)力矩。為此，本文提出了一種新的力矩器結(jié)構(gòu)。該方案參考Halbach永磁體陣列結(jié)構(gòu)，在常規(guī)力矩器的雙徑向充磁磁環(huán)中間增加一個(gè)軸向充磁磁環(huán)。增加的軸向充磁磁環(huán)可以有效地增加永磁體的體積，同時(shí)改變力矩器的磁路，達(dá)到增強(qiáng)工作氣隙的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度的效果，實(shí)現(xiàn)了不改變陀螺儀外形尺寸而提高力矩器力矩系數(shù)的目的。

1 陀螺儀力矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 力矩器的典型結(jié)構(gòu)

陀螺儀一般采用動(dòng)鐵式永磁力矩器。它的永磁體裝配在陀螺儀轉(zhuǎn)子上，作為陀螺儀轉(zhuǎn)子的一部分，參與轉(zhuǎn)動(dòng)。力線圈則裝配在陀螺儀底座上，保持不動(dòng)。為獲得盡可能大的力矩器力矩系數(shù)，陀螺儀采用雙有效邊結(jié)構(gòu)，即在陀螺儀轉(zhuǎn)子上裝配兩個(gè)徑向充磁磁環(huán)，而力線圈有效邊安放在正對永磁磁環(huán)的氣隙中心位置上。它的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 力矩器典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The diagram of the structure of the typical torquer

從圖1可以看出，永磁磁環(huán)產(chǎn)生的主磁通經(jīng)“上永磁磁環(huán) - 氣隙 - 外側(cè)轉(zhuǎn)子體 - 氣隙 - 下永磁磁環(huán) - 內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子體”各部分形成閉合回路。經(jīng)上永磁磁環(huán)的上部氣隙、下永磁磁環(huán)的下部氣隙，以及上下永磁磁環(huán)之間氣隙閉合的部分磁通為力矩器的漏磁通。它的磁力線分布如圖2所示。

圖2 磁力線分布圖Fig.2 The distribution diagram of the flux line

在力矩器線圈中通入直流電或電流脈沖，通電線圈在磁場中將產(chǎn)生力和力矩，根據(jù)作用力與反作用力原理，在陀螺轉(zhuǎn)子上將受到大小相等、方向相反的力矩作用。力矩器的力矩系數(shù)如下

kM=M/i

(1)

式中：σ0—同軸力線圈的有效邊數(shù)，推挽式力矩器取2或者4；

λ0—力線圈圓弧系數(shù)，表示力線圈圓弧有效邊較直線有效邊力矩減少的程度；

rcp—力線圈有效邊的平均半徑，cm；

L—力線圈有效邊長度，cm；

Bδ—力線圈所在位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分量，Gs；

W—每組力線圈匝數(shù)。

從式(1)中可以看出，力矩器的力矩系數(shù)與力線圈的有效邊數(shù)、平均半徑、有效邊長度、磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量和力線圈匝數(shù)等因素成正比關(guān)系。

1.2 大加矩力矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在改進(jìn)型陀螺儀設(shè)計(jì)時(shí)，由于陀螺儀的主要結(jié)構(gòu)尺寸無法改變，提高力矩器力矩系數(shù)主要靠增強(qiáng)力矩器工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

增強(qiáng)力矩器工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以通過提高永磁磁環(huán)的充磁性能和優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。由于在當(dāng)前條件下，提高永磁磁環(huán)的充磁性能存在較大的技術(shù)難度，因此，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)是解決問題的主要途徑。

從圖2可以看出，力矩器的工作氣隙(力線圈的位置)位于永磁體的外側(cè)。相對于永磁體而言，力矩器的磁場為單邊磁場。采用Halbach永磁體陣列是增強(qiáng)單邊磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效方法。

Halbach永磁體陣列是1979年美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家K.Halbach博士提出的一種新穎的永磁結(jié)構(gòu)。這種永磁體陣列完全由稀土永磁材料構(gòu)成，通過將不同充磁方向的永磁體按照一定的規(guī)律排列，能夠在永磁體的一側(cè)匯聚磁力線，而在另一側(cè)消弱磁力線，從而獲得比較理想的單邊磁場[2]。由于無法實(shí)現(xiàn)永磁體充磁方向的連續(xù)變化，因此在實(shí)際應(yīng)用中，Halbach陣列永磁體常常通過將離散的永磁體拼接在一起的方式來實(shí)現(xiàn)。

參考Halbach永磁體陣列，新結(jié)構(gòu)力矩器在圖1所示的兩個(gè)徑向充磁磁環(huán)中間增加一個(gè)軸向充磁磁環(huán)，軸向充磁磁環(huán)的充磁方向根據(jù)上下徑向充磁磁環(huán)的充磁方向決定。當(dāng)上下磁環(huán)的充磁方向如圖1所示時(shí)，中間軸向充磁磁環(huán)的充磁方向?yàn)樽韵露?，即充磁后，磁環(huán)上端為N極，下端為S極。新結(jié)構(gòu)力矩器的示意圖如圖3所示。

圖3 力矩器新結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The diagram of the structure of the new torquer

增加了軸向充磁磁環(huán)后，新結(jié)構(gòu)力矩器的主磁通包括兩部分，一部分經(jīng)過“上永磁磁環(huán) - 氣隙 - 外側(cè)轉(zhuǎn)子體 - 氣隙 - 下永磁磁環(huán) - 內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子體”進(jìn)行閉合，另一部分經(jīng)過“上永磁磁環(huán) - 氣隙 - 外側(cè)轉(zhuǎn)子體 - 氣隙 - 下永磁磁環(huán) - 軸向充磁磁環(huán)”進(jìn)行閉合。漏磁通則分別經(jīng)“上永磁磁環(huán)上部氣隙 - 轉(zhuǎn)子 - 上永磁磁環(huán)”、“下永磁磁環(huán)下部氣隙 - 轉(zhuǎn)子 - 下永磁磁環(huán)”和“軸向充磁磁環(huán) - 軸向充磁磁環(huán)外側(cè)和力線圈內(nèi)側(cè)之間氣隙”三種路徑閉合。新結(jié)構(gòu)力矩器的磁力線分布如圖4所示。

圖4 新結(jié)構(gòu)力矩器磁力線分布圖Fig.4 The distribution diagram of the flux line of the new torquer

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值分布云圖Fig.5 The distribution diagram of the amplitude of the flux density

2 力矩器磁場仿真分析

2.1 典型結(jié)構(gòu)力矩器的磁場 利用電磁場有限元分析軟件Maxwell對某型號陀螺儀典型結(jié)構(gòu)力矩器永磁磁環(huán)產(chǎn)生的靜磁場進(jìn)行分析，得到力矩器各部分及工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值分布如圖5所示。在力矩器中，工作氣隙中力線圈所在位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分量為產(chǎn)生力矩的有效分量。利用后處理器中的計(jì)算器對磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分解，得到力矩器工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量的沿氣隙中心線分布曲線，如圖6所示。圖中，紅色曲線為磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量沿氣隙中心線的分布曲線，綠色和藍(lán)色曲線分別對應(yīng)為氣隙中心線左側(cè)0.3mm(靠近永磁體，力線圈內(nèi)側(cè))和右側(cè)0.3mm(遠(yuǎn)離永磁體，力線圈外側(cè))位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量。

圖6 典型結(jié)構(gòu)力矩器工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量軸向分布曲線Fig.6 The distribution curve of the flux density(radial component)of the typical torque

2.2 大加矩力矩器的磁場

利用Maxwell對新結(jié)構(gòu)力矩器的磁場進(jìn)行分析，得到新結(jié)構(gòu)力矩器氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值分布如圖7所示。

圖7 新結(jié)構(gòu)力矩器感應(yīng)強(qiáng)度幅值分布云圖Fig.7 The distribution diagram of the amplitude of the flux density

參照2.1在后處理器中對新結(jié)構(gòu)力矩器工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量進(jìn)行分解，結(jié)果如圖8所示。

圖8 新結(jié)構(gòu)力矩器工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量軸向分布曲線Fig.8 The distribution curve of the flux density(radial component)of the new torquer

2.3 兩種結(jié)構(gòu)力矩器對比

對比圖2和圖4兩種結(jié)構(gòu)的磁力線分布可以看出，新結(jié)構(gòu)力矩器的磁路較典型結(jié)構(gòu)力矩器發(fā)生了改變。新結(jié)構(gòu)力矩器的磁力線除了通過典型結(jié)構(gòu)力矩器的磁場路徑外，還增加了經(jīng)過由三個(gè)永磁磁環(huán)、工作氣隙和陀螺儀轉(zhuǎn)子組成的閉合的磁場路徑。此外，典型結(jié)構(gòu)力矩器的磁力線還有一部分通過陀螺儀轉(zhuǎn)子外側(cè)，經(jīng)陀螺儀轉(zhuǎn)子組件下部閉合的磁力線。而新結(jié)構(gòu)力矩器的磁力線幾乎都在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部閉合，也就是說新結(jié)構(gòu)力矩器的漏磁相對減小。

對比圖6和圖8兩種結(jié)構(gòu)力矩器工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量的分布曲線可以看出，在氣隙中心線位置，新結(jié)構(gòu)力矩器的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量較典型結(jié)構(gòu)力矩器的有了明顯的提高。在正對上下兩個(gè)徑向充磁磁環(huán)的位置(力線圈所在位置)，典型結(jié)構(gòu)力矩器的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量在1300～2300Gs之間，新結(jié)構(gòu)力矩器的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量達(dá)到1800～3300Gs。

對曲線進(jìn)行分段線性化，粗略估算平均值，典型結(jié)構(gòu)力矩器工作氣隙中心線上徑向磁環(huán)正對位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量大約為1900Gs，新結(jié)構(gòu)力矩器為2600Gs，新結(jié)構(gòu)力矩器較典型結(jié)構(gòu)的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了36%。在氣隙中心線的左右側(cè)0.3mm處，新結(jié)構(gòu)力矩器的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量同樣出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。也就是說，在其他因素不變的前提下，新結(jié)構(gòu)力矩器的力矩系數(shù)提高36%。

3 樣機(jī)試制及測試結(jié)果分析

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，在某型陀螺儀的改進(jìn)型上開展了新結(jié)構(gòu)力矩器試驗(yàn)。陀螺儀樣機(jī)共兩個(gè)，新結(jié)構(gòu)力矩器裝配完成后隨陀螺儀進(jìn)行了相關(guān)測試，其中采用典型結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)力矩器的力矩系數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1 力矩器力矩系數(shù)測試結(jié)果Tab.1 The test result of the scale factor of the torquer

從表1中測試結(jié)果的數(shù)值看，新結(jié)構(gòu)力矩器的力矩系數(shù)平均值約為365(mg·cm)/mA，為典型結(jié)構(gòu)力矩器的力矩系數(shù)平均值259(mg·cm)/mA的1.41倍，與仿真結(jié)果吻合。

根據(jù)陀螺儀的工作原理，可知

(2)

式中：M—力矩器通入電流所產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力矩；H—陀螺儀角動(dòng)量；KT—陀螺儀標(biāo)度因數(shù)；KM—力矩器力矩系數(shù)；JX—陀螺儀極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；N—陀螺儀調(diào)諧轉(zhuǎn)速；mi—陀螺儀旋轉(zhuǎn)部分各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；Ri—陀螺儀旋轉(zhuǎn)部分各質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑。

根據(jù)式(2)，在陀螺儀調(diào)諧轉(zhuǎn)速一致的前提下，采用新結(jié)構(gòu)力矩器的陀螺儀標(biāo)度因數(shù)與采用典型結(jié)構(gòu)力矩器的陀螺儀標(biāo)度因數(shù)比值如式(3)所示。

(3)

新結(jié)構(gòu)力矩器的陀螺儀增加了軸向充磁磁環(huán)，重量增加了2.85g，陀螺儀的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加為采用典型結(jié)構(gòu)力矩器陀螺儀的1.08倍。

再根據(jù)表1的測試結(jié)果的平均值，即可以計(jì)算得到某型陀螺儀采用新結(jié)構(gòu)力矩器與采用典型結(jié)構(gòu)力矩器的陀螺儀標(biāo)度因數(shù)比值

(4)

由式(4)可知，采用新結(jié)構(gòu)力矩器之后，陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)可以提高30%，與表2所示的陀螺儀標(biāo)度因數(shù)實(shí)際測試結(jié)果吻合。

表2 陀螺儀標(biāo)度因數(shù)測試結(jié)果Tab.2 The test result of the scale factor of the DTG

4 結(jié)論

本文參考Halbach永磁體陣列結(jié)構(gòu)，提出了一種新的力矩器結(jié)構(gòu)——在常規(guī)力矩器的雙徑向充磁磁環(huán)中間增加一個(gè)軸向充磁磁環(huán)。從分析和陀螺儀樣機(jī)的實(shí)測結(jié)果可以看出，新結(jié)構(gòu)力矩器可以有效提高力矩器的力矩系數(shù)。該結(jié)構(gòu)方案陀螺儀改動(dòng)少，可以有效縮短改進(jìn)型陀螺儀的研制周期，同時(shí)對陀螺儀小型化過程中力矩器的設(shè)計(jì)提供了積極的參考意義。

[1] 林士諤. 動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀[M].國防工業(yè)出版社,1983.

[2] 張一鳴,喬德治,高俊俠. Halbach陣列永磁體的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].分析儀器，2010，28(2):5-10.

Design of the Torquer with High Scale Factor for DTG

WEI Yu-cong, LV Ying-hao, LUO Lin-jing

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China)

A new structure of the permanent magnet for torquer is put forward to satisfy the requirement of high processing rate of the DTG for the strap-down inertial navigation. Refer to the Halbach magnet array, an axial-magnetized magnetic ring is mounded between the two radial-magnetized magnetic rings in the new torquer. The magnetic field in the air gap of the typical torquer and the new torquer is analyzed using the FEA software Maxwell. According to the analysis, the scale factor of the new torquer can increase 36%. The result of the analysis is verified by the test of the DTG.

DTG; Torquer; Halbach magnet array; Magnetic field

2015 - 03 - 10；

2015 - 04 - 02。

韋宇聰(1981 - )，男，碩士，工程師，主要從事陀螺電機(jī)方面的研究。

V249

A

2095-8110(2015)03-0108-06