動壓氣浮陀螺電機技術(shù)發(fā)展綜述

孫文利，紀 斌，劉汝婧，郝磊磊，郝永勤，譚映戈

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

0 引言

高精度陀螺儀廣泛應(yīng)用于慣性導航系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候自主導航、精確打擊與定位。當前，美俄等發(fā)達國家的戰(zhàn)略裝備均采用機電陀螺儀表，其精度及穩(wěn)定性對保證戰(zhàn)略裝備綜合性能起到了關(guān)鍵支撐作用。陀螺電機是機電陀螺儀的核心元件，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)形成角動量，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及性能可靠性直接影響陀螺儀的精度和壽命。

早在20世紀初期，Ansuz和Sperry利用直流有刷電機研制了較早的陀螺儀[1]。直流有刷電機因電刷有較大的接觸摩擦，在整流換向的過程中會產(chǎn)生電火花，降低了電機的可靠性，同時存在安全問題。后來逐漸改用異步電機，雖然其效率和穩(wěn)速精度不如直流電機，但其結(jié)構(gòu)簡單且可靠性更高。20世紀40年代初，隨著陀螺儀精度的不斷提高，對電機的要求也越來越高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度差的異步電機已不能滿足要求。

目前，陀螺電機普遍采用同步電機，雖然其力能指標不高（η·cosφ）， 但轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度較好。同步電機有反應(yīng)式、磁滯式和永磁式三種。初期，反應(yīng)式和磁滯式電機的電磁性能不相上下。隨著磁滯材料的高速發(fā)展，從20世紀60年代開始，磁滯同步電機廣泛應(yīng)用于陀螺儀中。隨著控制電路技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機不能自啟動的難題得以解決，具有高穩(wěn)速精度、低功耗優(yōu)勢的永磁同步電機也應(yīng)用于陀螺儀中。

氣浮軸承早在20世紀40年代就開始應(yīng)用于陀螺儀中[2]，但受加工手段和加工精度的限制，氣浮陀螺電機發(fā)展緩慢。隨著制造技術(shù)和工藝水平的不斷進步，氣浮陀螺電機得以成功應(yīng)用。按照有無外部氣源，氣浮軸承可分為動壓和靜壓兩種形式。靜壓氣浮軸承需要單獨的外部氣源，而動壓氣浮軸承通過自身旋轉(zhuǎn)將氣體泵入軸承實現(xiàn)自供氣。采用動壓氣浮軸承支撐，電機正常運行時軸承不接觸，有較長的使用壽命，可有效改善滾珠軸承摩擦力矩大和陀螺儀漂移誤差大的缺點，陀螺儀精度可提升近兩個數(shù)量級[3]。其次，因不需要外部氣源，可滿足系統(tǒng)小型化、輕量化的需求，動壓氣浮軸承成為目前高精度、長壽命陀螺電機的主要支撐方式。國外在20世紀50年代開始研制動壓氣浮軸承，美國從20世紀60年代開始研制的液浮陀螺18IRIG、10IRIG、TGG（第三代陀螺）和FGG（第四代陀螺）等全部采用動壓氣浮軸承，俄羅斯SS20～SS25導彈上的精密陀螺儀中也都采用動壓氣浮軸承，并且主要是半球型動壓氣浮軸承。國內(nèi)，動壓氣浮軸承的研制開始于20世紀70年代。近幾年，半球型動壓軸承得以研制并得到應(yīng)用。

縱觀國內(nèi)外陀螺電機的發(fā)展趨勢，主要的技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)在電機電磁特性、軸承支撐方式、材料選用、制造工藝和測試技術(shù)等方面。本文首先介紹了陀螺電機的結(jié)構(gòu)類型和工作原理，并對比了不同陀螺電機類型及拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。其次，分析了幾種常見的氣浮軸承的結(jié)構(gòu)和承載方式，歸納了用于陀螺電機的動壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)要求。隨后，介紹了分析軸承氣動性能的常用方法，討論了槽型結(jié)構(gòu)對軸承氣動性能的影響。依據(jù)陀螺電機使用需求，介紹了氣浮軸承的常用材料，歸納了材料選用原則，總結(jié)了動壓氣浮軸承的關(guān)鍵制造工藝技術(shù)。針對陀螺電機性能測試，提出了一種能夠更準確判斷電機可靠性的新技術(shù)。最后，對動壓氣浮陀螺電機的主要發(fā)展方向進行了展望。

1 陀螺電機類型

1.1 磁滯陀螺電機

磁滯電機的定子與普通交流電機的定子相同，轉(zhuǎn)子上安裝圓形磁滯環(huán)，由半硬磁材料疊壓而成，不需要預(yù)先磁化，其工作原理示意圖如圖1所示[1]。當定子轉(zhuǎn)動某一角度時，轉(zhuǎn)子上的磁滯材料由于磁滯作用會滯后定子磁場一個角度θ，使氣隙磁力線被扭斜而產(chǎn)生切向力Ft驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

圖1 磁滯電機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過程Fig.1 Generation process of hysteresis motor torque

磁滯陀螺電機按定子、轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系可分為外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子兩種拓撲結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，定子部分在外側(cè)靜止不動，轉(zhuǎn)子在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，該結(jié)構(gòu)所需零件少，內(nèi)部可靠性較高。外側(cè)的定子繞組可直接通過電機外表面散熱，可簡化冷卻方案。文獻[4]提出了一種內(nèi)轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種新型陀螺電機提高了運行過程中的性能穩(wěn)定性，縮短了啟動時間，溫升降低了20℃左右，有效減小了內(nèi)部損耗。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of inner rotor hysteresis gyroscope motor

外轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機結(jié)構(gòu)如圖3所示[1]，轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)部件放置在電機外側(cè)，定子組件固定在電機內(nèi)部。該結(jié)構(gòu)可減小電機徑向尺寸，使陀螺儀的結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積更小。但其零件多、結(jié)構(gòu)復雜，需要靠選配彈簧墊片來調(diào)整軸向壓力，造成裝配工藝復雜和材料膨脹系數(shù)難以匹配等問題。

圖3 外轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of outer rotor hysteresis gyroscope motor

磁滯陀螺電機的設(shè)計方法主要可分為解析法、等效磁路法和有限元法。解析法的重點研究內(nèi)容是選擇合適的磁滯材料、回火溫度以及有效層尺寸[5]。為了提高電機的力能指標，應(yīng)該使磁滯材料工作在磁滯角最大的區(qū)域內(nèi)，即最佳工作區(qū)，圖4為部分磁滯材料最佳工作區(qū)的特性曲線[5]。有效層尺寸可根據(jù)損耗最小原則來選擇。研究表明，為使損耗最小，在工作場強Hmr確定時，應(yīng)選擇盡可能小的工作磁密Bmr和盡可能大的比損耗系數(shù)Kr。解析法通過簡單明了的公式反映出電機性能與參數(shù)間的關(guān)系，但為了計算方便往往忽略了很多實際因素，因此準確性較低。近年來，有多種計算機輔助設(shè)計方法誕生。印度理工學院用等效磁路法結(jié)合Matlab軟件來設(shè)計磁滯陀螺電機，并與測試結(jié)果進行對比驗證[6]，結(jié)果相當吻合?？ㄉ写髮W和德克薩斯A＆M大學合作對一臺功率為60W、轉(zhuǎn)速為6000r／min的磁滯電機進行有限元仿真分析，圖5為該電機的三維仿真模型。該仿真研究了氣隙長度、電機軸向長度、定子線圈匝數(shù)等對電機性能的影響[7]，提高了設(shè)計效率。

圖4 磁滯材料最佳工作區(qū)的特性曲線Fig.4 Best working area characteristics of hysteresis materials

圖5 磁滯電機的三維模型Fig.5 Three-dimensional model of hysteresis motor

在磁滯材料方面，哈爾濱工業(yè)大學研究了一種用于制造陀螺電機轉(zhuǎn)子的磁滯合金[8]。該合金在FeCoV4的基礎(chǔ)上，通過添加Cr元素，減少V含量，明顯改善了合金冷變形后對熱處理工藝的敏感性，獲得了性能優(yōu)于2J4的新型磁滯合金，同時超過了國外同類產(chǎn)品的水平。文獻[9]提出了一種非晶態(tài)軟磁合金磁滯陀螺電機，其鐵芯由厚度很?。s為30μm～40μm）的非晶態(tài)軟磁合金疊壓構(gòu)成，可有效降低鐵耗，減少電機發(fā)熱對陀螺儀表的不利影響，提高了陀螺儀表精度。但是，非晶合金工藝性不好，可靠性問題較多。

1.2 永磁陀螺電機

永磁陀螺電機的工作原理與傳統(tǒng)永磁同步電機相同，因應(yīng)用在陀螺儀中而出現(xiàn)了不同的拓撲結(jié)構(gòu)，一種永磁陀螺電機結(jié)構(gòu)如圖6所示[3]。其中，轉(zhuǎn)子分兩部分，永磁體裝在外轉(zhuǎn)子上，內(nèi)轉(zhuǎn)子用高磁導率的軟磁材料構(gòu)成。在內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間有定子，定子為可加工的陶瓷骨架，骨架上繞有空間相差90°的兩相繞組，繞組交替通以方波脈沖電流，此電流與轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的磁密相互作用，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的切向力。

圖6 永磁陀螺電機示意圖Fig.6 Diagram of permanent magnet gyroscope motor

與磁滯陀螺電機類似，永磁陀螺電機可分為外轉(zhuǎn)子永磁陀螺電機和內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁陀螺電機。其中，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁陀螺電機可實現(xiàn)高精度、大過載。此外，為實現(xiàn)高精度，研究人員還提出了其他拓撲結(jié)構(gòu)。

文獻[10]提出了一種雙定子通孔軸承永磁陀螺電機，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中，軸承和軸套裝在轉(zhuǎn)子軸承孔內(nèi)，兩個止推板按動壓氣浮軸承的工作方式分別安裝在軸的左右兩端，轉(zhuǎn)子的左右兩端分別安裝一個定子，用外螺母固定在軸上。該電機采用通孔軸承和雙定子結(jié)構(gòu)，避免了軸承受定子污染以及軸承間隙變化。該電機適用于對高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性、低功耗、高精度要求較高的陀螺儀。

圖7 雙定子通孔軸承永磁陀螺電機Fig.7 Diagram of double stator through hole bearing permanent magnet gyroscope motor

永磁陀螺電機的設(shè)計方法主要可分為解析法和有限元法。其中，解析法是通過在磁路計算中引入修正參數(shù)，將電機中復雜的磁場簡化近似成一些集中參數(shù)，再利用等效電路法來計算電機的電磁特性。解析法由于對磁路模型進行了簡化近似，得到的結(jié)果往往不夠準確，因此需要對電機中的磁場進行數(shù)值分析與計算。文獻[11]對永磁陀螺電機進行了三維有限元數(shù)值計算，得出它們的磁路、氣隙磁場及本體外的漏磁場的分布形式及大小，圖8展示了該電機的三維有限元模型及內(nèi)部的磁感應(yīng)強度分布。此外，該文獻還采用計算機輔助優(yōu)化設(shè)計方法對永磁陀螺電機的有效直徑和氣隙長度進行了分析，并討論了永磁體放置方式、無鐵芯定子及極數(shù)等對電機性能的影響。

圖8 永磁陀螺電機三維有限元模型及內(nèi)部磁感應(yīng)強度云圖Fig.8 Three-dimensional finite element model and magnetic flux density contour nodal solution for permanent magnet gyroscope motor

在永磁材料方面，文獻[12]提出了減少永磁材料的不可逆損失以及磁性能的自然衰減措施，提高了永磁體在長期使用過程中的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在使用Sm-Co永磁材料前進行有針對性的時效處理，可提高其使用穩(wěn)定性。

與永磁陀螺電機相比，磁滯陀螺電機具有自啟動、結(jié)構(gòu)簡單及不需要控制電路等優(yōu)勢，但也存在工作電流和力能指標較低、轉(zhuǎn)子材料成本較高、輸出轉(zhuǎn)矩小及低頻振蕩等缺點。而永磁陀螺電機中采用了高性能的永磁體和特殊的控制措施，其效率可以達到90%，減少了電機內(nèi)部及陀螺房中的發(fā)熱量，可有效減小陀螺的熱漂，提高陀螺儀的精度。目前，俄羅斯采用的磁滯陀螺電機使用了高壓起動加尖脈沖運行的方式，進一步提高了效率，提高了運行中的抗干擾能力，與美國的永磁陀螺電機方案相當。

2 軸承結(jié)構(gòu)形式

動壓氣浮軸承應(yīng)用于高速運轉(zhuǎn)條件下，在有相對運動的潤滑表面之間形成楔形間隙。氣體的黏滯作用將氣體帶入楔形空間，產(chǎn)生動壓承載力，如圖9所示[13]。

圖9 動壓氣浮軸承原理Fig.9 Principle of aerodynamic bearing

動壓氣浮軸承要求能夠承受各個方向的負載，同時還要滿足穩(wěn)定性好、壽命長、體積盡可能小等要求。因此，動壓氣浮軸承常以組合軸承的形式出現(xiàn)。常見的氣浮軸承有以下四種形式：對置止推型、對置圓錐型、對置半球型和整球型，如圖10所示。根據(jù)動壓氣浮軸承工作所需承載方式，選取合適的軸承形式。

圖10 常見的氣浮軸承結(jié)構(gòu)Fig.10 Common structure of aerodynamic bearing

對置止推型軸承由柱形徑向軸承和圓盤形止推軸承所組成，如圖10（a）所示，徑向軸承主要承載徑向負載，止推軸承對置放置于徑向軸承兩側(cè)，主要承載軸向負載，同時起到轉(zhuǎn)子體對中的作用。

對置圓錐型軸承由一對互相對置的圓錐體組成，如圖10（b）所示，圓錐體的錐面可同時承載徑向和軸向負載，軸承整體性優(yōu)于對置止推型。

對置半球型軸承由一對互相對置的半球體組成，如圖10（c）所示，能同時承載徑向和軸向負載，軸承接觸位置的曲率存在差異，有益于降低軸承接觸摩擦，提高電機啟動性能。

整球型軸承由一個整球體組成，如圖10（d）所示，軸承中的氣模壓力沿徑向和軸向均有分量，能同時承載徑向和軸向負載，對球體的加工精度有較高要求。

除對置止推型軸承需要兩部分結(jié)構(gòu)分別承載徑向負載和軸向負載，對置圓錐型、對置半球型和整球型軸承均可同時承載徑向負載和軸向負載，它們之間的區(qū)別主要在于軸承零件加工方式和軸承氣動特性。

陀螺電機通常需要保證在大過載條件下電機仍能正常運行，且質(zhì)心偏移量盡可能小。因此，其軸承一般具備以下特點：

1）為提供大過載下的支撐剛度，間隙要求一般在微米量級范圍。同時，為提供陀螺儀精度，對軸承的軸向、徑向等剛度也有一定的要求。

2）由于軸承間隙控制在微米量級范圍，軸承表面尺寸精度要求達到微米或亞微米，如軸承各截圓的圓度通常要求＜1μm，裝配后的軸承間隙測量值要達到亞微米的精度，軸承表面粗糙度也非常高。

3）在工作環(huán)境變化的情況下（如受力、溫度），軸承間隙應(yīng)保持不變，需要考慮各零件的材料性能匹配及受力狀態(tài)改變導致的軸承變形問題。

3 軸承氣動特性

為了提高氣體潤滑軸承的綜合性能，學者們研究了不同槽型結(jié)構(gòu)對動壓氣浮軸承性能的影響，提出了矩形槽、T型槽、人字槽、螺旋槽等槽型結(jié)構(gòu)。其中，人字槽和螺旋槽結(jié)構(gòu)對軸承性能影響的研究最為廣泛深入。螺旋槽軸承常用于氣體潤滑設(shè)計，對于軸槽軸承、止推軸承、球面軸承與圓錐軸承已有深入研究[14-15]。英國學者Whipple[16]最先將螺旋槽結(jié)構(gòu)引入氣體動壓潤滑推力軸承中，并成功應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機械中。Whiteley、Williams、James、Vohr等眾多學者對螺旋槽推力軸承進行了大量的研究[17-18]，提出了窄槽法理論，綜合分析了槽型結(jié)構(gòu)、槽數(shù)等對軸承性能的影響。隨著數(shù)值仿真能力的提升，逐漸采用數(shù)值優(yōu)化方法并結(jié)合實驗驗證對刻槽推力軸承進行優(yōu)化設(shè)計[19-20]。

針對氣體螺旋槽軸承的性能，國內(nèi)學者也進行了相關(guān)研究。盧志偉等[21-23]研究了圓錐形氣體潤滑軸承，用有限差分法求解雷諾方程，并且進行了實驗測試分析。柏莊等[24]用Fluent流體計算軟件分析了螺旋槽槽數(shù)、螺旋角、槽深、槽長比和槽寬比對軸承承載能力的影響。賈晨輝等[25-28]研究了錐面螺旋槽軸承和球面螺旋槽軸承的特性和多目標優(yōu)化設(shè)計。

目前，采用數(shù)值仿真計算分析氣體螺旋槽軸承性能的方法主要有：有限差分法、有限單元法和計算流體動力學（CFD）模擬軟件分析。以對置半球螺旋槽軸承為例，結(jié)構(gòu)如圖11所示，它由兩個對置半球和一個中間圓柱組成。在兩個半球上刻有螺旋槽，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，氣體將會被泵入潤滑氣膜內(nèi)，有效地提高了軸承的承載能力。在對置半球螺旋槽軸承中包含兩種類型的潤滑軸承：對置放置的半球面軸承和連接兩側(cè)半球面的圓柱軸承。

圖11 對置半球螺旋槽軸承Fig.11 Diagram of opposed-hemisphere type spiral groove bearing

分析半球型螺旋槽軸承性能的理論基礎(chǔ)是經(jīng)典雷諾方程，其形式為

針對半球軸承和圓柱軸承，分別在球坐標系和柱坐標系下建立軸承間隙的表達式，導入雷諾方程中，建立半球軸承和圓柱軸承的耦合計算模型。在給定邊界條件后，通常采用有限差分法對計算模型的偏微分方程進行求解。

通過改變影響軸承間隙分布的設(shè)計參數(shù)，可對軸承內(nèi)的氣體壓力、速度等物理量進行求解。圖12為軸承內(nèi)氣膜的間隙分布圖，圖13為對應(yīng)的有限差分法網(wǎng)格，圖14為采用有限差分法求解得到的軸承表面壓力分布。

圖12 軸承內(nèi)氣膜的間隙分布Fig.12 Distribution of gap in bearing

圖13 有限差分法網(wǎng)格Fig.13 Grid of finite difference

采用計算流體動力學（CFD）模擬軟件也是分析軸承氣動特性的常用方法。圖15為對置半球螺旋槽軸承的結(jié)構(gòu)模型，通過CFD模擬軟件對流動類型、求解方法、流體特性、邊界條件等進行計算模型設(shè)置，可求解壓力、速度等物理量。圖16為軸承表面壓力的矢量表示。

圖15 軸承結(jié)構(gòu)模型Fig.15 Model of bearing structure

圖16 軸承表面壓力矢量圖Fig.16 Vectors of pressure on bearing surface

球面螺旋槽氣體動壓軸承的氣膜壓力分布主要受軸承運行參數(shù)（轉(zhuǎn)速n、供氣壓力p1）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（槽寬比b、槽深比h、螺旋角β、槽數(shù)Ng、平均氣膜間隙h0、偏心率ε等）的影響，表1給出了影響軸承氣動特性的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 半球型動壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of hemisphere aerodynamic bearing

4 氣浮軸承常用材料

由于陀螺電機需要具備長期儲存、長期運行和質(zhì)心穩(wěn)定高的特點，對軸承材料的要求非常高。對材料的物理性能，如高抗彎強度、高結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性、低孔隙率等均有嚴格要求，同時對材料的易加工性和加工精度也有較高的要求。對于軸承材料的主要要求可歸為以下幾個方面：

1）耐磨：抗磨損性強，一般要求材料的摩擦系數(shù)小，硬度高，強度好。

2）尺寸穩(wěn)定：要求軸承材料的彈性模量大，線脹系數(shù)與飛輪材料、軸系材料相匹配。軸承熱變形小，不蠕變。

3）可加工性：有良好的冷熱加工性能，易加工制造，易實現(xiàn)較高的制造精度和嚴格的尺寸公差。

4）特殊要求：如考慮孔隙率、自潤滑性等。

目前，用于氣浮軸承的常用材料有GT35硬質(zhì)合金、TN85、9Cr18、鈹、陶瓷、立方氮化硼等，相應(yīng)的材料性能如表2所示。其中，GT35硬質(zhì)合金、鈹和9Cr18較其他幾種材料更易于加工[29]。

表2 幾種常用的氣浮軸承材料Table 2 Several common materials of aerodynamic bearing

隨著陀螺儀技術(shù)的發(fā)展，鈹材成為高精度陀螺儀的主要結(jié)構(gòu)材料。鈹材也是動壓氣浮軸承的理想材料，其優(yōu)點是：1）鈹材密度小，其數(shù)值為鋼的三分之一，在體積一定的前提下，可以把有效的質(zhì)量放到飛輪中，從而大大提高角動量；2）鈹?shù)木€脹系數(shù)和鋼接近，容易和鋼類材料進行匹配；3）鈹?shù)膶嵯禂?shù)高，可以較好地和浮子配合并使溫度場較快達到平衡，有利于縮短熱平衡時間；4）鈹材的彈性模量大，受力時變形小，有利于質(zhì)心穩(wěn)定性。金屬鈹以其獨特而優(yōu)異的性能指標被廣泛應(yīng)用于美俄等國家的高精度慣性導航領(lǐng)域。

5 軸承制造工藝

為保證半球型動壓軸承具有良好的動壓效應(yīng)和承載能力，動壓軸承的工作間隙一般為微米級，其半球零件的圓度要求為軸承間隙的十分之一左右，尺寸精度在幾個微米以內(nèi)。同時，為降低軸承在起動和接觸滑行過程中的摩擦磨損，提高軸承的壽命，一方面對軸承表面的粗糙度有較高要求，另一方面盡可能提高接觸表面鍍層的耐磨性和一致性[30]。因此，動壓氣浮陀螺電機存在著加工精度高、加工工藝復雜、制造周期長、起停存在磨損等缺點，但隨著加工技術(shù)的提升，通過研制專用研磨、鍍膜、刻槽設(shè)備，可實現(xiàn)動壓軸承的批量生產(chǎn)。

6 軸承多余物控制

影響動壓氣體軸承可靠性的主要原因之一是軸承表面存在多余物。目前，多余物來源主要有兩大類：1）膠合劑、研磨膏等揮發(fā)性多余物；2）軸承磨損產(chǎn)生的多余物。尤其是膠類揮發(fā)性多余物，如定轉(zhuǎn)子疊片間的膠粘劑、固定螺母的膠和浮子中起固定密封作用的膠，在高溫環(huán)境下更容易產(chǎn)生揮發(fā)，揮發(fā)出來的有機物分子隨氣流進入軸承，吸附在軸承表面，形成多余物沉積，該類物質(zhì)通常具有一定的黏性，易造成電機卡死或不啟[31]。

如圖17所示，在電機生產(chǎn)過程中，零件加工、產(chǎn)品裝配、試驗、運輸周轉(zhuǎn)和儲存等各個環(huán)節(jié)均在多余物隱患。現(xiàn)階段，想要完全杜絕多余物具有一定的難度，只能通過制定嚴格的多余物控制措施來降低多余物的產(chǎn)生。對于機加零件或金屬類零件，通常采用多種清洗技術(shù)綜合的手段去除零件污染物；對于具有揮發(fā)性物質(zhì)的零件，如定子繞組、磁鋼，通常采用高溫除氣。此外，還可采用增加隔離措施、降低用膠量等方式來降低揮發(fā)類多余物的影響。

圖17 陀螺電機制造流程Fig.17 Manufacturing process of gyroscope motor

7 電機性能測試技術(shù)

動壓氣體軸承大多數(shù)故障都是漸進而非突然的，如性能退化必然伴隨著某些參數(shù)的變化，因此可通過監(jiān)測動壓電機某些參數(shù)來預(yù)測其是否高可靠和長壽命。依照美國CSDL實驗室的做法，在裝配和試驗的各個階段測定下列參數(shù)：最低起動電壓、浮起時間、接觸滑行時間、慣性時間與轉(zhuǎn)速的關(guān)系、起動時間、慣性時間，以實現(xiàn)動壓電機可靠性的量化評估。同時，還可以通過起停、振動、溫度循環(huán)、高溫跑合等篩選性質(zhì)的試驗來進一步加嚴對動壓電機的可靠性篩選[32-33]。國內(nèi)，通常采用慣性時間及其變化、摩擦力矩、工作電流、功率等指標來評價電機性能，存在以下不足：

（1）摩擦力矩

摩擦力矩是指電機幾乎停轉(zhuǎn)時軸承轉(zhuǎn)動部分與軸承不動部分之間那一時刻的動摩擦力矩，該力矩反映了軸承表面質(zhì)量（表面形貌、接觸部位、多余物等）一個重要的指標。摩擦力矩可以采用反作用力矩測試儀測試，該測試方法的主要問題是：無法對電機軸水平方向進行測試；只能在電機、電機上框架階段測試，在儀表和系統(tǒng)階段無法進行測試，不能實現(xiàn)電機性能的全流程監(jiān)測。

（2）慣性時間

慣性時間也是判斷電機可靠性的主要指標之一，可實現(xiàn)電機軸任意方向上的全流程測試。慣性時間存在的問題是：不能涵蓋電機所有的可靠性故障模式，有的故障模式中電機慣性時間并無明顯變化，或者當慣性時間發(fā)生明顯變化時電機性能已經(jīng)惡化到一定程度。因此單看慣性時間，電機有的可靠性問題不能被及早發(fā)現(xiàn)。

（3）電機工作電流和功率

電機電流和功率變化是電機負載變化的主要表現(xiàn)，反映的是電機起動和運行中是否有問題，不能反映電機斷電后的工作狀態(tài)。

2018年，北京航天控制儀器研究所基于電機反電動勢信號分析提出了一種新的方法，即：采集動壓電機斷電后反電動勢波形，通過一系列算法解算出摩擦力矩、慣性時間、接觸轉(zhuǎn)速、反電動勢標幺值1V～0的時間，綜合這四個主要參數(shù)及其變化，可較為準確地對電機可靠性進行預(yù)判。

電機斷電后反電動勢波形如圖18所示，根據(jù)反電動勢頻率，可計算電機轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線，進而得到電機斷電后的阻力距隨時間變化曲線。根據(jù)阻力距曲線判斷電機定子、轉(zhuǎn)子是否接觸，如圖19所示。

圖18 電機斷電后反電動勢波形Fig.18 Back EMF waveform after motor power failure

圖19 電機軸承接觸判斷Fig.19 Contact judgment of motor bearing

動壓軸承電機接觸轉(zhuǎn)速是：電機斷電后，電機轉(zhuǎn)子依靠慣性繼續(xù)進行減速運轉(zhuǎn)，當在某一轉(zhuǎn)速下，氣浮軸承轉(zhuǎn)動部分從完全脫離的狀態(tài)到接觸到軸承不動的部分時刻，此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為電機接觸轉(zhuǎn)速，其主要反映了軸承承載能力和軸承表面質(zhì)量。

反電動勢標幺值1V～0的時間是：電機斷電后，反電動勢標幺值由1V變?yōu)?V所需的時間，其主要反映了低轉(zhuǎn)速下的軸承承載能力和穩(wěn)定性，維持在1V的時間越長，說明軸承的承載能力和穩(wěn)定性越高。

與以往相比，增加了接觸轉(zhuǎn)速、反電動勢1V～0的時間兩項性能指標。同時，另外兩個指標（摩擦力矩和慣性時間）也可通過斷電后的反電動勢解算出來。接觸轉(zhuǎn)速、摩擦力矩、1V～0的時間可以及時反映當前電機軸承的狀態(tài)；而慣性時間和電流，一方面受外界影響較大，另一方面軸承質(zhì)量問題積累到一定程度才會產(chǎn)生明顯變化，因此形成了以接觸轉(zhuǎn)速、摩擦力矩、1V～0的時間為主，慣性時間、電機電流為輔的綜合判據(jù)。

8 結(jié)論

本文從動壓氣浮陀螺電機的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、制造及測試幾個方面闡述了其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。在基本結(jié)構(gòu)方面，目前應(yīng)用較廣泛的有磁滯陀螺電機和永磁陀螺電機兩種，而永磁式因為可實現(xiàn)高效率及高精度而更具應(yīng)用前景。在軸承方面，針對動壓氣浮軸承需滿足相應(yīng)的剛度、間隙及變形程度要求，討論其材料選用的原則，并以對置半球螺旋槽軸承為例討論了軸承結(jié)構(gòu)對其氣動性能的影響。在制造工藝方面，需在保證半球型動壓軸承具有良好的動壓效應(yīng)和承載能力的同時盡量簡化工序，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。此外，還介紹了針對軸承多余物的解決措施，來保證軸承的優(yōu)異性能。最后，對動壓氣浮陀螺電機的測試技術(shù)發(fā)展情況進行了介紹，并提出了更為全面的測試方法。本文所做的工作總結(jié)了動壓氣浮陀螺電機技術(shù)的發(fā)展情況和相關(guān)技術(shù)目前面臨的問題，對陀螺電機的設(shè)計、制造及測試提供了理論基礎(chǔ)和工程實際經(jīng)驗。

目前，動壓氣浮陀螺電機已成功應(yīng)用于我國高精度慣性陀螺儀中，但由于其零組件加工精度高，裝配難度大，對高溫、沖擊、過載條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高，軸承表面潔凈度要求苛刻等原因，仍存在電機長期工作穩(wěn)定性和可靠性的問題。為進一步提高動壓氣浮陀螺電機的穩(wěn)定性和可靠性，使其更加廣泛地應(yīng)用于我國高精度、長壽命的慣性陀螺儀，需要在多約束軸承氣膜間隙優(yōu)化技術(shù)、軸承表面耐磨處理技術(shù)、軸承表面潔凈度控制技術(shù)、電機高精度裝配檢驗技術(shù)等方面開展更加深入的研究。