Электрический гироскоп – Гироскоп — Википедия

Электронный гироскоп

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения угловой скорости. Гироскоп содержит пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП), отражающие структуры драйвера поверхностных акустических волн, а также электроды чувствительного элемента разности потенциалов, размещенные попарно за пределами ВШП на расстояниях, не меньших половины периода стоячих поверхностных акустических волн, и параллельно направлению распространения поверхностных акустических волн, по одному электроду каждой пары у одного из противоположных краев пластины пьезоэлектрика. Электроды, которые находятся ближе к одному и тому же краю пластины пьезоэлектрика, электрически соединены под слоем поглотителя акустических колебаний с одной и той же контактной шиной, а находящиеся в одной паре электроды размещены вдоль одной и той же пучности стоячей поверхностной акустической волны, но ближе к противоположным краям пластины пьезоэлектрика. Контактные шины могут быть размещены на ребрах жесткости, находящихся на краях пластины пьезоэлектрика и параллельных основному направлению распространения поверхностных акустических волн. Техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами, и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах.

Известные волоконно-оптические гироскопы и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Преимуществом этих гироскопов является достаточно высокая точность. Недостатком этих гироскопов является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты. К областям применения, требующим гироскопов менее дорогих и меньшего размера, относятся: системы автомобильной безопасности (системы против скольжения, системы камер), потребительские товары (видеокамеры, GPS, спортивное оборудование), промышленные товары (роботы, управление оборудованием), медицинские изделия (хирургические инструменты) [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283].

Известны микромеханические гироскопы на основе кремния [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283]. Такие гироскопы представляют собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Гироскоп приводится в колебательное движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса, создающая колебания относительно измерительной оси. При этом зазор между подвижной массой микромеханического гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей емкости. Измеряя изменение величины емкости, можно определить изменение угловой скорости вращения микромеханического гироскопа.

Однако вышеуказанные гироскопы имеют низкую точность и низкую механическую прочность.

Известен также Виброгироскоп (патент РФ №2123219, H01L 41/08, 1998.12.10.), содержащий твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, с двумя парами сплошных и двумя парами встречно-штыревых электродов. Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цепям второго и третьего генераторов. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход которого подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

Стабильность и помехоустойчивость позволяют применять виброгироскоп в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами.

Однако виброгироскоп имеет ограничения по рабочим характеристикам из-за принципа действия, который основан на вибрации подвешенных механических структур. Кроме того, эта подвешенная механическая структура очень чувствительна к внешним ударам и вибрации, т.к. она не может быть жестко присоединена к подложке из-за резонансной вибрации. Это ограничивает диапазон его применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп [Патент US №6,516,665. “Микро-электро-механический гироскоп”/ Varadan V.K., Pascal B., Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V. Varandan. 2003].

Микро-электро-механический гироскоп включает в себя пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностных акустических волн (ПАВ), ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Принцип действия микро-электро-механического гироскопа основан на использовании поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке. В отличие от других, этот гироскоп имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным.

Недостатком микро-электро-механического гироскопа является низкая точность и соответственно невозможность использования его для высокоточных применений вследствие того, что электроды ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ неизбирательно воспринимают изменения пьезоэлектрических потенциалов, возникающие при действии разнонаправленных сил Кориолиса, соответствующих разнонаправленным движениям частиц пьезоэлектрической пластины, участвующих в формировании ПАВ. Вышеизложенные факты приводят к снижению чувствительности и точности оценивания угловой скорости, что и является недостатками прототипа.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности при измерениях угловой скорости вращения с использованием пьезоэлектрических устройств.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что в электронном гироскопе, содержащем пьезопластину, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры драйвера поверхностных акустических волн, согласно изобретению за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн параллельно направлению распространения поверхностных акустических волн дополнительно попарно, на расстояниях, между двумя соседними парами электродов, не меньших половины периода поверхностных акустических волн, размещены электроды чувствительного элемента разности потенциалов, по одному электроду каждой пары у одного из противоположных краев пьезопластины, причем те из электродов каждой пары, которые находятся ближе к одному и тому же краю пьезопластины, электрически соединены под слоем поглотителя акустических колебаний с одной и той же контактной шиной, а находящиеся в одной паре электроды размещены один напротив другого, но ближе к противоположным краям пьезопластины, выполненной из пьезоэлектрика или пьезополупроводника.

Драйвер поверхностных акустических волн создает поверхностные акустические волны на поверхности пьезопластины, что является первичным вибрационным перемещением для этого гироскопа. Силы Кориолиса и первичные поверхностные акустические волны определяют вторичное вибрационное перемещение (вторичные поверхностные акустические волны) в направлении, ортогональном к направлению первичных поверхностных акустических волн. При этом силы Кориолиса, возникающие при наличии внешнего вращения основания гироскопа и приложенные к частицам пьезоэлектрика или пьезополупроводника, движущимся в одном направлении, противоположны по направлению силам Кориолиса, приложенным к другим частицам пьезоэлектрика или пьезополупроводника, в тот же момент времени на соседнем участке поверхностных акустических волн, движущимся в противоположном направлении.

В отличие от прототипа в электронном гироскопе измеряется не разность потенциалов, создаваемая под действием одновременно разнонаправленных сил Кориолиса всеми пучностями стоячей первичной ПАВ на электродах чувствительного элемента вторичной поверхностной акустической волны, а разность потенциалов, образованная под действием эффекта увлечения частиц пьезоэлектрика или пьезополупроводника одновременно однонаправленными силами Кориолиса, то есть при движении частиц пьезоэлектрика только вдоль тех участков первичной поверхностной акустической волны, которые находятся на расстояниях, кратных периоду поверхностных акустических волн, что позволяет повысить показатели чувствительности и точности при измерении угловой скорости пьезопластины.

Другим отличием от прототипа является то, что расстояния между электродами одной пары электродов чувствительного элемента разности потенциалов, образующими одну пару, примерно равны апертуре драйвера первичных поверхностных акустических волн, а не как у прототипа, у которого расстояния между электродами одной пары электродов встречно-штыревого преобразователя чувствительного элемента вторичной поверхностной акустической волны соответствуют четверти длины волны вторичной поверхностной акустической волны в той ее части, которая распространяется за пределами апертуры встречно-штыревого преобразователя драйвера первичных поверхностных акустических волн.

Технический результат достигается за счет того, что разности потенциалов вдоль одного из участков первичной поверхностной акустической волны образуются в некоторые моменты времени только под действием однонаправленных сил Кориолиса, что обеспечивает увеличение амплитуды совокупной разности потенциалов на контактных шинах и, тем самым, повышение точности и чувствительности измерений по сравнению с прототипом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.

В настоящее время автору не известны гироскопы, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция гироскопа.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует “изобретательскому уровню”.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема электронного гироскопа.

Электронный гироскоп состоит из основания и выполненных на нем встречно-штыревых преобразователей и отражающих структур.

Основанием электронного гироскопа на ПАВ служит прямоугольная пьезопластина 1, выполненная из пьезоэлектрика или пьезополупроводника, например из кварца, ниобата лития или из CdS, CdSe, слоистой структуры LiNbO3 – Si соответственно [1].

На двух противоположных краях поверхности прямоугольной пьезопластины 1 в направлении распространения первичной ПАВ сформированы отражающие структуры 4 и ВШП 5 драйвера ПАВ, а в ортогональном направлении по обе стороны от апертуры драйвера ПАВ вдоль направления распространения первичной ПАВ сформированы электроды чувствительного элемента разности потенциалов 6, поглотители акустических колебаний 3 с контактными шинами 2 в соответствующей последовательности.

Отражающие структуры 4 расположены за ВШП 5 драйвера ПАВ, а электроды чувствительного элемента разности потенциалов 6, поглотители акустических колебаний 3 и контактные шины 2 – между другими двумя противоположными краями пьезопластины 1 вдоль направления распространения первичной ПАВ. Поглотители акустических колебаний 3 выполняют функции поглощения ПАВ так, чтобы поверхность пьезопластины 1 за поглотителями акустических колебаний была нечувствительной к ПАВ, создаваемым ВШП 5 драйвера ПАВ, что позволяет аккумулировать на одной контактной шине потенциалы, одновременно сформированные на электродах чувствительного элемента разности потенциалов 6 под действием сил Кориолиса одного направления.

Устройство работает следующим образом. На ВШП 5 драйвера ПАВ от внешнего генератора (не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. Если пьезопластина 1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.

Первичные ПАВ создаются на пьезопластине 1 встречно-штыревыми преобразователями 5 драйвера ПАВ и отражающими структурами 4. Поверхностные акустические волны распространяются по пьезопластине 1 в области, ограниченной поглотителями акустических колебаний 3. Распространяясь дальше, первичная ПАВ взаимодействует с отражающими структурами 4.

При появлении внешнего вращения основания гироскопа к вибрирующим заряженным частицам материала пластины пьезоэлектрика 1 прикладываются силы Кориолиса. Напряжение на контактных шинах обусловлено поперечным акустоэлектрическим эффектом, возникающим под действием сил Кориолиса [3].

В результате действия сил Кориолиса вибрирующие заряженные частицы материала пластины пьезоэлектрика 1 смещаются в направлении действия силы Кориолиса, изменяя распределение электрического потенциала. Так возникает разность потенциалов между электродами чувствительного элемента разности потенциалов 6, размещенными у противоположных краев пластины пьезоэлектрика.

Вибрирующие частицы материала пластины пьезоэлектрика 1, смещенные вследствие действия сил Кориолиса, через электроды 6 изменяют потенциалы на контактных шинах 2. Разность потенциалов между контактными шинами 2 является высокочастотным сигналом и может быть измерена, например, анализатором спектра [1].

Для обеспечения возможности суммирования на контактных шинах 2 разностей потенциалов одного знака между электродами 6 и контактными шинами 2 наносится слой поглотителя акустических колебаний 3 или контактные шины размещаются на ребрах жесткости (не показаны), нечувствительных к колебаниям поверхности пьезоэлектрической пластины. В качестве поглотителя акустических колебаний 3 могут использоваться резиноподобные клеи различных марок.

По разности потенциалов между контактными шинами 2 судят о величине угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике гироскопа. При отсутствии внешнего вращения основания гироскопа силы Кориолиса не возникают, поэтому не возникает и разность потенциалов между контактными шинами 2, которая в этом случае практически равна нулю.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнены следующие условия:

– средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

– для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных и других известных до даты подачи заявки средств;

– средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”.

Источники информации

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

2. Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. М.: Мир, 1969.

3. Кмита А.М., Медведь А.В. Поперечный акустоэлектрический эффект в слоистой структуре LiNbO3 – Si. “Письма ЖТФ”б, 1971, т.14, в.8, с.455.

1. Электронный гироскоп, содержащий пьезопластину, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры драйвера поверхностных акустических волн, отличающийся тем, что за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн параллельно направлению распространения поверхностных акустических волн дополнительно попарно, на расстояниях между двумя соседними парами электродов, не меньших половины периода поверхностных акустических волн, размещены электроды чувствительного элемента разности потенциалов, по одному электроду каждой пары у одного из противоположных краев пьезопластины, причем те из электродов каждой пары, которые находятся ближе к одному и тому же краю пьезопластины, электрически соединены под слоем поглотителя акустических колебаний с одной и той же контактной шиной, а находящиеся в одной паре электроды размещены один против другого, но ближе к противоположным краям пьезопластины.

2. Электронный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что контактные шины размещены на ребрах жесткости, находящихся на краях пьезопластины и параллельных основному направлению распространения поверхностных акустических волн.

www.findpatent.ru

Гироскоп с электрическим типом подвеса ротора — Студопедия.Нет

 

ЕGS был изобретен в 1952 г. в США.

Рисунок 2.41 – Устройство гироскопа с электрическим типом подвеса ротора:

1-6 – управляющие электроды.

 

Данный гироскоп может работать и как 3х степенной гироскоп с высокой степенью чувствительности .

 

; , где

 

 – сила;  – удельная сила;

 – напряжение на поддерживающих электродах.

 

Задачи, решаемые при создании гироскопов с электрическим типом подвеса ротора

 

1. Для обеспечения большей жесткости подвеса необходимо увеличивать напряжение на поддерживающих электродах. Но при напряжении  может возникнуть пробой. Поэтому необходимо обеспечивать в зазоре вакуум.

 

2. Для исключения стекания электрических зарядов с поверхности ротора и поддерживающих электродов их обработку необходимо обеспечивать с высокой точностью и хорошим качеством поверхности.

 

3. Поскольку поверхностные силы малы, то ротор изготавливают полым из наиболее мягких материалов ( или ).

 

4. Поддержание идеальной геометрической формы ротора, вращающегося с большой угловой скоростью и имеющего тонкостенную оболочку, достаточно затруднительно.

 

5. Трудность съема выходной информации.

 

6. Корпус гироскопа должен быть вакуум-плотным, а все детали – малогазящими.

 

 

Рисунок 2.42 – Гироскоп с электрическим типом подвеса ротора.

 

Гироскоп с магнитным типом подвеса ротора

 

, где

 

 – магнитная проницаемость;

 – магнитная индукция;

– напряженность электромагнитного поля.

 

Рисунок 2.43 – Устройство гироскопа с магнитным типом подвеса ротора.

Криогенный гироскоп

Рисунок 2.44 – Криогенный гироскоп.

 

Принцип действия

 

Тонкостенная полая сфера с тяжелым ободом приводится во вращение с большой угловой скоростью с помощью катушки разгона. В зазоре между корпусом и ротором находится вакуум. Корпус представляет собой сосуд Дюара, который обеспечивает эффект сверхпроводимости. Ротор выполнен из сверхпроводящего металла – необия, в котором под действием катушки намагничивания возникают вихревые токи, создающие поле, которое препятствует проникновению магнитного поля внутрь ротора. Силы взаимодействия магнитного поля, создаваемого электромагнитами, и поля от вихревых токов удерживают ротор в подвешенном состоянии.

Лазерный гироскоп

 

Это миниатюрное устройство.

 

Рисунок 2.44 – Устройство лазерного гироскопа:

1 – лазер; 2 – зеркало; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – фотодетектор; 5 – частотомер;

6 – регистрационное устройство.

 

, ;

.

 

, , где

 

 – расстояние по направлению движения луча;

 – расстояние на встречу движению луча.

 

, .

 

, где

 

.

.

 

Достоинства:

 

• быстрое введение в рабочее положение;

• малая масса.

studopedia.net

Электростатический гироскоп

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления различных подвижных объектов. Предложенный электростатический гироскоп содержит ротор, основной статор с поддерживающими электродами на цилиндрической рабочей поверхности, два дополнительных статора с электродами и привод вращения ротора, ротор выполнен в виде кольца со сферической наружной (внешней) поверхностью, дополнительные статоры, прилегающие к основному центральному статору, выполнены с электродами на сферических рабочих поверхностях или на конических поверхностях, касательных к сферической поверхности ротора, а привод вращения ротора выполнен в виде обращенного статора с обмотками и внешней рабочей поверхностью, расположенной напротив внутренней цилиндрической поверхности кольца ротора. Кольцо ротора может быть выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А – толщина пакета из трех статоров, С – толщина основного статора. Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении точности и перегрузочной способности микромеханического электростатического гироскопа с непрерывно вращающимся ротором. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, автомобиль, микроробот, и других, где требуется информация об угловых скоростях, получаемая с помощью микромеханического гироскопа.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время предложены и используются различные конструкции вибрационных микромеханических гироскопов. Принцип действия этих гироскопов основан на использовании инерционной массы в упругом подвесе, которая приводится, например, в колебательное движение. При вращении такой системы по оси, перпендикулярной оси колебаний, на массу действует сила Кориолиса, создающая момент, ортогональный оси колебаний и оси вращения системы и приводящий к угловым смещениям массы, пропорциональным угловой скорости вращения системы. Например, известна конструкция микромеханического гироскопа по патенту США №5535902 с чувствительным элементом в виде кольца, закрепленного с помощью растяжек на центральной стойке, связанной с корпусом через упругие элементы. С помощью электростатических датчиков силы кольцо приводится в колебательное движение вокруг оси растяжек. Для съема информации используется емкостной преобразователь. Недостатком подобных микромеханических гироскопов является недостаточно высокая точность из-за малой величины кинетического момента ввиду того, что их роторы совершают не вращательное, а колебательное движение. В силу этого амплитудное значение кинетического момента роторов составляет величину 10-8-10-9 Н м сек. Поэтому повышение точности этого класса гироскопов достигается за счет снижения возмущающих воздействий, а осуществление этой меры требует больших конструктивных и технологических затрат.

Известен микромеханический гироскоп по патенту РФ №2158903, 2000 г., принятый за прототип, в котором дисковый миниротор (с диаметром 8 мм) совершает непрерывное вращательное движение в неконтактном (электростатическом) подвесе. Преимуществом такого устройства является возможность обеспечения при сравнимых с вибрационными гироскопами размерах значительно большей (на несколько порядков) величины кинетического момента, благодаря чему предоставляется возможность существенного повышения точности микрогироскопа.

Электростатический гироскоп-прототип содержит ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входят основной центральный статор с экваториальными поддерживающими плоскими электродами на цилиндрической рабочей поверхности, дополнительные нижний и верхний планарные (плоские) статоры с осевыми поддерживающими электродами на их поверхностях, а также нижний и верхний статоры вращающего момента в виде плоских электродов. Каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют элемент электрорезонансного подвеса ротора с измерительной цепочкой. Нижний и верхний планарные статоры вращающего момента соединены в три секции. Секции соединены с тремя фазами источника переменного тока. В схему обработки информации введены десять эталонных резисторов, десять фазочувствительных выпрямителей, три сумматора, пять устройств вычитания, пять масштабирующих элементов. Гироскоп обеспечивает измерение двух компонентов угловой скорости. Основным недостатком такого гироскопа является низкая точность из-за формы ротора в виде диска, что приводит к значительным начальным моментам, действующим на ротор, ввиду нормального к его поверхности положения поддерживающих сил подвеса, обусловливающих большие плечи моментов относительно центра тяжести ротора. Другой существенный недостаток прототипа – низкая перегрузочная способность ввиду массивности диска ротора. Также следует признать несовершенство измерительной структуры, основанной на определении токов десяти резонансных LC-контуров, требующих точной настройки и стабильности по отношению друг к другу.

Сущность изобретения

Технический результат изобретения заключается в повышении точности и перегрузочной способности микромеханического электростатического гироскопа с непрерывно вращающимся ротором.

Технический результат достигается тем, что в электростатическом гироскопе, содержащем ротор, основной статор с поддерживающими электродами на цилиндрической рабочей поверхности, два дополнительных статора с электродами и привод вращения ротора, ротор выполнен в виде кольца со сферической наружной (внешней) поверхностью, дополнительные статоры, прилегающие к основному центральному статору, выполнены с электродами на сферических рабочих поверхностях или на конических поверхностях, касательных к сферической поверхности ротора, а привод вращения ротора выполнен в виде обращенного статора с обмотками и внешней рабочей поверхностью, расположенной напротив внутренней цилиндрической поверхности кольца ротора, которое может быть выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию

А>В>С,

где А – толщина пакета из трех статоров,

С – толщина основного статора.

Перечень фигур и чертежей

На фиг. 1 приведен общий вид гироскопа «а», чертеж в плане с видимыми скрытыми линиями «б», вид в разрезе «в».

На фиг. 2 показан основной (центральный) статор с поддерживающими электродами на цилиндрической рабочей поверхности и выводами от электродов для подключения схемы управления подвесом ротора.

На фиг. 3 показан дополнительный статор с электродами на конической рабочей поверхности, касательной к сферической поверхности ротора.

На фиг. 4 представлена блок-схема одиночной ячейки электронной схемы управления подвесом ротора для двух диаметрально противоположно расположенных электродов.

На фиг. 5 приведена блок-схема электроники гироскопа для простого варианта использования без датчиков момента для угловой стабилизации ротора.

На фиг. 6 приведена блок-схема электроники гироскопа с угловой стабилизацией ротора относительно движущегося корпуса.

На фиг. 1-6 приняты следующие обозначения:

1 – ротор,

2 – основной центральный статор,

3, 4 – дополнительные статоры,

5 – обращенный статор привода вращения ротора,

6 – корпус,

7 – крышка,

8 – диэлектрический корпус основного статора с напыленными металлическими электродами Э (э1-э4),

9 – диэлектрический корпус дополнительного статора 3 с электродами э53-э83,

10 – одиночная ячейка схемы управления подвесом ротора,

11, 12 – датчики высокочастотных токов через электроды,

13 – демодулятор,

14, 15 – блоки управляющих напряжений,

16 – источник высокочастотного напряжения,

17, 18 – демодуляторы сигналов угловой стабилизации ротора,

19, 20 – инверторы сигналов управления стабилизацией ротора,

э54-э84 – электроды дополнительного статора 4, зеркальные электродам э53-э83 статора 3,

к0, к1-к5 – клеммы ячейки управления подвесом ротора.

Предложенный электростатический гироскоп содержит проводящий (выполненный, например, из бериллия) ротор в виде кольца 1 (фиг. 1), со сферической наружной поверхностью, основной центральный статор 2 (неконтактного подвеса ротора в электрическом поле) с поддерживающими электродами э1-э4 (фиг. 2) на цилиндрической рабочей поверхности, выполненными, например, способом напыления проводящего материала, дополнительные статоры 3 и 4 с электродами, выполненными либо на сферических рабочих поверхностях, концентричных сферической поверхности ротора, либо (с целью упрощения изготовления) на конических (угол конуса γ) поверхностях, касательных к сферической поверхности ротора с радиусом R (фиг. 3, электроды э5-э8). Привод вращения ротора выполнен в виде обращенного статора 5 с обмотками (их лобовые части показаны на чертеже) и внешней рабочей поверхностью, расположенной напротив внутренней цилиндрической поверхности ротора 1. Возможно также исполнение статора 5 с печатными обмотками на рабочей поверхности, которая может быть выполнена либо цилиндрической (при использовании схемы управления с угловой стабилизацией положения ротора), либо сферической, с учетом возможного максимального угла отклонения ротора при простом варианте применения гироскопа (без управления с помощью датчиков момента). В общем случае, поверхность статора 5 служит для ограничения поступательных и угловых смещений ротора при внешних возмущениях, превышающих заданные максимальные значения.

Кольцо ротора 1 (фиг. 1) может быть выполнено либо с шириной В, превышающей толщину А пакета из трех статоров, для реализации работы гироскопа в свободном режиме в ограниченном диапазоне углов отклонения корпуса гироскопа, определяемом величиной В-А (при этом положение вектора кинетического момента ротора определяется, например, благодаря динамическому дебалансу ротора – патент РФ №2065134), либо ширина кольца В удовлетворяет условию

А>В>С,

где С – толщина основного статора, для работы гироскопа в упрощенном варианте (дополнительные статоры использованы в качестве датчиков углового положения вращающегося ротора) или с использованием дополнительных статоров также в качестве датчиков момента для угловой стабилизации ротора (работа гироскопа как традиционного датчика угловой скорости объекта). Оптимальное значение ширины кольца во втором случае равно

В=(A+C)/2.

Блок-схема одиночной ячейки 10 (фиг. 4) электронной схемы управления подвесом ротора для двух диаметрально противоположно расположенных электродов Э содержит датчики 11 и 12 высокочастотных измерительных токов, величины которых пропорциональны зазорам между электродами и ротором, демодулятор 13 для преобразования высокочастотного дифференциального сигнала смещения ротора в сигнал на нулевой несущей для подачи на блоки 14 и 15 управляющих напряжений, прикладываемых к электродам для удержания ротора в центральном (подвешенном) положении. При этом выходные напряжения блоков 14 и 15 содержат постоянные опорные напряжения, задаваемые источником Uоп. К клеммам к1 и к2 подключаются электроды дополнительных статоров 3 и 4 в порядке, определяемом выбором простой схемы (фиг. 5) использования гироскопа или схемы (фиг. 6) со стабилизацией положения ротора. С клеммы к3 снимается сигнал, пропорциональный поступательному и угловому смещениям ротора, с клеммы 4 – сигнал суммы высокочастотных токов электродов, клемма к5 служит для подачи сигнала управления опорным напряжением для создания момента угловой стабилизации ротора.

Для реализации простого варианта использования гироскопа (без датчиков момента) применяется схема фиг. 5, где применены две ячейки подвеса 101 и 102 основного статора с электродами э1-э4 и четыре ячейки 103-106 для дополнительного статора 3 с электродами э53-э83 и дополнительного статора 4 с зеркально расположенными по отношению к статору 3 электродами э54-э84. Источник 16 высокочастотного напряжения Uв подключен к магнитопроводу статора вращения ротора 5, выполняющего дополнительно роль общего электрода для образования измерительных токов через электроды статоров подвеса.

Блок-схема электроники при использовании гироскопа в режиме угловой стабилизации вращающегося ротора отличается тем, что содержит (фиг. 6) четыре ячейки 107-1010, к каждой из которых подключены пары диагонально расположенных электродов дополнительных статоров 3 и 4 (например, к ячейке 107 подключены электроды э53 и э74), дополнительные демодуляторы 17 и 18 и инверторы 19 и 20 их выходных напряжений.

Предложенный гироскоп работает следующим образом. При включении электронных схем (фиг. 5 или фиг. 6) ротор взвешивается в электрическом поле статоров. При этом основной статор 2 (фиг. 1), благодаря цилиндрической рабочей поверхности электродов, обеспечивает не только устойчивый подвес ротора в плоскости XOY, но и в направлении оси Z. Дополнительные статоры 3 и 4 обеспечивают дополнительную жесткость подвеса по оси Z и служат для определения углового положения ротора и создания моментов управления движением ротора. Подключение обмоток статора 5 к многофазному (например, двухфазному) источнику напряжения приводит к взаимодействию вращающегося магнитного поля статора с внутренней проводящей поверхностью ротора 1, т.е. к его вращению по принципу асинхронного двигателя. При этом следует отметить, что переменное магнитное поле статора, создающее вихревые токи в теле ротора, помимо его вращения создает дополнительную отталкивающую силу (по принципу индукционного подвеса), увеличивающую жесткость подвеса в плоскости XOY. После достижения ротором номинальной скорости вращения эффект дополнительного индукционного центрирования может быть сохранен при фазовом способе управления двигателем, когда его скорость вращения является функцией сдвига фаз питающих напряжений при постоянстве их величины.

Поступательные и угловые смещения ротора, например, для электродов э53, э5ч, э73, э74 (фиг. 3) определяются следующими значениями высокочастотных токов: для электрода э53 –

где I0 – величина опорного тока,

Δх, Δz – относительные смещения ротора по осям X и Z,

Δβ – угловое смещение ротора относительно оси Y,

для электрода

для электрода

для электрода

При этом выходные напряжения демодулятора 13 будут:

для схемы фиг. 5, ячейка 103-U13.5-103≈I53-I54=2I0(-Δz+Δβ),

ячейка 104-U13-5-104≈I73-I74=2I0(-Δz-Δβ),

т.е. содержит составляющие управления подвесом по оси Z и составляющие углового смещения ротора, создающие момент сопротивления повороту ротора. Разность напряжений с клемм к3 ячеек 103 и 104 будет: U13-5-103-U13-5-104=U(β)=4 I0 Δβ, т.е. пропорциональна угловому смещению ротора относительно оси Y. Аналогично получаем информацию об угле α поворота ротора относительно оси X от ячеек 105 и 106-U(α)=4I0Δα. Если корпус гироскопа поворачивать с угловой скоростью Ω, например, относительно оси X, то ее величина определяется углом отклонения ротора относительно оси Y, т.е. значением U(β) согласно формуле Ω=КуглΔβ/Н, где Кугл – угловая жесткость подвеса ротора, Н – кинетический момент ротора. В общем случае составляющие вектора угловой скорости поворота корпуса прибора одновременно оцениваются величинами U(α) и U(β).

Для схемы фиг. 6, пользуясь выражениями (1)-(4), для ячеек 107 и 108 на выходе демодулятора 13 (фиг. 4) получим

U13-6=2I0 (Δх+Δz), т.е. подвес ротора со стороны дополнительных статоров обладает как осевой, так и дополнительной радиальной жесткостями. На клемме к4 ячейки 107 имеем сигнал U4-6-107=2I0(1+Δβ), на клемме 4 ячейки 108 – сигнал U4-6-108=2I0(1-Δβ). В результате на выходе демодулятора 17 будет напряжение, пропорциональное угловому смещению ротора относительно оси Y, – U17=4I0Δβ. Аналогично на выходе демодулятора 18 – напряжение U18=4I0Δα, пропорциональное угловому смещению ротора относительно оси X. Поступая непосредственно и через инверторы 19 и 20 на клеммы 5 ячеек 107-1010, напряжения U17 и U18 изменяют величины опорных напряжений на электродах дополнительных статоров подвеса, благодаря чему создаются моменты, стабилизирующие угловое положение ротора относительно корпуса гироскопа. При этом данные напряжения являются мерами составляющих вектора угловой скорости поворота корпуса относительно осей X и Y.

Следует отметить, что предложенный гироскоп может дополнительно служить (как в прототипе) в качестве трехкомпонентного акселерометра при измерении поступательных смещений Δх, Δy, Δz (с использованием основного статора), вызванных составляющими вектора ускорения корпуса.

По сравнению с прототипом предложенный гироскоп обладает повышенной точностью благодаря сферической рабочей поверхности ротора, исключающей плечи моментов при силах подвеса, нормальных к поверхности. Увеличение (в несколько раз) перегрузки определяется малой массой кольца-ротора по сравнению с цилиндром-ротором прототипа. Это позволяет по данному параметру сравниться с микромеханическими гироскопами с упругим подвесом ротора.

1. Электростатический гироскоп, содержащий ротор, основной статор с поддерживающими электродами на цилиндрической рабочей поверхности, два дополнительных статора с электродами и привод вращения ротора, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде кольца со сферической наружной (внешней) поверхностью, дополнительные статоры, прилегающие к основному центральному статору, выполнены с электродами на сферических рабочих поверхностях или на конических поверхностях, касательных к сферической поверхности ротора, а привод вращения ротора выполнен в виде обращенного статора с обмотками и внешней рабочей поверхностью, расположенной напротив внутренней цилиндрической поверхности кольца ротора.

2. Электростатический гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что кольцо ротора выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию
А > В > С,
где А – толщина пакета из трех статоров, С – толщина основного статора.

www.findpatent.ru

Электростатический гироскоп

 

Изобретение может быть применено в тех областях, где необходимо осуществлять быстрый разгон ротора вокруг любой из трех ортогональных осей при ограниченной мощности потребления статора. Гироскоп содержит ротор в подвесе и статор с двумя соосными катушками в каждой из трех обмоток, центральные оси которых расположены взаимно ортогонально и пересекаются в центре подвеса ротора. Каждая из катушек перекрывает пересекающиеся части двух других пар катушек, оси которых взаимно ортогональны. Благодаря изменению конфигурации обмоток статора вращения гироскопа увеличен пусковой момент и снижено время разгона и время тепловых переходных процессов. Для повышения эффективности статора вращения установлены дополнительные катушки, в результате чего существенно уменьшено время готовности к высокоточным измерениям. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гироскопических устройств и может быть применено в тех областях, где необходимо осуществлять быстрый разгон ротора вокруг любой из трех ортогональных осей при ограниченной мощности потребления статора.

Известны различные схемы расположения обмоток статора трехосных гироскопов (см. например,: 1. П.И. Малеев. Новые типы гироскопов. Л.: Судостроение, 1971, стр. 19-23. 2. А.Н. Милях, В.А. Барабанов, Е.В. Двойных. Трехстепенные электрические машины. Клев: Наукова думка, 1979, стр. 3-7. 3. P.Leger, F.Bihan. Le Gyroscope a suspension electrostatique. Источник; Navigation, 1984, Avril, vol. 32, N 126, pp. 223-238). Достоинством устройств, описанных в указанных источниках, является обеспечение вращения ротора по любой из трех взаимно ортогональных осей. Недостатком устройств, описанных в книгах [1] и [2], является наличие магнитопровода, создающего остаточную намагниченность, что неприемлемо для электростатических гироскопов высокой точности. В качестве прототипа выбираем электростатический гироскоп со статором без магнитопровода, описанный в [3]. Статор гироскопа прототипа (фиг. 1) содержит 6 катушек, по и катушки в каждой обмотке из них 4 катушки Wx1, Wx2, Wy1 и Wy2 прямоугольной формы расположены по экватору и обеспечивают вращение ротора вокруг центральной оси симметрии OZ и 2 катушки Wz1 и Wz2 круглой формы, расположенные на полюсах и выполняющие роль демпфирующих катушек. Катушки в прототипе расположены так, что их стороны соприкасаются. Достоинством устройства-прототипа является обеспечение вращения ротора вокруг любой из трех взаимно ортогональных осей и обеспечение приведения и демпфирования нутаций ротора. В этом смысле статор с шестью катушками, имеющими одинаковое число витков и диаметр провода является универсальным многофункциональным устройством. Недостатком гироскопа, описанного в статье П. Лежера и Ф. Биана, является низкая эффективность статора, что приводит к увеличению времени разгона ротора, увеличению мощности потребления, тепловыделению и увеличению времени готовности гироскопа к высокоточным измерениям. В предлагаемом гироскопе роль этого недостатка значительно уменьшена, а эффективность статора увеличена, благодаря тому, что в нем, во-первых, каждая из катушек перекрывает пересекающиеся части двух других пар катушек, оси которых расположены взаимно ортогонально. Во-вторых, благодаря тому, что в нем по каждой из трех взаимно ортогональных осей симметрично относительно центра подвеса ротора внутри каждой катушки установлена дополнительная катушка меньшей площади, соединенная с этой катушкой согласно. Сущность предлагаемого гироскопа поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен статор гироскопа-прототипа. На фиг. 2 – статор гироскопа с измененной конфигурацией катушек. На фиг. 3 – статор гироскопа с измененной конфигурацией катушек и с дополнительными катушками. На фиг. 1 – фиг. 3 приняты следующие обозначения: X, Y, Z – пространственные конструктивные оси гироскопа и центральные оси обмоток статора; Wx1, Wx2; Wy1, Wy2; Wz1, Wz2 – основные катушки обмоток Wx, Wy, Wz; W’x1, W’x2; W’y1, W’y2; W’z1, W’z2 – дополнительные катушки соответствующих обмоток. Устройство гироскопа-прототипа (фиг. 1) было описано ранее. В отличие от него в предлагаемом гироскопе (фиг. 2) катушки статора, расположенные по трем пространственным осям, развиты во всех направлениях по сфере настолько широко, насколько это возможно по конструктивным соображениям. Препятствием здесь является ранее выбранное расположение гермовводов электродов подвеса, устройства крепления оптических датчиков и вакуумного насоса. В результате катушки располагаются так, что контур одной катушки охватывает пересекающиеся части двух других пар соседних катушек, расположенных по взаимно ортогональным осям. Работа предлагаемого гироскопа основана на том, что магнитный поток каждой катушки пронизывает большую, чем ранее, площадь соседних катушек. При этом не имеет значения, расположена ли эта катушка под пересекающимися соседними катушками или над ними. Аналогично, каждая катушка другой обмотки охватывает по две соседние пересекающиеся части катушек, расположенных по взаимно ортогональным осям. В результате, улучшается взаимодействие не только между обмотками, но и между потоками обмоток и токами в роторе и, следовательно, – эффективность всего сферического статора вращения. Предлагаемое изменение конфигурации катушек статора позволило на практике при перекрытии площади катушек на 20-30% увеличить пусковой момент электропривода в 2 раза и при той же мощности 10 Вт уменьшить время разгона до номинальной скорости 300 Гц с 7-ми до 3-х минут. Еще большего результата можно достичь, если в соответствии с п. 2 Формулы расположить дополнительные катушки. В настоящее время наибольшее распространение получили две модификации электростатических гироскопов: с диаметром ротора 50 мм и диаметром ротора 10 мм. В первом случае поверхность статора вращения существенно больше поверхности статора гироскопа второй модификации, а эффективность, наоборот, меньше. Для повышения эффективности в предлагаемом гироскопе (фиг. 3) внутри каждой катушки уложены дополнительные катушки меньшей площади, соединенные с основными согласно. Работа гироскопа по п. 2 Формулы основана на том, что дополнительный магнитный поток устраняет провалы в кривой распределения индукции по сферической поверхности ротора, в результате чего эта кривая становится более синусоидальной. В результате существенно увеличивается взаимодействие между токами в роторе и магнитными потоками обмоток и, соответственно, вращающий момент не только при пуске, но и при вращении ротора. Исследования показали, что пусковой момент гироскопа с дополнительными обмотками при той же мощности потребления может быть увеличен еще на 30-50%, а время разгона ротора – уменьшено еще в 2 раза. Соответственно, уменьшается и время готовности гироскопа к высокоточным измерениям. Литература 1. П.И. Малеев. Новые типы гироскопов. Л.: Судостроение, 1971, стр. 19 – 23. 2. А.Н. Милях, В.А. Барабанов, Е.В. Двойных. Трехстепенные электрические машины. Киев: Наукова думка, 1979, стр. 3-7. 3. P. Leger, F. Bihan. Le Gyroscope a suspension electrostatique. Источник: Navigation, 1984, Avril, vol. 32, N 126, pp.223-238).

Формула изобретения

1. Электростатический гироскоп, содержащий электропроводящий ротор в подвесе и статор вращения с двумя соосными катушками в каждой из трех обмоток, центральные оси которых расположены взаимно ортогонально и пересекаются в центре подвеса ротора, отличающийся тем, что в нем каждая из катушек перекрывает пересекающиеся части двух других пар катушек, оси которых расположены взаимно ортогонально. 2. Электростатический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что в нем по каждой из трех взаимно ортогональных осей, симметрично относительно центра подвеса ротора, внутри каждой катушки установлена дополнительная катушка меньшей площади, соединенная с этой катушкой согласно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

www.findpatent.ru

Гироскоп

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. Гироскоп содержит корпус 1, гиромотор, включающий статор 2 с катушками и ротор 3 на сферической шарикоподшипниковой опоре 4, датчики угла и датчики 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 таким образом, что рабочие части намотки катушек размещены напротив кольцевого магнитопровода 6 и кольцевого двухполюсного постоянного магнита 7 ротора 3. Работа гиромотора основана на принципе действия двухфазного бесколлекторного двигателя постоянного тока. Изобретение позволяет значительно уменьшить габариты и трудоемкость изготовления, при сохранении точностных параметров бескарданных гироскопов на сферической шарикоподшипниковой опоре. 4 ил.

 

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.

Известен гироскоп [1], содержащий корпус, гиромотор, карданов подвес, датчики угла и датчики момента, повернутые относительно друг друга на 90° вокруг продольной оси гироскопа.

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.

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°.

Недостатком данного гироскопа является сложная, трудоемкая в изготовлении конструкция статора гиромотора, не позволяющая создание малогабаритных гироскопов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание малогабаритного гироскопа на сферической шарикоподшипниковой опоре за счет упрощения конструкции и снижения трудоемкости изготовления статора гиромотора.

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.

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.

Изобретение поясняется чертежами.

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.

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 равно

где z – количество проводников,

В – магнитная индукция в воздушном зазоре;

I – электрический ток;

l – эффективная длина проводника.

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.

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.

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 квадратичная

где w – измеряемая угловая скорость;

к – масштабный коэффициент датчика момента;

I – ток в катушке датчика момента.

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.

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:

1) отсутствие кардановых рамок;

2) использование двухфазного бесколлекторного электродвигателя постоянного тока;

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.

Источники информации

1. АС СССР №431808 Трехстепенный гироскоп // МПК G01C 19/00, заявлено 26.11.1971 г.

2. Патент США №3517562, НКИ 74/5.6, МПК G01C 19/28, выдан 30.06.1970 г. (прототип).

3. Информационный материал «AVR440: Управление двухфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков» с.1-10.

Сайт в Интернете: www.gaw.ru, б/г.

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.

www.findpatent.ru

Электростатический гироскоп

 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором. Гироскоп включает герметичный корпус, выполненный из токопроводящего материала, сферический ротор с нанесенным на его поверхность рисунком для оптического датчика угла, электростатический подвес ротора, включающий систему изолированных от корпуса электродов, систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, общая клемма (клемма с нулевым потенциалом) которого подключена к корпусу, токопроводящие ограничительные упоры, установленные на внутренней поверхности корпуса через электрический изолятор и соединенные друг с другом электрическим проводником, оптический датчик угла, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора, при этом подключение упоров к корпусу осуществлено через резистор R, значение которого определяется из соотношения R>Т/С, где С – значение емкости между электродами и ротором гироскопа, Т – время с момента включения высоковольтного источника до момента отрыва ротора от упоров. Техническим результатом является повышение точности и надежности. 1 ил.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором.

Известен электростатический гироскоп [П.И. Малеев, “Новые типы гироскопов”, Ленинград, Судостроение, 1971 г., стр. 18], содержащий герметичный корпус, выполненный из непроводящего материала (керамики), сферический ротор с рисунком для оптического датчика угла, электростатический подвес ротора, включающий систему электродов, размещенных (напыленных) на внутренней поверхности корпуса попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, трехканальную систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, ограничительные упоры, установленные в корпусе попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, оптический датчик угла, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора. Недостатками данного гироскопа являются малая точность и надежность. Указанные недостатки обусловлены несовершенством конструкции и технологическими погрешностями изготовления электродов подвеса. В реальных приборах в конструкции электродов всегда присутствуют острые кромки, пики шероховатости поверхности и т.д. В этих местах при подаче на электроды высокого напряжения нарушается однородность электростатического поля, на острых выступах повышается концентрация электрических зарядов. Возникает процесс их утечки (стекания) с указанных неровностей на поверхность ротора. При этом ротор получает избыточные электрические заряды (происходит его зарядка), количество которых увеличивается со временем. Взаимодействие электрических зарядов ротора с полем подвеса приводит к возникновению возмущающего момента. При выключении гироскопа (электростатического подвеса) ротор касается изолированных упоров. Заряд на роторе сохраняется. При повторных включениях процесс повторяется. В результате происходит накопление заряда на роторе (рост от пуска к пуску возмущающего момента). При многократном включении прибора появляется вероятность отказа гироскопа. Известен также электростатический гироскоп [С.С. Гуревич и др. “Система ориентации орбитальных космических аппаратов на базе бескарданных электростатических гироскопов со сплошным ротором”, VIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, ГНЦ РФ ЦНИИ “Электроприбор”, 2001 г., стр. 52], который принимаем за прототип. Электростатический гироскоп содержит герметичный корпус, выполненный из токопроводящего материала (для защиты от внешних полей), сферический ротор, с нанесенным на его поверхность рисунком для оптического датчика угла, электростатический подвес ротора, включающий систему изолированных от корпуса электродов, систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, общая клемма (клемма с нулевым потенциалом) высоковольтного источника подключена к корпусу, токопроводящие ограничительные упоры, установленные на внутренней поверхности корпуса, упоры соединены друг с другом электрическим проводником (корпусом) и электрически связаны с ним, оптический датчик угла, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора. В процессе работы ротор данного гироскопа также получает объемный заряд. Однако каждый раз при выключении прибора (подвеса) происходит его разрядка. Ротор касается ограничительных токопроводящих упоров. Образуется цепь разряда через упоры на корпус, соединенный с общей клеммой высоковольтного источника. Накопление заряда на роторе от пуска к пуску не происходит. Недостатками данного гироскопа являются малая точность и малая надежность. Указанные недостатки обусловлены тем, что при подаче на электроды напряжения (включении подвеса) в роторе происходит перераспределение электрических зарядов (увеличение концентрации электрических зарядов в части ротора, расположенной под электродом с максимальным напряжением, и уменьшение в противоположной части ротора, соприкасающейся с упорами, подключенными через корпус к общей клемме высоковольтного источника). В результате между ротором и общей клеммой высоковольтного источника образуется разность потенциалов. Так как напряжение на электродах возрастает до напряжения, при котором происходит взвешивание ротора (отрыв от упоров) не мгновенно, то за время его нарастания под действием разности потенциалов (между ротором и общей клеммой источника) часть электрических зарядов через упоры перемещается на ротор. Ротор получает электрический заряд. Как было уже отмечено выше, взаимодействие электрических зарядов ротора с полем подвеса приводит к возникновению возмущающего момента, к уменьшению точности гироскопа. Другим источником уменьшения точности является то, что связь ротора, лежащего на упорах с корпусом, подключенным к точке с нулевым потенциалом, приводит к снижению точности измерения емкости между ротором электродами подвеса. Недостоверные измерения емкости приводят к вероятности неправильной настройки подвеса и, как следствие, к уменьшению точности гироскопа. Малая надежность обусловлена следующим. При выключении подвеса напряжение на электродах уменьшается до нуля не мгновенно. Соответственно с изменением напряжения уменьшается и зазор между ротором и упорами. При постепенном уменьшении зазора напряженность электрического поля между заряженным ротором и упорами, с которыми он соприкоснется, увеличивается. При достижении напряженностью критического значения (перед самым касанием ротора упоров) происходит пробой зазора и возникает электрический разряд между ротором и одним из упоров. Между упором и ротором потечет ток разрядки. Заряд с ротора через упоры стекает на клемму нулевого потенциала высоковольтного источника питания. Из-за большой величины разрядного тока возникает перенос материала между поверхностью ротора и упором зазора. При этом возникает вероятность, что рисунок на поверхности ротора будет поврежден. Гироскоп перестанет функционировать. Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности электростатического гироскопа. Поставленная задача решается тем, что в известном электростатическом гироскопе, содержащем герметичный корпус, выполненный из токопроводящего материала, сферический ротор с нанесенным на его поверхность рисунком для оптического датчика угла, электростатический подвес ротора, включающий систему изолированных от корпуса электродов, систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, общая клемма (клемма с нулевым потенциалом) высоковольтного источника подключена к корпусу, токопроводящие ограничительные упоры, установленные на внутренней поверхности корпуса, упоры соединены друг с другом электрическим проводником и подключены к корпусу, оптический датчик угла, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора, ограничительные упоры установлены на внутренней поверхности токопроводящего корпуса через электрический изолятор, а подключение упоров к корпусу осуществлено через резистор R, значение которого определяется из соотношения R>T/C, где С – значение емкости между электродами и ротором гироскопа, Т – время с момента включения высоковольтного источника до момента отрыва ротора от упоров. Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема электростатического гироскопа, где приняты следующие обозначения: 1 – корпус гироскопа, 2 – изолирующие прокладки электродов, 3 – электроды электростатического подвеса, 4 – ротор гироскопа, 5 – рисунок на поверхности ротора для оптического датчика угла, 6 – система управления электростатического подвеса (система управления положением ротора относительно электродов), 7 – высоковольтный источник напряжения, 8 – изолирующие прокладки ограничительных упоров, 9 – токопроводящие ограничительные упоры,
10 – электрический проводник, соединяющий упоры,
11 – система разгона ротора,
12 – система демпфирования угловых колебаний ротора,
“0” – клемма с нулевым потенциалом высоковольтного источника,
R – резистор. Предлагаемый электростатический гироскоп содержит герметичный корпус 1, выполненный из токопроводящего материала. Внутри корпуса 1 через изолирующие прокладки 2 попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей (для упрощения третья ось на рисунке не показана) установлена система электродов 3. Между электродами 3 размещен сферический ротор 4 с нанесенным на его поверхность рисунком 5 для оптического датчика угла (датчик угла на рисунке не показан). Электроды 3 подсоединены к системе 6 управления положением ротора 4. К системе 6 подключен высоковольтный источник 7 напряжения. Общая клемма “0” (клемма с нулевым потенциалом) высоковольтного источника 7 подключена к корпусу 1. На внутренней поверхности корпуса 1 попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей через изолирующие прокладки 8 установлены токопроводящие ограничительные упоры 9 (на рисунке упоры по третьей оси не показаны). Упоры 9 соединены друг с другом электрическим проводником 10 и подключены через резистор R к корпусу 1. Значение резистора R определено из соотношения R>T/C, где Т – время с момента включения высоковольтного источника 7 до момента отрыва ротора 4 от упоров, С – значение емкости между электродами 3 и ротором 4 гироскопа. В корпусе 1 установлена также система 11 разгона ротора 4, система 12 демпфирования угловых колебаний ротора 4. Значение резистора R рассчитывается из условия, что постоянная времени RC (время заряда емкости, образованной ротором 4 и электродами 3) должна быть больше времени нахождения ротора на упорах 9 (времени с момента включения источника 7 питания до момента отрыва ротора 4 от упоров 9). При этом на ротор 4 успеет перетечь ограниченное число зарядов. В идеальном случае при R, равном бесконечности, число перешедших на ротор 4 зарядов будет равно нулю. Для реальных гироскопов значение R находится на уровне нескольких мОм. Работа предлагаемого электростатического гироскопа происходит следующим образом. При выключенном подвесе ротор 4 лежит (касается) на упорах 9. Его потенциал равен потенциалу на клемме “0” источника 7. Ротор 4 находится в разряженном состоянии. При включении источника 7 на верхний электрод (см. рисунок) подается напряжение. Под влиянием электростатического поля, образующегося в зазоре, происходит перераспределение электрических зарядов в роторе 4. Между ротором 4 и клеммой “0” высоковольтного источника 7 образуется разность потенциалов. Под действием разности потенциалов электрические заряды начнут перемещаться от клеммы “0” источника 7 в направлении ротора 4. Однако их перемещению препятствует установленный в этой цепи резистор R. При значении сопротивления резистора R, равном бесконечности, количество перемещенных зарядов становится равным нулю. Точность работы гироскопа за счет уменьшения (исключения) заряда, получаемого ротором 4 при его взвешивании, повышается. После взвешивания положение ротора 4 относительно электродов 3 регулируется системой 6 управления подвесом. Далее включают систему 11 разгона, раскручивают ротор 4 до рабочей скорости. Включают систему 12 демпфирования, демпфируют нутационные колебания ротора 4. После затухания нутационных колебаний в течение заданного промежутка времени (в течение пуска) измеряют сигнал датчика угла гироскопа. За это время ротор 4 получает объемный заряд. При выключении прибора осуществляют сначала торможение ротора 4. Далее выключают подвес. При выключении высоковольтного источника 7 происходит плавное уменьшение напряжения на электродах 3 (плавное уменьшение зазора между заряженным ротором 4 и упорами 9). При достижении напряженностью критического значения (перед самым касанием ротора 4 упоров 9) происходит пробой зазора. Ток разрядки за счет включения в цепь резистором R мал. В идеальном случае при R, равном бесконечности, значение тока становится равным нулю. Повреждения поверхности не происходит. Надежность работы гироскопа повышается. Точность работы гироскопа повышается также за счет повышения точности измерения емкости. Точность повышается за счет исключения (уменьшения) влияния паразитных емкостей между корпусом и электродами. Таким образом, в результате реализации предлагаемого технического решения точность и надежность гироскопа повышается. Точность повышается за счет уменьшения (исключения) заряда ротора при его взвешивании в подвесе и за счет повышения точности измерения емкости между ротором и электродами при регулировании подвеса, повышения точности регулирования подвеса. Надежность повышается за счет уменьшения вероятности повреждения поверхности ротора от воздействия тока при разряде ротора (уменьшения тока разряда). Поставленная задача решена. На предприятии ЦНИИ “Электроприбор” предлагаемое техническое решение реализовано. При испытаниях получены положительные результаты. В настоящее время разрабатывается техническая документация для его применения при производстве электростатических гироскопов. Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении точности и надежности электростатического гироскопа со сферическим ротором и, следовательно, точности и надежности систем, в которых он применяется.


Формула изобретения

Электростатический гироскоп, содержащий герметичный корпус, выполненный из токопроводящего материала, сферический ротор, электростатический подвес ротора, включающий систему изолированных от корпуса электродов, систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, клемма с нулевым потенциалом которого подключена к корпусу, токопроводящие ограничительные упоры, установленные на внутренней поверхности корпуса, соединенные друг с другом электрическим проводником и подключенные к корпусу, систему съема информации об угловом положении ротора относительно корпуса, включающую рисунок, нанесенный на поверхности ротора, и оптические датчики, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора, отличающийся тем, что ограничительные упоры установлены на внутренней поверхности герметичного корпуса через электрический изолятор, а подключение упоров к корпусу осуществлено через резистор R, значение которого определяется из соотношения R>T/С, где С – значение емкости между электродами и ротором гироскопа, Т – время с момента включения высоковольтного источника до момента отрыва ротора от упоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

Электромагнитный гироскоп

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации и навигации подвижных объектов (самолет, корабль, автомобиль), в инклинометрах (для подземной навигации) и других устройствах, где требуется информация об угловых скоростях, получаемая с помощью микромеханического гироскопа. Электромагнитный гироскоп содержит ферромагнитный ротор в виде кольца со сферической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями, верхний, центральный и нижний статоры электромагнитного подвеса ротора, при этом статор вращения ротора выполнен обращенным и помещен внутри кольца ротора, при этом кольцо ротора выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А – толщина пакета из трех статоров, С – толщина центрального статора. Технический результат – упрощение конструкции электромагнитного гироскопа, повышение перегрузочной способности и предотвращение аварийного обката ротора при внешних возмущениях, превышающих заданные значения. 5 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации и навигации подвижных объектов (самолет, корабль, автомобиль), в инклинометрах (для подземной навигации) и других устройствах, где требуется информация об угловых скоростях, получаемая с помощью микромеханического гироскопа.

Предшествующий уровень техники.

В настоящее время предложены и используются различные конструкции вибрационных микромеханических гироскопов. Принцип действия этих гироскопов основан на использовании инерционной массы в упругом подвесе, которая приводится, например, в колебательное движение. При вращении такой системы по оси, перпендикулярной оси колебаний, на массу действует сила Кориолиса, создающая момент, ортогональный оси колебаний и оси вращения системы, приводящий к угловым смещениям массы, пропорциональным угловой скорости вращения системы. Например, известна конструкция микромеханического гироскопа по патенту США №5535902 с чувствительным элементом в виде кольца, закрепленного с помощью растяжек на центральной стойке, связанной с корпусом через упругие элементы. С помощью электростатических датчиков силы кольцо приводится в колебательное движение вокруг оси растяжек. Для съема информации используется емкостный преобразователь. Недостатком подобных микромеханических гироскопов является недостаточно высокая точность из-за малой величины кинетического момента ввиду того, что их роторы совершают не вращательное, а колебательные движения. В силу этого амплитудное значение кинетического момента роторов составляет величину 10-8-10-9 нм· сек. Поэтому повышение точности этого класса гироскопов достигается за счет снижения возмущающих воздействий, а осуществление этой меры требует больших конструктивных и технологических затрат.

Известен микромеханический гироскоп по патенту РФ №2158903, 2000 г., в котором дисковый миниротор (с диаметром 8 мм) совершает непрерывное вращательное движение в неконтактном (электростатическом) подвесе. Преимуществом такого устройства является возможность обеспечения при сравнимых с вибрационными гироскопами размерах значительно большей (на несколько порядков) величины кинетического момента, благодаря чему предоставляется возможность существенного повышения точности микрогироскопа. Однако недостатками этого гироскопа являются сложность конструкции (зазоры между ротором и электродами порядка нескольких микрометров), необходимость поддержания высокого вакуума на уровне (10-6 – 10-7) мм рт. ст., низкая перегрузочная способность – не более 5 g.

За прототип принят магнитосферический гироскоп по патенту РФ №2126135, 1999 г., содержащий полый ферромагнитный сферический ротор, двухкоординатные датчики угла и момента, верхний и нижний статоры подвеса ротора с электромагнитными обмотками, резонансные конденсаторы и диодные демпфирующие мосты, последовательно соединенные с электромагнитными обмотками, статор электродвигателя, взаимодействующий с экваториальным токопроводящим пояском на сферической поверхности ротора.

Недостатками прототипа являются:

– сложность конструкции из-за применения двух датчиков угла и момента на полюсах ротора со специальной полостью, что затрудняет миниатюризацию гироскопа,

снижение перегрузочной способности ввиду малого использования поверхности ротора относительно площади тяговых электромагнитов статоров подвеса,

– обкат ротора (способный вызвать разрушение гироскопа) при аварийном отключении питания статоров подвеса или действии внешнего ускорения, приводящего к контакту вращающегося ротора со статорами подвеса или специальными ограничителями смещения ротора.

Сущность изобретения

Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции электромагнитного гироскопа, позволяющей осуществить его миниатюризацию, повысить перегрузочную способность и предотвратить аварийный обкат ротора при внешних возмущениях, превышающих заданные значения. Технический результат достигается тем, что в гироскоп, содержащий ферромагнитный ротор, верхний и нижний статоры электромагнитного подвеса ротора, введен центральный статор подвеса с цилиндрической рабочей поверхностью, ротор выполнен в виде кольца со сферической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями, а статор вращения ротора выполнен обращенным и помещен внутри кольца ротора. Кольцо ротора может быть выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А – толщина пакета из трех статоров, С – толщина центрального статора, и внутренней цилиндрической частью из электропроводящего материала. Статор вращения ротора установлен на упругой опоре, например, в виде гибкого стержня.

Перечень фигур

На фиг. 1 представлена конструкция гироскопа (а – вид в плане с видимыми скрытыми линиями, б – сечение по оси симметрии верхнего и нижнего статоров подвеса, в – сечение по оси симметрии центрального статора подвеса.

На фиг. 2 показано взаимное расположение трех статоров подвеса с катушками (обмотками) на зубцах магнитопроводов.

На фиг. 3 дан вид кольца ротора с внутренним электропроводящим покрытием.

На фиг. 4 показана электрическая блок-схема для подвеса ротора центральным статором.

На фиг. 5 представлена электрическая блок-схема подвеса и определения углового положения ротора с помощью боковых (верхнего и нижнего) статоров.

На фиг. 1-5 приняты следующие обозначения:

1 – ротор,

2 – нижний статор подвеса,

3 – верхний статор подвеса,

4 – центральный статор подвеса,

5 – статор вращения ротора,

6 – корпус,

7 – крышка,

8 – упругий стержень,

9 – ферромагнитная часть ротора,

10 – электропроводящая часть ротора,

11-14 – конденсаторы,

15-16 – демпфирующие устройства,

17 – фазоинвертор,

18 – источник переменного напряжения,

19 – трансформатор тока,

20 – усилитель,

21-22 – резисторы делителя,

23-24 – устройства вычитания.

Предложенный электромагнитный гироскоп содержит (фиг. 1) ферромагнитный ротор 1 в виде кольца со сферической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями, центральный статор 4 электромагнитного подвеса ротора с цилиндрической рабочей поверхностью, нижний 2 и верхний 3 (боковые) статоры подвеса ротора, обращенный статор 5 вращения ротора, помещенный внутри кольца ротора и установленный на упругой опоре в виде стержня 8. Устройство помещено в герметичный (вакуумированный) корпус 6 с крышкой 7 с выводами от катушек (обмоток) статоров подвеса и вращения ротора. Магнитопроводы всех статоров могут быть выполнены шихтованными из тонких пластин (с толщиной до 10 микрометров) из магнитомягкого материала с высоким значением максимальной индукции (например, из перминдюра или перминвара) или из феррита силовых марок. Кольцо ротора 1 (фиг. 1) может быть выполнено либо с шириной В, превышающей толщину А пакета магнитопроводов из трех статоров, для реализации работы гироскопа в свободном режиме в ограниченном диапазоне углов отклонения корпуса гироскопа, определяемом величиной В-А (при этом положение вектора кинетического момента ротора определяется, например, благодаря динамическому дебалансу ротора – патент РФ №2065134), либо ширина кольца В удовлетворяет условию А>В>С, где С – толщина центрального статора, для работы гироскопа в упрощенном варианте (для использования боковых статоров подвеса в качестве датчиков углового положения вращающегося ротора).

Магнитопроводы (фиг. 2) всех статоров подвеса выполнены четырехзубцовыми с катушками (обмотками) к1 – к12. Центральный статор 4 смещен относительно оси Z на угол 45° для того, чтобы минимизировать величину А благодаря размещению лобовых частей его катушек между лобовыми частями катушек боковых статоров 2 и 3. Рабочие поверхности боковых статоров могут быть выполнены либо сферическими (концентрично с внешней поверхностью кольца ротора) либо конусными, аппроксимирующими сферу, для упрощения изготовления при очень малом (несколько миллиметров) диаметре ротора.

Внутренняя цилиндрическая часть 10 ферромагнитного ротора (фиг. 3) может быть выполнена из электропроводящего материала. Ферромагнитная часть 9 выполняется либо шихтованной либо из силового феррита. При выполнении ротора из феррита проводящая часть выполняется напылением материала. Статор 5 (фиг. 1) вращения ротора установлен на упругой опоре, например, в виде гибкого стержня 8.

Гироскоп устанавливается на плате с электронными блоками, в состав которых входит блок управления подвесом для центрального статора (фиг. 4) и блок управления подвесом ротора и определения его углового положения для боковых статоров (фиг. 5). Блок на фиг. 4 содержит пары диаметрально противоположно расположенных катушек к1 – к3 и к2 – к4, которые соответственно через резонансные конденсаторы 11-12 и 13-14 подключены к фазоинвертору 17, который преобразует переменное напряжение источника 18 в напряжение с нулевой фазой (выход и1) и второе напряжение с фазой 180° (выход и 2). Относительно общей точки фазоинвертора подключены демпфирующие элементы 15 и 16 по патенту РФ №2193122 «Демпфер для электромеханических устройств переменного тока». Блок на фиг. 5 содержит пары зеркально противоположно расположенных катушек боковых статоров к5-к9 – к7-к11, к6-к10 – к8-к12 (фиг. 2) и четыре идентичные ячейки я1 – я4, в состав каждой из которых входят трансформатор тока 19, усилитель 20 и делитель выходного напряжения усилителя на резисторах 21 и 22 (по авторской заявке РФ №2009141906 «Способ центрирования ферромагнитного тела»).

Предложенный гироскоп работает следующим образом. При включении электронных блоков (фиг. 4 и фиг. 5) ротор взвешивается в магнитном поле статоров. При этом центральный статор 4 (фиг. 2) благодаря цилиндрической рабочей поверхности зубцов магнитопровода обеспечивает не только устойчивый подвес ротора в плоскости XOY, но и в направлении оси Z. Боковые статоры 3 и 4 обеспечивают дополнительную жесткость подвеса по оси Z и служат для определения углового положения вращающегося ротора. Подключение обмоток статора вращения 5 к многофазному (например, двухфазному) источнику напряжения приводит к взаимодействию вращающегося магнитного поля статора с внутренней проводящей поверхностью ротора 1, т.е. к его вращению по принципу асинхронного двигателя. Поступательные и угловые смещения ротора, например, для катушек статора 2 (фиг. 2) к5-к9 и катушек статора 3 к7-к11 определяются следующими значениями токов:

где I0 – величина опорного тока,

Δх, Δz – относительные смещения ротора по осям X и Z,

Δβ – угловое смещение ротора относительно оси Y,

При этом выходное напряжение усилителя 20 (ячейка я1) будет:

Uя1=Ку(Iк5-Iк9)=2КуI0(-Δz+Δβ), Ку – коэффициент усиления,

а выходное напряжение усилителя ячейки я2 будет:

Uя2=Ку(I73-I74)=2КуI0(-Δz-Δβ),

т.е. содержит составляющие управления подвесом по оси Z и составляющие углового смещения ротора, создающие момент сопротивления повороту ротора. Разность выходных напряжений ячеек я1 и я2 (получаемая с помощью устройства вычитания 23) будет: Uя1-Uя2=U(β)=4КуI0Δβ, т.е. пропорциональна угловому смещению ротора относительно оси Y. Аналогично с устройства вычитания 24 получаем информацию об угле α поворота ротора относительно оси X от ячеек я3 и я4 – U(α)=4КуI0Δα. Если корпус гироскопа поворачивать с угловой скоростью Ω, например, относительно оси X, то ее величина определяется углом отклонения ротора относительно оси Y, т.е. значением U(β) согласно формуле Ω=GуглΔβ/Н, где Gугл – угловая жесткость подвеса ротора, Н – кинетический момент ротора. В общем случае составляющие вектора угловой скорости поворота корпуса прибора одновременно оцениваются величинами U(α) и U(β).

При включении в ячейки я1-я4 схемы фиг. 5 диагонально противоположно расположенных пар катушек, соответственно к5-к11, к7-к9, к6-к12, к8-к10, на выходах усилителей будут напряжения, обеспечивающие жесткость подвеса по всем осям X.Y.Z, при этом подвес ротора не обладает угловой жесткостью. Информация об угловом положении ротора в этом случае может быть использована в схеме управления его положением по принципу «датчик угла – усилитель – датчик момента» при использовании в качестве датчиков момента катушек боковых статоров подвеса ротора, например, в соответствии с патентом РФ №2209393 «Совмещенный датчик момента и смещения тела».

Следует отметить, что предложенный гироскоп может дополнительно служить (как в прототипе) в качестве трехкомпонентного акселерометра при измерении поступательных смещений Δх, Δу, Δz, вызванных составляющими вектора ускорения силы тяжести и ускорениями при движении корпуса.

Проблема возникновения обката при аварийном контакте вращающегося ротора с корпусом в предложенном гироскопе решена следующим образом. Зазор между ротором и статором вращения выполняется меньше зазора «ротор – статоры подвеса». Например, при аварийном отключении питания ротор касается прежде всего статора вращения 5 (фиг. 1), что вызывает начало прямого (по направлению вращения ротора) обката. Под действием возникающих при этом нормальных сил давления, благодаря установке статора 5 на упругом стержне 8 ротор смещается до касания со статором подвеса (например, центральный статор 4), что вызывает начало обратного (против направления вращения ротора) обката, который, разрушая прямой обкат, приводит к безаварийному торможению ротора.

Нанесение проводящего покрытия 10 на внутреннюю цилиндрическую поверхность ротора 1 (фиг. 3) позволяет благодаря увеличению вращающего момента значительно сократить время разгона ротора (время готовности гироскопа).

Электромагнитный гироскоп, содержащий ферромагнитный ротор в виде кольца со сферической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями, верхний, центральный и нижний статоры электромагнитного подвеса ротора, при этом статор вращения ротора выполнен обращенным и помещен внутри кольца ротора, отличающийся тем, что кольцо ротора выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А – толщина пакета из трех статоров, С – толщина центрального статора.

www.findpatent.ru

Related Posts

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *