雙軸永磁動(dòng)鐵式力矩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙煥玲

(貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550023)

0 前言

雙軸永磁動(dòng)鐵式力矩器是雙軸角速率陀螺儀的重要部件，通電線(xiàn)圈在永磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生的電磁力矩作用在陀螺儀轉(zhuǎn)子相應(yīng)敏感的輸入軸上，再平衡回路測(cè)量線(xiàn)圈中的電流，即陀螺儀敏感的角速率所需的反饋力矩，從而測(cè)量角速率。工程實(shí)際應(yīng)用中，使用相同環(huán)形磁場(chǎng)同時(shí)作用于兩對(duì)正交固定的通電線(xiàn)圈，可以分別對(duì)兩正交輸入軸施加力矩。此類(lèi)永磁式力矩器結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，具有良好的對(duì)稱(chēng)性，適用于對(duì)穩(wěn)定性、線(xiàn)性度、對(duì)稱(chēng)性等性能要求高的角速率慣性測(cè)量系統(tǒng)。

力矩系數(shù)及其穩(wěn)定性是高精度力矩器的重要性能指標(biāo)。力矩器在工作中，使永久磁鐵工作在最大磁能積上，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，永久磁鐵的磁性能衰減很小，能夠保證力矩系數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。同時(shí)，線(xiàn)圈組合體的設(shè)計(jì)方案及其在加工、裝配等過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，直接影響力矩器力矩系數(shù)的穩(wěn)定性。

為了能夠獲得較穩(wěn)定的力矩系數(shù)，首先，在力矩器設(shè)計(jì)中需按設(shè)計(jì)方案計(jì)算力矩器力矩系數(shù)，使永磁體工作點(diǎn)大于最大磁能積的斜率；另外，在工程實(shí)際中，需通過(guò)對(duì)力矩器的線(xiàn)圈組合件進(jìn)行設(shè)計(jì)方案分析，優(yōu)化線(xiàn)圈組合件的制作及穩(wěn)定處理技術(shù)，減小在零件制作、組合件裝配及使用環(huán)境等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力，保證力矩器的穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。

1 工作原理

力矩器線(xiàn)圈組合件有效邊在永久磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生電磁力，作用在陀螺飛輪上，產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)力矩。力矩器工作原理示意如圖1所示。

圖1 力矩器工作原理示意

圖1中，軸、軸分別安置了一對(duì)線(xiàn)圈，每一個(gè)軸的線(xiàn)圈通以圖示方向的直流電流；此時(shí)，同一個(gè)軸兩個(gè)不同的通電線(xiàn)圈，在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生一個(gè)方向相反的力和力矩，能夠獲得2倍單個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的力和力矩；根據(jù)力的作用原理，同樣的力及力矩會(huì)反作用在固定環(huán)形永磁體的高速運(yùn)轉(zhuǎn)的陀螺飛輪上。按陀螺進(jìn)動(dòng)理論，軸兩通電線(xiàn)圈產(chǎn)生的力將沿軸在陀螺轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)力矩，軸兩通電線(xiàn)圈產(chǎn)生的力將沿軸在陀螺轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)使用同一永久環(huán)形永磁場(chǎng)和兩對(duì)正交固定的通電線(xiàn)圈對(duì)陀螺儀兩個(gè)角速率輸入軸施加進(jìn)動(dòng)力矩。

=

(1)

式中：為每個(gè)輸入軸產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力矩，g·cm；為流入每個(gè)輸入軸兩個(gè)線(xiàn)圈的電流，mA；為力矩器產(chǎn)生的力矩系數(shù),g·cm/mA。

在工作過(guò)程中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)始終與陀螺電機(jī)軸線(xiàn)保持一致，當(dāng)陀螺儀傳感器兩輸入軸的輸出為零，即沒(méi)有角速率輸入，此時(shí)力矩器輸出的進(jìn)動(dòng)力矩理論上為零，但由于加工、裝配等因素會(huì)產(chǎn)生兩輸入軸不正交等干擾力矩，此時(shí)會(huì)有一定的常值漂移。當(dāng)陀螺儀傳感器感應(yīng)到有角速率輸入，此時(shí)再平衡回路給力矩器線(xiàn)圈提供相應(yīng)的力反饋電流，克服因角速率引起的轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩，該反饋電流的大小反映了輸入角速率的大小。

2 力矩器設(shè)計(jì)

圖2 力矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

2.1 永磁體組合件

永磁體組合件主要由N、S極兩種磁鋼組合后粘接固定在轉(zhuǎn)子上，磁力線(xiàn)從N極磁鋼回到S極磁鋼，形成閉合磁路，磁路如圖2所示。

磁性能的穩(wěn)定性與永磁材料和永久磁鐵工作點(diǎn)的選擇有關(guān)。為了使永久磁鐵以小的體積獲得大的磁通，通常把永久磁鐵的工作點(diǎn)選在最大磁能積點(diǎn)上方，利用永磁體的最大儲(chǔ)存能量，使永磁體磁化強(qiáng)度或磁通密度等性能參數(shù)不會(huì)因外磁場(chǎng)干擾而下降較多，保持永磁體磁性能穩(wěn)定。

(2)

式中：為空氣導(dǎo)磁率(4π×10H/m)；為磁路漏磁系數(shù)；為磁路磁阻系數(shù)；為磁路工作氣隙截面積；為磁路氣隙寬度；為永磁體截面積；為永磁體長(zhǎng)度。

雙軸永磁動(dòng)鐵式力矩器選用有較高矯頑力、溫度系數(shù)在“0”附近的釤鈷磁性材料。通過(guò)對(duì)釤鈷磁性材料退磁曲線(xiàn)及磁能積線(xiàn)分析，使用釤鈷材料的最大磁能積對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)為tan≈tan68°。按力矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及磁路計(jì)算需要，釤鈷磁鋼相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 釤鈷磁鋼相關(guān)參數(shù)

由式(2)得：

tan=3.05

≈72°>68°

磁路工作點(diǎn)在釤鈷磁鋼最大磁能積對(duì)應(yīng)點(diǎn)偏上，這樣既能充分利用磁能，又能保證磁性能穩(wěn)定。

2.2 線(xiàn)圈組合件

目前，線(xiàn)圈組合件是將繞制好的線(xiàn)圈，采用專(zhuān)用工裝成型，然后粘接在陶瓷骨架上，最后通過(guò)環(huán)氧膠灌封工藝將力矩器線(xiàn)圈與骨架固定。陶瓷骨架線(xiàn)圈組合件如圖3所示。

圖3 陶瓷骨架線(xiàn)圈組合件

2.3 力矩系數(shù)計(jì)算

由式(1)可知，力矩系數(shù)是力矩器中的主要參數(shù)，主要與線(xiàn)圈匝數(shù)、有效邊數(shù)、力作用半徑、力作用有效邊長(zhǎng)度以及環(huán)形磁路中氣隙磁密有關(guān)。圖2所示為沿輸入軸兩線(xiàn)圈的受力情況，為線(xiàn)圈有效邊作用的有效半徑。根據(jù)“左手定則”，垂直于、平面的每個(gè)線(xiàn)圈通過(guò)電流元在磁場(chǎng)中所受的力d，力的方向見(jiàn)圖2。

d=d=d

(3)

(4)

式中：為每個(gè)線(xiàn)圈有效邊通入的電流；d為每個(gè)線(xiàn)圈有效邊內(nèi)通入的電流元；d為每個(gè)線(xiàn)圈通過(guò)電流元在磁場(chǎng)中所受的力；d為每個(gè)線(xiàn)圈通過(guò)電流元產(chǎn)生的角度微增量；為工作氣隙徑向磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；為力矩半徑；

其中，d沿軸的分量dD=0，沿軸和軸的dD、dD分量為

(5)

(6)

則通電線(xiàn)圈每個(gè)有效邊對(duì)正交的兩輸入軸和輸入軸產(chǎn)生的力矩為

式中：、-分別為線(xiàn)圈有效邊兩端對(duì)軸形成的張角；、-分別為電流元d對(duì)輸入軸形成的角度。

按圖3所示的線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)形式，一匝線(xiàn)圈有兩個(gè)有效邊對(duì)輸入軸產(chǎn)生力矩，每個(gè)線(xiàn)圈由匝導(dǎo)線(xiàn)繞制而成，則每個(gè)線(xiàn)圈對(duì)輸入軸產(chǎn)生的力矩為

(7)

若線(xiàn)圈有效邊長(zhǎng)為，=/(2)，即=2·代入式(7)，即有

使用σ表示有效邊數(shù)，則式(7)為

=sin

則有：

=

(8)

力矩器骨架上安放4個(gè)線(xiàn)圈，每個(gè)線(xiàn)圈有效邊張角最大不超過(guò)360°/4=90°，當(dāng)安裝非有效邊時(shí)不超過(guò)45°，一般情況下不超過(guò)40°。對(duì)應(yīng)的圓弧系數(shù)為0.920 7，由式(8)得：

=0102·······

·10(g·cm/A)

(9)

根據(jù)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)需要，力矩器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 力矩器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

按式(1)，力矩器力矩系數(shù)：

=0102×4×0920 7×1425×172×

3 800×210×10=0734 7(g·cm/mA)

3 磁性能穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)裝有永磁體組合件的轉(zhuǎn)子進(jìn)行10次高溫+60 ℃4 h，低溫-40 ℃4 h的溫度循環(huán)試驗(yàn)及RMS為4.9的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)前后對(duì)轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度共0°、90°、180°、270°四個(gè)位置測(cè)試轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度

分析表3中數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)高、低溫及振動(dòng)試驗(yàn)后，轉(zhuǎn)子氣隙磁性能幾乎沒(méi)有變化，這與永磁體的高矯頑力特性相符，永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，磁性能工作點(diǎn)能夠保證磁性能穩(wěn)定。

4 線(xiàn)圈組合件應(yīng)用與分析

為了掌握力矩器系數(shù)的穩(wěn)定性，將陶瓷骨架力矩器線(xiàn)圈組合件安裝在陀螺儀上，采用再平衡回路對(duì)力矩器輸入反饋電流，并使用采集電路采集，最后經(jīng)計(jì)算、處理后輸出角速率測(cè)量值，角速率測(cè)量原理見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)量原理框圖

當(dāng)陀螺儀感應(yīng)到角速率后，再平衡回路按標(biāo)度因數(shù)輸出反饋電流給力矩器線(xiàn)圈，由電路采樣、處理，輸出角速率測(cè)量值。計(jì)算出標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性，從而反映力矩器系數(shù)的非線(xiàn)性。

將該系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，在溫度分別為60、20、-40 ℃條件下，按±1、±3、±5°/s進(jìn)行角速率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 角速率試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出：兩個(gè)軸標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中軸非線(xiàn)性(最大偏差)不大于0.000 5[(°)/s]，軸非線(xiàn)性(最大偏差)不大于0.005[(°)/s]。拆下陶瓷骨架線(xiàn)圈組合體，在顯微鏡下對(duì)線(xiàn)圈組合體進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在陶瓷骨架內(nèi)壁出現(xiàn)了細(xì)小的裂紋，見(jiàn)圖5。

圖5 陶瓷骨架裂紋

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要原因?yàn)樘沾晒羌芫€(xiàn)圈組合件在大角速率試驗(yàn)下，通過(guò)線(xiàn)圈的電流較大，線(xiàn)圈發(fā)熱，溫升高，由于陶瓷骨架內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋，使線(xiàn)圈的有效邊長(zhǎng)、線(xiàn)圈平均半徑等參數(shù)因骨架變形而發(fā)生變化。由于受總體結(jié)構(gòu)限制，陶瓷骨架的線(xiàn)圈支撐壁很薄，僅為0.7 mm，在實(shí)際加工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，成品率較低，雖然經(jīng)過(guò)切削加工,以及多次高、低溫去應(yīng)力穩(wěn)定處理，但在大速率試驗(yàn)下，需要力矩器提供較大的進(jìn)動(dòng)力矩，通過(guò)線(xiàn)圈的電流大，線(xiàn)圈發(fā)熱較大，由于線(xiàn)圈采用環(huán)氧膠灌封，散熱效果差，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，由于線(xiàn)圈、環(huán)氧膠層與陶瓷材料的熱脹系數(shù)不同，高溫?zé)崦洃?yīng)力不能有效釋放，從而使陶瓷骨架在粘接線(xiàn)圈的薄壁處產(chǎn)生微小裂紋，力矩器線(xiàn)圈的平均半徑、有效邊長(zhǎng)及圓弧系數(shù)發(fā)生了變化，導(dǎo)致力矩系數(shù)發(fā)生波動(dòng)。

針對(duì)陶瓷骨架裂紋故障，可以通過(guò)對(duì)陶瓷骨架、線(xiàn)圈組合體增加高溫應(yīng)力篩選，剔除早期故障的陶瓷骨架或線(xiàn)圈組合體。這種措施只能減少問(wèn)題發(fā)生概率，而且經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本較高。

為了更好地解決在高溫、大角速率工作狀態(tài)下，力矩系數(shù)發(fā)生波動(dòng)問(wèn)題，結(jié)合線(xiàn)圈組合體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)線(xiàn)圈組合件提出無(wú)骨架結(jié)構(gòu)方案。用自粘性導(dǎo)線(xiàn)繞制線(xiàn)圈，使用專(zhuān)用工裝將線(xiàn)圈高溫固定成型，高、低溫循環(huán)穩(wěn)定處理去除應(yīng)力后，直接粘接在銅質(zhì)底座上。無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖6。

將裝有無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件的雙軸永磁動(dòng)鐵式力矩器安裝在相同的電機(jī)上，組合成相同角速率測(cè)量系統(tǒng)。圖7為無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件裝配實(shí)物。

圖6 無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件結(jié)構(gòu)示意 圖7 無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件裝配實(shí)物

將裝有無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件的系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，相同的溫度條件下，按±1、±3、±5°/s進(jìn)行角速率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 裝有無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件系統(tǒng)的角速率試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出：力矩器的兩個(gè)軸非線(xiàn)性均小于0.001，與陶瓷骨架線(xiàn)圈組合件的標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性相當(dāng)，但銅底座易加工，精度易保證，成品率較高，幾乎沒(méi)有報(bào)廢，尤其在后期使用過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生裂紋影響標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性誤差。另外，無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件在高溫、低溫環(huán)境條件下，其力矩系數(shù)變化較小，不大于20×10，在大角速率試驗(yàn)中，其力矩系數(shù)波動(dòng)小。

5 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)及工程應(yīng)用分析，線(xiàn)圈組合件的穩(wěn)定性是影響雙軸永磁動(dòng)鐵式力矩器力矩系數(shù)穩(wěn)定性的重要因素。在長(zhǎng)時(shí)間高溫、大角速率的工作狀態(tài)下，陶瓷骨架容易產(chǎn)生微小裂紋，使力矩系數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)，影響系統(tǒng)標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性。同時(shí)，陶瓷骨架線(xiàn)圈組合件的力矩器在加工過(guò)程中，成品率低，為了減小故障發(fā)生率，需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高、低溫穩(wěn)定處理及振動(dòng)篩選，時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本高。

無(wú)骨架線(xiàn)圈組合件的力矩器在加工、成品率方面均優(yōu)于陶瓷骨架線(xiàn)圈組合件，裝配成型后，在溫度、大角速率試驗(yàn)過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生裂紋故障，力矩系數(shù)波動(dòng)較小，能夠保證系統(tǒng)標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性要求。為了提高力矩系數(shù)的穩(wěn)定性，在后續(xù)工程應(yīng)用中，需進(jìn)行深入分析線(xiàn)圈成型、穩(wěn)定處理技術(shù)以及非圓性誤差補(bǔ)償?shù)龋瑢?duì)高、低溫及力學(xué)環(huán)境下線(xiàn)圈變形開(kāi)展大量試驗(yàn)驗(yàn)證，從而保證系統(tǒng)對(duì)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性的要求。