[发明专利]五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种角速率陀螺，特别是涉及一种五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺。

背景技术

陀螺仪是一种用途广泛的惯性器件，在航空、航天、航海、以及一些民用领域得到了广泛的应用。角速率陀螺作为最重要的惯性仪表之一，其精度直接决定惯性导航与制导系统的精度。随着科技的发展，对陀螺性能的要求越来越高，高精度、高可靠性、微型化、多轴测量和多功能测量成为未来惯性传感器的发展要求。

陀螺高速转子和框架力矩器的支承方式是影响陀螺精度的两大关键因素。专利ZL201110287382.7“高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪”的高速转子采用对置半球型动压轴承，利用气体润滑的特性，使得动压轴承所产生的振动幅值比滚珠轴承小1-2个数量级，但仍未从根本上解决支承问题，存在陀螺漂移率大问题；专利ZL200810017908.8“一种磁悬浮陀螺仪”采用磁场对陀螺浮子进行浮起，降低了干扰力矩，但结构复杂，陀螺的抗过载能力低；专利200610028646.6“静电支撑悬浮电磁感应旋转微陀螺”克服了电磁阻尼对转速的限制，发热小，支承刚度高，但由于静电支撑采用开环控制，陀螺的带宽和灵敏度调节能力差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种陀螺漂移率小、抗过载能力高、带宽和灵敏度调节能力强的角速率陀螺，利用五自由度永磁偏置混合磁轴承及控制电路作为敏感部件，即：五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺。

本发明的技术解决方案是一种五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺包括转子、上陀螺房、下陀螺房、中环、径向磁轴承、轴向磁轴承、径向位移传感器、保护轴承、驱动电机、轴向位移传感器、磁轴承电路系统、电机驱动电路系统；上陀螺房、下陀螺房和中环整体加工成型，中环通过螺母和定位孔与上陀螺房和下陀螺房固定相连，形成真空密封壳体，通过真空阀门保持密封壳体内部的真空状态，陀螺内部线路通过加工在密封壳体侧面的电气接口与外部连接，锁紧机构处于下陀螺房，在发射阶段与转子轮毂外沿实现锁紧固定；保护轴承与转子之间在径向上形成径向保护间隙，径向位移传感器与转子之间在径向上形成径向探测间隙，保护轴承与转子之间在轴向上形成轴向保护间隙，轴向位移传感器与转子之间在轴向上形成轴向探测间隙。磁轴承电路系统实时调节径向磁轴承和轴向磁轴承的线圈绕组电流，使转子稳定悬浮在探测间隙中心，通过电机驱动电路系统驱动转子高速旋转，产生角动量，利用径向磁轴承的线圈绕组电流解算出外界输入角速率的大小。

本发明的原理是：五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺，当外界姿态改变时，由于高速转子转轴具有定轴性，电路系统通过调节径向磁轴承线圈绕组电流，产生相应的电磁力来阻止转子与陀螺房产生相对运动，保证其悬浮在间隙中心，从而利用输入角速率与径向磁轴成线圈绕组电流的线性关系，得到外界输入角速率。

本发明与现有技术的优点在于：

（1）本发明的陀螺结构无需框架力矩器，从根本解决了陀螺转子和浮子支承问题导致的干扰力矩，陀螺漂移率小，适用于高精度惯性导航系统。

（2）本发明的陀螺高速转采用永磁偏置混合磁轴承支承，利用电磁力进行主动控制，陀螺的抗过载能力强。

（3）本发明的陀螺转子的有效弹性支承常数只与磁轴承的电磁力有关，只需通过闭环控制电路调节支承系统的综合刚度，便能方便调整陀螺带宽和灵敏度。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图；

图2为本发明的径向磁轴承的径向截面图；

图3为本发明的径向磁轴承的配置图；

图4为本发明的轴向磁轴承的径向截面图；

图5为本发明的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺的电路系统框图；

图6为本发明的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺的角速率敏感原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作出进一步详细的说明。

本发明利用径向磁轴承的电磁力矩来抵消高速磁悬浮转子的陀螺力矩，因在稳态时电磁力矩与陀螺力矩相等，外界输入角速率与电磁力矩呈线性的关系，而电流力矩由线圈驱动电流产生，检测线圈驱动电流便可以解算出外界输入角速率的大小。