雙軸永磁動鐵式力矩器的設(shè)計與應(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 550023)

0 前言

雙軸永磁動鐵式力矩器是雙軸角速率陀螺儀的重要部件，通電線圈在永磁場中切割磁力線，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，再平衡回路測量線圈中的電流，即陀螺儀敏感的角速率所需的反饋力矩，從而測量角速率。工程實際應(yīng)用中，使用相同環(huán)形磁場同時作用于兩對正交固定的通電線圈，可以分別對兩正交輸入軸施加力矩。此類永磁式力矩器結(jié)構(gòu)原理簡單，具有良好的對稱性，適用于對穩(wěn)定性、線性度、對稱性等性能要求高的角速率慣性測量系統(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。力矩器在工作中，使永久磁鐵工作在最大磁能積上，在較長時間內(nèi)，永久磁鐵的磁性能衰減很小，能夠保證力矩系數(shù)的長期穩(wěn)定性。同時，線圈組合體的設(shè)計方案及其在加工、裝配等過程中產(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)計中需按設(shè)計方案計算力矩器力矩系數(shù)，使永磁體工作點大于最大磁能積的斜率；另外，在工程實際中，需通過對力矩器的線圈組合件進行設(shè)計方案分析，優(yōu)化線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)定性能夠滿足系統(tǒng)需要。

1 工作原理

力矩器線圈組合件有效邊在永久磁場中切割磁力線產(chǎn)生電磁力，作用在陀螺飛輪上，產(chǎn)生進動力矩。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、軸分別安置了一對線圈，每一個軸的線圈通以圖示方向的直流電流；此時，同一個軸兩個不同的通電線圈，在磁場的作用下，產(chǎn)生一個方向相反的力和力矩，能夠獲得2倍單個線圈產(chǎn)生的力和力矩；根據(jù)力的作用原理，同樣的力及力矩會反作用在固定環(huán)形永磁體的高速運轉(zhuǎn)的陀螺飛輪上。按陀螺進動理論，軸兩通電線圈產(chǎn)生的力將沿軸在陀螺轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生進動力矩，軸兩通電線圈產(chǎn)生的力將沿軸在陀螺轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生進動力矩，實現(xiàn)使用同一永久環(huán)形永磁場和兩對正交固定的通電線圈對陀螺儀兩個角速率輸入軸施加進動力矩。

=

(1)

式中：為每個輸入軸產(chǎn)生的進動力矩，g·cm；為流入每個輸入軸兩個線圈的電流，mA；為力矩器產(chǎn)生的力矩系數(shù),g·cm/mA。

在工作過程中，高速運轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子軸線始終與陀螺電機軸線保持一致，當陀螺儀傳感器兩輸入軸的輸出為零，即沒有角速率輸入，此時力矩器輸出的進動力矩理論上為零，但由于加工、裝配等因素會產(chǎn)生兩輸入軸不正交等干擾力矩，此時會有一定的常值漂移。當陀螺儀傳感器感應(yīng)到有角速率輸入，此時再平衡回路給力矩器線圈提供相應(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

圖2 力矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

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選在最大磁能積點上方，利用永磁體的最大儲存能量，使永磁體磁化強度或磁通密度等性能參數(shù)不會因外磁場干擾而下降較多，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；為永磁體長度。

雙軸永磁動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。通過對釤鈷磁性材料退磁曲線及磁能積線分析，使用釤鈷材料的最大磁能積對應(yīng)的工作點為tan≈tan68°。按力矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計及磁路計算需要，釤鈷磁鋼相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 釤鈷磁鋼相關(guān)參數(shù)

由式(2)得：

tan=3.05

≈72°>68°

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

2.2 線圈組合件

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

圖3 陶瓷骨架線圈組合件

2.3 力矩系數(shù)計算

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

d=d=d

(3)

(4)

式中：為每個線圈有效邊通入的電流；d為每個線圈有效邊內(nèi)通入的電流元；d為每個線圈通過電流元在磁場中所受的力；d為每個線圈通過電流元產(chǎn)生的角度微增量；為工作氣隙徑向磁場的磁感應(yīng)強度；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)

則通電線圈每個有效邊對正交的兩輸入軸和輸入軸產(chǎn)生的力矩為

式中：、-分別為線圈有效邊兩端對軸形成的張角；、-分別為電流元d對輸入軸形成的角度。

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

(7)

若線圈有效邊長為，=/(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個線圈，每個線圈有效邊張角最大不超過360°/4=90°，當安裝非有效邊時不超過45°，一般情況下不超過40°。對應(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)計參數(shù)見表2。

表2 力矩器相關(guān)設(shè)計參數(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

對裝有永磁體組合件的轉(zhuǎn)子進行10次高溫+60 ℃4 h，低溫-40 ℃4 h的溫度循環(huán)試驗及RMS為4.9的隨機振動試驗，試驗前后對轉(zhuǎn)子氣隙磁場強度共0°、90°、180°、270°四個位置測試轉(zhuǎn)子氣隙磁場強度，測試結(jié)果見表3。

表3 轉(zhuǎn)子氣隙磁場強度

分析表3中數(shù)據(jù)，經(jīng)過高、低溫及振動試驗后，轉(zhuǎn)子氣隙磁性能幾乎沒有變化，這與永磁體的高矯頑力特性相符，永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，磁性能工作點能夠保證磁性能穩(wěn)定。

4 線圈組合件應(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圈組合件安裝在陀螺儀上，采用再平衡回路對力矩器輸入反饋電流，并使用采集電路采集，最后經(jīng)計算、處理后輸出角速率測量值，角速率測量原理見圖4。

圖4 測量原理框圖

當陀螺儀感應(yīng)到角速率后，再平衡回路按標度因數(shù)輸出反饋電流給力矩器線圈，由電路采樣、處理，輸出角速率測量值。計算出標度因數(shù)非線性，從而反映力矩器系數(shù)的非線性。

將該系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺上，在溫度分別為60、20、-40 ℃條件下，按±1、±3、±5°/s進行角速率試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 角速率試驗結(jié)果

從表4可以看出：兩個軸標度因數(shù)非線性相差一個數(shù)量級，其中軸非線性(最大偏差)不大于0.000 5[(°)/s]，軸非線性(最大偏差)不大于0.005[(°)/s]。拆下陶瓷骨架線圈組合體，在顯微鏡下對線圈組合體進行檢查，發(fā)現(xiàn)在陶瓷骨架內(nèi)壁出現(xiàn)了細小的裂紋，見圖5。

圖5 陶瓷骨架裂紋

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

針對陶瓷骨架裂紋故障，可以通過對陶瓷骨架、線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圈組合體。這種措施只能減少問題發(fā)生概率，而且經(jīng)濟成本、時間成本較高。

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)生波動問題，結(jié)合線圈組合體結(jié)構(gòu)進行分析，對線圈組合件提出無骨架結(jié)構(gòu)方案。用自粘性導(dǎo)線繞制線圈，使用專用工裝將線圈高溫固定成型，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。無骨架線圈組合件結(jié)構(gòu)示意見圖6。

將裝有無骨架線圈組合件的雙軸永磁動鐵式力矩器安裝在相同的電機上，組合成相同角速率測量系統(tǒng)。圖7為無骨架線圈組合件裝配實物。

圖6 無骨架線圈組合件結(jié)構(gòu)示意 圖7 無骨架線圈組合件裝配實物

將裝有無骨架線圈組合件的系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺上，相同的溫度條件下，按±1、±3、±5°/s進行角速率試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 裝有無骨架線圈組合件系統(tǒng)的角速率試驗結(jié)果

從表5可以看出：力矩器的兩個軸非線性均小于0.001，與陶瓷骨架線圈組合件的標度因數(shù)非線性相當，但銅底座易加工，精度易保證，成品率較高，幾乎沒有報廢，尤其在后期使用過程中，不會產(chǎn)生裂紋影響標度因數(shù)非線性誤差。另外，無骨架線圈組合件在高溫、低溫環(huán)境條件下，其力矩系數(shù)變化較小，不大于20×10，在大角速率試驗中，其力矩系數(shù)波動小。

5 結(jié)論

通過以上試驗及工程應(yīng)用分析，線圈組合件的穩(wěn)定性是影響雙軸永磁動鐵式力矩器力矩系數(shù)穩(wěn)定性的重要因素。在長時間高溫、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，影響系統(tǒng)標度因數(shù)非線性。同時，陶瓷骨架線圈組合件的力矩器在加工過程中，成品率低，為了減小故障發(fā)生率，需進行長時間高、低溫穩(wěn)定處理及振動篩選，時間及經(jīng)濟成本高。

無骨架線圈組合件的力矩器在加工、成品率方面均優(yōu)于陶瓷骨架線圈組合件，裝配成型后，在溫度、大角速率試驗過程中，不會發(fā)生裂紋故障，力矩系數(shù)波動較小，能夠保證系統(tǒng)標度因數(shù)非線性要求。為了提高力矩系數(shù)的穩(wěn)定性，在后續(xù)工程應(yīng)用中，需進行深入分析線圈成型、穩(wěn)定處理技術(shù)以及非圓性誤差補償?shù)龋瑢Ω摺⒌蜏丶傲W(xué)環(huán)境下線圈變形開展大量試驗驗證，從而保證系統(tǒng)對標度因數(shù)穩(wěn)定性的要求。