Датчик угловой скорости с магнитным подвесом инерционного элемента

Авторы патента:

G01C19/24 - с использованием магнитного или электростатического поля

Владельцы патента RU 2785951:

Общество с ограниченной ответственностью "Гироприбор" (ООО "Гироприбор") (RU)

Изобретение относится к области приборостроения. Сущность изобретения заключается в том, что датчик угловой скорости с бесконтактным магнитным подвесом инерционного элемента в форме кольца из ферромагнитного материала содержит инерционный элемент, выполненный в форме тонкого диска, имеющий одинаковую толщину и размещен в одной плоскости со статором, имеющим форму плоской пластины и содержащим ступенчатое по контуру отверстие, включающее пазы, между которыми находятся направленные к центру статора консоли, на которых установлены катушки, причем консоли ограниченны внутренней цилиндрической поверхностью, внутри которой размещен кольцевой инерционный элемент. Технический результат - упрощение конструкции устройства. 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в составе гироскопов и других навигационных приборов инерциального типа в системах ориентации и навигации подвижных объектов: (ракет, самолетов, судов, автомобилей), а также - в инклинометрах, служащих для подземной ориентации бурового инструмента.

Датчики угловой скорости и гироскопы с магнитным подвесом инерционного элемента позволяют получить наиболее высокие параметры точности измерений по сравнению с другими типами гироскопических приборов.

Известен гироскоп с бесконтактным магнитным подвесом инерционного элемента в форме кольца из ферромагнитного материала, размещенного с равномерным радиальным зазором относительно статора, содержащего электромагнитные катушки, расположенные вокруг центральной оси статора [1]. Данный гироскоп имеет сферическую форму инерционного элемента (ротора). Левитация обеспечивается за счет разнонаправленного силового магнитного воздействия электромагнитов, установленных на радиальных выступах статора, смещенных вдоль оси статора и ограниченных коническими поверхностями. Гироскоп содержит также отдельный привод вращения ротора, который размещен внутри ротора.

Недостатком данного гироскопа является сложность конструкции.

Известно магнитное подвесное устройство космического применения, которое может быть использовано в качестве датчика угловой скорости и гироскопа [2]. Устройство содержит ротор в форме кольца из ферромагнитного материала, размещенного с равномерным радиальным зазором относительно цилиндрической поверхности статора, содержащего электромагнитные катушки. Ротор выполнен сборным. Он включает два кольцевых диска и размещенный между ними постоянный магнит с осевой поляризацией. Кроме этого к ротору снизу присоединены дополнительные магниты, служащие для обеспечения вращения ротора с помощью отдельных электромагнитных катушек.

Данное устройство частично устраняет недостатки аналога, поскольку в системе левитации отсутствует механизм поддержания равновесия вдоль оси ротора. Это достигается за счет использования узких кольцевых цилиндрических участков магнитного взаимодействия ротора и статора. При осевом смещении ротора магнитно-силовые линии удлиняются и подобно пружине автоматически возвращают ротор в исходное положение.

Однако наличие сборного ротора и отдельного привода его вращения существенно усложняют конструкцию устройства.

Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции прототипа.

Новый датчик угловой скорости, также как и прототип, содержит инерционный элемент в форме кольца из ферромагнитного материала. С помощью уравновешенных магнитных сил инерционный элемент удерживается с равномерным радиальным зазором относительно цилиндрической поверхности статора, содержащего электромагнитные катушки.

Инерционный элемент выполнен в форме тонкого диска, имеет одинаковую толщину и размещен в одной плоскости со статором. Последний имеет форму плоской пластины и содержит ступенчатое по контуру отверстие. Контур отверстия включает пазы, между которыми находятся направленные к центру статора консоли. На них установлены катушки, причем консоли ограниченны внутренней цилиндрической поверхностью. Внутри этой поверхности размещен кольцевой инерционный элемент.

Новое техническое решение позволяет упростить конструкцию устройства. Инерционный элемент состоит из одной детали, тогда как у прототипа их 3-4 (варианты). Появляется возможность исключить из устройства постоянные магниты и катушки привода вращения.

Пример реализации изобретения представлен на чертежах. На фиг. 1 и 2 представлены внешние виды датчика, на фиг. 3 и 4 даны разрезы, а на фиг. 5 и 6 показаны схемы, поясняющие работу датчика.

Датчик угловой скорости содержит инерционный элемент 1 в форме кольца из ферромагнитного материала. С помощью магнитных сил инерционный элемент 1 удерживается с равномерным радиальным зазором 5 относительно цилиндрической поверхности статора 2, содержащего электромагнитные катушки 3 (фиг. 1-4).

Инерционный элемент 1 выполнен в форме тонкого диска. Он имеет одинаковую толщину и размещен в одной плоскости со статором: a=b, где а - толщина кольца, b - толщина пластины статора (фиг. 3). Статор 2 имеет форму плоской пластины и содержит ступенчатое по контуру отверстие (фиг. 1, 5 и 6). Контур отверстия включает четыре пары параллельных пазов (фиг. 1 и 5). Между пазами каждой пары образована консоль. Каждая консоль направлена к центру статора 2. На консолях 2.1, 2.2, 2.3 и 2.4. установлены катушки 3.1, 3.2. 3.3 и 3.4. Консоли ограниченны внутренней цилиндрической поверхностью диаметром D (фиг. 5). Внутри этой поверхности размещен кольцевой инерционный элемент 1 (фиг. 1-5).

При отключенных катушках 3 инерционный элемент удерживается от выпадения с помощью прихватов 5. Детали датчика монтируются на основании 4 с помощью винтов 6 (фиг. 4). Винты 7 служат для крепления датчика к корпусу.

Датчик работает следующим образом.

Левитация инерционного элемента осуществляется путем изменения радиальной силы, создаваемой электромагнитными катушками 3 в зависимости от зазора δ (фиг. 1). При этом осевое положение (по оси Z) инерционного элемента поддерживается автоматически за счет упругой силовой реакции на изгиб магнитно-силовых линий проходящих, через тонкие пластины статора и инерционного элемента. Катушки 3 питаются одновременно постоянным и переменным током. Постоянный ток используется для создания магнитной силы, а переменный - для измерения индуктивности катушек 3.

При смещении инерционного элемента вправо зазор 8 уменьшается, индуктивность на катушке 3.1 увеличивается. Соответствующее возрастание падения переменного напряжения используется управляющей системой для уменьшения тока в катушке 3.1 и увеличения тока в катушке 3.2. Притягивающая сила, действующая со стороны катушки 3.1 вправо, уменьшается, а сила, действующая со стороны катушки влево, увеличивается. В результате инерционный элемент смещается влево и величина зазора δ восстанавливается.

Датчик угловой скорости может работать при колебательном и вращательном движении инерционного элемента.

В первом случае инерционному элементу сообщают низкочастотные первичные колебания fx по оси X (фиг. 5). При повороте датчика вокруг оси Z (фиг. 3) в плоскости XY с угловой скоростью со вследствие ускорения Кориолиса появляются вторичные колебания инерционного элемента fy вдоль оси Y (фиг. 5). Определение угловой скорости датчика осуществляют на основании измерения индуктивности катушек 3.3 и 3.4 и определения амплитуды вторичных колебаний fy.

Во втором случае инерционному элементу, имеющему 4-х полюсное окружное намагничивание, сообщают вращательное движение ω1 (фиг. 6). При развороте датчика вокруг оси X с угловой скоростью ω2 вследствие ускорения Кориолиса появляется гироскопический момент, приводящий к развороту инерционного элемента вокруг оси Y с угловой скоростью ω3. Определение угловой скорости датчика ω2 осуществляют на основании измерения индуктивности катушек 3.3 и 3.4 и определения угловой скорости ω3.

В отличие от прототипа, у которого магнитно-силовые линии системы левитации замыкаются в плоскостях, проходящих через ось вращения ротора, в новой конструкции магнитно-силовые линии замыкаются в плоскости, перпендикулярной оси вращения инерционного элемента (фиг. 6). Это позволяет осуществить вращение инерционного элемента без использования отдельного привода вращения, а - путем добавления к высокочастотному току системы левитации низкочастотного сигнала. Данная функциональная особенность датчика позволяет упростить его конструкцию.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Патент RU 2589939(13)01; 2016-07-10; МПК G01C 19/24.

2. Патент US 4285553 (А1), 1979-05-02; МПК F16C 39/06.

Датчик угловой скорости с бесконтактным магнитным подвесом инерционного элемента в форме кольца из ферромагнитного материала, размещенного с равномерным радиальным зазором относительно цилиндрической поверхности статора, содержащего электромагнитные катушки, отличающийся тем, что инерционный элемент выполнен в форме тонкого диска, имеет одинаковую толщину и размещен в одной плоскости со статором, имеющим форму плоской пластины и содержащим ступенчатое по контуру отверстие, включающее пазы, между которыми находятся направленные к центру статора консоли, на которых установлены катушки, причем консоли ограниченны внутренней цилиндрической поверхностью, внутри которой размещен кольцевой инерционный элемент.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может найти применение в навигационно-пилотажных комплексах, объединяющих несколько инерциальных навигационных систем для формирования обобщенной выходной информации о местонахождении объекта, его ориентации в пространстве и его скоростях, а также использующим внешнюю информацию для коррекции систем, входящих в состав комплекса.

Способ калибровки погрешностей электростатических гироскопов бескарданной инерциальной системы ориентации в условиях орбитального космического аппарата // 2678959

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в бесплатформенных инерциальных системах ориентации (БИСО) для орбитальных космических аппаратов (КА), измерительный модуль (блок чувствительных элементов -БЧЭ) которых содержит электростатические гироскопы (ЭСГ). Способ калибровки погрешностей ЭСГ БИСО в условиях орбитального КА заключается в последовательном вращении КА вокруг осей, связанных с его корпусом, вычислении углового положения КА относительно инерциальных осей по данным измерений астровизирующего устройства (АВУ), вычислении на основе априорных значений коэффициентов модели дрейфа калибруемого гироскопа, расчетных значений направляющих косинусов орта его кинетического момента в инерциальных осях, формирование по данным списывающих устройств гироскопа измеренных значений направляющих косинусов орта его кинетического момента в корпусных осях, вычисление оценок ухода гироскопа в инерциальных осях и их коррекцию.

Способ изготовления чувствительного элемента криогенного гироскопа // 2678707

Использование: для изготовления криогенного гироскопа. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления чувствительного элемента криогенного гироскопа содержит: формообразование сферического ротора, представляющего собой заготовку из углеродного нанокомпозита, покрытую сверхпроводящим слоем ниобия, нанесение в зоне шарового пояса, у которого ось симметрии совпадает с динамической осью ротора, а высота определяется широтным углом α, растрового рисунка в виде равновеликих отрезков сферических линий, выполненных с одинаковым угловым шагом, изготовление двух керамических полусфер и центрирующего кольца, формирование на внутренней поверхности полусфер системы электродов электростатического подвеса, а между электродами подвеса и на внутренней цилиндрической поверхности кольца - тонкопленочных измерительных витков сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков, выполнение в стенках полусфер оптических окон для световодов оптического датчика и выемок для размещения обмоток статора сверхпроводящего магнитного подвеса ротора, при этом концы каждого из отрезков растрового рисунка замыкают с концами, по меньшей мере, одного из соседних отрезков перемычками, которые выполняют за пределами зоны упомянутого шарового пояса, образуя на поверхности ротора замкнутые контуры, при этом упомянутые отрезки и перемычки формируют в виде тонкопленочных структур нитрида ниобия, а обмотки статора сверхпроводящего подвеса размещают и соединяют с элементами управления подвеса, образуя многофазную систему, обеспечивающую создание вращающего магнитного поля на поверхности ротора.

Способ калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах в условиях орбитального полета // 2677099

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах в условия полета космического аппарата. Способ калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах в условиях орбитального полета, согласно которому при движении объекта по орбитальной траектории осуществляют его вращение последовательно вокруг осей связанных с корпусом, одновременно измеряют сигналы от внешнего эталонного устройства, например астровизирующего устройства и сигналы датчиков угла электростатических гироскопов, определяют погрешность системы, значения коэффициентов модели, характеризующих «привязки» измерительных осей гироскопов относительно осей эталонного устройства, определяют уточненные значения коэффициентов, характеризующие уход гироскопов, производят замену установленных в фильтре Калмана коэффициентов модели на их уточненные значения, производят повторные измерения сигналов, определение погрешности системы и определение уточненных значений коэффициентов модели и с их последовательной заменой в фильтре, фиксируют значения коэффициентов при минимальном значении погрешности системы.

Криогенный гироскоп // 2643942

Использование: для производства криогенных гироскопов со сферическим ротором. Сущность изобретения заключается в том, что криогенный гироскоп содержит герметичный корпус, сферический ротор, выполненный из сверхпроводящего материала, комбинированный подвес ротора, включающий систему сверхпроводящих экранов, установленных в корпусе попарно вдоль осей подвеса с противоположных сторон ротора и формирующих магнитное поле в рабочем зазоре подвеса, рабочая поверхность каждого из сверхпроводящих формирующих экранов, обращенная к ротору, выполнена в виде профилированной части сферы и образует со сферической поверхностью ротора переменный рабочий зазор, обеспечивающий равномерную плотность магнитного потока в зазоре, катушки возбуждения магнитного подвеса, установленные над экранами, схему управления магнитным подвесом, формирующую токи, протекающие в катушках возбуждения, схему управления электростатическим подвесом, формирующую электрический потенциал на поверхности сверхпроводящих формирующих экранов, на профилированную рабочую поверхность каждого сверхпроводящего формирующего экрана установлен дополнительный экран, имеющий электрический контакт со сверхпроводящим формирующим экраном из материала, не обладающего сверхпроводящими свойствами, рабочая поверхность которого выполнена в виде части сферы и образует со сферической поверхностью ротора равномерный зазор, что обеспечивает равномерность плотности электрических сил в зазоре.

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа // 2640967

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Сущность изобретения заключается в том, что способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа дополнительно содержит этапы, на которых после раскрутки ротора до рабочей частоты вращения величину начального напряжения на электродах устанавливают равной нулю, а приращение напряжения подают только на электрод подвеса, от которого удаляется ротор, кроме того, для создания момента сил, стабилизирующих вращение ротора на рабочей частоте, коэффициент усиления К1 напряжения, пропорционального смещению по осям подвеса, увеличивают на величину ΔK где ΔK - коэффициент увеличения коэффициента К1;U0 - начальное напряжение на электродах подвеса до раскрутки ротора;Um - амплитуда переменной составляющей приращения напряжения до установки значения начального напряжения равного нулю.

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа // 2626572

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа, согласно которому в начале процесса взвешивания создают временную паузу, преобразуют величину смещения ротора из центра подвеса вдоль каждой из его осей в эквивалентную величину электрического напряжения, которое подвергают частотной коррекции, результат коррекции складывают с опорным напряжением, результат сложения усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на силовой электрод подвеса, одновременно результат коррекции вычитают из опорного напряжения, результат вычитания усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на другой силовой электрод подвеса, введены операции, согласно которым перед взвешиванием ротора гироскоп ориентируют в положение, при котором одна из ортогональных осей подвеса вертикальна, а в течение временной паузы на силовые электроды подвеса подают только опорные напряжения, в результате чего прижимают ротор к упорам, расположенным вокруг нижнего силового электрода, центрируя его в зазоре между силовыми электродами, оси которых расположены в горизонтальной плоскости.

Электромагнитный гироскоп // 2589939

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.

Электростатический гироскоп // 2579156

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.

Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора и полной первичной информацией // 2568147

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления подвижными объектами (ПО). Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора и полной первичной информацией дополнительно содержит измерительные цепочки, электроды, фазочувствительные выпрямители (ФЧВ), сумматоры, масштабирующие элементы.