ГІРОСКОП (ВАРІАНТИ)
Патент на винахід №2460040
(51) МПК G01C19/02 (2006.01)
(24) Дата початку відліку строку дії патенту:
(56) Список документів, цитованих у звіті про
Адреса для листування:
607220, Нижегородська обл., м. Арзамас, вул. Кірова, 26, ВАТ АНВП "ТЕМП-АВІА"
Макаров Анатолій Михайлович (RU),
Кожин Володимир Віталійович (RU),
Грязнов Євген Олексійович (RU),
Уракова Лариса Євгенівна (RU),
Горбачов Василь Михайлович (RU)
Відкрите акціонерне товариство Арзамаське науково-виробниче підприємство "ТЕМП-АВІА" (ВАТ АНВП "ТЕМП-АВІА") (RU)
(54) ГІРОСКОП (ВАРІАНТИ)
Винахід відноситься до приладобудування, зокрема до безкарданних гіроскопів на сферичній шарикопідшипниковій опорі, які можуть використовуватися, наприклад, як чутливі елементи гіростабілізаторів або двоканальних вимірювачів кутової швидкості. Гіроскоп за першим варіантом містить корпус 1, всередині якого розташований гіродвигун, що включає статор 2 з котушками, що створюють обертове магнітне поле, що призводить в обертання ротор 3 на сферичній шарикопідшипниковій опорі 4. У торцевій частині ротора 3 в якості рухомого елемента датчиків закріплено феритове кільце 5 прямокутного перерізу. Датчики кута 6 і датчики 7 моменту розміщені на корпусі 1 гіроскопа навпроти феритового кільця 5. У другому варіанті гіроскопа на внутрішній поверхні феритового кільця 5 нерухомо закріплено сталеве кільце прямокутного перерізу. Винахід дозволяє покращити точнісні параметри та розширити діапазон вимірюваних кутових швидкостей. 2 н.п. ф-ли, 5 іл.
Винахід відноситься до приладобудування і може використовуватися при створенні безкарданних гіроскопівсферичній шарикопідшипниковій опорі, які можуть застосовуватися, наприклад, як чутливі елементи гіростабілізаторів або двоканальних вимірювачів кутової швидкості.
Відомий гіроскоп [1], що містить корпус, гіромотор, карданів підвіс, датчики кута та датчики моменту, повернені відносно один одного на 90° навколо поздовжньої осі гіроскопа.
Основним недоліком даного гіроскопа є наявність карданова підвісу, що обумовлює значний дрейф гіроскопа через необхідність застосування струмопідведення для подачі електроживлення на обмотки гіромотора, датчиків кута і датчиків моменту та шарикопідшипників - для забезпечення обертання рамок карданового підвісу.
Найбільш близьким за технічною сутністю до заявленого пристрою є гіроскоп [2], що містить корпус з кришкою, що герметично закривається, гіромотор, ротор на сферичній шарикопідшипниковій опорі, трансформаторно-індуктивні датчики кута і електромагнітні датчики моменту. Статор гіродвигуна складається з двох шихтованих пакетів, розділених між собою немагнітним елементом, і обмотки, витки якої охоплюють обидва пакети. Обмотка гіродвигуна, крім основної своєї функції (створення магнітного поля, що обертається, що приводить в обертання ротор), виконує функцію первинної обмотки трансформаторно-індуктивного датчика кута. Вторинні обмотки датчиків кута намотані окремо на кожному пакеті, причому кожна пара обмоток геометрично зсунута відносно один одного на 90 °, що дозволяє проводити вимірювання по двох осях. При симетричному розташуванні гістерезисного кільця ротора щодо пакетів статора в обмотках датчиків кута наводитиметься однакова за величиною ЕРС. При зміщенні цього кільця в будь-який бік величина наведених ЕРС в обмотках датчиків кута будутьрізними. Датчики моменту конструктивно виконані аналогічно з датчиками кута та геометрично зрушені щодо них на 90°.
Недоліком даного гіроскопа є: його низька точність вимірювання корисного сигналу, викликана наявністю перешкод, створюваних роботою гіродвигуна через вихрових струмів в результаті використання кільця гістерезисного ротора в якості рухомого елемента (ротора) датчиків кута; обмежений діапазон вимірюваних кутових швидкостей (через малого плеча датчик моменту – рухливий елемент); неможливість проводити корекцію дрейфу гіроскопа, що залежить від моменту обертання електромагнітного поля, створюваного статором, тому що в даному випадку гістерезисне кільце має бути розмагнічено і не може бути рухомим елементом (ротором) датчиків кута та датчиків моменту [3].
Метою винаходу є поліпшення точності параметрів гіроскопа і розширення діапазону вимірюваних кутових швидкостей.
Для досягнення цього в першому варіанті гіроскопа, що містить корпус з розташованим усередині нього гіродвигуном, що включає статор з котушками і ротор на сферичній шарикопідшипниковій опорі, трансформаторно-індуктивні датчики кута та електромагнітні датчики моменту, згідно винаходу, в торцевій частині ротора, як рухомий елемент кута та датчиків моменту, жорстко закріплено феритове кільце прямокутного перерізу, а датчики кута та датчики моменту розміщені на корпусі гіроскопа навпроти феритового кільця.
Другий варіант гіроскопа відрізняється тим, що всередині феритового кільця нерухомо закріплено сталеве кільце прямокутного перерізу.
До суттєвих відмінностей запропонованого гіроскопа порівняно з відомим є введення в торцеву частину ротора жорстко закріпленого феритового кільцяпрямокутного перерізу, що виконує роль рухомого елемента датчиків кута та моменту, які розміщені на корпусі гіроскопа навпроти феритового кільця. Істотною відмінністю другого варіанта гіроскопа є введення додаткового сталевого кільця всередині феритового.
Дані істотні відмінності дозволяють підвищити точність гіроскопа за рахунок усунення перешкод у корисному сигналі, створюваних роботою гіродвигуна, і розширити діапазон кутових швидкостей, що вимірюваються за рахунок збільшення плеча датчик моменту - рухомий елемент.
Винахід пояснюється кресленнями.
На фіг.1 представлений перший варіант запропонованого гіроскопа вид збоку в розрізі; на фіг.2 - вид першого варіанту перерізу по лінії А-А; на фіг.3 - схема роботи датчиків кута; на фіг.4 - схема роботи датчиків моменту; на фіг.5 - вид другого варіанта запропонованого гіроскопа збоку в розрізі.
У запропонованій кращій реалізації гіроскопа за першим варіантом ротор 3 гіроскопа (з гістерезисним кільцем 8 і феритовим кільцем 5) має колокоподібну форму і встановлений у внутрішнє кільце сферичної шарикопідшипникової опори 4. Сферична шарикопідшипник повороту навколо власної осі обертання (осі X) та обмежені кути (±45') повороту навколо двох інших осей (Y та Z). Ротор 3 приводиться у обертання гіродвигуном, статор 2 якого встановлений на зовнішньому кільці сферичної шарикопідшипникової опори 4. Радіальний шарикопідшипник 10 виконує роль упору і служить обмеження кутів повороту ротора 3 навколо осей Y і Z.
Для реєстрації кута повороту ротора 3 навколо вимірювальних осей Y і Z призначені датчики кута 6, нерухома (статорна) частина яких виконана, наприклад, у виглядіП-подібного осердя, на який надіті дві однакові котушки 12, одна з цих котушок є обмоткою збудження, а друга - сигнальною обмоткою. Датчик кута 6 по кожному каналу містить два таких сердечника з котушками 12, розташованих діаметрально і зміщених щодо осей чутливості гіроскопа на кут 45° (фіг.2, фіг.3). Обмотки збудження датчика кута одного каналу послідовно з'єднані і підключені паралельно з обмотками збудження датчика кута іншого каналу до джерела змінного струму U, наприклад, напругою
8 B частотою 11600 Гц. Сигнальні обмотки з'єднані за диференціальною схемою. При такому включенні обмоток відбувається збільшення крутості датчика, порівняно з іншими схемами включення. При подачі напруги живлення на обмотки збудження датчика 6 кута сигнальних обмотках трансформується напруга. Сумарна величина цієї напруги на обох сигнальних обмотках практично не залежить від положення ротора 3 (при малих кутах повороту) та виконує роль напруги живлення мостової схеми. Повітряні зазори 1 і 2 між феритовим кільцем 5 і сердечниками датчика кута 6 при нейтральному положенні ротора 3 рівні 1 = 2 , індуктивності обох сигнальних обмоток однакові і міст збалансований.
При повороті ротора 3 щодо нейтралі, наприклад, на кут (фіг.3) зазначені повітряні зазори змінюються: для одного сердечника повітряний зазор збільшується, а для іншого зменшується. При цьому індуктивність однієї сигнальної обмотки збільшується, а інший зменшується. В результаті баланс моста порушується і на вихідній діагоналі мостової схеми з'являється напруга, пропорційна подвоєного кута повороту ротора 3. Зміна напрямку повороту ротора 3 викликає зміну фази вихідної напруги на 180°, тобто.характеристика датчика кута 6 є реверсивною. Регулювання нулів датчика кута 6 здійснюється, наприклад, зсувом котушок 12 сигнальних обмоток.
Вибрана схема роботи датчиків 6 кута поєднує переваги трансформаторних і індуктивних датчиків. Вона створює щодо вимірювальної осі моменту сил сухого тертя, т.к. є безконтактною, а моменти, зумовлені силами тяжіння ротора до осердям, спрямовані в протилежні сторони і тому майже повністю компенсуються.
Для створення моментів, що управляють, використовуються електромагнітні датчики 7 моменту, що працюють на постійному струмі. Конструктивно датчик 7 моменту подібний до датчика 6 кута і містить по кожному каналу два, діаметрально розташованих на корпусі 1 і поєднаних з осями чутливості гіроскопа сердечника, наприклад, металокераміки. На середній стрижень кожного сердечника, що має, наприклад, Ш-подібну форму, надіта котушка управління 14 (фіг.2, фіг.4). Головна перевага електромагнітних датчиків полягає в їх конструктивній та технологічній простоті та можливості отримання значних за величиною моментів.
Рухомим елементом (ротором), загальним для датчиків кута 6 і датчиків 7 моменту, є феритовое кільце 5, наприклад, з матеріалу М2000 НМ1-17 ПЯО.707.094 ТУ. Феритове кільце 5 розташоване в торцевій частині ротора 3 і не створює перешкод у сигнальних обмотках датчиків кута 6, створюваних роботою гіродвигуна.
Гіроскоп закритий кожухом 9, виконаний герметичним і заповнений гелієводневою сумішшю до тиску, наприклад, 750 мм рт.ст. з метою зниження аеродинамічного моменту опору та його впливу на дрейф гіроскопа (через проекції цього моменту на осі чутливості гіроскопа). Для знімання та подачі електричних сигналів служатьгермовводи 13.
У другому варіанті гіроскопа (фіг.5) усередині феритового кільця 5 нерухомо закріплено сталеве кільце 15, наприклад, матеріалу сталь 20895 ГОСТ 11036-75. За рахунок чого збільшується крутість характеристики датчика моменту і, отже, збільшується кутова швидкість, що вимірюється при роботі гіроскопа в умовах підвищеної температури.
Гіроскоп працює в такий спосіб. У нульовому положенні з симетрії вихідний сигнал з датчиків 6 кута відсутня. У режимі вимірювання за наявності кутової швидкості, наприклад, щодо осі Y корпус 1 гіроскопа почне розвертатися щодо цієї осі, а ротор 3 прагнутиме зберегти незмінним в інерційному просторі напрямок вектора кінетичного моменту. Зазори 1 і 2 між феритовим кільцем 5 і торцевими поверхнями сердечників датчиків 6 кута зміняться і на виході датчика 6 кута з'явиться сигнал, амплітуда якого пропорційна куту, що вимірювається, а фаза визначає знак кутового переміщення. Даний сигнал електрично обробляється і подається в котушки датчика 7 моменту осі Z, при цьому ротор 3 за правилом гіроскопії буде прецесувати (повертатися) щодо осі Y, прагнучи зменшити до нуля неузгодженість на датчику 6 кута. Мірою кутової швидкості є струм у котушках датчика 7 моменту. Залежність квадратична
де w - вимірювана кутова швидкість;
до - масштабний коефіцієнт датчика моменту;
I - струм у котушці датчика моменту.
При використанні гіроскопа як чутливий елемент гіростабілізатора сигнал з датчика 6 кута електрично обробляється і подається, наприклад, на двигун розвантаження гіростабілізатора. Датчик 7 моменту гіроскопа при цьому використовується або для компенсації дрейфу гіроплатформи, або для керуванняза необхідності розвороту гіроплатформи.
Таким чином, порівняно з прототипом використання пропонованого пристрою як чутливих елементів гіростабілізаторів або двоканальних вимірювачів кутової швидкості забезпечує поліпшення точності параметрів і розширення діапазону кутових швидкостей, що вимірюваються.
1. АС СРСР 431808 Триступеневий гіроскоп // МПК G01C 19/00, заявлено 26.11.1971 р.
2. Патент США 3517562, НКІ 74/5.6, МПК G01C 19/28, виданий 30.06.1970 (прототип).
3. Патент Україна 2410658, МПК G01M 1/34, 2009 р.
1. Гіроскоп, що містить корпус з розташованим усередині нього гіродвигуном, що включає статор з котушками і ротор на сферичній шарикопідшипниковій опорі, трансформаторно-індуктивні датчики кута та електромагнітні датчики моменту, який відрізняється тим, що в торцевій частині ротора, як рухомого елемента датчиків моменту жорстко закріплено феритове кільце прямокутного перерізу, а датчики кута і датчики моменту розміщені на корпусі гіроскопа навпроти феритового кільця.
2. Гіроскоп, що містить корпус з розташованим усередині нього гіродвигуном, що включає статор з котушками і ротор на сферичній шарикопідшипниковій опорі, трансформаторно-індуктивні датчики кута і електромагнітні датчики моменту, який відрізняється тим, що в торцевій частині ротора, як рухомого елемента датчиків моменту жорстко закріплено феритове кільце прямокутного перерізу, всередині якого нерухомо закріплено сталеве кільце прямокутного перерізу, а датчики кута і датчики моменту розміщені на корпусі гіроскопа навпроти феритового кільця.