Трехосный гиромотор

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть применено в тех областях, где необходимо обеспечить не только вращение сферического электро- и магнитопроводящего ротора вокруг оси, расположенной в любом заданном положении в пространстве, но и измерение этого положения. В изобретении моменты тяжения уменьшены благодаря тому, что все дискретные кольцевые статоры соединены между собой внешней ферромагнитной оболочкой, в результате чего они превращены в кольцевые магнитопроводы единого трехосного статора. Конструкция внешней оболочки может быть упрощена, если кольцевые магнитопроводы с обмотками расположить на внутренней сферической оболочке, пропускающей магнитный поток, выполненной, например, из композитного материала. В результате обеспечена реализация новой функции: суммирование трех взаимно-ортогональных вращающихся магнитных полей на внешней ферромагнитной оболочке статора с образованием результирующего вектора кинетического момента, расположенного под заданными углами в пространстве. В установившемся режиме, когда вектор кинетического момента ротора совпадает с вектором результирующего момента вращения, моменты тяжения обращаются в нуль. Постоянство положения в пространстве вектора кинетического момента ротора при повороте статора обеспечено благодаря тому, что на объединенных обмотках одной фазы каждого кольцевого магнитопровода построен автогенератор магнитного потока. Гиромотор снабжен также функцией измерения пространственных углов. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть применено в других областях, например в области электрических машин, где необходимо обеспечить не только вращение сферического электро- и магнитопроводящего ротора вокруг оси, расположенной в любом заданном положении в пространстве, но и измерение этого положения.

Известны гиромоторы (ГМ) со сферическим ротором и трехосным статором, с помощью которых располагают ось вращения ротора, т.е. вектор кинетического момента (ВКМ) ротора, в любом заданном положении в пространстве (см., например, Электростатический гироскоп. Патент RU №2173446 от 18.02.1999, кл. G 01 C 19/24, а также Воскобойников Р.Л., Иванова Н.С., Колпаков А.И., Максимов М.Г. Управление движением главной оси инерции ротора свободного гироскопа. Гироскопия и навигация, №4 (27) 1999, с.10-32).

ГМ по патенту №2173446 содержит полый сферический электропроводящий ротор в электрическом подвесе. Шесть катушек ГМ расположены соосно и попарно по трем взаимно-ортогональным координатным осям, пересекающимся в центре подвеса ротора. Достоинством этого ГМ является то, что в нем обеспечивается вращение ротора вокруг оси, расположенной в любом заданном положении в пространстве. Недостатком этого ГМ является слабая связь между статором и ротором, в результате чего, приходится устанавливать в заданное положение в пространстве главную ось инерции невращающегося ротора с помощью специальных систем управления.

Наиболее близким к предлагаемому является ГМ по патенту RU №2231756, кл. G 01 C 19/02 от 15.12.2002 г., поэтому мы выбираем его в качестве прототипа.

ГМ-прототип (ГМ-П, фиг.1) содержит ферромагнитный сферический ротор, расположенный в подвесе, например, в газовом. Для повышения эффективности взаимосвязи со статором ротор должен быть не только ферромагнитным, т.е. магнитопроводящим, но и электропроводящим. Для этого на ферромагнитный ротор с большим электрическим сопротивлением наносят электропроводящий слой, например, из меди. Таким образом, в общем случае ротор должен быть электро- и магнитопроводящим, например стальным, что соответствует устройству-прототипу.

ГМ-П содержит (фиг.1, фиг.2) три кольцевых статора (КС): КСХ - 1, КСY - 2 и KCZ - 3, оси которых X, Y и Z расположены взаимно-ортогонально и пересекаются в центре подвеса ротора. Каждый КС выполнен из двухдуговых статоров 1.1, 1.2...3.1, 3.2 с обмотками, оси которых расположены под углом 90° и пересекаются в центре КС.

Диаметрально-противоположные противофазные обмотки каждого КС объединены попарно электрически в ортогональные обмотки первой и второй фазы, обеспечивающие вращение ротора вокруг оси КС, подобно асинхронному двигателю. Соединение силовых обмоток, необходимое для создания магнитного потока одного направления N-S, выполняется последовательным или параллельным и обусловлено связью между напряжением U1 (U2) и моментом.

В статоре 1 (фиг.1, фиг.2, а) дуговые статоры 1.1 и 1.2 соединены между собой через спинки статоров 3.1 и 3.2. Статор 1 содержит силовые обмотки 4, 5, 6 и 7, расположенные попарно по взаимно-ортогональным осям d и q. Соосные диаметрально-противоположные обмотки 4 и 6, а также 5 и 7 объединены (фиг.3, а) в силовую обмотку 16 первой и силовую обмотку 17 второй фазы, соответственно.

В статоре 2 (фиг.2, б) дуговые статоры 2.1 и 2.2 соединены между собой через спинки статоров 1.1 и 1.2. Статор 2 содержит силовые обмотки 8, 9, 10 и 11, расположенные попарно по взаимно-ортогональным осям d и q. Соосные диаметрально-противоположные силовые обмотки 8 и 10, а также 9 и 11 объединены (аналогично фиг.3, а) в силовую обмотку 18 первой и силовую обмотку 19 второй фазы, соответственно.

В статоре 3 (фиг.2, в) дуговые статоры 3.1 и 3.2 соединены между собой через спинки статоров 2.1 и 2.2. Статор 3 содержит силовые обмотки 12, 13, 14 и 15, расположенные попарно по взаимно-ортогональным осям d и q. Соосные диаметрально-противоположные обмотки 12 и 14, а также 13 и 15 объединены (аналогично фиг.3, а) в силовую обмотку 20 первой и силовую обмотку 21 второй фазы, соответственно.

Электрическая схема ГМ-П приведена на фиг.3, б.

Работа ГМ-П основана на том, что при подаче напряжений U1 и U2 одинаковой частоты на ортогональные обмотки первой и второй фазы КС в нем, как в асинхронном двигателе, создается вращающий момент

где k - коэффициент пропорциональности, ϕ - фазовый сдвиг между U1 и U2.

Наиболее предпочтительным для постоянства результирующего вращающего момента МВР при любом положении ВКМ ротора в пространстве является фазовое управление, поэтому создаваемые в каждом КС моменты М определяются из соотношений

где ϕX, ϕY, ϕZ - фазовые сдвиги между одинаковыми по величине напряжениями U1 и U2 на двухфазных обмотках статоров КСX, КСY и KCZ.

Вектор МХ статора 1 расположен по оси X, вектор МY статора 2 расположен по оси Y, вектор MZ статора 3 расположен по оси Z.

Для того чтобы результирующий момент МВР статора, а также ВКМ ротора, располагался под заданными углами α, β, γ в пространстве OXYZ (фиг.4), необходимо, чтобы вращающие моменты КС были связаны соотношениями

где α, β, γ - углы между вектором МВР и осями X, Y и Z, соответственно.

Из (2) и (3) следует, что должно быть

Таким образом, достоинством ГМ-П является то, что в нем обеспечена возможность установки ВКМ проводящего ротора в любое положение в пространстве, заданное углами α, β, γ. Недостатком ГМ-П является то, что при отклонении оси вращения ротора от оси КС к ротору прикладывается момент тяжения. В идеальном случае моменты тяжения от всех КС взаимно компенсируются, однако реально - они влияют на положение ВКМ ротора в пространстве.

Кроме того, недостатком ГМ-П является то, что при изменении его углового положения в пространстве возникают моменты тяжения, уводящие ВКМ ротора к новому положению вектора МВР.

Задачей предлагаемого изобретения является, во-первых, создание трехосного гиромотора (ТГМ) со сферическим электро- и магнитопроводящим ротором, в котором моменты тяжения имеют меньшие значения, чем в ГМ-П. Во-вторых, обеспечение постоянства заданного положения в пространстве ВКМ ротора при повороте статора.

Поставленная задача в предлагаемом ТГМ решена, во-первых, тем, что все дискретные КС ГМ-П превращены в кольцевые магнитопроводы (КМ) единого трехосного статора предлагаемого ТГМ, благодаря тому, что они соединены между собой внешней ферромагнитной оболочкой.

Во-вторых, благодаря тому, что в нем КМ с обмотками расположены на внутренней сферической оболочке, пропускающей магнитный поток, например композитной.

В-третьих, благодаря тому, что в нем на объединенных силовых обмотках одной фазы каждого магнитопровода построен автогенератор магнитного потока, содержащий преобразователи магнитного потока этой фазы в напряжение, например измерительные обмотки, расположенные вместе и соосно с каждой силовой обмоткой, соединенные между собой последовательно и подключенные к объединенным силовым обмоткам согласно через усилитель.

В-четвертых, благодаря тому, что в него введен многоканальный фазоизмеритель, содержащий фазовые детекторы по числу измерительных каналов в сочетаниях по два, входы которого подключены к одноименным (измерительным) выходам усилителей автогенераторов, а выходы через вычислитель подключены к информационному выходу ТГМ.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1 - фиг.12.

На фиг.1 изображен ГМ-П. На фиг.2 изображены КС ГМ-П. На фиг.3 приведены: а) схема соединения силовых обмоток, б) электрическая схема ГМ-П. На фиг.4 - векторная диаграмма моментов. На фиг.5 изображены: а) предлагаемый ТГМ, б) со вставками и в) ТГМ с дуговыми секторами с развитыми спинками. На фиг.6 изображен ТГМ с обмотками внутри внешней оболочки. На фиг.7 показана схема управления ТГМ с фазорегуляторами. На фиг.8 изображены: а) ТГМ с обмотками на внутренней сферической оболочке и б) ТГМ с внутренней оболочкой в разрезе. На фиг.9 приведены: а) схема соединения силовых и измерительных обмоток), б) схема АГМП, в) схема усилителя АГМП. На фиг.10 приведена схема ТГМ с АГМП в магнитопроводах: а) КМХ, б) КМY и в) KMZ. На фиг.11 - диаграмма моментов при повороте статора. На фиг.12 приведена схема измерения углов в предлагаемом ТГМ.

На фиг.1 - фиг.12 приняты следующие обозначения.

1, 2, 3 - кольцевые статоры КСХ, КСY, KCZ, соответственно;

1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 - дуговые статоры КС 1, 2 и 3;

1.1p, 1.2p, 2.1р, 2.2р, 3.1р, 3.2р - дуговые статоры с развитыми спинками;

4, 5, 6, 7 - силовые обмотки статора 1;

8, 9, 10, 11 - силовые обмотки статора 2;

12, 13, 14,15 - силовые обмотки статора 3;

16, 17 - силовые обмотки первой и второй фазы статора 1;

18, 19 - силовые обмотки первой и второй фазы статора 2;

20, 21 - силовые обмотки первой и второй фазы статора 3;

22 - сферические вставки;

23, 24 - полусферы внешней оболочки с обмотками;

25 - внутренняя сферическая оболочка;

26 - полусферы внешней оболочки без обмоток;

27, 28, 29, 30 - измерительные обмотки КМХ;

31, 32, 33, 34 - измерительные обмотки КМY;

35, 36, 37, 38 - измерительные обмотки KMZ;

39, 40 - измерительные обмотки первой и второй фазы КМХ;

41, 42 - измерительные обмотки первой и второй фазы КМY;

43, 44 - измерительные обмотки первой и второй фазы KMZ;

45 - усилитель АГМП;

46, 47 - АГМП первой и второй фазы КМХ;

48, 49 - АГМП первой и второй фазы КМY;

50, 51 - АГМП первой и второй фазы KMZ;

52...57 - измерительные выходы;

58 - Многоканальный фазоизмеритель, МКФИ; 1...6 - входы;

59 - Вычислитель;

60 - информационный выход;

Р - ротор;

OXYZ - система координат;

Г - генератор напряжения возбуждения;

УМ1, УМ2 - усилители мощности первой и второй фазы;

ФР - фазорегулятор;

Вх. - вход усилителя 45;

Вых.И - измерительный выход усилителя 45;

Вых.С - силовой выход усилителя 45;

U1, U2 - напряжения первой и второй фазы;

UВХ, UВЫХ - напряжение на входе и выходе ФР;

МВР - результирующий вращающий момент гиромотора;

МХ, MY, MZ - составляющие вектора МВР по осям X, Y, Z;

d, q - продольная и поперечная оси;

fВ - частота напряжения возбуждения;

ϕ - фазовый сдвиг;

Н - вектор кинетического момента, ВКМ;

α, β, γ - углы между осями координат и вектором МВР.

Конструкция ГМ-П описана выше и в патенте №2231756. В отличие от ГМ-П и в соответствии с п.1 Формулы изобретения в предлагаемом ТГМ все КМ соединены между собой внешней ферромагнитной оболочкой. В результате, в предлагаемом ТГМ дискретные КС ГМ-П становятся кольцевыми магнитопроводами, а дуговые статоры - дуговыми секторами, общего для них единого трехосного статора, который выполнен сплошным и сферическим. Выполнить предлагаемый ТГМ можно различными конструктивными средствами.

На фиг.5а изображен один из вариантов конструкции предлагаемого ТГМ, в котором внешняя ферромагнитная оболочка состоит из ферромагнитных сферических вставок 22 (фиг.5б), введенных между спинками КС ГМ-П. На фиг.5в изображен ТГМ, у которого внешняя ферромагнитная оболочка образована измененной (развитой) конфигурацией спинок дуговых секторов (например, 3.1р) (фиг.5г). Магнитопровод предлагаемого ТГМ выполнен из изотропного ферромагнитного материала, например из феррита, поэтому такая конфигурация спинки осуществима.

Преимуществом ТГМ (фиг.5а) по сравнению с ТГМ на фиг.5в является простота изготовления дуговых секторов и вставок. Преимуществом ТГМ на фиг.5в по сравнению с ТГМ на фиг.5а является меньшее количество соединяемых деталей, меньшее число и площадь стыков. Магнитное сопротивление стыков значительно меньше сопротивления воздушного зазора между статором и ротором, поэтому стыки не оказывают существенного влияния на работу ТГМ, однако усложняют сборку.

Еще меньшим количеством стыков и соединяемых деталей отличается конструкция ТГМ, изображенная на фиг.6. В этом ТГМ КМ с обмотками расположены в трех взаимно-ортогональных плоскостях на внутренней поверхности полусфер 23 и 24, образующих внешнюю ферромагнитную оболочку. В таком ТГМ уменьшено количество стыков не только между, но и внутри КМ, а внешняя оболочка (так же, как и на фиг.5) является ярмом общего статора для всех КМ. В ТГМ на фиг.6 части КМ объединены в новые более крупные группы, однако после соединения полусфер 23 и 24 трехосного статора обмотки остаются на тех же местах в пространстве OXYZ, что и в ГМ-П, т.е. сохраняется преемственность предлагаемого ТГМ с ГМ-П.

Электрическая схема предлагаемого ТГМ, соответствующего п.1 Формулы изобретения, изображена на фиг.3б.

Работа предлагаемого ТГМ по п.1 Формулы изобретения происходит после подключения к ТГМ (фиг.3б) схемы управления (фиг.7). Здесь генератор Г напряжения частоты fв возбуждения подключен к силовым обмоткам 16, 18 и 20 первой фазы всех КМ через усилители мощности УМ1X, УМ1Y и УМ1Z, а к обмоткам 17, 19 и 21 второй фазы всех KM - через фазорегуляторы ФРХ, ФРY и ФРZ и усилители УМ, УМ2Y и УМ2Z. В фазорегуляторы введены углы α, β и γ положения в пространстве OXYZ BKM ротора, в результате чего напряжения UВЫХ Х, UВЫХ Y и UВЫХ Z фазорегуляторов сдвинуты по фазе относительно напряжения UВХ на углы, соответствующие (4).

При подаче электрических напряжений одинаковой частоты с заданным фазовым сдвигом на двухфазные силовые обмотки в каждом КМ создается вращающееся магнитное поле (ВМП). В отличие от ГМ-П в предлагаемом ТГМ статор выполнен сплошным сферическим, а не дискретным, поэтому в нем на общем сферическом магнитопроводе обеспечена возможность суммирования ВМП отдельных КМ. В результате, в предлагаемом ТГМ создается одно результирующее ВМП, вектор МВР которого расположен под заданными углами α, β и γ в пространстве OXYZ. В этом результирующем ВМП создается один вращающий момент МВР, под действием которого ротор начинает вращаться и его ВКМ устанавливается по оси ВМП, т.е. совпадает с вектором МВР.

Преимуществом предлагаемого ТГМ по сравнению с ГМ-П является то, что момент тяжения из отрицательного фактора становится положительным. Действительно, при отклонении ВКМ ротора от вектора МВР под действием момента тяжения движение ВКМ ротора к МВР будет происходить до тех пор, пока момент тяжения не обратится в нуль, а ВКМ ротора не совпадет с МВР.

Таким образом, в предлагаемом ТГМ обеспечивается достижение первой поставленной задачи: уменьшение моментов тяжения, приложенных к ротору, ось которого расположена в произвольном положении в пространстве.

Конструкция предлагаемого ТГМ, соответствующего п.2 Формулы изобретения, изображена на фиг.8а. Здесь обмотки КМ расположены в трех взаимно-ортогональных плоскостях на внутренней сферической оболочке 25, пропускающей магнитный поток. Оболочка 25 (фиг.8б) может быть выполнена из различных материалов, пропускающих магнитный поток, например из композитных материалов, а также из керамики, компаунда и т.п. В такой конструкции все КМ по наружной поверхности соединены между собой внешней ферромагнитной оболочкой, состоящей из двух полусфер 26 (фиг.8).

Достоинством предлагаемого ТГМ (фиг.8) является то, что в нем обмотки укладываются на сферическую поверхность сверху, например, между зубцами КМ, закрепленными во внутренней оболочке 25. Более простое исполнение, чем на фиг.6, имеет внешняя ферромагнитная оболочка в виде полусфер 26 без обмоток. Кроме того, при наличии внутренней оболочки в таком ТГМ улучшаются условия работы подвеса ротора.

Работа предлагаемого ТГМ, соответствующего п.2 Формулы изобретения, аналогична описанной выше для ТГМ (фиг.7).

От генератора Г через усилители УМ1X, УМ1Y и УМ1Z напряжение UBX частоты fВ поступает на силовые обмотки 16, 18 и 20 первой фазы, а через фазорегуляторы ФРХ, ФРY и ФРZ и усилители УМ, УМ2Y и УМ2Z на силовые обмотки 17, 19 и 21 второй фазы всех КМ. В фазорегулятарах создаются фазовые сдвиги электрических напряжений UВЫХ Х, UВЫХ Y и UВЫХ Z относительно напряжения UBX в соответствии с (4). В результате, во всех КМ создаются ВМП, которые суммируются в одно ВМП на сплошном ярме магнитопровода статора, состоящем из полусфер 26. Магнитные потоки пронизывают внутреннюю оболочку 25 и приводят во вращение ротор Р. При отклонении ВКМ ротора от вектора МВР возникает момент тяжения, под действием которого ВКМ ротора будет изменять свое положение в пространстве до тех пор, пока не совпадет с вектором МВР. В этом положении момент тяжения обращается в нуль.

Таким образом, в новой конструкции предлагаемого ТГМ по п.п.1 и 2 Формулы изобретения поставленная задача (уменьшение моментов тяжения) достигнута реализацией новой, по сравнению с ГМ-П, функции: суммированием трех взаимно-ортогональных вращающихся магнитных полей на внешней ферромагнитной оболочке статора (а не моментов на роторе) с образованием результирующего ВМП, вектор МВР которого расположен под заданными углами α, β и γ в пространстве OXYZ. В установившемся состоянии, когда ВКМ ротора совпадает с вектором МВР, моменты тяжения в предлагаемом ТГМ обращаются в нуль.

Для решения второй поставленной задачи (обеспечения постоянства заданного положения в пространстве ВКМ ротора при повороте статора предлагаемого ТГМ) необходимо на объединенных силовых обмотках одной фазы каждого КМ построить автогенератор магнитного потока (АГМП). АГМП представляет собой замкнутую систему с положительной обратной связью, например автогенератор электрического напряжения, в котором имеется преобразование электрического напряжения в магнитный поток и магнитного потока в напряжение, причем магнитный поток является основной выходной величиной (см. например. Электромеханический фазовращатель. А.С. №1325662 кл. Н 03 h 11/20 от 26.10.83 г. и Устройство для преобразования угла поворота в электрический сигнал. А.С. №1292125, кл. Н 02 k 24/00 от 11.11.84 г.).

Для этого в предлагаемом ТГМ соосно и вместе с каждой силовой обмоткой одной фазы расположен преобразователь магнитного потока в напряжение (МП-Н) - измерительная обмотка. На фиг.9а показано, что соосные диаметрально-противоположные силовые обмотки 4 и 6, соединенные последовательно-встречно, образуют силовую обмотку 16 первой фазы. Расположенная соосно и вместе с обмоткой 4 (в тех же пазах) измерительная обмотка 27 соединена последовательно с измерительной обмоткой 28, расположенной вместе (в тех же пазах) с обмоткой 6. Обмотки 27 и 28 соединены в измерительную обмотку 39 первой фазы для обеспечения преобразования магнитного потока по оси d в напряжение.

Аналогично расположены силовые и измерительные обмотки по осям d и q всех КМ. Теперь для построения АГМП необходимо подсоединить (фиг.9б) измерительную обмотку 39 к силовой обмотке 16 согласно, т.е. с положительной обратной связью, через усилитель 45. Структура усилителя 45 предлагаемого ТГМ, приведенная на фиг.9в, обусловлена необходимостью возбуждения в каждом АГМП синусоидальных колебаний. Для этого усилитель содержит Блок фильтров (БФ) и Блок мощности (БМ). Вход усилителя подключен к входу блока БФ, выход которого подключен к измерительному выходу Вых.И усилителя непосредственно, а к силовому выходу Вых.С - через блок БМ. В блоке БФ сигнал преобразователя МП-Н (измерительной обмотки) выделяется из помех, а в блоке БМ обеспечивается мощность, необходимая для создания в каждом КМ магнитных потоков и, соответственно, момента МВР требуемого уровня. Для возбуждения автоколебаний необходимо, чтобы при равном числе витков обмоток 16 и 39 коэффициент усиления усилителя 45 по напряжению UВЫХ/UBXУ≥1.

В связи с тем, что АГМП построены на силовых обмотках одной фазы всех КМ, электрическая схема предлагаемого ТГМ, соответствующего п.3 Формулы изобретения, приобретает вид, показанный на фиг.10. Здесь измерительные обмотки 39 и 40 (фиг.10а) подключены к силовым обмоткам 16 и 17 через усилители 45 согласно, т.е. с положительной обратной связью, в результате чего по осям dX и qX магнитопровода КМХ построены АГМП 46 первой и АГМП 47 второй фазы. На фиг.10б показано, что подключением измерительных обмоток 41 и 42 к силовым обмоткам 18 и 19 согласно через усилители 45 в магнитопроводе КМY построены по осям dY и qY АГМП 48 первой и АГМП 49 второй фазы. На фиг.10в показано, что подключением измерительных обмоток 43 и 44 к силовым обмоткам 20 и 21 согласно через усилители 45 в магнитопроводе KMZ построены по осям dZ и qZ АГМП 50 первой и АГМП 51 второй фазы.

Работа предлагаемого ТГМ, соответствующего п.3 Формулы изобретения, основана на том, что в каждом КМ (при независимом от АГМП других КМ включении) так же, как и в других устройствах с автовозбужденным ВМП, происходит синхронизация АГМП первой и второй фазы с образованием кругового ВМП (см. например, Воскобойников Р.Л., Фабрикант Е.А. Взаимодействие автономных автовозбужденных электромагнитных полей в замкнутых ферромагнитных средах. / Системы управления, следящие приводы и их элементы. - М.: ЦНИИТЭИ, 1989, а также Воскобойников Р.Л. Механизм синхронизации независимых автовозбужденных электромагнитных потоков, ортогонально расположенных в электрической машине. Гироскопия и навигация. - 2004. - №1. - с.40-44).

Под действием автовозбужденного ВМП любого из КМ ротор предлагаемого ТГМ разгоняется до частоты вращения, близкой к номинальной, частота АГМП оказывается близкой к частоте fВ, a фазовый сдвиг между АГМП первой и второй фазы сохраняется при разгоне равным 90°. По окончании переходного процесса ВКМ ротора устанавливается по оси КМ. Близость частот АГМП при автономном включении обусловлена тем, что все усилители, обмотки и напряжения в КМ предлагаемого ТГМ одинаковы, т.е. все характеристики и, соответственно, собственные частоты очень близки.

Установим теперь ВКМ ротора в исходное положение в пространстве. Сделать это можно различными способами, например, с помощью схемы (фиг.7) так, как описана работа ТГМ выше, а затем переключить обмотки в схему фиг.10. Сущность процессов в предлагаемом ТГМ по п.3 Формулы изобретения не зависит от способа установки ВКМ ротора в первоначальное (исходное) положение, однако проще это сделать следующим образом.

Установим ВКМ ротора в системе OXYZ (фиг.11) по оси Z. Для этого необходимо подать напряжение питания на усилители 45 АГМП 50 и 51 схемы фиг.10в. При необходимости ВКМ ротора удобно устанавливать аналогично по оси Х или Y подачей питания на схему фиг.10а или фиг.10б, соответственно.

Под действием АГМП 50 и 51 (фиг.10), возбуждающих (нагнетающих) ортогональные магнитные потоки, в магнитопроводе KMZ возникает автовозбужденное ВМП, частота которого увеличивается вместе с увеличением частоты вращения ротора при разгоне из неподвижного состояния при постоянном фазовом сдвиге, равном 90°. При номинальной частоте вращения ротора частота синхронизированных АГМП 50 и 51 близка к fВ. По окончании переходного процесса ВКМ ротора Н (фиг.11) устанавливается по оси Z и совпадает с вектором MZВР. В этом установившемся состоянии ТГМ момент тяжения равен нулю.

Подадим питание на усилители 45 в схемах фиг.10а и фиг.10б, т.е. теперь предлагаемый ТГМ по п.3 Формулы изобретения полностью включен. В КМХ начинают функционировать АГМП 46 и 47, а в КМY - АГМП 48 и 49, возбуждающие свои магнитные потоки. В результате, в связи с тем, что в предлагаемом ТГМ магнитопроводы КМХ, КМY и KMZ связаны между собой внешней ферромагнитной оболочкой произойдет синхронизация всех АГМП: у них установится одинаковая частота автоколебаний, близкая к fВ, а между АГМП установятся взаимообусловленные фазовые сдвиги (см. например, Блехман И.И. Синхронизация динамических систем. М.: Наука. 1971, 896 с. Введение §3, п.3 в том числе: с.33 п.п. б), в) и г), а также с.44 абз.2 сверху).

Так как ВКМ ротора расположен по оси Z, то АГМП 50, 51 в KMz синхронизируются с частотой fВ, соответствующей частоте вращения ротора, и с фазовым сдвигом ϕZ=90°. В магнитопроводах КМХ и КМY ВКМ ротора расположен ортогонально осям КМ, поэтому АГМП 46, 47, 48 и 49 синхронизируются на той же частоте, что и АГМП в KMZ, но с фазовыми сдвигами ϕХ=0 (в КМХ) и ϕY=0 (в КМY), т.е. они не создают ВМП. В результате, момент МВРZ, он совпадает с ВКМ ротора, все АГМП синхронизированы и весь предлагаемый ТГМ находится в устойчивом состоянии. При любых других фазовых сдвигах в предлагаемом ТГМ (фиг.10) между ВКМ ротора и вектором МВР возникнет рассогласование и момент тяжения, т.е. возмущающее воздействие (см. монографию И.И.Блехмана), под действием которого фазовые сдвиги изменятся и примут необходимые, указанные выше значения, при которых возмущающее воздействие обращается в нуль.

Повернем теперь статор предлагаемого ТГМ на угол λ против часовой стрелки вокруг оси Y (фиг.11) в положение OX1YZ1 и предположим, что вектор повернулся вместе со статором на этот же угол в положение В этом случае между моментом и ВКМ ротора возникнет момент тяжения и изменятся моменты нагрузки по осям: по оси Z1 момент уменьшится, по оси X1 момент увеличится и станет равным -МХ, по оси Y нагрузка не изменится. В результате, в каждом КМ, как и в известных асинхронных двигателях, при уменьшении момента нагрузки частота вращения ротора увеличится, а при увеличении нагрузки - уменьшится. В предлагаемом ТГМ с автовозбужденными ВМП (в дополнение к сказанному у И.И.Блехмана) одновременно с изменением частоты вращения ротора изменяются частоты АГМП: в KMZ частота начнет увеличиваться, а в КМХ - уменьшаться. Однако практически никаких изменений частот в предлагаемом ТГМ (фиг.10) не произойдет. Изменение частоты Δf связано с фазовым сдвигом ϕ соотношением

Отсюда следует, что при любом, сколь угодно малом изменении частоты прежде всего начнет изменяться фазовый сдвиг ϕ между АГМП, а вместе с ним - составляющие момента МВР по осям. Благодаря связи по общему ярму (внешней сферической оболочке) изменения затронут все АГМП, даже в КМY. Изменения прекратятся, когда при Δf=0 фазовые сдвиги примут новые установившиеся значения ϕ=ϕ0, при которых возмущающее воздействие (момент тяжения) обращается в нуль. Так как фазовые сдвиги между АГМП изменяются во много раз быстрее, чем поворачивается ВКМ ротора, то при повороте статора ВКМ ротора сохранит свое прежнее положение в пространстве и величину, а момент МВР повернется и вновь совпадет с ВКМ ротора по направлению в пространстве.

В связи с тем, что вместе со статором вся система координат повернулась в положение OX1YZ1 на угол λ, положение ВКМ ротора в пространстве и положение вектора МВР характеризуются теперь новыми фазовыми сдвигами: ϕX=-λ, ϕY=0, ϕZ=90°+λ.

Здесь учтены сразу три случая: уменьшение момента нагрузки (по оси Z), увеличение момента нагрузки с изменением знака (по оси X) и сохранение состояния (по оси Y). Аналогично происходит работа предлагаемого ТГМ, соответствующего п.3 Формулы изобретения, при других углах поворота статора.

Таким образом, решена вторая поставленная задача: при изменении углового положения статора предлагаемого ТГМ ВКМ ротора сохраняет свое положение в пространстве, в связи с тем, что благодаря АГМП, построенным на силовых обмотках одной фазы каждого КМ, при повороте статора изменяются фазовые сдвиги между магнитными потоками и, соответственно, составляющие момента МВР по осям так, что результирующий вектор МВР не отклоняется от ВКМ ротора.

Из вышесказанного также следует, что в предлагаемом ТГМ обеспечивается еще одно важное свойство: фазовые сдвиги между процессами в АГМП, расположенными в трех взаимно-ортогональных магнитопроводах КМХ, КМY и KMZ, характеризуют взаимное положение ВКМ ротора и координатной системы OXYZ статора. По измеренным фазовым сдвигам удобно определять не только положение ротора в пространстве, но и изменение положения статора по сравнению с первоначальным (исходным).

Для этого необходимо с помощью многоканального фазоизмерителя (МКФИ) 58 (фиг.12) измерить фазовые сдвиги между одноименными электрическими напряжениями АГМП, по которым определить (вычислить) угловое положение ВКМ ротора в заданной системе координат. В предлагаемом ТГМ входы 1...6 МКФИ 58 (фиг.12) подключены к одноименным, например, измерительным выходам 52...57 усилителей 45 (фиг.10).

Измерение фазовых сдвигов между электрическими напряжениями осуществляется с помощью фазовых детекторов (ФД), поэтому МКФИ 58 содержит необходимое количество ФД, обеспечивающих измерение фазовых сдвигов между двумя каналами из шести в различных сочетаниях. Количество ФД может быть уменьшено, если использовать для одного ФД мультиплексный, т.е. переключающий режим.

Выходы МКФИ 58 (фиг.12) подключены к Вычислителю 59, в котором определяются угловые координаты ВКМ ротора в заданной системе координат. Если заданная система координат совпадает с осями X, Y и Z предлагаемого ТГМ, то углы α, β и γ вычисляются из соотношений (4). Если учесть, что фазовые сдвиги ϕХ, ϕY, ϕZ характеризуют (2, 4) угол подъема вектора МВР над плоскостью магнитопроводов КМХ, КМY И KMZ, соответственно, то по измеренным значениям фазовых сдвигов удобно вычислять координаты ВКМ ротора в другой заданной системе координат, например в сферической.

Выходы Вычислителя 59 подключены (фиг.12) к информационному выходу 60 предлагаемого ТГМ. В дальнейшем значения углов могут отображаться на табло (мониторе) и (или) передаваться (транслироваться) в другие устройства.

Работа предлагаемого ТГМ (фиг.12), соответствующего п.4 Формулы изобретения, осуществляется следующим образом. Электрические напряжения с измерительных выходов 52...57 усилителей 45 поступают на входы 1-6 фазоизмерителя МКФИ 58, в котором с помощью ФД осуществляется измерение фазовых сдвигов между этими напряжениями. Полученные значения фазовых сдвигов, преобразованные, например, в цифровую форму, поступают в Вычислитель 59, в котором осуществляется математическая обработка результатов измерений и вычисление координат ВКМ ротора в заданной системе координат. В нашем случае - это вычисление по (4) углов α, β и γ. Результаты вычислений поступают на информационный выход 60 предлагаемого ТГМ.

Таким образом, в предлагаемом ТГМ поставленная задача решена полностью.

Во-первых, обеспечено (по сравнению с ГМ-П) уменьшение моментов тяжения при любом положении ВКМ ротора в пространстве, благодаря тому, что все КМ соединены между собой внешней ферромагнитной оболочкой, в которой функционирует одно ВМП, образованное тремя взаимно-ортогональными КМ.

Во-вторых, в предлагаемом ТГМ (в отличие от ГМ-П) обеспечено, что ВКМ ротора сохраняет первоначально установленное положение в пространстве при любых углах поворота статора. Это существенное преимущество предлагаемого ТГМ перед ГМ-П достигнуто благодаря тому, что на силовых обмотках одной фазы каждого КМ построен автономный АГМП, содержащий преобразователи магнитного потока этой фазы в напряжение - измерительные обмотки, подключенные к силовым обмоткам этой фазы согласно через усилитель. В связи с тем, что АГМП возбуждают исходно-независимые магнитные потоки, взаимодействующие по внешней ферромагнитной оболочке, их синхронизация по частоте при строго определенных фазовых сдвигах обусловлена только положением вектора МВР и ВКМ ротора в пространстве. При отклонении результирующего момента МВР от ВКМ ротора возникает момент тяжения, под действием которого фазовые сдвиги между АГМП автоматически изменяются так, чтобы устранить это рассогласование и привести всю систему АГМП в новое состояние с новым сочетанием фазовых сдвигов, при котором вектор МВР будет совпадать с ВКМ ротора. В результате ВКМ ротора при любых углах поворота статора ТГМ сохраняет без кардановых колец первоначально установленное положение в пространстве.

Кроме того, в предлагаемом ТГМ реализовано еще одно важное преимущество перед известными ГМ: обеспечена возможность измерения положения в пространстве ВКМ ротора, а также положения статора в пространстве по сравнению с первоначально установленным. Такое преимущество обеспечено введением в предлагаемый ТГМ многоканального фазоизмерителя, с помощью фазовых детекторов которого осуществляется измерение фазовых сдвигов между одноименными напряжениями всех АГМП (например, между напряжениями на измерительных выходах усилителей). После обработки результатов измерений в Вычислителе угловые координаты поступают (например, в цифровом виде) на информационный выход предлагаемого ТГМ. Это удобно для последующей визуализации и (или) трансляции угловых координат ВКМ ротора в другие устройства.

1. Трехосный гиромотор, содержащий сферический электро- и магнитопроводящий ротор, например стальной, расположенный в подвесе, например в газовом, и три кольцевых магнитопровода статора, оси которых расположены взаимно-ортогонально и пересекаются в центре подвеса ротора, каждый из которых соединен с магнитопроводом, лежащим в ортогональной плоскости, и содержит расположенные по кольцу силовые обмотки, например четыре, оси которых проходят через центр кольца и каждые две соосные диаметрально-противоположные из которых объединены в обмотку одной фазы, отличающийся тем, что кольцевые магнитопроводы соединены между собой внешней ферромагнитной оболочкой.

2. Трехосный гиромотор по п.1, отличающийся тем, что магнитопроводы с обмотками расположены на внутренней сферической оболочке, пропускающей магнитный поток, например композитной.

3. Трехосный гиромотор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на объединенных силовых обмотках одной фазы каждого магнитопровода построен автогенератор магнитного потока, содержащий преобразователи магнитного потока этой фазы в напряжение, например измерительные обмотки, расположенные вместе и соосно с каждой силовой обмоткой, соединенные между собой последовательно и подключенные к объединенным силовым обмоткам согласно через усилитель.

4. Трехосный гиромотор по п.3, отличающийся тем, что в него введен многоканальный фазоизмеритель, содержащий фазовые детекторы по числу измерительных каналов в сочетаниях по два, входы которого подключены к одноименным (измерительным) выходам усилителей автогенераторов, а выходы подключены через вычислитель к информационному выходу гиромотора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных навигационных систем на электростатических гироскопах.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором и датчиком угла, расположенным на полюсе ротора.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для использования в электромеханических устройствах на переменном токе для демпфирования поступательных и угловых колебаний тел, статическое или динамическое состояния которых заданы магнитным или электрическим полями соответственно электромагнитов или электродов, питаемых переменным током.

Изобретение относится к области точного приборостроения. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения измерительного центра инерционной массы чувствительного элемента приборов, в которых используется магнитный или электростатический подвес тела.

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть применено в навигации и ориентации различных объектов, а также в других областях, где необходимо обеспечить управление подвижной массой при энергетических и временных ограничениях.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в составе навигационных комплексов
Изобретение относится к гироскопической технике, а именно, к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ), которые используются для высокоточного измерения навигационных параметров движущихся объектов
Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ), которые используются для высокоточного измерения навигационных параметров движущихся объектов

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором и оптической системой съема информации об угловом положении оси ротора относительно корпуса. Достигаемым техническим результатом является повышение точности определения информации об угловом положении ротора относительно корпуса электростатического гироскопа в различных режимах работы. Технический результат достигается изменением формы роторного рисунка и введением специального вида дополнительной модуляции световых потоков, а также благодаря выделению отдельных гармонических составляющих модулированных сигналов и однотипному методу определения углового положения ротора по фазовым соотношениям соответствующих гармонических составляющих как для точного, так и для грубого отсчетов. Для этого в известном электростатическом гироскопе, содержащем ротор с нанесенным на него рисунком из четного количества одинаково наклоненных к экватору светопоглощающих полос, форма полос выполнена так, что в любом широтном сечении ротора они равноотстоят друг от друга по своим центрам и составляют последовательность двух чередующихся групп с одинаковым четным количеством полос в группе. При этом ширина полос в каждой группе отличается от ширины полос соседней рядом расположенной группы и равна ширине промежутков между полосами соседней группы, а в пределах одной группы ширина полос одинакова. Кроме того, в способе определения углового положения ротора электростатического гироскопа за счет раскрутки ротора с рисунком указанной формы дополнительная модуляция шести световых потоков, оси которых образуют прямоугольную систему координат, осуществляется так, что каждый модулированный световой поток представляет последовательность чередующихся групп световых импульсов с большой и малой длительностями, а между центрами пауз всех импульсов на оси времени лежат равные интервалы. Причем в группе импульсов с большой длительностью все импульсы, кроме крайних, равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов малой длительности, а в группе импульсов с малой длительностью все импульсы кроме крайних равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов большой длительности. Кроме того, в способе определения углового положения ротора для каждого модулированного сигнала введено выделение низкочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество групп широких импульсов за один оборот ротора, и высокочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество всех импульсов за один оборот ротора, а определение углового положения ротора производится многоотсчетным методом по разностям фаз соответствующих гармонических составляющих. Причем по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно смежным световым потокам, определяют знак проекции вектора кинетического момента ротора на перпендикулярную этим потокам координатную ось, по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют грубое значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков, а по разности фаз двух высокочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют точное значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в неконтактных гироскопах, акселерометрах и магнитных подшипниках. Предложенный неконтактный подвес ротора содержит пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих ротор элементов в виде электромагнитов или электродов, подключенных к выходам фазоинвертора, вход которого соединен с источником переменного напряжения, и один общий настроечный элемент в виде конденсатора или катушки индуктивности, примененный для каждой пары поддерживающих элементов и включенный между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора. Использование одного общего настроечного элемента позволяет упростить схему предложенного подвеса, обеспечить линейность тяговой характеристики и стабильность нулевого положения ротора, благодаря исключению относительного изменения величин двух настроечных элементов традиционного резонансного подвеса. 4 ил.

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. Технический результат - определение трех углов ориентации и трех координат местоположения подвижного объекта. 7 ил.

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. Кольцо ротора может быть выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А - толщина пакета из трех статоров, С - толщина основного статора. Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении точности и перегрузочной способности микромеханического электростатического гироскопа с непрерывно вращающимся ротором. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

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. Электромагнитный гироскоп содержит ферромагнитный ротор в виде кольца со сферической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями, верхний, центральный и нижний статоры электромагнитного подвеса ротора, при этом статор вращения ротора выполнен обращенным и помещен внутри кольца ротора, при этом кольцо ротора выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А - толщина пакета из трех статоров, С - толщина центрального статора. Технический результат - упрощение конструкции электромагнитного гироскопа, повышение перегрузочной способности и предотвращение аварийного обката ротора при внешних возмущениях, превышающих заданные значения. 5 ил.

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть применено в тех областях, где необходимо обеспечить не только вращение сферического электро- и магнитопроводящего ротора вокруг оси, расположенной в любом заданном положении в пространстве, но и измерение этого положения

Наверх