专利名称：永磁式力矩器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于仪器仪表领域，适合用于陀螺仪、加速度计等惯性测量 元件和力矩测量仪等，特别是一种高稳定、高线性度、高对称性和低干扰永 磁式力矩器。
背景技术：
力矩器一般为分装式结构，含定子和转子两部分，其功能是定、转子之 间能产生力矩，使转子相对定子发生偏移。目前完成这一功能的力矩器的结 构形式包括扁环形交流感应力矩器、微动同步器式力矩器、涡流阻尼式力 矩器、永磁直流力矩电机和永磁式力矩器。不同结构的力矩器的工作原理及 其稳定性、线性度、对称性及干扰力矩是不相同的。陀螺仪、加速度计及高 精度力矩测量仪用力矩器的技术要求为1)高稳定性，< 5xl(T/t:; 2)高 线性度，〈0.5%; 3)高对称性，〈1%; 4)低干扰力矩。针对该技术指标及 陀螺仪、加速度计结构体积、环境等的限制，最适合用的力矩器为永磁式力 矩器，但对材料特性及结构编制均有特殊要求。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种高稳定、高线性度、高对称性和低干扰的 永磁式力矩器。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的
一种永磁式力矩器，包括定子、转子和导磁环及补偿电路，定子、转子 和导磁环同轴、对中安装，定子包括永久磁钢和定子磁环，转子包括载流线 圈和线圈骨架，其特征在于所述定子的永久磁钢表面极性"N、 S"交叉均 布在定子磁环上，并经工作气隙、导磁环形成闭环直流磁回路；转子的载流 线圈串联并反接在线圈骨架上，并处在工作气隙磁场中。
而且，所述补偿电路是在载流线圈电阻RT、电感"支路上并联一由电阻 fc、电容Cw串联的支路。
本实用新型的优点和积极效果是-
本永磁式力矩器整体结构简单，设计科学合理，是一种高稳定、高线性 度、高对称性和低干扰永磁式力矩器，特别适用于陀螺仪、加速度计及力矩 测试仪等中。
图1是本实用新型力矩器立体结构3图2是图1定子和导磁环的正面示意图； 图3是图1转子的立体结构示意图； 图4为本实用新型外部补偿电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图、通过具体实施例对本实用新型作进一步详述。以下实施 例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。
本实用新型所涉及的永磁式力矩器，安装时可分成两种形式 一种是载 流线圈为转子，永久磁钢及导磁环为定子； 一种是载流线圈为定子，永久磁 钢及导磁环为转子。永久磁钢和导磁环用来产生直流磁场；载流线圈处在直 流磁场中，通电后使转子相对定子产生力矩，发生偏移。本实用新型的实施 例采用第一种形式。
一种永磁式力矩器，参见图l，包括定子l、转子2和导磁环3，定子、 转子和导磁环同轴、对中安装。定子包括永久磁钢4和定子磁环5，永久磁 钢表面极性"N、 S"交叉均布在定子磁环上，(本实施例以定子的永久磁钢是 四极为例)，经工作气隙6、导磁环形成闭环直流磁回路(见附图2)。转子包 括载流线圈7和线圈骨架8 (见图3)，载流线圈串联反接在线圈骨架上，并 处在工作气隙磁场中。载流线圈通电流后产生力矩，使转子相对定子发生偏 转。转子要求材料不含铁磁性杂质以防止转子被磁化而影响力矩特性，以及 转子被定子吸附而产生干扰力矩。定、转子对中安装要求定子永久磁钢产生 的直流磁场中心对中转子载流线圈，从几何结构上就是永久磁钢中心和载流 线圈轴向边对中。
依据结构体积限制和永磁式力矩器标度因数的要求，定子的永久磁钢又 可分为2极、4极、6极、8极……等结构。极对数越多，标度因数越大，但 工作的线性区域范围相对减少；也就是永久磁钢的周向宽度相对减少，载流 线圈所处的磁场均匀范围相对变窄，会影响标度因数的线性度。永磁式力矩 器输出特性为-
M广丄(2丄。)'(2尸).^今/ (1)
力矩器标度因数为
^=丄(2丄。)(2尸).『,.^ (2)
式中丄。-载流线圈在工作气隙内的有效长度；
P-极对数(以2极为1对，P=2， 4极，P=3， 6极，……)； r-载流线圈曲率半径；
WT -1个载流线圈匝数；& -工作气隙中的磁感应强度；
/-载流线圈通电电流。 从公式(1)可以看出，极对数P、线圈匝数K、磁感应强度^和电流J 与力矩成正比。为提高标度因数和稳定性，通常设计原则是尽可能地增大 磁感应强度^和载流线圈曲率半径或提高极对数，尽量降低线圈匝数和电 阻。为在有限的体积范围内，结构设计合理、材料特性最佳、力矩发挥最大 效能、且稳定，永磁材料选择要具有高磁能积、高矫顽力和低剩磁温度系数。 导磁材料要具有高饱和磁感应强度和低矫顽力。目前可供选用的永磁材料有 铝镍钴、铂钴、钐钴和钕铁硼。铝镍钴、铂钴和钐钴剩磁温度系数1 5xl0一7
。C。钕铁硼9 llx10—4〃C。铝镍钴、铂钴磁能积〈10MGsOe，钐钴、钕铁硼磁 能积〉20MGsOe。铂钴、钕铁硼较铝镍钴、钐钴加工性能好，但钕铁硼易生锈。 铂钴价格昂贵。综合上述，钐钴性价比较好，也是目前广泛采用的材料。铝 镍钴、铂钴在磁性能要求不高的场合也得到了应用。铝镍钴、铂钴和钐钴先 后都做了试验件，性能均能达到陀螺仪、加速度计提出的指标要求。考虑到 产品的加工性能和可靠性要求，最终在陀螺仪产品中采用了铂钴永磁材料。 导磁材料可供选择的有纯铁DT4、铁镍软磁合金1J46、 1J50、 1J79、 1J85、 铁钴钒软磁合金1J22和非晶软磁合金等。纯铁DT4易生锈、非晶软磁合金加 工成形零件难，在力矩器中应用较少。铁镍软磁合金1J79、 1J85饱和磁感应 强度〈0.75T，矫顽力〈2.4A/m。 1J46、 1J50饱和磁感应强度〈1. 5T，矫顽力 〈16A/m。铁钴钒软磁合金lJ22饱和磁感应强度〈2.4T，矫顽力〈123A/m。性能 较佳的是铁镍软磁合金1J46、 1J50。在有些结构限制的条件下，要求大的标 度因数且导磁环体积不能足够大，使用铁钴钒软磁合金1J22，利用它的高饱 和磁感应强度。在研制的永磁式力矩器中，铁镍软磁合金1J46、 1J50,铁钴 钒软磁合金1J22都得到了应用，达到了预期指标。
转子的功能是载流线圈通电，并处在磁场中产生力矩。但载流线圈为薄 圆弧结构(见图3)，本身不能独立定位在磁场中，需借助线圈骨架将其定位 以满足载流线圈与永久磁钢对中的要求。线圈骨架要求为非铁磁性材料，又 因转子骨架为薄壁零件，要求尺寸稳定，因此材料选择有三氧化二铝陶瓷、 微晶玻璃、聚砜、聚苯硫醚等绝缘材料和导电材料铝、钛合金等。但转子骨 架材料的热涨系数尽量与配合零件材料的热涨系数匹配。再有若载流线圈通 的电流为脉冲电流(如采用二元脉冲调宽控制)，骨架材料不宜采用导电材料 铝、钛合金等，易形成涡流影响磁场变化。目前在力矩中使用最多的是三氧 化二铝陶瓷、微晶玻璃和铝。这三种材料都做了试验件，满足力矩器指标要 求。在使用中可根据不同的要求来采用。
图4为补偿电路原理图，R,、 U为载流线圈电阻和电感，且也存在分布电容C「。当载流线圈通脉冲电流时，脉冲电流的电平和极性会引起不希望的 瞬变过程。即脉冲电流在R" LT的线路中出现上升与下降的惰性。这个惰性 会影响力矩器输出的线性度。为减少这个惰性或瞬变过程，就要对力矩器线
圈进行补偿。这个补偿实质上是用一个合适的电阻Rw和电容G与力矩器载流 线圈的电阻RT、电感LT和分布电容CT匹配，形成一个纯电阻电路，这样可使 力矩器的瞬变过程最小。
从图4的补偿电路原理图看，载流线圈电阻RT、电感W支路在经过电 阻Rw、电容Cw支路精确补偿后，载流线圈电阻RT、电感LT支路得到的单 向平均电流，与脉冲电流在纯电阻上产生的单向平均电流虽然波形不同，但 静电流值完全等效。也就是说，作为补偿用的电阻Rw、电容Cw支路只改善 电流的前后沿波形，不会对脉冲产生的单向平均电流形成单向分流效应。
权利要求1.一种永磁式力矩器，包括定子、转子和导磁环及补偿电路，定子、转子和导磁环同轴、对中安装，定子包括永久磁钢和定子磁环，转子包括载流线圈和线圈骨架，其特征在于所述定子的永久磁钢表面极性“N、S”交叉均布在定子磁环上，并经工作气隙、导磁环形成闭环直流磁回路；转子的载流线圈串联并反接在线圈骨架上，并处在工作气隙磁场中。
2. 根据权利要求1所述的永磁式力矩器，其特征在于所述补偿电路是 在载流线圈电阻RT、电感U支路上并联一由电阻Rw、电容G串联的支路。
专利摘要本实用新型涉及一种永磁式力矩器，包括定子、转子和导磁环及补偿电路，定子、转子和导磁环同轴、对中安装，定子包括永久磁钢和定子磁环，转子包括载流线圈和线圈骨架，其中所述定子的永久磁钢表面极性“N、S”交叉均布在定子磁环上，并经工作气隙、导磁环形成闭环直流磁回路；转子的载流线圈串联并反接在线圈骨架上，并处在工作气隙磁场中。本实用新型整体结构简单，设计科学合理，是一种高稳定、高线性度、高对称性和低干扰永磁式力矩器，特别适用于陀螺仪、加速度计及力矩测试仪等中。
文档编号G01C19/00GK201331400SQ20082014496
公开日2009年10月21日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者刘晓东, 聂鲁燕, 伟 陈 申请人:中国船舶重工集团公司第七○七研究所