一种定子旋转式磁悬浮敏感陀螺仪的制作方法

本发明涉及陀螺仪技术领域，特别是指一种定子旋转式磁悬浮敏感陀螺仪。

背景技术：

陀螺仪作为主要的惯性导航角速率检测设备，在军用、民用领域都发挥着重要作用，现有的高精度、高带宽角速率敏感器件如：光纤陀螺、激光陀螺、磁悬浮敏感陀螺，长时间使用时由于陀螺零偏、随机漂移和温度相关误差在内的陀螺漂移导致的角速率检测误差不可避免。陀螺漂移对高精度陀螺仪检测精度的影响是致命的。

旋转调制技术，通过旋转惯性器件敏感轴，使其绕某一固定坐标系(一般为载体坐标系)旋转，从而使得与旋转轴正交方向的陀螺漂移误差被调制成均值为零的周期信号，使其不在成为影响系统测量精度的主要因素。

传统旋转调制系统是将整个陀螺仪放置于平台上一起旋转，虽能有效消除陀螺漂移误差，但是整个系统体积较大、功耗较大，尚且不满足航天器对角速率敏感系统提出的高精度、高带宽、体积小、重量轻、功耗小的需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种定子旋转式磁悬浮敏感陀螺仪，以克服现有旋转调制系统体积大，功耗大的不足。

该陀螺仪包括磁悬浮轴承系统、磁悬浮陀螺转子系统、力矩器定子旋转系统和陀螺房，磁悬浮轴承系统包括上轴向磁悬浮轴承、下轴向磁悬浮轴承和径向磁悬浮轴承；磁悬浮陀螺转子系统包括磁悬浮陀螺转子、高速电机和力矩器转子组件；力矩器定子旋转系统包括光电码盘、端面轴承、旋转调制转子骨架、旋转调制电机、旋转调制电机安装座、力矩器定子转接盘和力矩器定子组件；陀螺房包括下陀螺房、中陀螺房和上陀螺房；

上轴向磁悬浮轴承和下轴向磁悬浮轴承分别通过螺钉固定于上陀螺房和下陀螺房上，上轴向磁悬浮轴承和下轴向磁悬浮轴承轴向支撑磁悬浮陀螺转子，径向磁悬浮轴承通过螺钉固定于中陀螺房，径向磁悬浮轴承径向支撑磁悬浮陀螺转子；磁悬浮陀螺转子分别设有开口向上的第一回转槽和开口向下的第二回转槽，磁悬浮陀螺转子的左右端面与上下端面为同心不同径球面；高速电机与上陀螺房和磁悬浮陀螺转子相连；力矩器转子组件与磁悬浮陀螺转子相连；光电码盘与旋转骨架和下陀螺房相连；旋转骨架分为力矩器定子转接盘定位面、圆光栅安装面、力矩器定子转接盘安装面、端面轴承上轴承板安装面和旋转调制电机安装面；端面轴承包括端面轴承上轴承板和端面轴承转子，端面轴承上轴承板位于定于旋转骨架的下方，通过螺钉固定于端面轴承上轴承板安装面上，端面轴承转子位于端面轴承上轴承板下方，旋转调制电机定子上方；旋转调制电机与旋转调制转子骨架和旋转调制电机安装座相连；力矩器定子组件与力矩器定子转接盘相连，力矩器定子转接盘包括力矩器定子骨架定位面、力矩器定子转接盘固定孔、力矩器定子组件铝座固定螺纹孔和力矩器绕组走线凹槽。

其中：高速电机为空心杯外转子结构，包括高速电机定子、高速电机转子锁母和高速电机转子，高速电机定子通过螺钉固定于上陀螺房上，高速电机转子通过高速电机转子锁母轴向固定于磁悬浮陀螺转子的第一回转槽的外侧壁上，高速电机转子驱动磁悬浮陀螺转子高速旋转。

力矩器转子组件包括力矩器外转子螺母、力矩器外转子磁钢、力矩器外转子磁钢导磁环、力矩器外转子组件锁母、力矩器内转子螺母、力矩器内转子磁钢、力矩器内转子磁钢导磁环和力矩器内转子组件锁母，其中，力矩器外转子螺母固定于磁悬浮陀螺转子的第二回转槽外侧壁的底部，力矩器外转子磁钢上端贴合在力矩器外转子螺母上，力矩器外转子磁钢导磁环位于力矩器外转子磁钢下端，通过力矩器外转子组件锁母轴向固定于磁悬浮陀螺转子的第二回转槽外侧壁上，力矩器内转子螺母固定于磁悬浮陀螺转子的第二回转槽内侧壁的底部，力矩器内转子磁钢上端贴合在力矩器内转子螺母上，力矩器内转子磁钢导磁环位于力矩器内转子磁钢下端，通过力矩器内转子组件锁母轴向固定于磁悬浮陀螺转子的第二回转槽内侧壁上。

光电码盘包括码盘圆光栅、码盘读数头和读数头安装座，码盘圆光栅通过螺栓固定于旋转骨架的圆光栅安装面上，码盘读数头位于码盘圆光栅外侧，通过读数头安装座固定于下陀螺房上。

旋转调制电机为分体式结构，包括旋转调制电机转子和旋转调制电机定子，其中，旋转调制电机定子通过螺栓固定于旋转调制电机安装座上，旋转调制电机安装座通过螺钉固定于下陀螺房上，旋转调制电机转子位于旋转调制电机定子内侧，通过螺栓固定于旋转调制转子骨架的旋转调制电机安装面上，力矩器定子转接盘位于旋转调制转子骨架的上端面，通过螺旋固定于旋转调制转子骨架的力矩器定子转接盘安装面上。

力矩器定子组件包括力矩器定子组件铝座、力矩器定子骨架和力矩器绕组，力矩器定子骨架包括绕组凸台、力矩器绕组挡块、力矩器绕组走线凹槽、力矩器绕组走线圆孔和力矩器绕组走线方孔，其中，力矩器定子组件铝座位于力矩器定子转接盘上方，通过螺栓固定于力矩器定子转接盘上，力矩器定子骨架位于力矩器定子转接盘的力矩器定子骨架定位面与力矩器定子组件铝座之间，通过环氧树脂固定于力矩器定子组件铝座内侧，力矩器绕组固定于力矩器定子骨架的绕组凸台上，通过力矩器绕组挡块隔离开来，力矩器绕组功率线通过力矩器绕组走线凹槽、力矩器绕组走线孔和力矩器绕组走线槽引出。

上轴向磁悬浮轴承、下轴向磁悬浮轴承及径向磁悬浮轴承均为纯电磁球面磁轴承。

旋转调制转子骨架为杯形结构，其上端面周向均布4个力矩器定子转接盘定位面，在力矩器定子转接盘定位面外侧平台加工有力矩器定子转接盘安装面，力矩器定子转接盘安装面上均布8个螺纹孔，用于固定力矩器定子转接盘，旋转调制转子骨架最外侧平台上表面为圆光栅安装面，圆光栅安装面上均布9个螺纹孔，用于固定码盘圆光栅，旋转调制转子骨架最外侧平台下表面为端面轴承上轴承板安装面，端面轴承上轴承板安装面均布8个螺纹孔，用于固定端面轴承，旋转调制转子骨架下端面为旋转调制电机安装面，旋转调制电机安装面均布6个螺纹孔，用于固定旋转调制电机转子。

力矩器定子转接盘为环形结构，力矩器定子转接盘内环上设有4个凸台，凸台外表面为力矩器定子骨架定位面，凸台上设有力矩器绕组走线凹槽，力矩器定子转接盘外环上均布8个力矩器定子转接盘固定孔，在每个力矩器定子转接盘固定孔的两侧设有力矩器定子组件铝座固定螺纹孔。

力矩器定子骨架为圆筒形结构，四个绕组凸台沿力矩器定子骨架外圆柱面周向均匀分布，每个绕组凸台圆周张角为80°；每两个绕组凸台中间布有力矩器绕组挡块；四个力矩器绕组走线方孔沿力矩器定子骨架周向均匀分布在力矩器定子骨架外圆柱面上两个绕组凸台对称面处；四个力矩器绕组走线凹槽沿力矩器定子骨架周向均匀分布；四组力矩器绕组走线圆孔位于四个力矩器绕组走线凹槽内，每组力矩器绕组走线圆孔由两个相同的力矩器绕组走线圆孔组成，贯通于力矩器绕组走线方孔。

本发明的原理是：本发明重要机理是对力矩器定子的旋转调制，即通过旋转调制电机对力矩器定子进行周期性旋转，使磁悬浮敏感陀螺的敏感轴相对于某一固定坐标系周期性旋转，将被测的角速率信号调制到旋转周期载波上，由于陀螺漂移误差不随旋转载波周期性变化，因此就可以通过解调和滤波来消除陀螺漂移误差，提高磁悬浮陀螺角速率检测精度，故本发明的创新点在于通过旋转力矩器定子实现对磁悬浮敏感陀螺的旋转调制功能。其中实现力矩器定子旋转的机构主要包括：光电码盘、端面轴承、旋转调制转子骨架、旋转调制电机、旋转调制电机安装座、力矩器定子转接盘和力矩器定子组件；旋转调制电机通过旋转调制转子骨架和力矩器定子转接盘连接和驱动力矩器定子组件，通过光电码盘测得力矩器定子旋转旋转角位置和角速率，实现对旋转调制电机高精度位置、速度双闭环控制，从而实现力矩器定子高精度周期性旋转，使磁悬浮敏感陀螺的敏感轴相对于某一固定坐标系周期性旋转，实现旋转调制的功能，通过对获得的角速率信号进行解调和滤波来消除陀螺漂移误差，可提高磁悬浮陀螺角速率检测精度。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明陀螺仪可以用作航天器中的角速率敏感机构，通过旋转调制电机驱动力矩器定子对角速率信号进行旋转调制，消除陀螺漂移误差，提高磁悬浮敏感陀螺仪角速率敏感精度，同时减小系统体积，降低功耗。主要优点在于：(1)本发明定子旋转式磁悬浮敏感陀螺仪具有旋转调制功能，通过旋转调制电机驱动力矩器定子旋转，使磁悬浮敏感陀螺敏感轴周期性变化，将被测的角速率信号调制到旋转周期载波上，使陀螺漂移被调制成均值为0的周期变化量，从而消除陀螺漂移，提高磁悬浮敏感陀螺的角速率检测精度。(2)本发明通过旋转力矩器定子实现旋转调制，为部件级旋转调制，相对于系统级旋转调制，其体积更小，功耗更低，尤其适用于航天器的角速率敏感机构。

附图说明

图1为本发明的定子旋转式磁悬浮敏感陀螺仪结构示意图；

图2为本发明的磁悬浮敏感陀螺转子组件轴向剖视图；

图3为本发明的下陀螺房组件；

图4为本发明的磁悬浮陀螺转子结构示意图；

图5为本发明的旋转调制转子骨架剖视图；

图6为本发明的力矩器定子转接盘结构示意图；

图7为本发明的力矩器定子骨架结构示意图。

其中：1：上轴向磁悬浮轴承；2：下轴向磁悬浮轴承；3：径向磁悬浮轴承；4：磁悬浮陀螺转子；5：高速电机；6：力矩器转子组件；7：光电码盘；8：端面轴承；9：旋转调制转子骨架；10：旋转调制电机；11：旋转调制电机安装座；12：力矩器定子转接盘；13：力矩器定子组件；14：下陀螺房；15：中陀螺房；16：上陀螺房；4-a：第一回转槽；4-b：第二回转槽；5-1：高速电机定子；5-2：高速电机转子锁母；5-3：高速电机转子；6-1：力矩器外转子螺母；6-2：力矩器外转子磁钢；6-3：力矩器外转子磁钢导磁环；6-4：力矩器外转子组件锁母；6-5：力矩器内转子螺母；6-6：力矩器内转子磁钢；6-7：力矩器内转子磁钢导磁环；6-8：力矩器内转子组件锁母；7-1：码盘圆光栅；7-2：码盘读数头；7-3：读数头安装座；8-1：端面轴承上轴承板；8-2：端面轴承转子；9-a：力矩器定子转接盘定位面；9-b：圆光栅安装面；9-c：力矩器定子转接盘安装面；9-d：端面轴承上轴承板安装面；9-e：旋转调制电机安装面；10-1：旋转调制电机转子；10-2：旋转调制电机定子；12-a：力矩器定子骨架定位面；12-b：力矩器定子转接盘固定孔；12-c：力矩器定子组件铝座固定螺纹孔；12-d：力矩器绕组走线凹槽；13-1：力矩器定子组件铝座；13-2：力矩器定子骨架；13-3：力矩器绕组；13-2-a：绕组凸台；13-2-b：力矩器绕组挡块；13-2-c：力矩器绕组走线凹槽；13-2-d：力矩器绕组走线圆孔；13-2-e：力矩器绕组走线方孔。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种定子旋转式磁悬浮敏感陀螺仪。

如图1、2和3所示，该定子旋转式磁悬浮敏感陀螺仪主要由：磁悬浮轴承系统、磁悬浮陀螺转子系统、力矩器定子旋转系统及陀螺房四部分组成，主要包括：上轴向磁悬浮轴承1、下轴向磁悬浮轴承2、径向磁悬浮轴承3、磁悬浮陀螺转子4、高速电机5、力矩器转子组件6、光电码盘7、端面轴承8、旋转调制转子骨架9、旋转调制电机10、旋转调制电机安装座11、力矩器定子转接盘12和力矩器定子组件13、下陀螺房14、中陀螺房15和上陀螺房16；上轴向磁悬浮轴承1和下轴向磁悬浮轴承2分别通过螺钉固定于上陀螺房16和下陀螺房14上，轴向支撑磁悬浮陀螺转子4，径向磁悬浮轴承3通过螺钉固定于中陀螺房15，径向支撑磁悬浮陀螺转子4，高速电机5为空心杯外转子结构，包括：高速电机定子5-1、高速电机转子锁母5-2、高速电机转子5-3，高速电机定子5-1通过螺钉固定于上陀螺房16上，高速电机转子5-3通过高速电机转子锁母5-2轴向固定于磁悬浮陀螺转子4的第一回转槽4-a的外侧壁上，驱动磁悬浮陀螺转子4高速旋转，力矩器转子组件6包括：力矩器外转子螺母6-1、力矩器外转子磁钢6-2、力矩器外转子磁钢导磁环6-3、力矩器外转子组件锁母6-4、力矩器内转子螺母6-5、力矩器内转子磁钢6-6、力矩器内转子磁钢导磁环6-7、力矩器内转子组件锁母6-8，其中，力矩器外转子螺母6-1固定于磁悬浮陀螺转子4的第二回转槽4-b外侧壁的底部，力矩器外转子磁钢6-2上端贴合在力矩器外转子螺母6-1上，力矩器外转子磁钢导磁环6-3位于力矩器外转子磁钢6-2下端，通过力矩器外转子组件锁母6-4轴向固定于磁悬浮陀螺转子4的第二回转槽4-b外侧壁上，力矩器内转子螺母6-5固定于磁悬浮陀螺转子4的第二回转槽4-b内侧壁的底部，力矩器内转子磁钢6-6上端贴合在力矩器内转子螺母6-5上，力矩器内转子磁钢导磁环6-7位于力矩器内转子磁钢6-6下端，通过力矩器内转子组件锁母6-8轴向固定于磁悬浮陀螺转子4的第二回转槽4-b内侧壁上，光电码盘7包括：码盘圆光栅7-1、码盘读数头7-2、读数头安装座7-3，码盘圆光栅7-1通过螺栓固定于旋转骨架9的圆光栅安装面9-b上，码盘读数头7-2位于码盘圆光栅7-1外侧，通过读数头安装座7-3固定于下陀螺房14上，端面轴承8包括：端面轴承上轴承板8-1、端面轴承转子8-2其中，端面轴承上轴承板8-1位于定于旋转骨架9的下方，通过螺钉固定于端面轴承上轴承板安装面9-d上，端面轴承转子8-2位于端面轴承上轴承板8-1下方，旋转调制电机定子10-2上方，旋转调制电机为分体式结构，包括：旋转调制电机转子10-1和旋转调制电机定子10-2，其中，旋转调制电机定子10-2通过螺栓固定于旋转调制电机安装座11上，旋转调制电机安装座11通过螺钉固定于下陀螺房14上，旋转调制电机转子10-1位于旋转调制电机定子10-2内侧，通过螺栓固定于旋转调制转子骨架9的旋转调制电机安装面9-e上，力矩器定子转接盘12位于旋转调制转子骨架9的上端面，通过螺旋固定于旋转调制转子骨架9的力矩器定子转接盘安装面9-c上，力矩器定子组件13包括：力矩器定子组件铝座13-1、力矩器定子骨架13-2和力矩器绕组13-3，其中，力矩器定子组件铝座13-1位于力矩器定子转接盘12上方，通过螺栓固定于力矩器定子转接盘12上，力矩器定子骨架13-2位于力矩器定子转接盘12的力矩器定子骨架定位面12-a与力矩器定子组件铝座13-1之间，通过环氧树脂固定于力矩器定子组件铝座13-1内侧，力矩器绕组13-3固定于力矩器定子骨架13-2的绕组凸台13-2-a上，通过力矩器绕组挡块13-2-b隔离开来，力矩器绕组13-3功率线通过力矩器绕组走线凹槽13-2-c、力矩器绕组走线圆孔13-2-d和力矩器绕组走线方孔13-2-e引出。上轴向磁悬浮轴承1、下轴向磁悬浮轴承2及径向磁悬浮轴承3均为纯电磁球面磁轴承。

图4为磁悬浮陀螺转子结构示意图，磁悬浮陀螺转子4分别设有开口向上的第一回转槽4-a和开口向下的第二回转槽4-b，磁悬浮陀螺转子4的左右端面与上下端面为同心不同径球面。

图5为旋转调制转子骨架剖视图，旋转调制转子骨架9为杯形结构，其上端面周向均布4个力矩器定子转接盘定位面9-a，在力矩器定子转接盘定位面9-a外侧平台加工有力矩器定子转接盘安装面9-c，力矩器定子转接盘安装面9-c上均布8个螺纹孔，用于固定力矩器定子转接盘12，旋转调制转子骨架9最外侧平台上表面为圆光栅安装面9-b，圆光栅安装面9-b上均布9个螺纹孔，用于固定码盘圆光栅7-1，旋转调制转子骨架9最外侧平台下表面为端面轴承上轴承板安装面9-d，端面轴承上轴承板安装面9-d均布8个螺纹孔，用于固定端面轴承8，旋转调制转子骨架9下端面为旋转调制电机安装面9-e，旋转调制电机安装面9-e均布6个螺纹孔，用于固定旋转调制电机转子10-1。

图6为力矩器定子转接盘结构示意图，力矩器定子转接盘12为环形结构，力矩器定子转接盘12内环上设有4个凸台，凸台外表面为力矩器定子骨架定位面12-a，凸台上设有力矩器绕组走线凹槽12-d，力矩器定子转接盘12外环上均布8个力矩器定子转接盘固定孔12-b，在每个力矩器定子转接盘固定孔12-b的两侧设有力矩器定子组件铝座固定螺纹孔12-c。

图7为力矩器定子骨架结构示意图，力矩器定子骨架13-2为圆筒形结构，四个绕组凸台13-2-a沿力矩器定子骨架13-2外圆柱面周向均匀分布，每个绕组凸台13-2-a圆周张角为80°。每两个绕组凸台13-2-a中间布有力矩器绕组挡块13-2-b。四个力矩器绕组走线方孔13-2-e沿力矩器定子骨架13-2周向均匀分布在力矩器定子骨架13-2外圆柱面上两个绕组凸台13-2-a对称面处。四个力矩器绕组走线凹槽13-2-c沿力矩器定子骨架13-2周向均匀分布；四组力矩器绕组走线圆孔13-2-d位于四个力矩器绕组走线凹槽13-2-c内，每组力矩器绕组走线圆孔13-2-d由两个相同的力矩器绕组走线圆孔13-2-d组成，贯通于力矩器绕组走线方孔13-2-e。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。