ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 2001 года по МПК G01C19/24 

Изобретение относится к области гироскопических устройств и может быть применено в тех областях, где необходимо осуществлять быстрый разгон ротора вокруг любой из трех ортогональных осей при ограниченной мощности потребления статора.

Известны различные схемы расположения обмоток статора трехосных гироскопов (см. например,: 1. П.И. Малеев. Новые типы гироскопов. Л.: Судостроение, 1971, стр. 19-23. 2. А.Н. Милях, В.А. Барабанов, Е.В. Двойных. Трехстепенные электрические машины. Клев: Наукова думка, 1979, стр. 3-7. 3. P.Leger, F.Bihan. Le Gyroscope a suspension electrostatique. Источник; Navigation, 1984, Avril, vol. 32, N 126, pp. 223-238).

Достоинством устройств, описанных в указанных источниках, является обеспечение вращения ротора по любой из трех взаимно ортогональных осей.

Недостатком устройств, описанных в книгах [1] и [2], является наличие магнитопровода, создающего остаточную намагниченность, что неприемлемо для электростатических гироскопов высокой точности.

В качестве прототипа выбираем электростатический гироскоп со статором без магнитопровода, описанный в [3].

Статор гироскопа прототипа (фиг. 1) содержит 6 катушек, по и катушки в каждой обмотке из них 4 катушки W_x1, W_x2, W_y1 и W_y2 прямоугольной формы расположены по экватору и обеспечивают вращение ротора вокруг центральной оси симметрии OZ и 2 катушки W_z1 и W_z2 круглой формы, расположенные на полюсах и выполняющие роль демпфирующих катушек. Катушки в прототипе расположены так, что их стороны соприкасаются.

Достоинством устройства-прототипа является обеспечение вращения ротора вокруг любой из трех взаимно ортогональных осей и обеспечение приведения и демпфирования нутаций ротора. В этом смысле статор с шестью катушками, имеющими одинаковое число витков и диаметр провода является универсальным многофункциональным устройством.

Недостатком гироскопа, описанного в статье П. Лежера и Ф. Биана, является низкая эффективность статора, что приводит к увеличению времени разгона ротора, увеличению мощности потребления, тепловыделению и увеличению времени готовности гироскопа к высокоточным измерениям.

В предлагаемом гироскопе роль этого недостатка значительно уменьшена, а эффективность статора увеличена, благодаря тому, что в нем, во-первых, каждая из катушек перекрывает пересекающиеся части двух других пар катушек, оси которых расположены взаимно ортогонально. Во-вторых, благодаря тому, что в нем по каждой из трех взаимно ортогональных осей симметрично относительно центра подвеса ротора внутри каждой катушки установлена дополнительная катушка меньшей площади, соединенная с этой катушкой согласно.

Сущность предлагаемого гироскопа поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен статор гироскопа-прототипа.

На фиг. 2 - статор гироскопа с измененной конфигурацией катушек.

На фиг. 3 - статор гироскопа с измененной конфигурацией катушек и с дополнительными катушками.

На фиг. 1 - фиг. 3 приняты следующие обозначения:
X, Y, Z - пространственные конструктивные оси гироскопа и центральные оси обмоток статора;
W_x1, W_x2; W_y1, W_y2; W_z1, W_z2 - основные катушки обмоток W_x, W_y, W_z; W'_x1, W'_x2; W'_y1, W'_y2; W'_z1, W'_z2 - дополнительные катушки соответствующих обмоток.

Устройство гироскопа-прототипа (фиг. 1) было описано ранее.

В отличие от него в предлагаемом гироскопе (фиг. 2) катушки статора, расположенные по трем пространственным осям, развиты во всех направлениях по сфере настолько широко, насколько это возможно по конструктивным соображениям. Препятствием здесь является ранее выбранное расположение гермовводов электродов подвеса, устройства крепления оптических датчиков и вакуумного насоса. В результате катушки располагаются так, что контур одной катушки охватывает пересекающиеся части двух других пар соседних катушек, расположенных по взаимно ортогональным осям.

Работа предлагаемого гироскопа основана на том, что магнитный поток каждой катушки пронизывает большую, чем ранее, площадь соседних катушек. При этом не имеет значения, расположена ли эта катушка под пересекающимися соседними катушками или над ними. Аналогично, каждая катушка другой обмотки охватывает по две соседние пересекающиеся части катушек, расположенных по взаимно ортогональным осям. В результате, улучшается взаимодействие не только между обмотками, но и между потоками обмоток и токами в роторе и, следовательно, - эффективность всего сферического статора вращения.

Предлагаемое изменение конфигурации катушек статора позволило на практике при перекрытии площади катушек на 20-30% увеличить пусковой момент электропривода в 2 раза и при той же мощности 10 Вт уменьшить время разгона до номинальной скорости 300 Гц с 7-ми до 3-х минут.

Еще большего результата можно достичь, если в соответствии с п. 2 Формулы расположить дополнительные катушки.

В настоящее время наибольшее распространение получили две модификации электростатических гироскопов: с диаметром ротора 50 мм и диаметром ротора 10 мм. В первом случае поверхность статора вращения существенно больше поверхности статора гироскопа второй модификации, а эффективность, наоборот, меньше.

Для повышения эффективности в предлагаемом гироскопе (фиг. 3) внутри каждой катушки уложены дополнительные катушки меньшей площади, соединенные с основными согласно.

Работа гироскопа по п. 2 Формулы основана на том, что дополнительный магнитный поток устраняет провалы в кривой распределения индукции по сферической поверхности ротора, в результате чего эта кривая становится более синусоидальной. В результате существенно увеличивается взаимодействие между токами в роторе и магнитными потоками обмоток и, соответственно, вращающий момент не только при пуске, но и при вращении ротора.

Исследования показали, что пусковой момент гироскопа с дополнительными обмотками при той же мощности потребления может быть увеличен еще на 30-50%, а время разгона ротора - уменьшено еще в 2 раза. Соответственно, уменьшается и время готовности гироскопа к высокоточным измерениям.

Литература
1. П.И. Малеев. Новые типы гироскопов. Л.: Судостроение, 1971, стр. 19 - 23.

2. А.Н. Милях, В.А. Барабанов, Е.В. Двойных. Трехстепенные электрические машины. Киев: Наукова думка, 1979, стр. 3-7.

3. P. Leger, F. Bihan. Le Gyroscope a suspension electrostatique. Источник: Navigation, 1984, Avril, vol. 32, N 126, pp.223-238).

Изобретение может быть применено в тех областях, где необходимо осуществлять быстрый разгон ротора вокруг любой из трех ортогональных осей при ограниченной мощности потребления статора. Гироскоп содержит ротор в подвесе и статор с двумя соосными катушками в каждой из трех обмоток, центральные оси которых расположены взаимно ортогонально и пересекаются в центре подвеса ротора. Каждая из катушек перекрывает пересекающиеся части двух других пар катушек, оси которых взаимно ортогональны. Благодаря изменению конфигурации обмоток статора вращения гироскопа увеличен пусковой момент и снижено время разгона и время тепловых переходных процессов. Для повышения эффективности статора вращения установлены дополнительные катушки, в результате чего существенно уменьшено время готовности к высокоточным измерениям. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электростатический гироскоп, содержащий электропроводящий ротор в подвесе и статор вращения с двумя соосными катушками в каждой из трех обмоток, центральные оси которых расположены взаимно ортогонально и пересекаются в центре подвеса ротора, отличающийся тем, что в нем каждая из катушек перекрывает пересекающиеся части двух других пар катушек, оси которых расположены взаимно ортогонально. 2. Электростатический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что в нем по каждой из трех взаимно ортогональных осей, симметрично относительно центра подвеса ротора, внутри каждой катушки установлена дополнительная катушка меньшей площади, соединенная с этой катушкой согласно.