ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 2011 года по МПК G01C19/20 

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к гидродинамическим гироскопам, и может быть использовано в системах управления реактивных снарядов, например, для угловой стабилизации снарядов систем залпового огня.

Известен гидродинамический гироскоп (см., например, К.П.Андрейченко. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. - М.: Машиностроение, 1987, с.7-8, с.93), принятый за аналог. Гироскоп содержит корпус, вращающийся от внешнего электродвигателя ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, сферический поплавок с постоянным кольцевым магнитом и сигнальную обмотку.

Данный гироскоп обладает следующими недостатками.

Замыкание магнитного потока постоянного кольцевого магнита осуществляется через воздух, что приводит из-за его большого рассеивания к снижению напряжения в сигнальной обмотке и, следовательно, к снижению коэффициента передачи К_п, а выполнение сигнальной обмотки с неупорядоченным расположением витков приводит к появлению дополнительного нулевого сигнала U^д _о≠0 (шума), что снижает точность гироскопа.

Задачей данного технического решения являлось повышение точностных характеристик гироскопа путем повышения постоянной времени T=J_o/b, где J_o - осевой момент инерции поплавка, b - коэффициент жидкостного демпфирования и коэффициента передачи К_п. Данная задача частично решена за счет увеличения осевого момента инерции поплавка.

Общими признаками с предлагаемым авторами гидродинамическим гироскопом является наличие корпуса, вращающегося от внешнего электродвигателя ротора со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, размещенного в полости ротора сферического поплавка с постоянным кольцевым магнитом и сигнальной обмотки.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является гидродинамический гироскоп по патенту РФ №2310163, G01C 19/00, опубл. 14.09.2006, бюлл. №31, принятый авторами за прототип, содержащий корпус, вращаемый от внешнего электродвигателя ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, размещенный в полости ротора сферический поплавок с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод с закрепленным внутри него полым цилиндрическим каркасом из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности, расположенной симметрично относительно экваториальной плоскости поплавка, сигнальную обмотку, уложенную в кольцевой проточке каркаса в виде многорядовой обмотки с укладкой провода вплотную виток к витку с четным количеством рядов, а ширина кольцевой проточки определяется из соотношения H=(8-10)Q/h, где Q - расстояние между поверхностями магнитопровода и кольцевого постоянного магнита, h - высота кольцевого магнита.

Недостатком технического решения, используемого в прототипе, является то, что при работе гидродинамического гироскопа, например, в системе управления реактивного снаряда для подачи управляющих сигналов на исполнительные органы системы управления необходимо разложение напряжения с сигнальной обмотки, пропорционального величине общего вектора углового отклонения, на две составляющие - по каналу курса и каналу тангажа, для чего, как известно, используется синусно-косинусный вращающийся трансформатор, ротор которого связывают с ротором гидродинамического гироскопа, а статор с его корпусом, но, так как угловая скорость собственного вращения поплавка меньше угловой скорости вращения ротора гидродинамического гироскопа вследствие проскальзывания поплавка в слое жидкости, возникает фазовая ошибка, что снижает точность работы системы управления.

Другой недостаток прототипа состоит в следующем.

Гидродинамические гироскопы заполняют тяжелыми, маловязкими жидкостями типа фреон (хладон) (см., например, К.П.Андрейченко, А.Б.Смарунь, В.А.Иващенко. Поплавковый гидродинамический гироскоп. Теория и проектирование. Часть 1. Саратов, Саратовское ВВКИУ РВ, 1992, стр.5.), из которых по физическим и технологическим характеристикам (плотность 2,18 г/см³, вязкость 0,72 сПз температура кипения +47,26°C, температура плавления -110°C) наиболее соответствует хладон 114В2 для приборов по ТУ 6-02-2-839-85. Но в составе этого хладона содержится вода, массовая доля которой составляет 0,004%, что при хранении гироскопа вызывает коррозию металлических поверхностей сферической полости поплавка, приводящую к нарушению их сферичности и возникновению уводящих моментов. Это снижает точность гироскопа и может привести к его отказу.

Задачей данного технического решения являлось повышение точности за счет повышения коэффициента передачи К_п путем уменьшения рассеивания магнитного потока постоянного кольцевого магнита замыканием его через цилиндрический магнитопровод и уменьшения нулевого сигнала (шума), путем выполнения сигнальной обмотки в виде рядовой обмотки, уложенной виток к витку с четным количеством рядов в кольцевой проточке цилиндрического каркаса, установленного внутри цилиндрического магнитопровода, и выполнения кольцевой проточки шириной, определяемой из соотношения H=(8-10)Q/h, где Q - расстояние между поверхностями магнитопровода и кольцевого постоянного магнита, h - высота кольцевого магнита.

Общими признаками с предлагаемым гидродинамическим гироскопом является наличие в прототипе корпуса, вращаемого от внешнего электродвигателя ротора со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, размещенного в полости ротора сферического поплавка с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом, цилиндрического магнитопровода с закрепленным внутри него полым цилиндрическим каркасом из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности, расположенной симметрично относительно экваториальной плоскости поплавка, сигнальной обмотки, уложенной в кольцевой проточке полого цилиндрического каркаса.

В отличие от прототипа, в предлагаемом авторами гидродинамическом гироскопе в полом цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности выполнены два кольцевых выступа, расположенных симметрично относительно кольцевой проточки, причем в каждом кольцевом выступе выполнены 4 паза параллельно образующей полого цилиндрического каркаса и лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, линия пересечения которых совпадает с продольной осью цилиндрического каркаса, в диаметрально расположенных пазах параллельно оси вращения ротора уложены прямолинейные участки витков первой и второй опорных обмоток, а сферическая полость заполнена фторорганической жидкостью - хладоном 114В2 с содержанием в нем массовой доли воды не более 0,002%.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и эксплуатационной надежности гидродинамического гироскопа.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном гидродинамическом гироскопе, содержащем корпус, вращаемый от внешнего электродвигателя ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, размещенный в полости ротора сферический поплавок с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод с закрепленным внутри него полым цилиндрическим каркасом из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности, расположенной симметрично относительно экваториальной плоскости поплавка, сигнальной обмотки, уложенной в кольцевой проточке полого цилиндрического каркаса, особенность заключается в том, что в полом цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности выполнены два кольцевых выступа, расположенных симметрично относительно кольцевой проточки, причем в каждом кольцевом выступе выполнены 4 паза параллельно образующей полого цилиндрического каркаса и лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, линия пересечения которых совпадает с продольной осью цилиндрического каркаса, в диаметрально расположенных пазах параллельно оси вращения ротора уложены рабочие прямолинейные участки витков первой и второй опорных обмоток, а сферическая полость заполнена фторорганической жидкостью - хладоном 114В2 с содержанием в нем массовой доли воды не более 0,002%.

Новая совокупность элементов, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:

- выполнения в полом цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности двух кольцевых выступов, расположенных симметрично относительно кольцевой проточки, причем в каждом кольцевом выступе выполнены 4 паза параллельно образующей полого цилиндрического каркаса, лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, линия пересечения которых совпадает с продольной осью цилиндрического каркаса, и укладки прямолинейных участков витков двух опорных обмоток в диаметрально расположенных пазах параллельно оси вращения ротора исключить фазовый сдвиг опорных напряжений и, таким образом, повысить точность гидродинамического гироскопа;

- заполнения сферической полости ротора фторорганической жидкостью - хладоном 114В2 с содержанием в нем массовой доли воды не более 0,002% исключить возникновение уводящих моментов и отказ гироскопа по причине коррозии поверхности сферической полости поплавка, возникающей при наличии в хладоне 114В2 массовой доли воды более 0,002%, и, соответственно, повысить точность и надежность гироскопа.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном гидродинамическом гироскопе, содержащем корпус, вращаемый от внешнего электродвигателя ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, размещенный в полости ротора сферический поплавок с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод с закрепленным внутри него полым цилиндрическим каркасом из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности, расположенной симметрично относительно экваториальной плоскости поплавка, сигнальную обмотку, уложенную в кольцевой проточке полого цилиндрического каркаса, в отличие от прототипа, согласно изобретению в полом цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности выполнены два кольцевых выступа, расположенных симметрично относительно кольцевой проточки, причем в каждом кольцевом выступе выполнены четыре паза параллельно образующей полого цилиндрического каркаса и лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, линия пересечения которых совпадает с продольной осью цилиндрического каркаса, в диаметрально расположенных пазах параллельно оси вращения ротора уложены прямолинейные участки витков первой и второй опорных обмоток, а сферическая полость заполнена фторорганической жидкостью - хладоном 114В2 с содержанием в нем массовой доли воды не более 0,002%.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид гидродинамического гироскопа, на фиг.2 - полый цилиндрический каркас с кольцевыми выступами и пазами в них, а на фиг.3 - схема расположения опорных обмоток.

Предлагаемый гидродинамический гироскоп содержит корпус 1, вращающийся от внешнего электродвигателя 2 ротор 3 со сферической полостью 4, частично заполненной жидкостью 5, в которую помещен сферический поплавок 6 с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом 7. В корпусе 1 закреплен цилиндрический магнитопровод 8 с размещенным в нем полым цилиндрическим каркасом 9 из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой 10, двумя кольцевыми выступами 11 и 12, в каждом из которых выполнены пазы 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 (фиг.2). Сигнальная обмотка 21 уложена в кольцевой проточке 10 и расположена в зазоре между цилиндрическим магнитопроводом 8 и ротором 3. В пазах 13, 17 и 14, 20 размещены прямолинейные рабочие участки первой опорной обмотки 22, а в пазах 15, 18 и 16, 19 - второй опорной обмотки 23.

Гидродинамический гироскоп работает следующим образом.

Система координат OXYZ связана с корпусом 1 гироскопа, система OX₁Y₁Z₁ - со сферическим поплавком 6. При вращении ротора 3 с угловой скоростью Ω поплавок 6 за счет сил гидродинамического давления со стороны жидкости 5, увлекаемой во вращение внутренней поверхностью сферической полости 4, размещается в ее центре и за счет сил вязкого трения приводится во вращение с угловой скоростью Ω₁, которая за счет проскальзывания сферического поплавка 6 в слое жидкости 5 несколько меньше угловой скорости вращения Ω ротора 3.

Оси собственного вращения сферического поплавка 6 и ротора 3 совпадают с осью ОХ, связанной с корпусом 1 системы координат OXYZ. При угловом перемещении гироскопа, например, с угловой скоростью на поплавок 6 действует гироскопический момент. Поплавок 6 стремится сохранить свое положение в пространстве и между осями собственного вращения ротора 3 и поплавка 6 появляется угол рассогласования γ. При этом на поплавок 6 действует момент сил вязкого трения, который уравновешивает гироскопический момент.

При возникновении угла рассогласования γ магнитный поток Ф постоянного кольцевого магнита 7 пересекает витки сигнальной обмотки 21 под углом γ, на выходе сигнальной обмотки 21 появляется напряжение U_c.

Магнитный поток Ф пересекает прямолинейные участки первой опорной обмотки 22 и второй опорной обмотки 23 под углом ≈90°. При этом на выходе первой опорной обмотки 22 появляется напряжение U_оп1, а на выходе второй опорной обмотки 23 - напряжение U_оп2.

Выполнение гидродинамического гироскопа в соответствии с изобретением позволило повысить точность и надежность гироскопа и, соответственно, улучшить точностные характеристики систем управления и стабилизации реактивных снарядов залпового огня.

Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями опытных образцов, выполненных в соответствии с изобретением.

В настоящее время разработана конструкторская документация, намечено серийное производство.

Изобретение относится к измерительным элементам систем управления и стабилизации реактивных снарядов, например реактивных снарядов систем залпового огня. Гидродинамический гироскоп содержит корпус, вращаемый от внешнего электродвигателя ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, размещенный в ней сферический поплавок с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод с закрепленным внутри него полым цилиндрическим каркасом с кольцевой проточкой на наружной поверхности, в котором выполнены два кольцевых выступа, расположенных симметрично относительно кольцевой проточки. В каждом кольцевом выступе выполнены четыре паза параллельно образующей полого цилиндрического каркаса, а в диаметрально расположенных пазах параллельно оси вращения ротора уложены прямолинейные участки витков опорных обмоток. Сферическая полость заполнена фторорганической жидкостью - хладоном 114 В2 с содержанием в нем массовой доли воды не более 0,002%. Изобретение позволяет повысить точность и надежность гироскопа. 3 ил.

Гидродинамический гироскоп, содержащий корпус, вращаемый от внешнего электродвигателя ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, размещенный в полости ротора сферический поплавок с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод с закрепленным внутри него полым цилиндрическим каркасом из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности, расположенной симметрично относительно экваториальной плоскости поплавка, сигнальную обмотку, уложенную в кольцевой проточке полого цилиндрического каркаса, отличающийся тем, что в полом цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала с кольцевой проточкой на наружной поверхности выполнены два кольцевых выступа, расположенных симметрично относительно кольцевой проточки, причем в каждом кольцевом выступе выполнены четыре паза параллельно образующей полого цилиндрического каркаса и лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, линия пересечения которых совпадает с продольной осью цилиндрического каркаса, в диаметрально расположенных пазах параллельно оси вращения ротора уложены прямолинейные участки витков первой и второй опорных обмоток, а сферическая полость заполнена фторорганической жидкостью - хладоном 114В2 с содержанием в нем массовой доли воды не более 0,002%.