双轴永磁动铁式力矩器的设计与应用

赵焕玲

(贵州职业技术学院航空学院，贵州贵阳 550023)

0 前言

双轴永磁动铁式力矩器是双轴角速率陀螺仪的重要部件，通电线圈在永磁场中切割磁力线，产生的电磁力矩作用在陀螺仪转子相应敏感的输入轴上，再平衡回路测量线圈中的电流，即陀螺仪敏感的角速率所需的反馈力矩，从而测量角速率。工程实际应用中，使用相同环形磁场同时作用于两对正交固定的通电线圈，可以分别对两正交输入轴施加力矩。此类永磁式力矩器结构原理简单，具有良好的对称性，适用于对稳定性、线性度、对称性等性能要求高的角速率惯性测量系统。

力矩系数及其稳定性是高精度力矩器的重要性能指标。力矩器在工作中，使永久磁铁工作在最大磁能积上，在较长时间内，永久磁铁的磁性能衰减很小，能够保证力矩系数的长期稳定性。同时，线圈组合体的设计方案及其在加工、装配等过程中产生的应力，直接影响力矩器力矩系数的稳定性。

为了能够获得较稳定的力矩系数，首先，在力矩器设计中需按设计方案计算力矩器力矩系数，使永磁体工作点大于最大磁能积的斜率；另外，在工程实际中，需通过对力矩器的线圈组合件进行设计方案分析，优化线圈组合件的制作及稳定处理技术，减小在零件制作、组合件装配及使用环境等环节产生的应力，保证力矩器的稳定性能够满足系统需要。

1 工作原理

力矩器线圈组合件有效边在永久磁场中切割磁力线产生电磁力，作用在陀螺飞轮上，产生进动力矩。力矩器工作原理示意如图1所示。

图1 力矩器工作原理示意

图1中，轴、轴分别安置了一对线圈，每一个轴的线圈通以图示方向的直流电流；此时，同一个轴两个不同的通电线圈，在磁场的作用下，产生一个方向相反的力和力矩，能够获得2倍单个线圈产生的力和力矩；根据力的作用原理，同样的力及力矩会反作用在固定环形永磁体的高速运转的陀螺飞轮上。按陀螺进动理论，轴两通电线圈产生的力将沿轴在陀螺转子上产生进动力矩，轴两通电线圈产生的力将沿轴在陀螺转子上产生进动力矩，实现使用同一永久环形永磁场和两对正交固定的通电线圈对陀螺仪两个角速率输入轴施加进动力矩。

=

(1)

式中：为每个输入轴产生的进动力矩，g·cm；为流入每个输入轴两个线圈的电流，mA；为力矩器产生的力矩系数,g·cm/mA。

在工作过程中，高速运转的陀螺转子轴线始终与陀螺电机轴线保持一致，当陀螺仪传感器两输入轴的输出为零，即没有角速率输入，此时力矩器输出的进动力矩理论上为零，但由于加工、装配等因素会产生两输入轴不正交等干扰力矩，此时会有一定的常值漂移。当陀螺仪传感器感应到有角速率输入，此时再平衡回路给力矩器线圈提供相应的力反馈电流，克服因角速率引起的转子动量矩，该反馈电流的大小反映了输入角速率的大小。

2 力矩器设计

图2 力矩器结构设计示意

2.1 永磁体组合件

永磁体组合件主要由N、S极两种磁钢组合后粘接固定在转子上，磁力线从N极磁钢回到S极磁钢，形成闭合磁路，磁路如图2所示。

磁性能的稳定性与永磁材料和永久磁铁工作点的选择有关。为了使永久磁铁以小的体积获得大的磁通，通常把永久磁铁的工作点选在最大磁能积点上方，利用永磁体的最大储存能量，使永磁体磁化强度或磁通密度等性能参数不会因外磁场干扰而下降较多，保持永磁体磁性能稳定。

(2)

式中：为空气导磁率(4π×10H/m)；为磁路漏磁系数；为磁路磁阻系数；为磁路工作气隙截面积；为磁路气隙宽度；为永磁体截面积；为永磁体长度。

双轴永磁动铁式力矩器选用有较高矫顽力、温度系数在“0”附近的钐钴磁性材料。通过对钐钴磁性材料退磁曲线及磁能积线分析，使用钐钴材料的最大磁能积对应的工作点为tan≈tan68°。按力矩器结构设计及磁路计算需要，钐钴磁钢相关参数见表1。

表1 钐钴磁钢相关参数

由式(2)得：

tan=3.05

≈72°>68°

磁路工作点在钐钴磁钢最大磁能积对应点偏上，这样既能充分利用磁能，又能保证磁性能稳定。

2.2 线圈组合件

目前，线圈组合件是将绕制好的线圈，采用专用工装成型，然后粘接在陶瓷骨架上，最后通过环氧胶灌封工艺将力矩器线圈与骨架固定。陶瓷骨架线圈组合件如图3所示。

图3 陶瓷骨架线圈组合件

2.3 力矩系数计算

由式(1)可知，力矩系数是力矩器中的主要参数，主要与线圈匝数、有效边数、力作用半径、力作用有效边长度以及环形磁路中气隙磁密有关。图2所示为沿输入轴两线圈的受力情况，为线圈有效边作用的有效半径。根据“左手定则”，垂直于、平面的每个线圈通过电流元在磁场中所受的力d，力的方向见图2。

d=d=d

(3)

(4)

式中：为每个线圈有效边通入的电流；d为每个线圈有效边内通入的电流元；d为每个线圈通过电流元在磁场中所受的力；d为每个线圈通过电流元产生的角度微增量；为工作气隙径向磁场的磁感应强度；为力矩半径；

其中，d沿轴的分量dD=0，沿轴和轴的dD、dD分量为

(5)

(6)

则通电线圈每个有效边对正交的两输入轴和输入轴产生的力矩为

式中：、-分别为线圈有效边两端对轴形成的张角；、-分别为电流元d对输入轴形成的角度。

按图3所示的线圈结构形式，一匝线圈有两个有效边对输入轴产生力矩，每个线圈由匝导线绕制而成，则每个线圈对输入轴产生的力矩为

(7)

若线圈有效边长为，=/(2)，即=2·代入式(7)，即有

使用σ表示有效边数，则式(7)为

=sin

则有：

=

(8)

力矩器骨架上安放4个线圈，每个线圈有效边张角最大不超过360°/4=90°，当安装非有效边时不超过45°，一般情况下不超过40°。对应的圆弧系数为0.920 7，由式(8)得：

=0102·······

·10(g·cm/A)

(9)

根据系统空间结构需要，力矩器相关设计参数见表2。

表2 力矩器相关设计参数

按式(1)，力矩器力矩系数：

=0102×4×0920 7×1425×172×

3 800×210×10=0734 7(g·cm/mA)

3 磁性能稳定性试验

对装有永磁体组合件的转子进行10次高温+60 ℃4 h，低温-40 ℃4 h的温度循环试验及RMS为4.9的随机振动试验，试验前后对转子气隙磁场强度共0°、90°、180°、270°四个位置测试转子气隙磁场强度，测试结果见表3。

表3 转子气隙磁场强度

分析表3中数据，经过高、低温及振动试验后，转子气隙磁性能几乎没有变化，这与永磁体的高矫顽力特性相符，永磁体结构设计合理，磁性能工作点能够保证磁性能稳定。

4 线圈组合件应用与分析

为了掌握力矩器系数的稳定性，将陶瓷骨架力矩器线圈组合件安装在陀螺仪上，采用再平衡回路对力矩器输入反馈电流，并使用采集电路采集，最后经计算、处理后输出角速率测量值，角速率测量原理见图4。

图4 测量原理框图

当陀螺仪感应到角速率后，再平衡回路按标度因数输出反馈电流给力矩器线圈，由电路采样、处理，输出角速率测量值。计算出标度因数非线性，从而反映力矩器系数的非线性。

将该系统安装在转台上，在温度分别为60、20、-40 ℃条件下，按±1、±3、±5°/s进行角速率试验，试验结果见表4。

表4 角速率试验结果

从表4可以看出：两个轴标度因数非线性相差一个数量级，其中轴非线性(最大偏差)不大于0.000 5[(°)/s]，轴非线性(最大偏差)不大于0.005[(°)/s]。拆下陶瓷骨架线圈组合体，在显微镜下对线圈组合体进行检查，发现在陶瓷骨架内壁出现了细小的裂纹，见图5。

图5 陶瓷骨架裂纹

分析试验数据，主要原因为陶瓷骨架线圈组合件在大角速率试验下，通过线圈的电流较大，线圈发热，温升高，由于陶瓷骨架内壁出现裂纹，使线圈的有效边长、线圈平均半径等参数因骨架变形而发生变化。由于受总体结构限制，陶瓷骨架的线圈支撑壁很薄，仅为0.7 mm，在实际加工过程中容易产生裂纹，成品率较低，虽然经过切削加工,以及多次高、低温去应力稳定处理，但在大速率试验下，需要力矩器提供较大的进动力矩，通过线圈的电流大，线圈发热较大，由于线圈采用环氧胶灌封，散热效果差，经过多次试验后，由于线圈、环氧胶层与陶瓷材料的热胀系数不同，高温热胀应力不能有效释放，从而使陶瓷骨架在粘接线圈的薄壁处产生微小裂纹，力矩器线圈的平均半径、有效边长及圆弧系数发生了变化，导致力矩系数发生波动。

针对陶瓷骨架裂纹故障，可以通过对陶瓷骨架、线圈组合体增加高温应力筛选，剔除早期故障的陶瓷骨架或线圈组合体。这种措施只能减少问题发生概率，而且经济成本、时间成本较高。

为了更好地解决在高温、大角速率工作状态下，力矩系数发生波动问题，结合线圈组合体结构进行分析，对线圈组合件提出无骨架结构方案。用自粘性导线绕制线圈，使用专用工装将线圈高温固定成型，高、低温循环稳定处理去除应力后，直接粘接在铜质底座上。无骨架线圈组合件结构示意见图6。

将装有无骨架线圈组合件的双轴永磁动铁式力矩器安装在相同的电机上，组合成相同角速率测量系统。图7为无骨架线圈组合件装配实物。

图6 无骨架线圈组合件结构示意 图7 无骨架线圈组合件装配实物

将装有无骨架线圈组合件的系统安装在转台上，相同的温度条件下，按±1、±3、±5°/s进行角速率试验，试验结果见表5。

表5 装有无骨架线圈组合件系统的角速率试验结果

从表5可以看出：力矩器的两个轴非线性均小于0.001，与陶瓷骨架线圈组合件的标度因数非线性相当，但铜底座易加工，精度易保证，成品率较高，几乎没有报废，尤其在后期使用过程中，不会产生裂纹影响标度因数非线性误差。另外，无骨架线圈组合件在高温、低温环境条件下，其力矩系数变化较小，不大于20×10，在大角速率试验中，其力矩系数波动小。

5 结论

通过以上试验及工程应用分析，线圈组合件的稳定性是影响双轴永磁动铁式力矩器力矩系数稳定性的重要因素。在长时间高温、大角速率的工作状态下，陶瓷骨架容易产生微小裂纹，使力矩系数产生波动，影响系统标度因数非线性。同时，陶瓷骨架线圈组合件的力矩器在加工过程中，成品率低，为了减小故障发生率，需进行长时间高、低温稳定处理及振动筛选，时间及经济成本高。

无骨架线圈组合件的力矩器在加工、成品率方面均优于陶瓷骨架线圈组合件，装配成型后，在温度、大角速率试验过程中，不会发生裂纹故障，力矩系数波动较小，能够保证系统标度因数非线性要求。为了提高力矩系数的稳定性，在后续工程应用中，需进行深入分析线圈成型、稳定处理技术以及非圆性误差补偿等，对高、低温及力学环境下线圈变形开展大量试验验证，从而保证系统对标度因数稳定性的要求。