МАГНИТНАЯ СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМОГО ГИРОСКОПА
MAGNETIC SYSTEM OF DYNAMICALLY ADJUSTABLE GYROSCOPE

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ). В ДНГ маховик - носитель кинетического момента, соединен с валом посредством упругого подвеса, обеспечивающего свободу угловых перемещений маховика относительно вала.
Основным элементом ДНГ является магнитоэлектрический датчик момента. Работа такого датчика основана на взаимодействии постоянного магнитного поля ротора с обмоткой статора, по которой протекает ток.
Известны ДНГ [1, 2], в которых магнитоэлектрический датчик момента выполнен следующим образом. Якорем датчика является маховик гироскопа, выполненный в виде П-образного магнитопровода, в котором установлен постоянный магнит или ряд магнитов, создающих в рабочем зазоре магнитопровода постоянное поле, вектор магнитной индукции которого направлен радиально. Статор датчика представляет собой расположенные в зазоре якоря равномерно расположенные по окружности четыре обмотки, закрепленные на корпусе гироскопа. Сила взаимодействия F обмоток датчика момента с магнитным полем магнитной системы якоря прямо пропорциональна току катушки I и индукции В в рабочем зазоре магнитной системы, т.е. F=В I. Индукция в рабочем зазоре магнитной системы определяется ее конструкцией и свойствами используемых магнитных материалов.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является магнитная система [3], которая содержит кольцевой сердечник с П-образным сечением из магнитомягкого материала. На одном выступе сердечника закреплен магнит с радиальной намагниченностью, который образует со вторым выступом сердечника рабочий зазор.
Полюс магнита, обращенный к рабочему зазору, может иметь полюсный наконечник.
Данная система имеет малые габариты и обеспечивает низкую инерционность ротора.
Недостатком данной магнитной системы являются потери энергии системы за счет концентрации поля у кромок магнита и полюсного наконечника.
Задачей, на решение которой направленно изобретение, является снижение потерь энергии магнитной системы ДНГ, вызванной концентрацией поля и кромок магнита в пользу энергии поля рабочего зазора, что повышает силу взаимодействия катушек статора датчика момента с магнитным полем ротора, при тех же габаритах магнитной системы, снижении массы и инерционности магнитной системы ротора.
Эта задача решается за счет того, что в магнитной системе гироскопа, содержащей кольцевой магнитопровод с П-образным сечением из магнитомягкого материала, на внутреннем выступе которого закреплен магнит с радиальной намагниченностью, образующий с внешним выступом магнитопровода рабочий зазор, согласно изобретению кромки полюсного наконечника и (или) магнита закруглены.
Существенным отличием заявленного изобретения является закругление кромок полюсного наконечника и (или) магнита, позволяющее снизить потери энергии магнитной системы ДНГ, вызванной концентрацией поля у кромок магнита, в пользу энергии поля рабочего зазора, в результате чего повышается сила взаимодействия катушек статора датчика момента с магнитным полем ротора, при тех же габаритах магнитной системы, снижении массы и инерционности магнитной системы ротора.
На Фиг.1 показана магнитная система ДНГ и линии магнитного поля системы. На Фиг.2 показано закругление кромки полюсного наконечника (пунктирная линия). На Фиг.3 - распределение энергии магнитного поля в рабочем зазоре вдоль полюсного наконечника с незакругленными кромками.
На Фиг.4 - распределение магнитной индукции на средней линии рабочего зазора в магнитной системе ДНГ с незакругленными и закругленными кромками.
Магнитная система ДНГ состоит из кольцевого магнитопровода 1 с П-образным сечением, выполненным из магнитомягкого материала. На внутреннем выступе 2 магнитопровода закреплен кольцевой магнит 3 с радиальной намагниченностью. Магнит может быть набран из отдельных сегментов. На наружной поверхности магнита расположен полюсный наконечник 4, выполненный из магнитомягкого материала. Кромки полюсного наконечника закруглены, как показано пунктирной линией на Фиг.2. Полюсный наконечник может отсутствовать, тогда закругляются кромки постоянного магнита. Полюсный наконечник 4 образует с внутренней поверхностью наружного выступа 5 магнитопровода рабочий зазор 6.
Магнитная система ДНГ работает следующим образом. Постоянный магнит 3 с радиальной намагниченностью является источником магнитного поля системы. Рабочий магнитный поток выходит из северного полюса магнита, проходит через полюсный наконечник 4, рабочий зазор 6, в котором размещены катушки датчика момента (на Фиг.1 пунктиром показано местоположение катушек), входит в наружный выступ 5 магнитопровода 1, проходит по магнитопроводу и через нижний выступ 2 магнитопровода входит в южный полюс магнита 3. Величина индукции в месте расположения катушки определяет силу взаимодействия поля рабочего зазора магнитной системы ДНГ с током катушки. Чем выше средняя индукция магнитной системы, тем больше сила взаимодействия катушки с полем магнитной системы. На Фиг.3 приведено распределение индукции на средней линии рабочего зазора (показана штрихпунктиром на Фиг.1) в системе с закругленными кромками (кривая 1), здесь же показано распределение индукции в этой же магнитной системе, когда кромки не закруглены (кривая 2). Видно, что закругление кромок приводит к повышению индукции в рабочем зазоре. Эффект закругленных кромок заключается в следующем. При острых кромках полюсного наконечника, около кромок создаются зоны с высокой энергией магнитного поля. Это явление называется кромочным эффектом [4].
На Фиг.4 показано распределения плотности магнитной энергии около поверхности полюсного наконечника. Видно, что при движении от центра к кромкам плотность энергии магнитного поля увеличивается более чем на порядок. Но эта энергия магнитного поля не влияет на силу взаимодействия тока катушки статора и магнитного поля ротора, так как сосредоточена на кромках полюсного наконечника, где проводники катушки с током отсутствуют. Закругление кромок приводит к снижению энергии магнитного поля у кромок полюса. Магнитная энергия поля магнитной системы перераспределяется в пользу энергии магнитного поля рабочего зазора, увеличивается индукция в рабочем зазоре (кривая 1, Фиг.3), следовательно, возрастает сила взаимодействия тока катушки с магнитным полем ротора.
Кроме этого, закругление кромок полюсного наконечника и магнита магнитной системы ДНГ - это удаление металла с кромок полюсного наконечника и магнита, а следовательно, уменьшение массы магнитной системы и инерционности ротора ДНГ, что дополнительно улучшает характеристики прибора.
Таким образом, данное изобретение снижает потери энергии поля магнитной системы ДНГ в пользу энергии поля рабочего зазора, что повышает силу взаимодействия катушек статора датчика момента с магнитным полем ротора, при тех же габаритах магнитной системы. При этом снижается масса и инерционность магнитной системы ротора.
Данное изобретение используется в роторном вибрационном гироскопе РВГ-7.
Источники информации
1. Патент США №3354726, МПК G01C 19/02.
2. Патент США №3438270, МПК G01С 19/02.
3. Г.М.Виноградов, С.В.Кривошеев. Динамически настраиваемые гироскопы. -Казань, 2008, с.92.
4. С.М.Перминов. Исследование кромочных эффектов магнитного поля с учетом нелинейных свойств магнитных материалов методом математического моделирования.-Вестник ИГЭУ, 2011, №4, с.30-32.