一種動力陀螺磁場系統及其設計製造方法與流程
2023-05-21 12:17:16 1
本發明涉及的航空航天類產品結構的磁場系統技術領域，具體涉及一種動力陀螺磁場系統及其設計製造方法。
背景技術：
動力陀螺的工作原理是利用高速旋轉的陀螺轉子具有的動量矩，使陀螺轉軸在慣性空間中保持穩定指向。武器型號上應用的動力陀螺，一般陀螺轉子與反射鏡等光學元件集成為一體，其結構緊湊、空間佔用少，同時動力陀螺一般採用線圈驅動，其控制規律簡單，技術成熟，工作穩定，成本較低。動力陀螺以其具有的諸多優越性，被廣泛地應用於航空、航天產品中，特別是制導武器領域。
武器型號上使用的動力陀螺，一般由線圈部件與磁鋼配合，利用電磁感應原理，實現動力陀螺的起轉、高速旋轉和快速進動。在線圈匝數、電源參數等指標固定的情況下，動力陀螺要實現更快的啟轉速度和進動速度，就需要磁鋼更高的磁性能，即厚度更大的磁鋼，而磁鋼厚度受到整個動力陀螺尺寸的限制，提升空間十分有限。另一方面，隨著型號靈敏閾要求的提高，對系統低噪聲的需求越來越高，磁鋼產生的洩漏磁場對探測器、信號輸出線纜、電子元件的磁幹擾，阻礙了系統低噪聲的實現。為此，需要對動力陀螺的磁場系統進行控制。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種動力陀螺磁場系統及其設計製造方法，一方面在線圈部件位置實現高磁感應強度，另一方面在探測器等電子元件位置實現低磁感應強度，從而達到系統要求的轉子旋轉速度和進動速度，以及滿足系統靈敏閾要求的系統噪聲。
本發明的一個技術方案為提供一種動力陀螺磁場系統，其包含：連接結構件，以及通過所述連接結構件承載的磁鋼、內導磁體、外導磁體；所述磁鋼位於外導磁體與內導磁體之間；所述外導磁體與磁鋼緊密連接；內導磁體與磁鋼相互分離。
優選地，所述動力陀螺磁場系統設置在動力陀螺的動力轉子中；所述動力陀螺的探測器組件安置在陀螺轉子的中心位置，所述內導磁體位於所述探測器組件與磁鋼之間；所述動力陀螺的線圈部件位於陀螺轉子的內部，且位於所述內導磁體與磁鋼之間；所述動力陀螺的信號輸出線纜在陀螺轉子的外側通過，所述外導磁體位於所述信號輸出線纜與磁鋼之間。
優選地，所述內導磁體在陀螺軸方向上的長度足以覆蓋磁鋼的長度；所述外導磁體在陀螺軸方向上的長度足以覆蓋磁鋼的長度。
優選地，所述探測器組件、信號輸出線纜所處位置，是滿足系統噪聲要求的低磁感應強度區域；所述線圈部件所處位置，是滿足啟轉速度和進動角速度要求的高磁感應強度區域。
優選地，所述磁鋼、內導磁體、外導磁體分別為圓環狀。
優選地，所述內導磁體使用軟磁材料，或經過退火處理的電磁純鐵製成；
所述外導磁體使用軟磁材料，或經過退火處理的電磁純鐵製成。
本發明的另一個技術方案，是提供一種上述任意一項動力陀螺磁場系統的設計製造方法，其中：
根據動力陀螺的旋轉速度和進動速度指標，利用電磁理論，結合陀螺轉子的質量、線圈參數，計算出線圈部件所處位置的磁感應強度需求值；
根據線圈部件所處位置的磁感應強度需求值、陀螺的內部空間，對磁鋼、內導磁體、外導磁體的結構尺寸進行設計，並製成磁場系統；
對安裝有磁場系統的陀螺樣機進行儀器測試和測試試驗，驗證線圈部件所處位置的磁感應強度測試值是否滿足磁感應強度需求值，同時驗證探測器組件、信號輸出線纜所處位置的磁感應強度是否滿足系統噪聲要求；
如果驗證不滿足的，對內導磁體和/或外導磁體的導磁參數進行調整後，製成新的磁場系統重新進行測試驗證。
優選地，對內導磁體和/或外導磁體的導磁參數進行調整，包含對磁導率材料、外形尺寸、布置方式之中的一項或多項進行調整。
優選地，對內導磁體和/或外導磁體的外形尺寸進行調整，包含對內導磁體和/或外導磁體的厚度尺寸進行調整。
本發明的積極效果為：
本發明的動力陀螺磁場系統，結構簡單、成本低，可移植性好，應用範圍廣泛；對磁鋼的磁性能提升效果明顯，對探測系統的屏蔽效果好，磁場系統與陀螺轉子融為一體，可靠性高。本發明設計靈活，通過合理布置磁導材料，可在動力陀螺內同時解決動力陀螺磁場系統高磁感應強度要求和探測系統低磁洩漏的需求。
附圖說明
圖1是本發明所述動力陀螺磁場系統的結構示意圖；
圖2是本發明一個實例中動力陀螺的布局示意圖；
圖3是本發明一個實例中動力陀螺磁場系統與陀螺轉子的位置關係及磁場強弱區域的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明實例進行進一步說明。
本發明提供一種動力陀螺磁場系統，作為動力陀螺轉子的一部分。將磁導材料布置於磁鋼的周圍，對磁鋼產生的磁場進行修正，以達到實際的使用要求。本發明通過合理布置磁導材料，可在動力陀螺內同時實現高磁感應強度區域及低磁感應強度區域。
如圖1所示，本發明的動力陀螺磁場系統，包含：磁鋼1、內導磁體2、外導磁體3、連接結構件4。其中，磁鋼1、內導磁體2、外導磁體3都成圓環狀，由所述連接結構件4組合起來。磁鋼1布置於外導磁體3與內導磁體2之間；外導磁體3與磁鋼1緊密連接，修正磁場的同時也作為磁鋼1的載體；內導磁體2與磁鋼1分離安裝。
在進行磁場系統的設計時，首先應確定動力陀螺的探測器、信號輸出線纜8、線圈部件6的安放位置。圖2示出了本例的探測器組件7、信號輸出線纜8、線圈部件6在陀螺轉子5中的布局：探測器組件7安置在陀螺轉子5的中心位置，以接受光學系統匯聚的目標信號；信號輸出線纜8在陀螺轉子5的外側通過；本例的陀螺結構緊湊，線圈部件6放置在轉子5內部以節省空間。
如圖3所示，考慮到低系統噪聲的需求，探測器組件7、信號輸出線纜8所處位置應布置為低磁感應強度區域10；並且，為了取得更快的啟轉速度和進動角速度，線圈部件6所處位置應布置為高磁感應強度區域20。以此作為磁場系統設計的基本要求之一。
為了滿足上述要求，首先安排磁鋼1位置，使線圈部件6位於內導磁體2與磁鋼1之間的空間；為了充分利用磁鋼1本身的磁場強度，磁鋼1應儘可能地貼近線圈部件6。探測器組件7與磁鋼1之間通過內導磁體2，來屏蔽磁場對探測器的磁幹擾；所述內導磁體2在陀螺軸方向上的長度應足以覆蓋磁鋼1的長度，儘量阻擋探測器與磁力線的接觸。外導磁體3作為載體與磁鋼1緊密裝配，外導磁體3在陀螺軸方向上的長度應足以覆蓋磁鋼1的長度，這樣外導磁體3和內導磁體2就將磁鋼1包圍起來，形成如圖3所示的高磁感應強度區域20，該區域內磁鋼1產生的磁場強度得到了加強。同時，利用外導磁體3的屏蔽作用，形成如圖3所示的低磁感應強度區域10，使外側的信號輸出線纜8受到的磁幹擾明顯減小。
內導磁體2和外導磁體3，採用高磁導率的材料製造而成，例如選用軟磁材料或經過退火處理的電磁純鐵。內導磁體2和外導磁體3材質的選擇和厚度尺寸等，都會直接影響磁場系統的效果。因此，根據不同的使用要求，可以對內導磁體2和外導磁體3各自的磁導率材料、外形尺寸、布置方式中的一項或多項進行適應選擇或調整，以實現不同的磁場迴路，從而將本發明的磁場系統應用於各種口徑的動力陀螺。本發明的方案具有良好的可移植性，應用範圍較廣。
為了合理布置磁導材料，在動力陀螺內同時實現高磁感應強度區域及低磁感應強度區域，在進行本發明所述動力陀螺磁場系統的設計時，首先應確定動力陀螺的旋轉速度和進動速度指標，利用電磁理論，結合陀螺轉子5質量、線圈參數，計算得到線圈部件6位置所需的磁感應強度值，根據陀螺的內部空間對磁鋼1、內導磁體2、外導磁體3的結構尺寸進行設計。通過對帶磁場系統的陀螺樣機進行儀器測試和測試試驗，驗證當前設計下線圈部件6位置磁感應強度值是否滿足使用，同時探測器等位置磁感應強度是否足夠小，以滿足系統低噪聲的要求。如果有不滿足的，可以通過對磁導材料的更換或對導體尺寸修改等方式進行磁場調整，最終保證磁場布置符合使用要求。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。