Описание чувствительного элемента - БГТУ.
1. Описание и обоснование выбора конструкции гироскопа в целом.

Конструкция гироскопа БГТУ схематически показана на рис. 2.
Маховик (1) гироскопа имеет колоколообразную форму и установлен во внутреннее
кольцо   сферической   шарикоподшипниковой   опоры   (3).   Диаметр   маховика   (1)
ограничивается   лишь    размерами    кожуха   (4)    гироскопа,    что    обеспечивает
максимальный кинетический момент и наиболее выгодное соотношение развиваемого
; кинетического момента к объему пространства занимаемого гироскопом.
»	Сферическая   шарикоподшипниковая   опора  (3)   обеспечивает  три   степени
свободы маховика (1), допуская неограниченный угол поворота вокруг собственной
оси вращения (ось X) и ограниченный углы (до 40' в обе стороны) поворота вокруг
двух других осей (оси Y и Z). Маховик (1) приводится во вращение гиродвигателем,
статор     (5)     которого     установлен     на     наружном     кольце     сферической
шарикоподшипниковой опоры (3), а ротор двигателя (6) закреплен непосредственно
на маховике (1). Радиальный шарикоподшипник (12) выполняет роль упора и служит
для механического ограничения углов поворота маховика (1) вокруг осей Y и Z. Для
регистрации   углов   поворота   маховика   (1)   относительно   платы   (11),   вокруг
измерительных  осей  Y   и  Z. предназначены  датчики  угла  гироскопа  (9).   Для
обеспечения поворота маховика (1) в пространстве предназначены датчики момента
(14) гироскопа. Статорные части датчиков угла (9) и момента (14) расположены на
плате (11),  а общим  ротором  этих датчиков является  ферритовое  кольцо  (8),
закрепленное в торцевой части маховика (1). Гироскоп выполнен герметичным и
заполнен водородом до давления 750 мм рт.ст. в целях снижения аэродинамического
момента сопротивления,  и  его  влияния  на  постоянную  составляющую  дрейфа
гироскопа (через проекции этого момента на оси чувствительности гироскопа). Для
съема и  подачи  электрических  сигналов  на  гироскоп  служат  гермовводы   (7),
выполненные непосредственно в плате корпуса (11).
• Выбранная конструкция гироскопа отличается простотой и, следовательно,
высокой технологичностью производства по сравнению с гироскопами, имеющими
обычный карданов подвес, и одновременно обеспечивает достижение требуемой,
довольно высокой точности гироскопа. Указанные преимущества обуславливаются
следующими основными особенностями конструктивной реализации гироскопа, типа
БГТУ:
единая сферическая шарикоподшипниковая опора, сочетающая функции подшипников ротора гиродвигателя и подшипников рам карданова подвеса и реализующая принцип уменьшения трения Жуковского, согласно которому момент трения направлен противоположно вектору относительной угловой скорости вращения колец шарикоподшипника и в данном случае практически не проектируется на оси чувствительности гироскопа;
отсутствие рам карданова подвеса, а, следовательно, их влияния на
поведение свободного гироскопа (возмущающие инерционные моменты по
осям чувствительности гироскопа);
	|1
отсутствие гибких токоподводов к статору гиродвигателя, которые в
гироскопах с кардановым подвесом создают дополнительные возмущающие
моменты.

■

О

12

2. Описание и обоснование выбора основных узлов конструкции.
Сферическая шарикоподшипниковая опора. Сферическая шарикоподшипниковая опора (3) является одним из основных элементов гироскопа, определяющим его рабочие характеристики и, в конечном итоге, точность.  Эта опора обеспечивает неограниченный угол  поворота по оси собственного вращения ротора и ограниченные углы поворота по двум другим осям (оси прецессии / чувствительности). В качестве такой опоры в гироскопе БГТУ используется   подшипник   шариковый   сферический   двухрядный   специальный  4-
851814Е ТУ.37.006.105-80, разработанный Всесоюзным научно-исследовательским
конструкторско-технологическим    институтом    подшипниковой    промышленности
(ВНИПП)   по  техническому  заданию   предприятия   п/я   М-5845   специально   для
гироскопов типа БГТУ. В настоящее время данных о разработке других сферических
подшипников не имеется. Подшипник 4-851814Е, изготавливаемый опытным заводом
Загорского  филиала  ВНИПП,  соответствует  гироскопу  БГТУ  по  точностным   и
габаритным характеристикам.
Конструкция   сферического   шарикоподшипника   4-851814Е   разработана   с
использованием авторского свидетельства СССР №579465.
В соответствии с этим изобретением в средней части внутренней цилиндрической
поверхности сепаратора выполнена сферическая канавка с целью упрощения сборки и
уменьшения возникающего момента сил терния.
Гиродвигатель.
Гиродвигатель является одним- из основных узлов гироскопа и оказывает непосредственное влияние на его точностные характеристики (температурная стабильность, постоянство частоты вращения, поля рассеяния и т.д.). В связи с жесткими требованиями по величине дрейфа и стабильности скорости управления гироскопа в качестве приводного гиродвигателя был выбран синхронный гистерезисный двигатель (СГД), работающий в режиме перевозбуждения (для улучшения энергетических показателей двигателя и его стабильности в целом).
Электромагнитный момент гистерезисного двигателя связан с гистерезисом перемагничивания активной части ротора, которая выполняется из магнитотвердого материала в виде пустотелого цилиндра, лишенного явно выраженных полюсов и
13

какой-либо обмотки.  В  гироскопе БГТУ активная часть ротора изготавливается
сплошной из металлокерамического магнитотвердого материала. Статор гистерезис
ного двигателя монолитный, изготовленной методами порошковой металлургии, с
уложенной в пазы трехфазной обмоткой. Материал ротора гистерезисного двигателя
первоначально не намагничен, он намагничивается непосредственно при помощи
поля статора. При повороте магнитного поля статора между ним и наведенными на
роторе полюсами появляется пространственный сдвиг, обусловленный гистерезисом
перемагничивания материала ротора, и возникает электромагнитный момент (ротор
как бы стремиться совместить свой собственный  вектор магнитной  индукции  с
вектором магнитной индукции статора). В процессе пуска и разгона, когда ротор
вращается    с    меньшей    скоростью,    чем    скорость    поля,    материал    ротора
перёмагничивается и в нем выделяются потери пропорциональные скольжению. При
синхронизации ротора и поля потери на перемагничивание магнитного материала
уменьшаются (практически отсутствуют) и двигатель работает как синхронный с
магнитным возбуждением.	• ,
Одним из основных недостатков гистерезисного привода является нестабильность магнитного состояния ротора вследствие его постоянного намагничивания и малое значение коэффициента мощности из-за того, что значительная часть мощности подводимой к статору необходима для перемагничивания ротора. Для повышения энергетических показателей двигателя (коэффициента мощности и КПД), а также для стабилизации магнитного состояния ротора применяется режим перевозбуждения гистерезисного двигателя для повышения намагниченности ротора. Метод перевозбуждения осуществляется повышением напряжения питания на время пуска с последующим снижением его в рабочем режиме до номинального значения. Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя в режиме перевозбуждения аналогичен работе синхронного двигателя постоянными магнитами (на роторе). Помимо улучшения энергетики двигателя, при применении режима перевозбуждения также снижаются возмущающие моменты, обусловленные полями рассеяния при перемагничивании ротора (моменты тяжения двигателя), приводящие к образованию постоянной составляющей ухода гироскопа. Питание гистерезисного двигателя осуществляется от   статического   преобразователя   напряжения   питания,   имеющего   стабильную
14

частоту, что позволяет достичь высокой стабильности скорости вращения ротора двигателя и, следовательно, кинетического момента гироскопа.
Напряжение питания двигателя имеет квазипрямоугольную форму с наложенными в рабочем режиме на основной сигнал импульсами перевозбуждения для стабилизации магнитного состояния ротора и поддержания его работы в режиме перевозбуждения (импульсное регулирования СГД в режиме перевозбуждения по определенной заранее программе).
В процессе разработки гиродвигателя был использован целый ряд изобретений. Ротор двигателя изготовлен из магнитотвердого сплава на основе железа, защищенного авторским свидетельством СССР №629774.
В соответствии с авторскими свидетельствами СССР №818244, 10032888, 1^7118 сформировано электропитание гистерезисного двигателя, которое позволило повысить точность гироскопа и снизить потребляемую им мощность. Согласно авторскому свидетельству СССР №225098 разработана последовательно-параллельная схема включения обмоток статора гиродвигателя, позволяющая снизить уровень создаваемых двигателем возмущающих моментов. С учетом авторского свидетельства СССР №169106 внешняя рабочая поверхность магнитопровода статора выполнена бочкообразной формы, что позволило качественно улучшить точностные характеристики гироскопа за счет компенсации моментов тяжения двигателя. В соответствии с авторскими свидетельствами СССР №162275, 199805, 212932 и по заявке №3933286 разработана методика регулировки уходов гироскопа за счет регулировки различным путями моментов тяжения двигателя и соответствующая конструкция двигателя (с регулировочными винтами в статоре).
Датчики угла.
Для регистрации угла поворота маховика в гироскопе БГТУ разработан трансформаторно-индукционный датчик угла, принципиальная схема конструкции которого показана на рис.3,а. Неподвижная (статорная) часть датчика угла (см. рис.3,а) представляет собой П-образный сердечник (1) из металлокерамики, на который одеты две одинаковые катушки (2); одна из этих катушек является обмоткой возбуждения, а вторая - сигнальной обмоткой. Датчик угла по каждому каналу гироскопа содержит два таких сердечника (1) с катушками (2), расположенных диаметрально и смещенных относительно осей чувствительности гироскопа на угол
15

45 . Ротором датчиков* угла и одновременно датчиков момента гироскопа является ферритовое кольцо (3), закрепленное в торцевой части маховика.
Схема соединения обмоток датчиков угла показана на рис. 3,6. Обмотки возбуждения датчика угла одного канала соединены последовательно подключены параллельно с обмотками возбуждения датчика угла другого канала к источнику переменного тока напряжением 8±0,4В частоты 11600±93Гц. Сигнальные обмотки вместе с резисторами Rl, R2 (канал У) или R3, R4 (канал Z) образуют мостовую схему. Съем выходного сигнала датчика угла осуществляется с диагонали мостовой схемы, образованной средними точками сигнальных обмоток и резисторов. При подаче напряжения питания на обмотки возбуждения датчика угла на сигнальных обмотках трансформируется напряжение. Суммарная величина этого напряжения на обеих сигнальных обмотках практически не зависит от положения маховика (при малых углах поворота) и выполняет роль напряжения питания мостовой схемы.
Воздушные зазоры между ферритовым кольцом (3) и сердечниками (1) датчика угла при нейтральном положении маховика равны, индуктивности обеих сигнальных обмоток одинаковы и мост сбалансирован.
При повороте маховика относительно нейтрали указанные воздушные зазоры изменяются: для одного сердечника воздушный зазор увеличивается, а для другого уменьшается. При этом индуктивность одной сигнальной обмотки увеличивается, а другой - уменьшается. В результате этого баланс моста нарушается и на выходной диагонали мостовой схемы появляется напряжение, пропорциональное углу поворота маховика. Изменение направления поворота маховика вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180°, т.е. характеристика датчика угла является реверсивной. Резисторы R5 (канал У) и R6 (канал Z), подключаемые при необходимости параллельно одному из резисторов, образующих плечи мостовой схемы, обеспечивают регулировку (требуемое смещение) «нулей» датчиков угла.
Выбранные датчики угла сочетают в себе преимущества трансформаторных и индукционных датчиков. Они не создают относительно измерительной оси момента сил сухого трения, т.к. являются бесконтактными, а моменты, обусловленные силами притяжения ротора к сердечникам, направлены в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Трансформаторная развязка мостовой   схемы   от   источника   питания   и   «заземление»   одного   из   выходных
16

проводников датчика позволили значительно снизить уровень помех (наводок) в сигнале. В соответствии с требованиями датчики обеспечивают регулировку «нуля». Кроме того они просты в изготовлении и надежны в эксплуатации.

Датчики момента.
Для создания управляющих моментов в гироскопе БГТУ используются электромагнитные датчики момента, работающие на постоянном. токе. Конструктивно датчик момента, изображенный на рис. 4 , подобен датчику угла и содержит по каждому каналу два диаметрально расположенных на плате и совмещенных с осями чувствительности гироскопа сердечника (1) из металлокерамики. На средний стержень каждого сердечника, имеющего Ш-образную форму, надета катушка управления (2). Ротором, общим для датчиков угла и датчиков момента, является ферритовое кольцо (3).
Главные достоинства электромагнитных датчиков заключаются в их конструктивной и технологической простоте и возможности получения значительных по величине моментов (в случае питания постоянным током). Кроме того выбранная конструкция датчиков момента позволяет значительно сократить габариты гироскопов благодаря рациональному размещению в общих небольших габаритах элементов датчиков момента и использованию для них общего ротора. Особенностью
17