應用于動力調諧陀螺儀的磁力軸承的設計

段紹鋒，李 強，馮柯文

(1.駐重慶地區軍代室，重慶 400039;2.駐157 廠軍代室，重慶 611930)

軸承是動力調諧陀螺儀中的關鍵部件，對于陀螺儀的壽命和精度至關重要。由于無法突破傳統機械滾珠軸承的工藝難關，即無法降低軸承的精度誤差和提高使用壽命，故而大膽地考慮采用先進的磁懸浮技術，用磁力軸承來取代傳統的機械軸承。

1 磁力軸承的原理與優勢

磁力軸承又稱磁懸浮軸承，是利用電磁鐵將轉子懸浮起來，并利用傳感器，進行反饋控制支承裝置。其原理如圖1所示。

圖1中是徑向磁力軸承的示意，只畫了一個方向的電磁鐵，理論上，電磁鐵的分布是對稱的。當磁力軸承工作時，電磁鐵對轉子產生吸引的磁力，改變其位置。傳感器將轉子的位置測出后，反饋給控制器處理，輸出控制信號，由功率放大器轉換成電流或者電壓信號，輸入電磁鐵，改變其對轉子的吸力。軸向磁力軸承的原理和徑向磁力軸承是相同的，區別只是在于電磁鐵的排布。

圖1 磁力軸承工作原理

現在普通的傳感器精度可以達到0.01 ～0.001 mm，因此，磁力軸承的定位精度至少可以達到微米量級。承載力視不同場合而定，如SKF 公司的磁力軸承銑削主軸部件的前徑向軸承承載力為4 000 N，后徑向軸承的承載力為2 000 N，軸向軸承的承載力為1 000 N。幾乎與機械軸承不相上下。

相比傳統的機械軸承，磁力軸承具有以下優點:

1)磁力軸承無接觸，無摩擦，因此完全消除了磨損，可以極大地提高軸承的壽命。對于磁力軸承而言，它的壽命主要決定于控制電路元件的壽命，這比機械軸承由于應力疲勞而磨損的壽命長得多。即使電路元件損壞了，也可方便地通過外電路的更換或者設計冗余電路來彌補，這比更換機械軸承的部件方便得多。因此理論上，磁力軸承的壽命是無限的。可見，使用磁力軸承可以解決當前動力調諧陀螺儀壽命不足的問題。

2)磁力軸承無需潤滑，也不會因為潤滑劑而污染工作環境。因此，采用磁力軸承可以完全克服由于陀螺儀工作時高溫低壓使得潤滑劑揮發帶來的影響。

3)發熱少，功耗低。磁力軸承僅由磁滯和渦流引起很小的磁損，因而效率高，功耗僅為普通軸承的十分之一。由于沒有摩擦，可以大大減小陀螺儀的發熱，使得轉子的工作環境趨于穩定，解決由于溫度變化而造成陀螺儀轉子工作環境中氣體介質的阻尼發生變化而產生的干擾，從而提高陀螺儀精度。

4)磁力軸承支持高轉速。提高轉速意味著增大轉子的角動量，有利于陀螺儀的穩定性提高。而目前由于機械軸承的限制，只能做到10 000 r/min 左右，如果能脫離軸承的限制，則可以提高到30 000 r/min，這樣還能允許撓性接頭的彈性剛度設計得更大些，提高抗沖擊能力。

5)可以通過外部電路的調節，改變轉子的位置，便于裝配、調節。而且可以通過實時監測，獲取軸承和轉子的所有工作信息，以便于性能的評估和問題的分析。

6)軸承可以自動繞慣性主軸旋轉，而不是繞支承的軸線轉動，因此消除了質量不平衡引起的附加振動;此外，可以通過控制環節的調整，適當改變軸承的阻尼，衰減各種干擾振動，有望從源頭上減小航向效應。

7)磁力軸承的耐環境性強，能在極高或者極低的溫度下(-253℃～+450℃)下工作。從而可以緩解由于陀螺儀內部抽真空而造成的難以散熱的影響［1］。

2 磁力軸承的設計

軸向磁力軸承的結構如圖2 所示。

圖2 軸向磁力軸承結構示意圖

圖2中，為簡便起見，省略了止推盤另一側對稱的定子繞組。為了充分利用材料，通常采用等磁阻原則，令各段的磁極面積相等。故而，有磁極面積A1=磁極面積A2，因此，外磁極窄，而內磁極寬。

徑向磁力軸承的結構如圖3 所示。

圖3 徑向磁力軸承結構示意圖

設計采用8 極徑向磁力軸承。(定子中的每1 個齒即為1 個極)每2 個極組成1 個電磁回路。位置對稱的1 組電磁回路極控制1 個方向上的自由度。之所以選擇8 極是因為:①由于極數必須成對，而成對的極構成的電磁回路也必須成對，因此，極數必須是4 的整數倍;②根據力學分析，隨著極數的增加，有效的承載力會降低，故而應盡量選用低極數的結構;③雖然4 極磁力軸承理論上承載力最大，但是由于存在嚴重的磁耦合，加之陀螺儀中的驅動軸比較細，無法容納多磁極結構，故而選用磁耦合很小的8 極結構。磁極數與磁力軸承的承載力關系見表1。

表1 磁極數與磁力軸承的承載力關系

磁力軸承的簡化模型如圖4 所示。

圖4 磁力軸承簡化模型示意圖

根據目前動力調諧陀螺儀實際情況，設計了磁力軸承的總體結構如下:

1)設計方案一

圖5 磁力軸承結構設計方案一

該方案采用了傳統的設計，使用3 組磁力軸承，其中2組為徑向磁力軸承，限制驅動軸的徑向平動和徑向轉動;另1組為軸向軸承，限制驅動軸的軸向平動。這是目前磁力軸承實際運用中最常見的一種布局。其主要優點是:結構穩定，容易加工，各個方向的自由度獨立，沒有耦合，易于控制。但是不足之處在于由于需要使用3 組磁力軸承，體積較大，可能對現有產品要求改動的地方較多［2］。

2)設計方案二

圖6 磁力軸承結構設計方案二

該方案采用了圓錐磁力軸承，僅僅使用兩組軸承就能滿足對驅動軸五個自由度的控制。該方案相比方案一，結構緊湊，更適宜于在陀螺儀中的運用。但是該方案對加工和裝配的要求較高，而且每組軸承中的軸向和徑向平動有耦合作用，這就要求在后續控制電路中必須解耦合，因此控制電路會復雜許多［3］。

通過討論，決定采用傳統的磁力軸承系統，也就是兩組徑向軸承和一組軸向承組合工作。選擇這個結構的原因是:①結構加工方便，精度容易保證;②各個方向的自由度容易控制，不會產生耦合干擾，穩定性、可靠性大;③相比錐形磁力軸承，兩者的傳感器、控制器和反饋回路數量相當，成本差別不大。大致的設計圖如圖7 所示。

首先，把原來的直流驅動電機部分從傳統的撓性陀螺儀的軸端部移到了軸中部。這樣主要是為了更好地節省空間。由于磁力軸承要求轉軸的直徑必須比較粗，這樣才便于分離各個自由度上的誤差，避免產生耦合。因此，設計轉抽從原來的直徑5 mm 增加到了現在的直徑20 mm。而這正好與一般撓性陀螺儀中的驅動電機部分的直徑30 mm 比較接近。

圖7 陀螺磁力軸承系統總體設計

其次，把旋轉軸的兩端做成圓錐形，并嵌以永磁鐵，配合外殼基座上的用磁鐵組成2 組無源磁力軸承。該組軸承的不要求其定位精度，主要作用在于令軸體在不工作斷電時，也處于懸浮狀態，便于啟動。同時也可以避免磁力軸承斷電后，軸體與殼體基座發生機械碰撞。

盡管目前采用的是方案一，但是在該款磁力軸承技術成熟之后，在此基礎之上，可以實現方案二。

3 結束語

分析了磁力軸承的原理和優勢，設計了兩種磁力軸承結構，對提高動力調諧陀螺儀精度和壽命提供了一條新的思路。

［1］R.H.弗雷澤，P.J 基林森，G.A.奧伯貝克.磁懸浮和電懸浮［M］.廖朝佩，李鳳山，楊俊棋，譯.北京:國防工業出版社，1982.

［2］虞烈.可控磁懸浮轉子系統［M］.北京:北京科學出版社，2003.

［3］張炎華.陀螺支承系統［M］.上海:上海交通大學出版社，1987.