基于Creo/Simulate的高低溫下感應同步器繞組間距變化研究

占宏偉, 胡勇翔, 張洪征

（北京航天計量測試技術研究所，北京100076）

0 引 言

三軸轉臺是航空、航天等領域中對慣導系統進行地面半實物仿真和測試的關鍵設備，其主要作用是對慣導系統進行姿態、位置模擬及速率測試，其角度測量系統是整個系統的角位置讀出裝置，同時也是位置反饋通道，系統控制精度主要取決于角度測量系統的精度。

在轉臺的角度測量系統中，常用的測角傳感器為光柵編碼器和感應同步器。光柵編碼器具有測量精度高的特點，但由于光柵盤材料一般為玻璃，在高低溫環境下無法使用。感應同步器是一種電磁傳感元件，利用電磁感應原理進行角度測量，可以將角位移信號轉換成電壓信號，其多極結構的設計可對誤差有平均效應，起到了補償的作用，且耐高低溫環境。因此，感應同步器具有很高的精度，被廣泛應用在航空、航天等軍事領域。

圖1 感應同步器

1 技術狀態分析和問題分析

某溫控三軸轉臺主要由三軸轉臺和溫控箱組成，其結構形式如圖2所示。

該溫控三軸轉臺為UOO型結構形式，位置精度為±3"，工作溫度為-45～+70 ℃。轉臺的中、內框軸系均在溫箱內部工作，由于轉臺的低溫范圍較寬，因此中、內框軸系采用感應同步器作為測角傳感器，其型號和參數如表1所示。

該溫控三軸轉臺在進行高低溫測試時發現俯仰軸系的角度位置顯示值波動過大的現象，波動峰峰值最大達到30″，遠遠超出了轉臺的位置精度指標（±3″）。初步分析，是感應同步器的轉子和定子之間的間距（即繞組間距）在高低溫下的變化量過大造成的。為了分析感應同步器繞組間距的變化量，利用三維軟件Creo/Simulate模塊分析三軸轉臺中感應同步器定子、轉子在高低溫載荷下的變形位移情況。

圖2 某溫控三軸轉臺的結構形式示意圖

表1 T9型感應同步器參數

2 感應同步器繞組間距的有限元分析

2.1 Creo/Simulate簡介

Creo/Simulate是集靜態、動態結構分析于一體的有限元分析模塊，能夠模擬真實環境對模型施加約束和載荷，測算模型的應力、應變、位移等參數，實現靜態、翹曲、疲勞、頻率、振動等分析并為模型尋找最佳參數。結構設計主要完成三個基本工作，分別是結構強度與壽命評估、結構優化和有限元分析。本文主要利用其有限元分析的功能，分析轉臺中的感應同步器在溫度載荷下的變形。其分析流程為：建立模型→定義分析→創建網格→提出解決方案。

2.2 分析前處理

2.2.1 模型的建立與簡化

溫控三軸轉臺俯仰軸系的主要零件為框架、軸、軸承、電動機、感應同步器定子、感應同步器轉子、感應同步器安裝座等，為了縮短軟件的運行時間，提升運算效率，建模過程中對若干零件和特征進行了簡化處理，建模完成后的三維模型如圖3所示，其內部結構示意圖如圖4所示。

圖3 溫控三軸轉臺俯仰軸系的三維模型

圖4 溫控三軸轉臺俯仰軸系內部結構示意圖

感應同步器的內部結構分為轉子和定子，從圖4中可知，感應同步器轉子通過轉子座與主軸進行固定，定子通過定子座與框架進行固定。

2.2.2 材料屬性的設置

各零件的材料屬性如表2所示。感應同步器轉子和定子的三維模型如圖5所示。溫控三軸轉臺俯仰軸系中各零件材料的相關參數如表3所示。

2.2.3 測量點的設置

感應同步器是利用兩繞組的感應耦合原理制成，為了盡可能地準確測量繞組間距，分別在定子和轉子的繞組邊緣處設置了4個測量點，其x、y坐標依次為P1（0，+72.5）、P2（0，+95）、P3（0，-72.5）、P4（0，-95），如圖6所示。

表2 零件材料

圖5 感應同步器轉子和定子的三維模型

表3 零件的材料參數

2.2.4 網格的劃分

缺省時，Creo/Simulate以P方法對模型自動劃分網格，它采用適應性P -method技術，在不改變單元網格劃分的情況下，靠增加單元內插值多項式的階數來達到設定的收斂精度。

2.2.5 約束和載荷

將溫控三軸轉臺俯仰軸系設置約束，約束外框與主軸連接處的端面，并分別設置高溫載荷（+70 ℃）和低溫載荷（-45 ℃），參考溫度均為+20 ℃。

圖6 感應同步器轉子和定子的測量點

2.3 有限元分析結果

對溫控三軸轉臺的俯仰軸系模型進行有限元分析，得出溫控三軸轉臺俯仰軸系的變形云圖如圖7所示。

圖7 高溫和低溫載荷下溫控三軸轉臺俯仰軸系的變形云圖

感應同步器的繞組間距在高溫載荷和低溫載荷下的變化分別如表4、表5所示。

2.4 更換材料后的有限元分析結果

3 結 語

本文從某溫控三軸轉臺的俯仰軸系角位置數據波動異常出發，利用Creo/Simulate模塊分析了感應同步器繞組間距在高低溫載荷下的變化，并采用材料變化補償的方式解決了感應同步器繞組間距在高低溫下變形過大從而引起無法正常工作的問題，成功提高了信號的穩定性，解決了轉臺角位置讀數波動過大的問題。對今后溫控三軸轉臺的設計及高低溫下感應同步器的應用具有指導意義。