孫文利，紀(jì) 斌，劉汝婧，郝磊磊，郝永勤，譚映戈

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

0 引言

高精度陀螺儀廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候自主導(dǎo)航、精確打擊與定位。當(dāng)前，美俄等發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略裝備均采用機(jī)電陀螺儀表，其精度及穩(wěn)定性對保證戰(zhàn)略裝備綜合性能起到了關(guān)鍵支撐作用。陀螺電機(jī)是機(jī)電陀螺儀的核心元件，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)形成角動量，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及性能可靠性直接影響陀螺儀的精度和壽命。

早在20世紀(jì)初期，Ansuz和Sperry利用直流有刷電機(jī)研制了較早的陀螺儀[1]。直流有刷電機(jī)因電刷有較大的接觸摩擦，在整流換向的過程中會產(chǎn)生電火花，降低了電機(jī)的可靠性，同時存在安全問題。后來逐漸改用異步電機(jī)，雖然其效率和穩(wěn)速精度不如直流電機(jī)，但其結(jié)構(gòu)簡單且可靠性更高。20世紀(jì)40年代初，隨著陀螺儀精度的不斷提高，對電機(jī)的要求也越來越高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度差的異步電機(jī)已不能滿足要求。

目前，陀螺電機(jī)普遍采用同步電機(jī)，雖然其力能指標(biāo)不高（η·cosφ）， 但轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度較好。同步電機(jī)有反應(yīng)式、磁滯式和永磁式三種。初期，反應(yīng)式和磁滯式電機(jī)的電磁性能不相上下。隨著磁滯材料的高速發(fā)展，從20世紀(jì)60年代開始，磁滯同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于陀螺儀中。隨著控制電路技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)不能自啟動的難題得以解決，具有高穩(wěn)速精度、低功耗優(yōu)勢的永磁同步電機(jī)也應(yīng)用于陀螺儀中。

氣浮軸承早在20世紀(jì)40年代就開始應(yīng)用于陀螺儀中[2]，但受加工手段和加工精度的限制，氣浮陀螺電機(jī)發(fā)展緩慢。隨著制造技術(shù)和工藝水平的不斷進(jìn)步，氣浮陀螺電機(jī)得以成功應(yīng)用。按照有無外部氣源，氣浮軸承可分為動壓和靜壓兩種形式。靜壓氣浮軸承需要單獨的外部氣源，而動壓氣浮軸承通過自身旋轉(zhuǎn)將氣體泵入軸承實現(xiàn)自供氣。采用動壓氣浮軸承支撐，電機(jī)正常運(yùn)行時軸承不接觸，有較長的使用壽命，可有效改善滾珠軸承摩擦力矩大和陀螺儀漂移誤差大的缺點，陀螺儀精度可提升近兩個數(shù)量級[3]。其次，因不需要外部氣源，可滿足系統(tǒng)小型化、輕量化的需求，動壓氣浮軸承成為目前高精度、長壽命陀螺電機(jī)的主要支撐方式。國外在20世紀(jì)50年代開始研制動壓氣浮軸承，美國從20世紀(jì)60年代開始研制的液浮陀螺18IRIG、10IRIG、TGG（第三代陀螺）和FGG（第四代陀螺）等全部采用動壓氣浮軸承，俄羅斯SS20～SS25導(dǎo)彈上的精密陀螺儀中也都采用動壓氣浮軸承，并且主要是半球型動壓氣浮軸承。國內(nèi)，動壓氣浮軸承的研制開始于20世紀(jì)70年代。近幾年，半球型動壓軸承得以研制并得到應(yīng)用。

縱觀國內(nèi)外陀螺電機(jī)的發(fā)展趨勢，主要的技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)在電機(jī)電磁特性、軸承支撐方式、材料選用、制造工藝和測試技術(shù)等方面。本文首先介紹了陀螺電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型和工作原理，并對比了不同陀螺電機(jī)類型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。其次，分析了幾種常見的氣浮軸承的結(jié)構(gòu)和承載方式，歸納了用于陀螺電機(jī)的動壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)要求。隨后，介紹了分析軸承氣動性能的常用方法，討論了槽型結(jié)構(gòu)對軸承氣動性能的影響。依據(jù)陀螺電機(jī)使用需求，介紹了氣浮軸承的常用材料，歸納了材料選用原則，總結(jié)了動壓氣浮軸承的關(guān)鍵制造工藝技術(shù)。針對陀螺電機(jī)性能測試，提出了一種能夠更準(zhǔn)確判斷電機(jī)可靠性的新技術(shù)。最后，對動壓氣浮陀螺電機(jī)的主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 陀螺電機(jī)類型

1.1 磁滯陀螺電機(jī)

磁滯電機(jī)的定子與普通交流電機(jī)的定子相同，轉(zhuǎn)子上安裝圓形磁滯環(huán)，由半硬磁材料疊壓而成，不需要預(yù)先磁化，其工作原理示意圖如圖1所示[1]。當(dāng)定子轉(zhuǎn)動某一角度時，轉(zhuǎn)子上的磁滯材料由于磁滯作用會滯后定子磁場一個角度θ，使氣隙磁力線被扭斜而產(chǎn)生切向力Ft驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

圖1 磁滯電機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過程Fig.1 Generation process of hysteresis motor torque

磁滯陀螺電機(jī)按定子、轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系可分為外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，定子部分在外側(cè)靜止不動，轉(zhuǎn)子在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，該結(jié)構(gòu)所需零件少，內(nèi)部可靠性較高。外側(cè)的定子繞組可直接通過電機(jī)外表面散熱，可簡化冷卻方案。文獻(xiàn)[4]提出了一種內(nèi)轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種新型陀螺電機(jī)提高了運(yùn)行過程中的性能穩(wěn)定性，縮短了啟動時間，溫升降低了20℃左右，有效減小了內(nèi)部損耗。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of inner rotor hysteresis gyroscope motor

外轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示[1]，轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)部件放置在電機(jī)外側(cè)，定子組件固定在電機(jī)內(nèi)部。該結(jié)構(gòu)可減小電機(jī)徑向尺寸，使陀螺儀的結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積更小。但其零件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要靠選配彈簧墊片來調(diào)整軸向壓力，造成裝配工藝復(fù)雜和材料膨脹系數(shù)難以匹配等問題。

圖3 外轉(zhuǎn)子磁滯陀螺電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of outer rotor hysteresis gyroscope motor

磁滯陀螺電機(jī)的設(shè)計方法主要可分為解析法、等效磁路法和有限元法。解析法的重點研究內(nèi)容是選擇合適的磁滯材料、回火溫度以及有效層尺寸[5]。為了提高電機(jī)的力能指標(biāo)，應(yīng)該使磁滯材料工作在磁滯角最大的區(qū)域內(nèi)，即最佳工作區(qū)，圖4為部分磁滯材料最佳工作區(qū)的特性曲線[5]。有效層尺寸可根據(jù)損耗最小原則來選擇。研究表明，為使損耗最小，在工作場強(qiáng)Hmr確定時，應(yīng)選擇盡可能小的工作磁密Bmr和盡可能大的比損耗系數(shù)Kr。解析法通過簡單明了的公式反映出電機(jī)性能與參數(shù)間的關(guān)系，但為了計算方便往往忽略了很多實際因素，因此準(zhǔn)確性較低。近年來，有多種計算機(jī)輔助設(shè)計方法誕生。印度理工學(xué)院用等效磁路法結(jié)合Matlab軟件來設(shè)計磁滯陀螺電機(jī)，并與測試結(jié)果進(jìn)行對比驗證[6]，結(jié)果相當(dāng)吻合?？ㄉ写髮W(xué)和德克薩斯A＆M大學(xué)合作對一臺功率為60W、轉(zhuǎn)速為6000r／min的磁滯電機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析，圖5為該電機(jī)的三維仿真模型。該仿真研究了氣隙長度、電機(jī)軸向長度、定子線圈匝數(shù)等對電機(jī)性能的影響[7]，提高了設(shè)計效率。

圖4 磁滯材料最佳工作區(qū)的特性曲線Fig.4 Best working area characteristics of hysteresis materials

圖5 磁滯電機(jī)的三維模型Fig.5 Three-dimensional model of hysteresis motor

在磁滯材料方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了一種用于制造陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁滯合金[8]。該合金在FeCoV4的基礎(chǔ)上，通過添加Cr元素，減少V含量，明顯改善了合金冷變形后對熱處理工藝的敏感性，獲得了性能優(yōu)于2J4的新型磁滯合金，同時超過了國外同類產(chǎn)品的水平。文獻(xiàn)[9]提出了一種非晶態(tài)軟磁合金磁滯陀螺電機(jī)，其鐵芯由厚度很?。s為30μm～40μm）的非晶態(tài)軟磁合金疊壓構(gòu)成，可有效降低鐵耗，減少電機(jī)發(fā)熱對陀螺儀表的不利影響，提高了陀螺儀表精度。但是，非晶合金工藝性不好，可靠性問題較多。

1.2 永磁陀螺電機(jī)

永磁陀螺電機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相同，因應(yīng)用在陀螺儀中而出現(xiàn)了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種永磁陀螺電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示[3]。其中，轉(zhuǎn)子分兩部分，永磁體裝在外轉(zhuǎn)子上，內(nèi)轉(zhuǎn)子用高磁導(dǎo)率的軟磁材料構(gòu)成。在內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間有定子，定子為可加工的陶瓷骨架，骨架上繞有空間相差90°的兩相繞組，繞組交替通以方波脈沖電流，此電流與轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的磁密相互作用，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的切向力。

圖6 永磁陀螺電機(jī)示意圖Fig.6 Diagram of permanent magnet gyroscope motor

與磁滯陀螺電機(jī)類似，永磁陀螺電機(jī)可分為外轉(zhuǎn)子永磁陀螺電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁陀螺電機(jī)。其中，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁陀螺電機(jī)可實現(xiàn)高精度、大過載。此外，為實現(xiàn)高精度，研究人員還提出了其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[10]提出了一種雙定子通孔軸承永磁陀螺電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中，軸承和軸套裝在轉(zhuǎn)子軸承孔內(nèi)，兩個止推板按動壓氣浮軸承的工作方式分別安裝在軸的左右兩端，轉(zhuǎn)子的左右兩端分別安裝一個定子，用外螺母固定在軸上。該電機(jī)采用通孔軸承和雙定子結(jié)構(gòu)，避免了軸承受定子污染以及軸承間隙變化。該電機(jī)適用于對高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性、低功耗、高精度要求較高的陀螺儀。

圖7 雙定子通孔軸承永磁陀螺電機(jī)Fig.7 Diagram of double stator through hole bearing permanent magnet gyroscope motor

永磁陀螺電機(jī)的設(shè)計方法主要可分為解析法和有限元法。其中，解析法是通過在磁路計算中引入修正參數(shù)，將電機(jī)中復(fù)雜的磁場簡化近似成一些集中參數(shù)，再利用等效電路法來計算電機(jī)的電磁特性。解析法由于對磁路模型進(jìn)行了簡化近似，得到的結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確，因此需要對電機(jī)中的磁場進(jìn)行數(shù)值分析與計算。文獻(xiàn)[11]對永磁陀螺電機(jī)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值計算，得出它們的磁路、氣隙磁場及本體外的漏磁場的分布形式及大小，圖8展示了該電機(jī)的三維有限元模型及內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。此外，該文獻(xiàn)還采用計算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計方法對永磁陀螺電機(jī)的有效直徑和氣隙長度進(jìn)行了分析，并討論了永磁體放置方式、無鐵芯定子及極數(shù)等對電機(jī)性能的影響。

圖8 永磁陀螺電機(jī)三維有限元模型及內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.8 Three-dimensional finite element model and magnetic flux density contour nodal solution for permanent magnet gyroscope motor

在永磁材料方面，文獻(xiàn)[12]提出了減少永磁材料的不可逆損失以及磁性能的自然衰減措施，提高了永磁體在長期使用過程中的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在使用Sm-Co永磁材料前進(jìn)行有針對性的時效處理，可提高其使用穩(wěn)定性。

與永磁陀螺電機(jī)相比，磁滯陀螺電機(jī)具有自啟動、結(jié)構(gòu)簡單及不需要控制電路等優(yōu)勢，但也存在工作電流和力能指標(biāo)較低、轉(zhuǎn)子材料成本較高、輸出轉(zhuǎn)矩小及低頻振蕩等缺點。而永磁陀螺電機(jī)中采用了高性能的永磁體和特殊的控制措施，其效率可以達(dá)到90%，減少了電機(jī)內(nèi)部及陀螺房中的發(fā)熱量，可有效減小陀螺的熱漂，提高陀螺儀的精度。目前，俄羅斯采用的磁滯陀螺電機(jī)使用了高壓起動加尖脈沖運(yùn)行的方式，進(jìn)一步提高了效率，提高了運(yùn)行中的抗干擾能力，與美國的永磁陀螺電機(jī)方案相當(dāng)。

2 軸承結(jié)構(gòu)形式

動壓氣浮軸承應(yīng)用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，在有相對運(yùn)動的潤滑表面之間形成楔形間隙。氣體的黏滯作用將氣體帶入楔形空間，產(chǎn)生動壓承載力，如圖9所示[13]。

圖9 動壓氣浮軸承原理Fig.9 Principle of aerodynamic bearing

動壓氣浮軸承要求能夠承受各個方向的負(fù)載，同時還要滿足穩(wěn)定性好、壽命長、體積盡可能小等要求。因此，動壓氣浮軸承常以組合軸承的形式出現(xiàn)。常見的氣浮軸承有以下四種形式：對置止推型、對置圓錐型、對置半球型和整球型，如圖10所示。根據(jù)動壓氣浮軸承工作所需承載方式，選取合適的軸承形式。

圖10 常見的氣浮軸承結(jié)構(gòu)Fig.10 Common structure of aerodynamic bearing

對置止推型軸承由柱形徑向軸承和圓盤形止推軸承所組成，如圖10（a）所示，徑向軸承主要承載徑向負(fù)載，止推軸承對置放置于徑向軸承兩側(cè)，主要承載軸向負(fù)載，同時起到轉(zhuǎn)子體對中的作用。

對置圓錐型軸承由一對互相對置的圓錐體組成，如圖10（b）所示，圓錐體的錐面可同時承載徑向和軸向負(fù)載，軸承整體性優(yōu)于對置止推型。

對置半球型軸承由一對互相對置的半球體組成，如圖10（c）所示，能同時承載徑向和軸向負(fù)載，軸承接觸位置的曲率存在差異，有益于降低軸承接觸摩擦，提高電機(jī)啟動性能。

整球型軸承由一個整球體組成，如圖10（d）所示，軸承中的氣模壓力沿徑向和軸向均有分量，能同時承載徑向和軸向負(fù)載，對球體的加工精度有較高要求。

除對置止推型軸承需要兩部分結(jié)構(gòu)分別承載徑向負(fù)載和軸向負(fù)載，對置圓錐型、對置半球型和整球型軸承均可同時承載徑向負(fù)載和軸向負(fù)載，它們之間的區(qū)別主要在于軸承零件加工方式和軸承氣動特性。

陀螺電機(jī)通常需要保證在大過載條件下電機(jī)仍能正常運(yùn)行，且質(zhì)心偏移量盡可能小。因此，其軸承一般具備以下特點：

1）為提供大過載下的支撐剛度，間隙要求一般在微米量級范圍。同時，為提供陀螺儀精度，對軸承的軸向、徑向等剛度也有一定的要求。

2）由于軸承間隙控制在微米量級范圍，軸承表面尺寸精度要求達(dá)到微米或亞微米，如軸承各截圓的圓度通常要求＜1μm，裝配后的軸承間隙測量值要達(dá)到亞微米的精度，軸承表面粗糙度也非常高。

3）在工作環(huán)境變化的情況下（如受力、溫度），軸承間隙應(yīng)保持不變，需要考慮各零件的材料性能匹配及受力狀態(tài)改變導(dǎo)致的軸承變形問題。

3 軸承氣動特性

為了提高氣體潤滑軸承的綜合性能，學(xué)者們研究了不同槽型結(jié)構(gòu)對動壓氣浮軸承性能的影響，提出了矩形槽、T型槽、人字槽、螺旋槽等槽型結(jié)構(gòu)。其中，人字槽和螺旋槽結(jié)構(gòu)對軸承性能影響的研究最為廣泛深入。螺旋槽軸承常用于氣體潤滑設(shè)計，對于軸槽軸承、止推軸承、球面軸承與圓錐軸承已有深入研究[14-15]。英國學(xué)者Whipple[16]最先將螺旋槽結(jié)構(gòu)引入氣體動壓潤滑推力軸承中，并成功應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中。Whiteley、Williams、James、Vohr等眾多學(xué)者對螺旋槽推力軸承進(jìn)行了大量的研究[17-18]，提出了窄槽法理論，綜合分析了槽型結(jié)構(gòu)、槽數(shù)等對軸承性能的影響。隨著數(shù)值仿真能力的提升，逐漸采用數(shù)值優(yōu)化方法并結(jié)合實驗驗證對刻槽推力軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[19-20]。

針對氣體螺旋槽軸承的性能，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。盧志偉等[21-23]研究了圓錐形氣體潤滑軸承，用有限差分法求解雷諾方程，并且進(jìn)行了實驗測試分析。柏莊等[24]用Fluent流體計算軟件分析了螺旋槽槽數(shù)、螺旋角、槽深、槽長比和槽寬比對軸承承載能力的影響。賈晨輝等[25-28]研究了錐面螺旋槽軸承和球面螺旋槽軸承的特性和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。

目前，采用數(shù)值仿真計算分析氣體螺旋槽軸承性能的方法主要有：有限差分法、有限單元法和計算流體動力學(xué)（CFD）模擬軟件分析。以對置半球螺旋槽軸承為例，結(jié)構(gòu)如圖11所示，它由兩個對置半球和一個中間圓柱組成。在兩個半球上刻有螺旋槽，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，氣體將會被泵入潤滑氣膜內(nèi)，有效地提高了軸承的承載能力。在對置半球螺旋槽軸承中包含兩種類型的潤滑軸承：對置放置的半球面軸承和連接兩側(cè)半球面的圓柱軸承。

圖11 對置半球螺旋槽軸承Fig.11 Diagram of opposed-hemisphere type spiral groove bearing

分析半球型螺旋槽軸承性能的理論基礎(chǔ)是經(jīng)典雷諾方程，其形式為

針對半球軸承和圓柱軸承，分別在球坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系下建立軸承間隙的表達(dá)式，導(dǎo)入雷諾方程中，建立半球軸承和圓柱軸承的耦合計算模型。在給定邊界條件后，通常采用有限差分法對計算模型的偏微分方程進(jìn)行求解。

通過改變影響軸承間隙分布的設(shè)計參數(shù)，可對軸承內(nèi)的氣體壓力、速度等物理量進(jìn)行求解。圖12為軸承內(nèi)氣膜的間隙分布圖，圖13為對應(yīng)的有限差分法網(wǎng)格，圖14為采用有限差分法求解得到的軸承表面壓力分布。

圖12 軸承內(nèi)氣膜的間隙分布Fig.12 Distribution of gap in bearing

圖13 有限差分法網(wǎng)格Fig.13 Grid of finite difference

采用計算流體動力學(xué)（CFD）模擬軟件也是分析軸承氣動特性的常用方法。圖15為對置半球螺旋槽軸承的結(jié)構(gòu)模型，通過CFD模擬軟件對流動類型、求解方法、流體特性、邊界條件等進(jìn)行計算模型設(shè)置，可求解壓力、速度等物理量。圖16為軸承表面壓力的矢量表示。

圖15 軸承結(jié)構(gòu)模型Fig.15 Model of bearing structure

圖16 軸承表面壓力矢量圖Fig.16 Vectors of pressure on bearing surface

球面螺旋槽氣體動壓軸承的氣膜壓力分布主要受軸承運(yùn)行參數(shù)（轉(zhuǎn)速n、供氣壓力p1）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（槽寬比b、槽深比h、螺旋角β、槽數(shù)Ng、平均氣膜間隙h0、偏心率ε等）的影響，表1給出了影響軸承氣動特性的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 半球型動壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of hemisphere aerodynamic bearing

4 氣浮軸承常用材料

由于陀螺電機(jī)需要具備長期儲存、長期運(yùn)行和質(zhì)心穩(wěn)定高的特點，對軸承材料的要求非常高。對材料的物理性能，如高抗彎強(qiáng)度、高結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性、低孔隙率等均有嚴(yán)格要求，同時對材料的易加工性和加工精度也有較高的要求。對于軸承材料的主要要求可歸為以下幾個方面：

1）耐磨：抗磨損性強(qiáng)，一般要求材料的摩擦系數(shù)小，硬度高，強(qiáng)度好。

2）尺寸穩(wěn)定：要求軸承材料的彈性模量大，線脹系數(shù)與飛輪材料、軸系材料相匹配。軸承熱變形小，不蠕變。

3）可加工性：有良好的冷熱加工性能，易加工制造，易實現(xiàn)較高的制造精度和嚴(yán)格的尺寸公差。

4）特殊要求：如考慮孔隙率、自潤滑性等。

目前，用于氣浮軸承的常用材料有GT35硬質(zhì)合金、TN85、9Cr18、鈹、陶瓷、立方氮化硼等，相應(yīng)的材料性能如表2所示。其中，GT35硬質(zhì)合金、鈹和9Cr18較其他幾種材料更易于加工[29]。

表2 幾種常用的氣浮軸承材料Table 2 Several common materials of aerodynamic bearing

隨著陀螺儀技術(shù)的發(fā)展，鈹材成為高精度陀螺儀的主要結(jié)構(gòu)材料。鈹材也是動壓氣浮軸承的理想材料，其優(yōu)點是：1）鈹材密度小，其數(shù)值為鋼的三分之一，在體積一定的前提下，可以把有效的質(zhì)量放到飛輪中，從而大大提高角動量；2）鈹?shù)木€脹系數(shù)和鋼接近，容易和鋼類材料進(jìn)行匹配；3）鈹?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)高，可以較好地和浮子配合并使溫度場較快達(dá)到平衡，有利于縮短熱平衡時間；4）鈹材的彈性模量大，受力時變形小，有利于質(zhì)心穩(wěn)定性。金屬鈹以其獨特而優(yōu)異的性能指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于美俄等國家的高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。

5 軸承制造工藝

為保證半球型動壓軸承具有良好的動壓效應(yīng)和承載能力，動壓軸承的工作間隙一般為微米級，其半球零件的圓度要求為軸承間隙的十分之一左右，尺寸精度在幾個微米以內(nèi)。同時，為降低軸承在起動和接觸滑行過程中的摩擦磨損，提高軸承的壽命，一方面對軸承表面的粗糙度有較高要求，另一方面盡可能提高接觸表面鍍層的耐磨性和一致性[30]。因此，動壓氣浮陀螺電機(jī)存在著加工精度高、加工工藝復(fù)雜、制造周期長、起停存在磨損等缺點，但隨著加工技術(shù)的提升，通過研制專用研磨、鍍膜、刻槽設(shè)備，可實現(xiàn)動壓軸承的批量生產(chǎn)。

6 軸承多余物控制

影響動壓氣體軸承可靠性的主要原因之一是軸承表面存在多余物。目前，多余物來源主要有兩大類：1）膠合劑、研磨膏等揮發(fā)性多余物；2）軸承磨損產(chǎn)生的多余物。尤其是膠類揮發(fā)性多余物，如定轉(zhuǎn)子疊片間的膠粘劑、固定螺母的膠和浮子中起固定密封作用的膠，在高溫環(huán)境下更容易產(chǎn)生揮發(fā)，揮發(fā)出來的有機(jī)物分子隨氣流進(jìn)入軸承，吸附在軸承表面，形成多余物沉積，該類物質(zhì)通常具有一定的黏性，易造成電機(jī)卡死或不啟[31]。

如圖17所示，在電機(jī)生產(chǎn)過程中，零件加工、產(chǎn)品裝配、試驗、運(yùn)輸周轉(zhuǎn)和儲存等各個環(huán)節(jié)均在多余物隱患?，F(xiàn)階段，想要完全杜絕多余物具有一定的難度，只能通過制定嚴(yán)格的多余物控制措施來降低多余物的產(chǎn)生。對于機(jī)加零件或金屬類零件，通常采用多種清洗技術(shù)綜合的手段去除零件污染物；對于具有揮發(fā)性物質(zhì)的零件，如定子繞組、磁鋼，通常采用高溫除氣。此外，還可采用增加隔離措施、降低用膠量等方式來降低揮發(fā)類多余物的影響。

圖17 陀螺電機(jī)制造流程Fig.17 Manufacturing process of gyroscope motor

7 電機(jī)性能測試技術(shù)

動壓氣體軸承大多數(shù)故障都是漸進(jìn)而非突然的，如性能退化必然伴隨著某些參數(shù)的變化，因此可通過監(jiān)測動壓電機(jī)某些參數(shù)來預(yù)測其是否高可靠和長壽命。依照美國CSDL實驗室的做法，在裝配和試驗的各個階段測定下列參數(shù)：最低起動電壓、浮起時間、接觸滑行時間、慣性時間與轉(zhuǎn)速的關(guān)系、起動時間、慣性時間，以實現(xiàn)動壓電機(jī)可靠性的量化評估。同時，還可以通過起停、振動、溫度循環(huán)、高溫跑合等篩選性質(zhì)的試驗來進(jìn)一步加嚴(yán)對動壓電機(jī)的可靠性篩選[32-33]。國內(nèi)，通常采用慣性時間及其變化、摩擦力矩、工作電流、功率等指標(biāo)來評價電機(jī)性能，存在以下不足：

（1）摩擦力矩

摩擦力矩是指電機(jī)幾乎停轉(zhuǎn)時軸承轉(zhuǎn)動部分與軸承不動部分之間那一時刻的動摩擦力矩，該力矩反映了軸承表面質(zhì)量（表面形貌、接觸部位、多余物等）一個重要的指標(biāo)。摩擦力矩可以采用反作用力矩測試儀測試，該測試方法的主要問題是：無法對電機(jī)軸水平方向進(jìn)行測試；只能在電機(jī)、電機(jī)上框架階段測試，在儀表和系統(tǒng)階段無法進(jìn)行測試，不能實現(xiàn)電機(jī)性能的全流程監(jiān)測。

（2）慣性時間

慣性時間也是判斷電機(jī)可靠性的主要指標(biāo)之一，可實現(xiàn)電機(jī)軸任意方向上的全流程測試。慣性時間存在的問題是：不能涵蓋電機(jī)所有的可靠性故障模式，有的故障模式中電機(jī)慣性時間并無明顯變化，或者當(dāng)慣性時間發(fā)生明顯變化時電機(jī)性能已經(jīng)惡化到一定程度。因此單看慣性時間，電機(jī)有的可靠性問題不能被及早發(fā)現(xiàn)。

（3）電機(jī)工作電流和功率

電機(jī)電流和功率變化是電機(jī)負(fù)載變化的主要表現(xiàn)，反映的是電機(jī)起動和運(yùn)行中是否有問題，不能反映電機(jī)斷電后的工作狀態(tài)。

2018年，北京航天控制儀器研究所基于電機(jī)反電動勢信號分析提出了一種新的方法，即：采集動壓電機(jī)斷電后反電動勢波形，通過一系列算法解算出摩擦力矩、慣性時間、接觸轉(zhuǎn)速、反電動勢標(biāo)幺值1V～0的時間，綜合這四個主要參數(shù)及其變化，可較為準(zhǔn)確地對電機(jī)可靠性進(jìn)行預(yù)判。

電機(jī)斷電后反電動勢波形如圖18所示，根據(jù)反電動勢頻率，可計算電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線，進(jìn)而得到電機(jī)斷電后的阻力距隨時間變化曲線。根據(jù)阻力距曲線判斷電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子是否接觸，如圖19所示。

圖18 電機(jī)斷電后反電動勢波形Fig.18 Back EMF waveform after motor power failure

圖19 電機(jī)軸承接觸判斷Fig.19 Contact judgment of motor bearing

動壓軸承電機(jī)接觸轉(zhuǎn)速是：電機(jī)斷電后，電機(jī)轉(zhuǎn)子依靠慣性繼續(xù)進(jìn)行減速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)在某一轉(zhuǎn)速下，氣浮軸承轉(zhuǎn)動部分從完全脫離的狀態(tài)到接觸到軸承不動的部分時刻，此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為電機(jī)接觸轉(zhuǎn)速，其主要反映了軸承承載能力和軸承表面質(zhì)量。

反電動勢標(biāo)幺值1V～0的時間是：電機(jī)斷電后，反電動勢標(biāo)幺值由1V變?yōu)?V所需的時間，其主要反映了低轉(zhuǎn)速下的軸承承載能力和穩(wěn)定性，維持在1V的時間越長，說明軸承的承載能力和穩(wěn)定性越高。

與以往相比，增加了接觸轉(zhuǎn)速、反電動勢1V～0的時間兩項性能指標(biāo)。同時，另外兩個指標(biāo)（摩擦力矩和慣性時間）也可通過斷電后的反電動勢解算出來。接觸轉(zhuǎn)速、摩擦力矩、1V～0的時間可以及時反映當(dāng)前電機(jī)軸承的狀態(tài)；而慣性時間和電流，一方面受外界影響較大，另一方面軸承質(zhì)量問題積累到一定程度才會產(chǎn)生明顯變化，因此形成了以接觸轉(zhuǎn)速、摩擦力矩、1V～0的時間為主，慣性時間、電機(jī)電流為輔的綜合判據(jù)。

8 結(jié)論

本文從動壓氣浮陀螺電機(jī)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、制造及測試幾個方面闡述了其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。在基本結(jié)構(gòu)方面，目前應(yīng)用較廣泛的有磁滯陀螺電機(jī)和永磁陀螺電機(jī)兩種，而永磁式因為可實現(xiàn)高效率及高精度而更具應(yīng)用前景。在軸承方面，針對動壓氣浮軸承需滿足相應(yīng)的剛度、間隙及變形程度要求，討論其材料選用的原則，并以對置半球螺旋槽軸承為例討論了軸承結(jié)構(gòu)對其氣動性能的影響。在制造工藝方面，需在保證半球型動壓軸承具有良好的動壓效應(yīng)和承載能力的同時盡量簡化工序，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。此外，還介紹了針對軸承多余物的解決措施，來保證軸承的優(yōu)異性能。最后，對動壓氣浮陀螺電機(jī)的測試技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行了介紹，并提出了更為全面的測試方法。本文所做的工作總結(jié)了動壓氣浮陀螺電機(jī)技術(shù)的發(fā)展情況和相關(guān)技術(shù)目前面臨的問題，對陀螺電機(jī)的設(shè)計、制造及測試提供了理論基礎(chǔ)和工程實際經(jīng)驗。

目前，動壓氣浮陀螺電機(jī)已成功應(yīng)用于我國高精度慣性陀螺儀中，但由于其零組件加工精度高，裝配難度大，對高溫、沖擊、過載條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高，軸承表面潔凈度要求苛刻等原因，仍存在電機(jī)長期工作穩(wěn)定性和可靠性的問題。為進(jìn)一步提高動壓氣浮陀螺電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，使其更加廣泛地應(yīng)用于我國高精度、長壽命的慣性陀螺儀，需要在多約束軸承氣膜間隙優(yōu)化技術(shù)、軸承表面耐磨處理技術(shù)、軸承表面潔凈度控制技術(shù)、電機(jī)高精度裝配檢驗技術(shù)等方面開展更加深入的研究。