阅读说明：本技术 一种小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器 (Miniature permanent magnetic torquer with high air gap magnetic field intensity ) 是由 梁璞 张习文 李鹏飞 张景铭 魏渊 郑宏科 李苏明 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器，包括轭铁(1)、永磁体(2)、下磁极片(3)、上磁极片(4)和线圈(5)，其中下磁极片(1)位于最底部，永磁体(2)固定于下磁极片(3)上表面，上磁极片(4)固定于永磁体(2)上表面，轭铁(1)与下磁极片(3)连接，同时轭铁(1)和上磁极片(4)之间形成永磁气隙(6)，线圈(5)位于永磁气隙(6)内部。本发明采用多个磁极片、变截面永磁体或变截面磁极片的力矩器结构形式，使得轭铁可以在小体积内容纳较大永磁体，提升力矩器永磁体的截面积和磁路的磁通量，显著提升永磁磁路的气隙磁场强度。(The invention discloses a miniaturized permanent magnetic torquer with high air gap magnetic field intensity, which comprises a yoke (1), a permanent magnet (2), a lower magnetic pole piece (3), an upper magnetic pole piece (4) and a coil (5), wherein the lower magnetic pole piece (1) is positioned at the bottommost part, the permanent magnet (2) is fixed on the upper surface of the lower magnetic pole piece (3), the upper magnetic pole piece (4) is fixed on the upper surface of the permanent magnet (2), the yoke (1) is connected with the lower magnetic pole piece (3), a permanent magnetic air gap (6) is formed between the yoke (1) and the upper magnetic pole piece (4), and the coil (5) is positioned in the permanent magnetic air gap (6). The invention adopts a torquer structure form of a plurality of magnetic pole pieces, variable cross-section permanent magnets or variable cross-section magnetic pole pieces, so that the yoke can contain a larger permanent magnet in a small volume, the cross-sectional area of the torquer permanent magnet and the magnetic flux of a magnetic circuit are improved, and the air gap magnetic field intensity of the permanent magnet magnetic circuit is obviously improved.)

一种小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器

技术领域

本发明属于挠性摆式加速度计技术领域，具体涉及一种惯性导航加速度计用小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器。

背景技术

惯性导航用挠性加速度计是惯性导航系统的核心敏感器件，随着现代航空技术的不断进步，高精度、大量程、小型化已经成为挠性加速度计发展的新需求。加速度计的体积和量程与加速度计力矩器系数和力矩器体积密切相关，为实现加速度计大量程和小型化的目标，就需要提高力矩器气隙磁场强度，同时降低力矩器体积，如何设计同时满足大量程和小型化特点加速度计力矩器则成为了加速度计的技术瓶颈。

力矩器由两部分组成，一部分是永磁体、磁极片和轭铁组成的永磁磁路，另一部分是固定在加速度计摆片上的导电线圈。提升加速度计永磁力矩器的力矩器系数有两种方法，一是增加线圈匝数，二是提升永磁磁路的气隙磁场强度。通过增加线圈匝数来增大力矩器系数能够在一定程度上增大力矩器系数，但同时会带来结构稳定性问题和线圈发热问题，因此线圈匝数不宜增加过多，通常采用提升气隙磁场强度的方法来增大力矩器系数。要提升力矩器的气隙磁场强度，同时降低力矩器体积，就需要重新对永磁力矩器的永磁磁路结构进行设计改进。

目前石英挠性加速度计多采用轭铁、永磁体和单个磁极片组成的结构形式，永磁体尺寸受轭铁结构尺寸的限制较大，有限体积内难以提高气隙磁场强度，为增大气隙磁场强度，必须增大轭铁体积和永磁体体积，因此该在高气隙磁场强度和小型化方面无法兼容。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种加速度计用小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器，以有效提升加速度计量程、减小加速度计体积。

本发明的小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器包括轭铁、永磁体、上磁极片、下磁极片和线圈，其中下磁极片位于该结构的最底部，永磁体固定于下磁极片上表面，上磁极片固定于永磁体的上表面，从而永磁体、下磁极片和上磁极片组成永磁组件。轭铁和下磁极片相连接，同时和上磁极片之间形成永磁气隙，线圈位于永磁气隙内部。永磁力矩器工作时，线圈通过线圈垫块固定在加速度计摆片上。

在按照本发明的小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器中，所述轭铁为具有多层台阶型通孔的导磁结构，其台阶孔上部直径小，下部直径大，下磁极片与轭铁的台阶型通孔连接。

在按照本发明的小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器中，所述永磁体可为圆柱形或变截面回转体结构，其中变截面回转体结构的最大截面面积与最小截面面积之比通常大于1.2。类似地，所述上磁极片可为圆柱形或变截面回转体结构，其中变截面回转体结构的最大截面面积与最小截面面积之比通常大于1.2。另外，变截面回转体结构的变截面组成形式可以是圆柱+圆柱、圆柱+圆台或者其他形式。

在按照本发明的小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器中，所述下磁极片为圆柱形结构。

在按照本发明的小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器中，下磁极片、永磁体和上磁极片组成永磁组件，永磁体固定在下磁极片上，上磁极片固定在永磁体上，其固定方式为粘结或玻璃烧结。当采用玻璃烧结时，可以对结构进行温度高于200℃，低于永磁体居里温度的稳定化处理。

在按照本发明的小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器中，永磁组件通过胶接、玻璃烧结或焊接(比如，激光焊)等方式，固定连接在轭铁上。当采用玻璃烧结或激光焊时，可以对结构进行温度大于200℃，小于永磁体居里温度的稳定化处理。

在按照本发明的小型化高气隙磁场强度的永磁力矩器中，轭铁台阶孔、永磁体、上磁极片、下磁极片和线圈应同轴安装，并对同轴度进行控制，特别地，当同轴度控制在0.02mm以下，尤其是0.01mm时，所述永磁力矩器有较好的线性度。

本发明的永磁力矩器采用多个磁极片、变截面永磁体或变截面磁极片的力矩器结构形式，使得加速度计力矩器的轭铁可以在小体积内容纳较大的永磁体，提升力矩器永磁体的截面积和磁路的磁通量，显著提升永磁磁路的气隙磁场强度，进而提升加速度计力矩器系数，增大加速度计量程，减小加速度计体积。使加速度计能够满足大量程和小型化的设计需求。

附图说明

图1为按照本发明的实施例的加速度计永磁力矩器的结构立体图；

图2为按照本发明的实施例的加速度计永磁力矩器的结构剖面图；

图3为在本发明的再一实施例中，具有变截面回转体结构的永磁体或上磁极片的剖面图；

图4为按照本发明的另一实施例的加速度计永磁力矩器的结构剖面图，其中永磁体和上磁极片均具有变截面回转体结构。

其中：1-轭铁、2-永磁体、3-下磁极片、4-上磁极片、5-线圈、6-永磁气隙

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为按照本发明的实施例的加速度计永磁力矩器的结构立体图，图2为其结构剖面图。如图1和图2所示，在本实施例中，该加速度计永磁力矩器包括轭铁1、永磁体2、下磁极片3、上磁极片4和线圈5。其中下磁极片3位于该结构的最底部，永磁体2通过胶接固定于下磁极片3上表面，上磁极片4通过胶接固定于永磁体2上表面。从而，永磁体2、下磁极片3和上磁极片4组成永磁组件，并通过下磁极片3与轭铁台阶孔连接。轭铁1和上磁极片4之间形成永磁气隙6，线圈5位于永磁气隙6内部。永磁力矩器工作时，线圈5通过线圈垫块固定在加速度计摆片上。轭铁1的台阶孔、永磁体2、下磁极片3、上磁极片4和线圈5在装配时要求保持同轴，并对同轴度进行控制，特别地当同轴度控制在0.02mm以下，尤其是0.01mm时，力矩器具有较好的线性度。

另外，永磁体2、下磁极片3和上磁极片4固定连接时，采用的固定连接方式除上面所述的胶接之外，还可采用玻璃烧结等。当采用玻璃烧结时，可以对结构进行温度高于200℃，低于永磁体居里温度的稳定化处理。永磁体2、下磁极片3和上磁极片4组成的磁钢组件与轭铁通过下磁极片3与轭铁台阶孔连接时，其连接方式可以采用胶接、玻璃烧结或者焊接，尤其是激光焊接。这种情况下，同样地，当采用玻璃烧结或激光焊时，可以对结构进行温度大于200℃，小于永磁体居里温度的稳定化处理。

参考图1和图2，轭铁1为具有多层台阶型通孔的导磁结构，其台阶孔上部直径小，下部直径大。在本实施例中，永磁体2为圆柱形结构，上磁极片4和下磁极片3也为圆柱形结构。

不过，永磁体2和上磁极片4的结构不限于上述实施例。例如，在本发明的再一个实施例中，永磁体2和/或上磁极片4可以是变截面回转体结构，这种情况下，变截面回转体结构的最大截面面积与最小截面面积之比通常大于1.2。另外，变截面回转体结构的变截面组成形式可以是圆柱+圆柱、圆柱+圆台或者其他形式。圆柱+圆台的变截面组成形式例如如图3中所示。严格地说，图1和图2中所示上磁极片4也是变截面回转体结构，其变截面组成形式是圆柱+圆柱。图4表示了在本发明的另一个实施例中，永磁体2和上磁极片4均具有变截面回转体结构的情况。在永磁体2和上磁极片4中的一个或两个为变截面回转体结构的情况下，轭铁1的台阶孔数量也应进行相应的调整，如图4所示。通过采用变截面永磁体或变截面磁极片，使得加速度计力矩器的轭铁可以在小体积内容纳更大的永磁体，从而进一提升力矩器永磁体的截面积和磁路的磁通量，显著提升永磁磁路的气隙磁场强度。

加速度计的永磁力矩器工作时，需要将线圈4固定在加速度计摆片上。永磁体2沿轴向充磁，轭铁1、下磁极片3和上磁极片4引导永磁体2产生的磁场进入永磁气隙6，形成沿上磁极片4上部分径向分布的磁场。线圈5通电时，由于电磁感应效应，线圈5将产生沿自身轴向的作用力，其作用力的大小为：

F＝BIL

其中B为永磁气隙6的磁场强度，I为线圈5的电流，L为线圈5的导线长度。线圈5将力矩器产生的力传递到摆片上，产生加速度计平衡惯性力矩所需的电磁力矩，调整线圈5内电流的大小和方向，可以实现基于永磁力矩器对于加速度计摆组件的施矩控制。