Точность работы целого ряда гироскопических приборов зависит от постоянства скорости вращения маховика гиромотора (точнее, от стабильности кинетического момента ротора гиромотора). Широко применяемые в гиромоторах асинхронные двигатели могут обеспечить постоянство скорости вращения маховика лишь с точностью 0,5…1 %. Для многих современных гироскопических приборов и систем этого совершенно недостаточно, поскольку требуется выдерживать постоянство скорости вращения маховика с точностью порядка сотых и тысячных долей процента. Такие точности могут быть обеспечены с помощью синхронных двигателей переменного тока. Как следует из названия двигателя, его ротор вращается с такой же скоростью, с какой вращается магнитное поле, создаваемое статором, то есть вращение поля и ротора одновременное (синхронное). Следовательно, чтобы обеспечить постоянство скорости вращения маховика, нужно обеспечить постоянство скорости вращения магнитного поля. А эта задача для современной техники уже вполне по силам.
Первый гиромотор с синхронным двигателем был создан советским инженером Б. А. Талалаем еще в 1926 г. Однако практического применения он не нашел, так как в то время особой потребности в таких гиромоторах не было, да и сам двигатель по многим показателям уступал асинхронным.
С конца 50-х годов в гиромоторах находят широкое применение синхронные гистерезисные двигатели.
«Гистерезисная машина» была предложена в 1900 г. выдающимся ученым-электротехником Ч. П. Штейнмецом, который за свои политические убеждения в конце прошлого века вынужден был иммигрировать из Европы в Америку. Немало трудностей пришлось преодолеть молодому иммигранту, прежде чем он сумел завоевать огромный авторитет и стать ведущим специалистом концерна «Дженерал электрик». За выдающиеся Достижения в области электротехники Ч. Штейнмеца называли «чудодеем электричества», а хозяева концерна откровенно говорили, что их главный капитал не в сотнях миллионов долларов, а в «гениальном мозгу доктора Штейнмеца». Великую Октябрьскую революцию Ч. Штейнмец встретил восторженно, оказывал посильную моральную помощь молодой Советской Республике, состоял в дружеской переписке с В. И. Лениным.
Как устроен синхронный гистерезисный двигатель
Статор его аналогичен статору асинхронного гиромотора, а вот ротор представляет собою кольцо, изготовленное из магнитотвердого материала, то есть из материала, пригодного для изготовления постоянных магнитов. Включенный в трехфазную электросеть, статор создает вращающееся магнитное поле, которое намагничивает ротор. В результате на роторе возникают северный и южный магнитные полюса. Теперь ротор очень напоминает стрелку магнитного компаса. А, как известно, на стрелку действует момент, который стремится совместить ее ось с направлением силовых линий магнитного поля Земли.
В гистерезисном двигателе роль направляющего магнитами того поля играет вращающееся магнитное поле статора. Магнитная ось ротора, стремясь совместиться с волной вращающегося магнитного поля, устремляется вслед за ней. Вращаясь, ротор преодолевает моменты сопротивления, поэтому догнать волну магнитного поля статора магнитная ось ротора не может, но через некоторое время, называемое временем входа в синхронизм, ротор приобретает так называемую синхронную скорость вращении, равную скорости вращения волны магнитного поля статора. В дальнейшем среднее значение синхронной скорости ротора выдерживается с высокой точностью. Теперь задача состоит в том, чтобы обеспечить высокую стабильность скорости вращения самого магнитного поля статора. Эта задача решается с помощью специальных электронных источников питания гиромотора, так на называемых статических преобразователей, имеющих очень высокую стабильность частоты выходного напряжения.
Надо сказать, что почти полвека изобретенный Ч. Штейнмецом синхронный гистерезисный двигатель не находил широкого применения. И только в конце 50-х гг., когда были созданы высококачественные магнитотвердые материалы для ротора, этот двигатель был с успехом применен в гиромоторах и в основном решил проблему обеспечения постоянства скорости вращения маховика.
Для многих приборов, применяемых в морском флоте, авиации, на космических кораблях, требуются гиромоторы, которые могли бы исправно работать длительное время — десятки тысяч часов и более. Доведенные до высокой степени совершенства, современные шариковые подшипники пока обеспечивают качественную работу гиромотора (в зависимости от скорости вращения маховика) в течение нескольких тысяч часов. В тех случаях, когда требуются особо длительные сроки работы гиромоторов, разработчики приборов вынуждены идти на снижение скорости вращения маховика, а это, как мы уже знаем, ослабляет полезные гироскопические эффекты и снижает точность приборов.
Основная причина, ограничивающая срок службы шариковых подшипников, — механический контакт между шариками и кольцами и как результат этого износ деталей подшипника, вызывающий недопустимые смещения центра масс и вибрацию ротора гиромотора.
Принципиальное решение этой проблемы ясно — нужно создать и применить бесконтактные опоры, к которым относятся опоры с газовой смазкой, магнитные и электростатические подвесы. Идея использования газа в качестве смазочного вещества, исключающего механический контакт между шипом (концом вала) и подшипником, а следовательно, и износ опоры, была высказана еще в середине прошлого века. Однако практическая реализация этой идеи началась лишь в конце 20-х гг., когда американская фирма «Сперри» создала гировертикаль, сферический ротор которой поддерживался над внутренней поверхностью сферической бронзовой чаши с помощью тонкой прослойки воздуха, нагнетаемого в зазор с помощью компрессора. В дальнейшем, вначале 50-х гг., была предложена конструкция газовой опоры, не требующая компрессора и другого вспомогательного оборудования. Оба конца (шипа) вала маховика устанавливались в цилиндрических отверстиях (подшипниках) в крышках гирокамеры. Причем зазор между шипом и подшипником составлял несколько микрометров. Пока вал не вращался, шипы лежали на подшипниках, в результате чего зазор между ними с каждой стороны имел вид изогнутого клина. Когда маховик с помощью двигатели приводился во вращение, то газ (чаще всего гелий), находившийся в зазоре и увлекаемый вращающимся шипом, также начинал вращаться и создавать радиальное давление в зазоре. Давление газа было больше в узкой части клинообразного зазора, и поэтому вал и маховик «всплывали» на тонкой газовой прослойке. После «всплытия» шипы вала вращались без механического контакта с подшипниками, и износа опор не происходило. Эта опора имеет много привлекательных качеств: она несложна но конструкции, исключает механический контакт, решая проблему долговечности, обеспечивает плавность, вращения маховика, обладает примерно такой же жесткостью, как и шариковый подшипник.
Но, к сожалению, опора не лишена и очень серьезных недостатков. Поскольку газовый подшипник может устойчиво работать лишь при относительно низких скоростях вращения вала (порядка 30 тыс. об/мин) и подъемная сила его при этих скоростях невелика, то гиромоторы с газовыми опорами строятся пока малогабаритными, с малыми кинетическими моментами. Во время запуска и остановок ротора гиромотора возникает механический контакт между шипом и подшипником и, следовательно, их износ. Чтобы свести износ к минимуму, многие детали гиромотора (в том числе шип и подшипник) делали из очень твердого и износоустойчивого материала — керамики. По этой причине первые гиромоторы с газовыми опорами называли керамическими. Теперь проблему износа решают напылением износостойкой пленки на рабочие поверхности шипа и подшипника.
Так как износ опор происходит лишь в моменты запуска и остановок, то срок службы гиромотора с газовыми опорами оценивается не числом часов работы, а числом запусков и остановок. Это число у современных гиромоторов составляет несколько сотен. Существенным недостатком гиромоторов с газовыми опорами является исключительная сложность их изготовления. Судите сами поскольку зазор между шипом и подшипником составляет единицы микрометров, то точность изготовления поверхностей шипа и подшипника должна составлять десятые доли микрометра. Это выполнить очень сложно вообще, а на твердых, плохо поддающихся механической обработке керамических деталях в особенности. Так что гиромоторы с газовыми опорами, принципиально решающие проблему долговечности гироприборов, нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
В настоящее время промышленность выпускает большое количество разнообразных гиромоторов. Есть среди них миниатюрные — величиной с наперсток, а есть и гиганты— величиной с трехлитровую банку. Но наиболее широко применяются гиромоторы, относящиеся к «золотой середине», размером с небольшое яблоко. Однако даже они имеют весьма массивные маховики. Чтобы раскрутить эти маховики до рабочих скоростей, требуется несколько минут, а для более крупных гиромоторов — десятки минут.
Но во многих случаях столь длительный период подготовки к работе гиромотора недопустим. Иногда требуется, чтобы маховик набирал рабочую скорость за десятки секунд, единицы секунд и даже доли секунды. Чтобы обеспечить время разгона маховика порядка десятков и единиц секунд, электродвигатели гиромоторов проектируют специальным образом и подключают к специальным источникам питания, у которых величина и частота питающего напряжения изменяются по оптимальным, заранее рассчитанным программам.
В тех случаях, когда время разгона маховика должно составлять 1 секунду и менее, электродвигатели не применяют, так как они не обеспечивают столь малого времени разгона. В этих случаях или возвращаются к старинным методам (разумеется, значительно усовершенствованным) — к шнуру (гибкой стальной ленте), струе сжатого газа, или прибегают к ультрановым устройствам — пороховым ускорителям.