МАГНИТНЫЙ КОМПАС Российский патент 2001 года по МПК G01C17/02 

Предлагаемое изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для уничтожения электромагнитной девиации в магнитных стрелочных и индукционных компасах.

Известен магнитный компас с электромагнитным компенсатором (ЭМК), состоящим из системы трех взаимно перпендикулярных катушек-соленоидов X,Y,Z, создающих, соответственно, продольную, поперечную и вертикальную составляющие электромагнитного поля, описанный в книгах "Магнитно-компасное дело", Нечаев П. А. , Григорьев В.В., М., Транспорт, 1975, стр.89 (рис.64), стр.231-232; "Девиация магнитного компаса" . Кожухов В.П., Воронов В.В. Григорьев В.В. - Л.: Морской транспорт, 1960 г., стр.264-265.

Основным недостатком компаса является расположение ЭМК по вертикальной оси, проходящей через центр магнитного чувствительного элемента (МЧЭ) компаса, под котелком компаса с МЧЭ. Указанное расположение ЭМК между котелком компаса (см. "Магнито-компасное дело" позиция 2 на рис.64) и магнитами девиационного прибора (позиция 12 на рис.64) вызывает необходимость значительного увеличения магнитных моментов катушек ЭМК, а следовательно, их габаритных размеров, массы и стоимости. Кроме того, ЭМК имеет низкую эффективность - низкое значение отношения магнитного момента катушки к массе обмотки катушки.

Известен также магнитный компас с ЭМК, описанный в "Компас КМ145. Техническое описание и инструкция по эксплуатации КБО. 115.071ТО", стр. 19-20 (рис. 1), в котором ЭМК размещен на уровне МЧЭ (см. рис. 1, позиция 12 и 13 и рис. 3, позиция 6).

Основным недостатком компаса является необходимость значительного увеличения габаритных размеров компаса за счет увеличения диаметра верхней части нактоуза компаса в соответствии с размерами катушек ЭМК.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является магнитный компас по авторскому свидетельству N 723364 от 12.07.78 G 01 C 17/02 (заявка N 2645580/18-10) (прототип).

Компас содержит магнитный чувствительный элемент и электромагнитный компенсатор, включающий катушки, установленные попарно симметрично относительно вертикали компаса, при этом магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса, и наклонены относительно нее на угол, определяемый по формуле

где θ - угол, отсчитываемый от вертикали до направления магнитной катушки;
Ψ - угол, отсчитываемый от вертикали компаса до направления линии, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента.

Основными недостатками компаса (прототипа) являются:
1. В а.с. N 723364, кл. G 01 C 17/02 (авторы Н.Д. Дегтярев, В.Ф. Уланов) указано, что целью изобретения является повышение эффективности ЭМК (т.е. увеличение пределов компенсации девиации на единицу массы). Решение этой задачи состоит в том, что катушки X и Y ЭМК устанавливаются попарно симметрично относительно вертикали компаса, магнитные оси катушек находятся в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса, и наклонены относительно нее на угол, определяемой формулой

где θ - угол, отсчитываемый от вертикали, до оси, совпадающей с направлением магнитной оси катушки;
Ψ - угол, отсчитываемый от вертикали компаса до направления линии, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента (МЧЭ).

Однако задача оптимизации параметров и расположения катушек X и Y ЭМК решена в прототипе ошибочно и неполностью.

Так, формула (2) для вычисления угла θ обращается в неопределенность вида при Ψ = 90^o, тогда как случаю Ψ = 90^o соответствует значение θ = 90^o, как видно из фиг.2 описания изобретения по а.с. N 723364.

2. Соотношения параметров самих катушек X и Y в прототипе, отвечающие требованиям задачи, поставленной в нем, не определены.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является оптимизация параметров и расположения катушек X и Y ЭМК относительно центра магнитной системы магнитного чувствительного элемента компаса.

Для решения указанной задачи в магнитном компасе, содержащем магнитный чувствительный элемент и электромагнитный компенсатор, включающий катушки, установленные попарно симметрично относительно вертикали компаса, с обеспечением повышения эффективности электромагнитного компенсатора путем увеличения пределов компенсации девиации на единицу массы компенсатора, при этом магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса, ось, совпадающая с направлением магнитной оси катушки, наклонена относительно линии, проходящей через центры катушки и магнитного чувствительного элемента, на угол, определяемый формулой

где α - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси катушки, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента;
Ψ - угол между вертикалью, проходящей через центр катушки электромагнитного компенсатора, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента,
при этом повышение эффективности электромагнитного компенсатора обеспечивается соотношением магнитного момента M и массы обмотки P его катушки, определяемым зависимостью

где M - магнитный момент катушки электромагнитного компенсатора;
P - масса обмотки катушки;
σ_макс - предельно допустимая плотность тока в обмотке катушки, не вызывающая нагрева обмотки относительно температуры окружающей среды;
ρ_пр - плотность материала провода обмотки;
R - максимальный радиус обмотки;
r - минимальный радиус обмотки,
причем отношение
Предлагаемый магнитный компас представлен на фиг. 1 - 3.

На фиг. 1 представлен общий вид компаса с ЭМК.

На фиг. 2 - размещение катушек.

На фиг 3 - основные параметры катушки и ее расположение.

Магнитный компас содержит (фиг. 1) магнитный чувствительный элемент 1, размещенный в котелке 2, и электромагнитный компенсатор 3, включающий две продольные катушки X4 и две поперечные катушки Y5 (фиг. 2).

Положения катушек (фиг. 2 и 3) определяются углами Ψ, отсчитываемыми от вертикали, проходящей через центр катушки, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента (точка A фиг. 2 и 3), причем магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса 6, и наклонены относительно линий, соединяющих центры катушек и магнитного чувствительного элемента на угол α.

Магнитные моменты катушек M'_x, M''_x, M'_y, M''_y (фиг.2).

На фиг. 3 представлены основные параметры катушек:
R - радиус наружного слоя обмотки катушки;
r - радиус внутреннего слоя обмотки катушки;
l - высота обмотки катушки;
D/2 - расстояние между вертикалью компаса 6 и внутренней стенкой нактоузного компаса;
ρ - расстояние между центром катушки и центром магнитного чувствительного элемента (точка A);
T - полный вектор индукции магнитного поля катушки;
ЦМС - центр магнитной системы компаса;
θ - угол, отсчитываемый от вертикали до оси, совпадающей с направлением магнитной оси катушки;
Ψ - угол между вертикалью, проходящей через центр катушки электромагнитного компенсатора, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента;
α - угол между осью, совпадающей с направлениями магнитной оси катушки, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента;
ϕ - угол между линией, соединяющей центр катушки и центр магнитной системы, и направлением вектора T.

Предлагаемое устройство работает таким образом.

При протекании постоянного тока через обмотки катушек компенсатора, соединенных последовательно и согласно, в области чувствительного элемента компаса создается магнитное поле, модуль вектора индукции которого равен, а сам вектор противоположно направлен по отношению к вектору поля, создаваемого источником девиации. Поскольку катушки компенсатора наклонены на равные углы к плоскости палубы и симметричны, суммарный вектор поля катушек направлен параллельно плоскости палубы. Благодаря тому, что катушки наклонены на угол Ψ к вертикали, связанный с углом α соотношением (1), проекции вектора, перпендикулярные палубе, отсутствуют векторы поля T и их проекции на эту плоскость максимальны.

Отношение магнитного момента и поля, создаваемого катушками, к массе провода обмоток катушек, обуславливающего эффективность компенсатора, максимально при отношении максимального и минимального радиусов обмоток катушек, равного 3.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение материалоемкости и трудоемкости изготовления катушек ЭМК, что в свою очередь снижает стоимость магнитного компаса. При этом обеспечивается увеличение диапазона компенсируемого магнитного поля помехи, что повышает эффективность работы ЭМК и компаса в целом.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для уничтожения электромагнитной девиации в магнитных стрелочных и индукционных компасах. Компас содержит магнитный чувствительный элемент и электромагнитный компенсатор, включающий катушки, установленные попарно симметрично относительно вертикали компаса. Ось, совпадающая с направлением магнитной оси катушки, наклонена относительно линии, проходящей через центры катушки и магнитного чувствительного элемента, на угол где α - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси катушки, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элементы; Ψ - угол между вертикалью, проходящей через центр катушки, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента. Технический результат - повышение эффективности электромагнитного компенсатора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитный компас, содержащий магнитный чувствительный элемент и электромагнитный компенсатор, включающий катушки, установленные попарно симметрично относительно вертикали компаса, с обеспечением повышения эффективности электромагнитного компенсатора путем увеличения пределов компенсации девиации на единицу массы компенсатора, при этом магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса, отличающийся тем, что ось, совпадающая с направлением магнитной оси катушки, наклонена относительно линии, проходящей через центры катушки и магнитного чувствительного элемента, на угол, определяемый формулой

где α - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси катушки, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента;
Ψ - угол между вертикалью, проходящей через центр катушки электромагнитного компенсатора и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента. 2. Магнитный компас по п.1, отличающийся тем, что повышение эффективности электромагнитного компенсатора обеспечивается соотношением магнитного момента M и массы обмотки P его катушки, определяемым зависимостью

где M - магнитный момент катушки электромагнитного компенсатора;
P - масса обмотки катушки;
σ_макс - предельно допустимая плотность тока в обмотке катушки, не вызывающая нагрева обмотки относительно температуры окружающей среды;
ρ_пр - плотность материала провода обмотки;
R - максимальный радиус обмотки;
r - минимальный радиус обмотки,
при отношении