УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2021 года по МПК E21B47/228 

Изобретение относится к электротехнике, технической физике и предназначено для создания низкочастотного магнитного поля вне объема источника магнитного поля. Устройство может быть использовано при разработке средств создания низкочастотного магнитного поля в заданной области с известными пространственными и временными характеристиками, применяемых в магнитометрических системах локальной навигации на открытом пространстве и внутри помещений, в том числе, в системах робототехнических устройств и системах посадки беспилотных летательных аппаратов, а также в медицине для сверхточного позиционирования инструментов и в других областях науки и техники.

Известны устройства для создания низкочастотного магнитного поля с известным пространственным распределением, представляющие собой многовитковые рамки, запитанные токами, расположенные ортогонально [Патент USA 3939753 А, МПК B63G 7/06, 24.02.1976] или же взаимно ортогональные катушки с токами, меняющимися по гармоническому закону [Song S. / An electromagnetic localization and orientation method based on rotating magnetic dipole/ S. Song, С. Hu, B. Li, X. Li // IEEE Transactions on magnetics. 2013. V. 49, № 3, P. 1274-1277]. Недостатком этих устройств является малая величина магнитной индукции создаваемого низкочастотного магнитного поля.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство, содержащее два соленоида с ферромагнитными цилиндрическими сердечниками, запитанные токами, меняющимися по гармоническому закону с одинаковой частотой со сдвигом фаз π/2, расположенные взаимно ортогонально один над другим [Патент USA 6626252, МПК Е21В 47/024, 30.09.2003]. Устройство осуществляет создание низкочастотного дипольного магнитного ноля вне объема соленоидов. Недостатком данного устройства является искажение характеристик генерируемого устройством поля в точке измерения, возникающее вследствие того, что геометрические центры соленоидов разнесены в пространстве.

Техническим результатом изобретения является снижение степени искажения характеристик создаваемого поля.

Технический результат достигается тем, что устройство состоит из соленоидов, расположенных взаимно ортогонально, согласно изобретению, соленоиды установлены в одной плоскости таким образом, что их геометрические центры совпадают.

Сущность изобретения заключается в том, что соленоиды установлены в одной плоскости таким образом, что их геометрические центры совпадают.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1. На фиг. 1 показано изменение за период вектора магнитной индукции поля в точке измерения, создаваемое устройством-прототипом и предлагаемым устройством, где обозначено: 1 - плоскость, в которой вращается вектор магнитной индукции поля, создаваемого устройством-прототипом, 2 - плоскость, в которой вращается вектор магнитной индукции поля, создаваемого предлагаемым устройством; 3.1, 3.2 - геометрические центры соленоидов устройства-прототипа, 3.0 - совмещенные геометрические центры соленоидов предлагаемого устройства, , - радиус-векторы, проведенные из центров первого и второго соленоидов устройства-прототипа в точку измерения, - радиус-вектор, проведенный из общего центра соленоидов предлагаемого устройства в точку измерения, - магнитная индукция поля, созданного устройством - прототипом в точке измерения в определенный момент времени, - магнитная индукция поля, созданного предлагаемым устройством в точке измерения в тот же момент времени, а - угол между плоскостями 1 и 2.

Из представленной фиг. 1 видно, что в случае, когда центры взаимно ортогональных соленоидов (позиции 3.1 и 3.2) разнесены в пространстве, плоскость, в которой вращается вектор магнитной индукции устройства-прототипа, отклоняется от плоскости, создаваемой предлагаемым устройством на угол α, а также модуль вектора магнитной индукции создаваемого устройством-прототипом поля отличается от модуля вектора магнитной индукции создаваемого предлагаемым устройством поля Известно, что при совпадении центров источников магнитного поля, создаваемых токами, меняющимися по гармоническому закону с одинаковой частотой со сдвигом фаз π/2, расположенных взаимно ортогонально, генерируемое магнитное поле является дипольным [Paperno Е. / A new method for magnetic position and orientation tracking / E. Paperno, I. Sasada // IEEE Transactions on magnetics. 2001. V. 37, № 4, Р. 1938-1940]. Согласно фиг. 1 при разнесении центров соленоидов в пространстве характеристики поля искажены, тогда как совмещение геометрических центров соленоидов позволяет обеспечить дипольный характер поля.

Установка соленоидов в одной плоскости выполняется, например, соединением их магнитопроводов с обязательным совмещением геометрических центров. На фиг. 2 представлен вариант такого соединения для случая, когда магнитные сердечники соленоидов имеют прямоугольное сечение. На фиг. 2а представлено соединение сердечников с помощью пазов прямоугольной формы вполовину толщины, расположенных в центре сердечника, где обозначено: 1 - центры сердечников соединяемых соленоидов, 2 - пазы вполовину толщины. На фиг. 2б показана предлагаемая установка соленоидов с общим магнитопроводом, где обозначено: 3 - общий магнитопровод соленоидов, 4 - обмотки первого соленоида, 5 - обмотки второго соленоида. Из фиг. 2 видно, что предлагаемое соединение сердечников позволяет выполнить установку соленоидов в одной плоскости с совмещением их геометрических центров, чем достигается соответствие характеристик создаваемого поля требуемому пространственному распределению.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает высокую точность воспроизведения характеристик поля.

Следовательно, предлагаемое изобретение, обладая новизной, полезностью и реализуемостью, может быть применено в магнитометрических системах навигации и позиционирования.

Избретение относится к электротехнике, технической физике и предназначено для создания сильного низкочастотного магнитного поля вне объема источника магнитного поля. Техническим результатом является снижение степени искажения характеристик создаваемого поля. Предложенное устройство для создания сильного низкочастотного магнитного поля состоит из двух соленоидов, расположенных взаимно ортогонально. При этом сердечники соленоидов соединены между собой с помощью пазов прямоугольной формы вполовину их толщины, расположенных в центре сердечников, и установлены в одной плоскости таким образом, что их геометрические центры совпадают. 2 ил.

Устройство для создания сильного низкочастотного магнитного поля, состоящее из двух соленоидов, расположенных взаимно ортогонально, отличающееся тем, что сердечники соленоидов соединены между собой с помощью пазов прямоугольной формы вполовину их толщины, расположенных в центре сердечников, и установлены в одной плоскости таким образом, что их геометрические центры совпадают.