УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G01S1/70 G01R33/02 H01F7/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области технической физики, радиотехники и предназначено для формирования низкочастотного вращающегося магнитного поля в пространстве за пределами магнитной системы. Устройство может быть использовано для создания навигационных систем, в которых в качестве навигационного поля применяется переменное вращающееся магнитное поле.

Уровень техники

Известно 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].

Близким по функциональному назначению к заявляемому устройству является устройство, содержащее два соленоида, расположенных взаимно ортогонально, сердечники которых соединены между собой с помощью пазов прямоугольной формы вполовину их толщины, расположенных в центре сердечников, установленных в одной плоскости таким образом, что их геометрические центры совпадают [Патент RU 2756606, МПК Е21В 47/022, 04.10.2021].

Общим недостатком вышеуказанных устройств является низкая стабильность во времени формируемого вращающегося магнитного навигационного поля, заключающаяся в том, что магнитные системы содержат соленоиды, состоящие из пластинчатых магнитных сердечников, обмотки которых питаются от внешних усилителей мощности и в процессе работы значительно нагреваются, что ведет к изменению параметров вращающегося магнитного навигационного поля.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (прототип) [Патент RU 2789734, МПК G01S 1/70, 07.02.2023], содержащее электродвигатель, постоянный магнит в виде цилиндра вращения и датчик магнитного поля. В данном устройстве магнитное поле создается вращением постоянного магнита относительно его центра с помощью электродвигателя.

Недостатком прототипа является низкая стабильность во времени формируемого вращающегося магнитного навигационного поля, связанная с применением электродвигателя для вращения постоянного магнита, при работе которого формируется дополнительное переменное магнитное поле, которое приводит к случайному изменению во времени характеристик вращающегося магнитного навигационного поля.

Техническим результатом изобретения является повышение стабильности во времени характеристик формируемого вращающегося магнитного навигационного поля в пространстве.

Технический результат достигается тем что, в устройство для создания вращающегося магнитного поля, содержащее последовательно соединенные блок ввода данных и блок обработки данных и управления, постоянный магнит, выполненный в виде цилиндра вращения, ось вращения которого перпендикулярна образующей цилиндра вращения и проходит через его центр масс, дополнительно введена платформа, в центре которой закреплена ось вращения постоянного магнита, кроме того, на платформе вдоль траектории вращения постоянного магнита через 90 градусов размещены парами датчики магнитного поля и катушки возбуждения, кроме того, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь и блок формирования импульсов, при этом выходы датчиков магнитного поля соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом блока обработки данных и управления, выход которого соединен с входом блока формирования управляющих импульсов, а первый, второй, третий и четвертый выходы блока формирования управляющих импульсов соединены с входами первой, второй, третьей и четвертой катушек возбуждения соответственно.

Сущность изобретения заключается в том, что вращение постоянного магнита с требуемой частотой осуществляется путем подачи импульсов тока с заданной длительностью, периодом следования и амплитудой на катушки возбуждения, расположенные вдоль траектории вращения постоянного магнита и неподвижно закрепленные на платформе. При этом, в результате взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и катушек возбуждения возникает отталкивающая сила со стороны катушек возбуждения, действующая на торцы постоянного магнита. Это вызывает вращение постоянного магнита, закрепленного на оси вращения, которая проходит через центр масс и перпендикулярна образующей цилиндра. Как следствие, в пространстве создается вращающееся магнитное поле с частотой равной частоте вращения постоянного магнита.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема устройства для создания вращающегося магнитного поля, где обозначены:

1 - блок ввода данных;

2 - блок обработки данных и управления;

3 - постоянный магнит;

4 - ось вращения;

5-1, 5-2, 5-3, 5-4 - первый, второй, третий, четвертый датчики магнитного поля;

6 - платформа;

7 - АЦП;

8 - блок формирования управляющих импульсов;

9-1, 9-2, 9-3, 9-4 - первая, вторая, третья, четвертая обмотки катушек возбуждения;

10 - траектория вращения постоянного магнита.

В центре платформы 6 перпендикулярно закрепляют ось вращения 4, на которой в свободном состоянии размещают постоянный магнит 3, выполненный в виде цилиндра с аксиальной намагниченностью. Ось вращения 4 проходит через центр масс постоянного магнита 3 и перпендикулярна его образующей. Вдоль границы траектории вращения постоянного магнита 10, на платформе 6, через 90 градусов размещают датчики магнитного поля 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 и обмотки катушек возбуждения 9-1,9-2, 9-3,9-4.

Аналоговые сигналы с датчиков магнитного поля 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 поступают на вход АЦП 7 и в цифровом виде передают на блок обработки данных и управления 2.

С блока ввода данных 1 на блок обработки данных и управления 2 подают сигнал, содержащий информацию о требуемой частоте вращающегося магнитного поля постоянного магнита 3.

В блоке обработки данных и управления 2 определяют положение полюсов постоянного магнита 3 и формируют управляющие сигналы для блока формирования управляющих импульсов 8.

В блоке формирования управляющих импульсов 8 формируют импульсы требуемой полярности, с заданной длительностью, периодом следования и амплитудой для обмоток катушек возбуждения 9-1, 9-2, 9-3, 9-4, где соответствующие датчики магнитного поля показали большее значение индукции магнитного поля.

В результате взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и обмоток катушек возбуждения возникает отталкивающая сила со стороны обмоток катушек возбуждения, действующая на торцы постоянного магнита. Это вызывает вращение постоянного магнита на оси вращения 4. Как следствие, в пространстве создается стабильное во времени вращающееся магнитное поле.

Осуществление изобретения

Предложенное устройство может быть практически реализовано с помощью выпускаемых промышленностью электронных компонентов, микрокомпьютеров и изделий.

Датчики магнитного поля 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 предназначены для измерения индукции переменного вращающегося магнитного навигационного поля, они преобразуют переменное вращающееся магнитное поле в гармоническое напряжение, с частотой, равной частоте переменного вращающегося магнитного навигационного поля 3, могут быть изготовлены на основе феррозондовых магнитометров DRV425 [https://www.directindustry.com.ru/prod/texas-instruments-semiconductor/ product-33647-2210533.html].

Обмотки катушек возбуждения 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 предназначены для кратковременного формирования магнитного поля, на основании импульсов, приходящих от блока формирования управляющих импульсов 8, могут быть выполнены в виде простой катушки индуктивности с N-витков.

Блок формирования управляющих импульсов 8 предназначен для формирования импульсов с заданной длительностью, периодом следования и амплитудой, может быть выполнен в виде классического ШИМ регулятора с переключаемым транзисторным выходом [https://samkaksdelal.ru/mosnyj-sim-regulator-svoimi-rukami/].

АЦП 7 предназначен для преобразования гармонического сигнала в цифровой вид и может быть выполнен в виде платы расширения АЦП/ЦАП для Raspberry Pi [https://miniboard.com.ua/platy-rasshireniya/184-acpcap-plata-rasshireniya-dlya-raspberry-pi-adda.html].

Таким образом, в результате взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и обмоток катушек возбуждения происходит вращение постоянного магнита вокруг оси вращения. Это позволяет исключить применение электродвигателя для вращения постоянного магнита, уменьшить искажения распределения генерируемого магнитного навигационного поля в пространстве и повысить стабильность во времени магнитного навигационного поля.

Изобретение относится к области технической физики, радиотехники и предназначено для формирования низкочастотного вращающегося магнитного поля в пространстве за пределами магнитной системы. Устройство может быть использовано для создания навигационных систем, в которых в качестве навигационного поля применяется переменное вращающееся магнитное поле. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности во времени характеристик формируемого вращающегося магнитного навигационного поля в пространстве. В заявленном устройстве вращение постоянного магнита с требуемой частотой осуществляется путем подачи импульсов тока с заданной длительностью, периодом следования и амплитудой на катушки возбуждения, расположенные вдоль траектории вращения постоянного магнита и неподвижно закрепленные на платформе. При этом в результате взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и катушек возбуждения возникает отталкивающая сила со стороны катушек возбуждения, действующая на торцы постоянного магнита. Это вызывает вращение постоянного магнита, закрепленного на оси вращения, которая проходит через центр масс и перпендикулярна образующей цилиндра. Как следствие, в пространстве создается вращающееся магнитное поле с частотой, равной частоте вращения постоянного магнита. 1 ил.

Устройство для создания вращающегося магнитного поля, содержащее последовательно соединенные блок ввода данных и блок обработки данных и управления, постоянный магнит, выполненный в виде цилиндра вращения, ось вращения которого перпендикулярна образующей цилиндра вращения и проходит через его центр масс, отличающееся тем, что дополнительно введена платформа, в центре которой закреплена ось вращения постоянного магнита, кроме того, на платформе вдоль траектории вращения постоянного магнита, через 90 градусов размещены парами датчики магнитного поля и катушки возбуждения, кроме того, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь и блок формирования импульсов, при этом выходы датчиков магнитного поля соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом блока обработки данных и управления, выход которого соединен с входом блока формирования управляющих импульсов, а первый, второй, третий и четвертый выходы блока формирования управляющих импульсов соединены с входами первой, второй, третьей и четвертой катушек возбуждения соответственно.