Устройство для создания магнитного поля
MAGNETIC FIELD GENERATING DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и электроники для создания распределенного в пространстве магнитного поля произвольной конфигурации при магнитном воздействии на объекты сложной формы, в том числе, на биологически активные зоны, а также, производства измерений в процессе такого воздействия на объекты.
Известны устройства для создания магнитного поля (см. Гайдуков Ю.П. Физические основы и методы получения магнитного поля // Соросовский образовательный журнал, 1996, №4, с. 97-105) с использованием многовитковых и многослойных катушек, намотанных на сердечник из ферромагнитного материала, и соленойдов без сердечников.
Известно также устройство для создания магнитного поля (см. патент 2054662), состоящее из четырех электрических катушек, расположенных на цилиндрическом каркасе из диэлектрика попарно и симметрично плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического каркаса, в котором катушки каждой пары намотаны согласно, между собой пары катушек включены встречно, причем каждая катушка состоит из одной или нескольких электрически соединенных последовательно секций в виде двух дуговых участков и соединяющих общих прямолинейных участков, параллельных оси цилиндрического каркаса, причем, дуговые участки катушек имеют центральный угол 123-125 градусов, каждая катушка состоит из трех секций, дуговые участки которых находятся от плоскости симметрии на расстояниях в пределах (0,10-0,15)R, (0,55-0,60)R и (0,80-0,85)R, а общий дуговой участок - на расстоянии (1,60-1,90)R, где R - средний радиус дуговых участков, и отношение числа ампервитков в них 1 : 1 : 2 соответственно.
Известно устройство для создания магнитного поля (см. патент US20100197148 А1) магнитной системой из двух модульных магнитных структур, в первой из которых магнитная структура перемещается внутри первого модуля, а второй модуль включает в себя вторую магнитную структуру и схему управления, при котором магнитное взаимодействие между первой и второй магнитными структурами приводит к изменению формы магнитного поля двух модульных магнитных структур.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для создания магнитного поля (см. патент 777225), содержащее катушки индукторов, связанные по магнитному потоку гибким магнитопроводом из пучка стальных тросов, причем, первый электромагнит имеет разъем для подключения к блоку питания, а второй электромагнит подсоединен к первому последовательно.
Общим недостатком указанных устройств является невозможность создания распределенных в пространстве магнитных полей произвольной конфигурации для магнитного воздействия на объекты сложной формы
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание распределенных в пространстве магнитных полей произвольной конфигурации для магнитного воздействия на объекты сложной формы.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается во введении для магнитных потоков общей зоны, где обеспечивается перенаправление движения и изменение вида магнитных потоков.
Для решения поставленной задачи в устройстве для создания магнитного поля, содержащее катушки индукторов, связанные по магнитному потоку гибким магнитопроводом, отличается тем, что используют не менее трех катушек индукторов и, соответственно, не менее трех гибких магнитопроводов, одни концы которых размещены в полости соответствующей катушки индуктора и объединены по магнитному потоку общим участком, причем, катушки индукторов выполнены с возможностью их произвольного соединения и изменения в них вида и направления движения электрического тока, а свободные концы гибких магнитопроводов выполнены с возможностью произвольного размещения в пространстве относительно других свободных концов других магнитопроводов или объектов.
Кроме того, гибкий магнитопровод содержит изолированный центральный магнитопровод и соосные с ним, разделенные слоем изоляции, гибкие токопроводы и внешнюю защитную оболочку, причем, обмотки электромагнитов связаны с источником питания посредством токопроводов, при этом катушка электромагнита размещена непосредственно на центральном магнитопроводе.
Кроме того, центральный магнитопровод содержит не менее одной измерительной обмотки, размещенные внутри и/или вокруг магнитопровода соосно его оси.
Кроме того, свободные концы гибких магнитопроводов, используемые для создания магнитного поля переменной конфигурации, выполнены из сменного магнитомягкого материала с произвольной формой поверхности.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки, указывающие, что "используют не менее трех катушек индукторов и, соответственно, не менее трех гибких магнитопроводов", обеспечивают создание распределенного в пространстве магнитного поля произвольной конфигурации не менее, чем тремя источниками магнитных полей.
Признаки, указывающие, что "одни концы гибких магнитопроводов размещены в полости соответствующей катушки индуктора и объединены по магнитному потоку общим участком", обеспечивают создание магнитного поля переменной конфигурации гибкими магнитопроводами с катушками индукторов, объединеных по магнитному потоку общим участком, в котором осуществляется перенаправление движения магнитных потоков.
Признаки, указывающие, что "катушки индукторов выполнены с возможностью их произвольного соединения и изменения в них вида и направления движения электрического тока", обеспечивают создание магнитных полей с возможностью произвольного изменения в них вида и направления движения магнитного потока.
Признаки, указывающие, что "свободные концы гибких магнитопроводов выполнены с возможностью произвольного размещения в пространстве относительно других свободных концов других магнитопроводов или объектов", обеспечивают создание магнитных полей произвольной формы относительно других свободных концов магнитопроводов или объектов.
Признаки первого дополнительного пункта формулы изобретения обеспечивают экранирование источников магнитного поля и центральных магнитопроводов устройства создания магнитного поля токопроводами, питающими обмотки электромагнитов источников магнитного поля.
Признаки второго дополнительного пункта формулы изобретения позволяют обеспечить измерение процесса воздействия на объект как части, так и всего магнитного потока.
Признаки третьего дополнительного пункта формулы изобретения позволяют обеспечить создание сменного магнитного поля с произвольной формой поверхности.
На фиг. 1 показан общий вид устройства создания магнитного поля; на фиг. 2 - разрез гибкого магнитопровода и схема его присоединения к корпусу устройства; на фиг. 3 - вид слева на гибкий магнитопровод (вид А-А); на фиг. 4 - схема выбора источника питания и переключения направления тока в источниках магнитного поля.
На фиг. 1:1 - корпус устройства; 2 - блок источников питания; 3 - блок задания источника питания; 4 - блок переключения направлений тока в источниках магнитного поля; 5 - блок подключения источников питания к обмоткам катушек; 6 - гибкий магнитопровод; 7 - конец магнитопровода с катушкой индуктора; 8 - свободный конец гибкого магнитопровода.
На фиг. 2: И1 и И2 - измерительные обмотки; П11 и П22 - торцы, соответственно, внутреннего и внешнего токопроводов (выводы измерительных обмоток, начала Н и концов К катушки электромагнита, торцы внутреннего П1 и внешнего П2 токопроводов не показаны); 1 - корпус устройства; 7 - конец магнитопровода с катушкой индуктора; 9 - защитный слой; 10 - магнитный экран; 11 - изоляционный слой; 12 - общий участок магнитных потоков; 13 - зона соединения; 14 - диэлектрическая вставка; 15 -катушка электромагнита; 16 - токопроводящая шайба; 17 - соединение магнитопровода с корпусом устройства 1; 18 - центральный магнитопровод; 19 - изоляционный слой; 20 - внутренний токопровод; 21 - изоляционный слой; 22 - внешний токопровод; 23 - защитная оболочка; 24 - защитная поверхность; 25 - токопроводящая шайба; 26 - прорезиненное кольцо; 27 -рабочая поверхность.
На фиг. 3: вид слева на гибкий магнитопровод (вид А - А). Н и К -выводы катушки электромагнита; П1 и П2 - выводы, соответственно, концов внутреннего и внешнего токопроводов; 1 - корпус устройства; 7 - конец магнитопровода с катушкой индуктора; 17 - соединение магнитопровода с корпусом устройства; 23 - защитная оболочка; 26 - прорезиненное кольцо; 27 - рабочая поверхность.
На фиг. 4: БЛОК 2 - блок источников питания; БЛОК 2 - блок задания источников питания; БЛОК 3 - блок задания направлений тока; БЛОК 4 -блок подключения источников питания к обмоткам катушек; ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4 - обмотки катушек; ,  - направления токов в обмотках катушек.
На чертежах показаны: общий вид устройства создания магнитного поля, содержащего четыре катушки индуктора и четыре гибких магнитопровода (см. фиг. 1), состоящая из корпуса устройства 1, выполненного из диамагнитного материала, последовательно соединенных блока источников питания (БЛОК 2), блока задания источников питания (БЛОК 3), блока задания направлений тока (БЛОК 4), блока подключения источников питания к обмоткам катушек (БЛОК 5). К корпусу устройства 1 присоединены четыре конца 7 магнитопроводов с катушками индукторов, причем, гибкие магнитопроводы 6 размещены в полости катушек индукторов. Свободные концы 8 гибких магнитопроводов ориентируют в пространстве для создания распределенных магнитных полей произвольной конфигурации. Разрез гибкого магнитопровода и схема его соединения к корпусу 1 устройства создания магнитного поля показано на фиг. 2. Измерительные обмотки И1 и И2 размещены, соответственно, внутри и/или вокруг центрального магнитопровода 18 соосно его оси и фиксируют либо часть, либо полный магнитный поток в центральном магнитопроводе 18. Торцы внутреннего П11 и внешнего П22 токопроводов (см. на фиг. 1) на свободном конце гибкого магнитопровода 6 контактируют с токопроводящей шайбой 25 из высопроводящего материала, обеспечивающей противоположные направления токов во внутреннем 20 и внешнем 22 токопроводах, Корпус 7 конца магнитопровода, выполненный из диамагнитного материала, посредством соединения 17, например, резьбового, соединен с корпусом устройства 1, также выполненного из диамагнитного материала. Последовательно соединенные защитный слой 9, магнитный экран 10, выполненный, например, из высокопроводящего электрический ток материала, и изоляционный слой 11 отделяют общий участок магнитных потоков 12 от корпуса устройства 1. Общий участок магнитных потоков 12 посредством зоны соединения 13 связан по магнитному потоку с центральным магнитопроводом 18. Диэлектрическая вставка 14 из прорезиненного материала обеспечивает механическую прочность катушки электромагнита 15 и центрального магнитопровода 18 при изгибных механических нагрузках. Токопроводящая шайба 16, контактирующая с торцами внутреннего 20 и внешнего 22 токопроводов (на конце 7 магнитопровода с катушкой индуктора), обеспечивает противоположные направления токов во внутреннем 20 и внешнем 22 токопроводах. Изоляционный слой 19 обеспечивает электрическую изоляцию внутреннего токопровода 20 и центрального магнитопровола 18. Для компенсации сил притяжения, возникающих при протекании больших токов, изоляционный слой 21 между внутренним 20 и внешним 22 токопроводами выполнен с высокой механической прочностью на сжатие. Защитная оболочка 23, выполненная, например, из прорезиненного материала, предохраняет магнитопровод от внешних воздействий. Защитная поверхность 24 предохраняет (см. на фиг. 1) свободный конец 8 центрального магнитопровода 6. Токопроводящая шайба 25, контактирует с торцами внутреннего 20 и внешнего 22 токопроводов (см. на фиг. 1) на свободном конце 8 гибкого магнитопровода 6 и обеспечивает противоположные направления токов во внутреннем 20 и внешнем 22 токопроводах (на свободном конце гибкого магнитопровода 6). Прорезиненное кольцо 26 используется для удобства схвата и перемещения концов гибкого магнитопровода 6. Рабочая поверхность 27 свободного конца 8 гибкого магнитопровода 6 предназначена для контакта с объектом магнитного воздействия и выполнена с возможностью его замены магнитомягким материалом с произвольной формой поверхности.
Гибкий магнитопровод и его вид слева (вид А-А) показан на фиг. 3. Выводы Н и К, П1 и П2, соответственно, начала и конца катушки 15 электромагнита, внутреннего 20 и внешнего 22 токопроводов выведены на корпус 7 конца магнитопровода с катушкой индуктора с обеспечением их взаимной электрической изоляции. К корпусу устройства 1 присоединен, например, резьбовым соединением 17, корпус 7 конца магнитопровода с катушкой индуктора, причем, (см. на фиг. 1, 2 и 3) центральный магнитопровод 18 размещен в полости катушки 15 электромагнита. Защитная оболочка 23 обеспечивает механическую прочность гибкого магнитопровода 6. Прорезиненное кольцо 26 предназначено для удобства захвата и перемещения (см. на фиг. 1 и 3) свободного конца 8 гибкого магнитопровода 6. Рабочая поверхность 27 свободного конца гибкого магнитопровода 6 контактирует с объектом магнитного воздействия и выполнена из сменяемого магнитомягкого материалом с произвольной формой поверхности.
Выбор вида источника питания и переключения направления тока в источниках магнитного поля, а также, подключения источников питания к обмоткам катушек осуществляется по схеме на фиг. 4. Блок источников питания (БЛОК 2) включает источники питания U1, U2, U3 и U4, которые могут быть одного вида (однотипные), либо разных видов (разнотипные), например, постоянного, переменного, импульсного и специального напряжений. Блок задания источников питания (БЛОК 3) включает заданные источники питания (U1, U2, U3 и U4) для формирования соответствующего вида магнитного поля, однотипных, либо разнотипных. Блок задания направлений тока (БЛОК 4) задает направления тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в заданных источниках питания (U1, U2, U3 и U4). Блок подключения источников питания к обмоткам катушек (БЛОК 5) подключает обмотки катушек (ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4) источников магнитного поля к заданным источникам питания с заданным направлением тока в них. Направления токов в обмотках катушек (ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4) могут быть, соответственно, по часовой  или против  часовой стрелки. Задание источников питания сводится к операции выбора вида источника питания из блока источников питания (БЛОК 2) и может быть выполнено, например, посредством четырех четырехпозиционных двухпакетных переключателей, при этом, заданные источники питания формируются на выходе блока задания источников питания (БЛОК 3). Задание направлений тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в заданных источниках питания (U1, U2, U3 и U4) осуществляется в блоке задания направлений тока (БЛОК 4) и может быть выполнено, например, посредством четырех восьмипозионных двухпакетных переключателей, при этом, заданные направления тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в заданных источниках питания (U1, U2, U3 и U4) формируются на выходе блока задания направлений тока (БЛОК 4). Блок подключения источников питания к обмоткам катушек (БЛОК 5) подключает обмотки катушек (ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4) источников магнитного поля к заданным источникам питания (U1, U2, U3 и U4) с заданным направлением тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в них и может быть выполнено, например, посредством четырех восьмипозиционных двухпакетных переключателей, при этом, направления токов в обмотках катушек ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4, могут быть, соответственно, по часовой или против часовой стрелки. В полости обмоток катушек ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4 (на фиг. 2 позиция 15) размещены концы центрального магнитопровода 18. При подключении к обмоткам катушек ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4 заданных источников питания (U1, U2, U3 и U4) с заданным направлением тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в них обмотки катушек (ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4) создают магнитные поля источников магнитного поля соответствующего вида и направления (см. фиг. 1 и 2) на свободных концах 8 гибкого магнитопровода.
Устройство создания магнитного поля, содержащее четыре катушки индуктора и четыре гибких магнитопровода работает следующим.
Размещают в пространстве (см. фиг. 1) свободный конец 8 гибкого магнитопровода 6 в требуемой конфигурации для намагничивания и размагничивания объектов сложной формы, в том числе, на биологически активные зоны различных меридианов. Задаются (см. фиг. 1 и 4) виды источников питания и направления тока в источниках магнитного поля, затем подключаются источники питания к обмоткам катушек (ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4). Для этого из возможных источников питания: (U1, U2, U3 и U4) задаются в блоке (БЛОК 2) однотипные, либо разнотипные источники питания для формирования соответствующего вида магнитного поля, однотипных, либо разнотипных. Задание источников питания осуществляется посредством четырех четырехпозиционных двухпакетных переключателей, при этом, на выходе блока задания источников питания (БЛОК 3) формируется выбранный источник питания из блока источников питания (БЛОК 2). Задаются направления тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в заданных источниках питания (U1, U2, U3 и U4) посредством четырех восьмипозионных двухпакетных переключателей в блоке задания направлений тока (БЛОК 4). Посредством блока подключения источников питания к обмоткам катушек (БЛОК 5), состоящей из четырех восьмипозиционных двухпакетных переключателей, обмотки катушек (ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4) источников магнитного поля подключаются к заданным источникам питания (U1, U2, U3 и U4) с заданным направлением тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в них, при этом, направления токов в обмотках катушек ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4 ориентируют по часовой  или против  часовой стрелки. При подключении к обмоткам катушек ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4 заданных источников питания (U1, U2, U3 и U4) с заданным направлением тока (Uзад1, Uзад2, Uзад3 и Uзад4) в них обмотки катушек ОК1, ОК2, ОК3 и ОК4 создают магнитные поля источников магнитного поля соответствующего вида и направления (см. фиг. 1 и 2) на свободных концах 8 гибкого магнитопровода 6. По зафиксированным положениям переключателей, выводят, при необходимости, информацию о видах магнитного поля на рабочей поверхности 27 свободного конца 8 гибкого магнитопровода 6. Возможность того, что катушки индукторов выполнены с возможностью их произвольного соединения и изменения в них вида и направления движения электрического тока, обеспечивают создание магнитных полей с возможностью произвольного изменения в них вида и направления движения магнитного потока. Кроме того, свободные концы 8 гибких магнитопроводов 6 возможно произвольно размещать в пространстве относительно других свободных концов 8 других гибких магнитопроводов 6, что позволяет создавать магнитные поля произвольной формы относительно других свободных концов 8 гибких магнитопроводов 6 или объектов. Кроме того, выполнение свободных концов 8 гибких магнитопроводов 6 из магнитомягкого материала с произвольной формой поверхности позволяет создавать магнитные поля произвольной формы на рабочей поверхности свободного конца 8 гибкого магнитопровода 6.
Основное условие, необходимое для перенаправления магнитных потоков между концами гибких магнитопроводов, обеспечивается (см. фиг. 1 и 2) введением общего участка 12, в котором центральные магнитопроводы 18 всех четырех гибких магнитопроводов 6, через зону соединения 13 центрального магнитопровода с общим участком магнитных потоков, соединены с общим участком 12 магнитных потоков.
Компенсация магнитных полей, генерируемых токами во внутреннем 20 и внешнем 22 токопроводах, осуществляется следующим образом.
При подключении, например, (см. фиг. 2 и 3) вывода источника питания ИП к выводу П1 ток от вывода П1 через внутренний токопровод 20 поступает к токопроводящим шайбам 16 и 25, далее, от токопроводящих шайб 16 и 25 в обратном направлении по внешнему токопроводу 22 к его выводу П2, затем через обмотку катушки электромагнита 15, размещенной непосредственно на центральном магнитопроводе, на другой вывод источника питания ИП. Противоположные направления токов во внутреннем 20 и внешнем 22 токопроводах обеспечивают компенсацию магнитных полей, генерируемых внутренним 20 и внешним 22 токопроводами, и снижают общие суммарные магнитные помехи в исследуемом пространстве. Кроме того, высокая электропроводность внутреннего 20 и внешнего 22 токопроводов обеспечивает защиту магнитного поля центрального магнитопровода 18 от внешних полей. Изоляционный слой 21, выполненный с высокой механической прочностью на сжатие, позволяет компенсировать силы притяжения, возникающие при протекании больших токов во внутреннем 20 и внешнем 22 в токопроводах.
Измерительные обмотки (см. фиг. 2) И1 и И2, размещенные, соответственно, внутри и/или вокруг центрального магнитопровода 18 соосно его оси (выводы на схеме не показаны) позволяют измерять скорости изменения магнитного потока Uизм1(t) и Uизм2(t) внутри и/или вокруг центрального магнитопровода в процессе магнитного воздействия на объект для образцов испытуемых материалов, помещенных между рабочими поверхностями 27 свободных концов 8 гибких магнитопроводов 6, по которым можно судить о параметрах свойств объекта: магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости, проводимости и потерь на вихревые токи. Значения напряжений Uизм1(t) и Uизм2(t) пропорциональны, соответственно, индуцированным в объекте значениям части вихревых токов или полному вихревому току при быстром изменении сцепленного с ней магнитного потока, зависящего от свойств объекта, помещенного между рабочими поверхностями 27 свободного конца 8 гибкого магнитопровода 6, при этом, значения напряжений Uизм1(t) и Uизм2(t) измеряются в защищенном от воздействия внешних магнитных полей элементе магнитной системы - в центральном магнитопроводе 18, что обеспечивает высокую технологичность и точность магнитных измерений. Кроме того, используется полный магнитный поток, генерируемый магнитной системой, для воздействия на объект, что обеспечивает высокую эффективность использования магнитного потока магнитной системы. Защитная оболочка 23 гибкого магнитопровода 6 и защитная поверхность 24 свободного конца гибкого магнитопровода предотвращают механическое разрушение магнитопровода 6, а прорезиненное кольцо 26 обеспечивает удобство перемещения и позиционирования рабочей поверхности свободного конца 8 гибкого магнитопровода 6.
Таким образом, применение в устройстве для создания магнитного поля не менее трех катушек индукторов и, соответственно, не менее трех гибких магнитопроводов, одни концы которых объединены по магнитному потоку общим участком с возможностью произвольного размещения свободных концов в пространстве, обеспечивают создание магнитных полей произвольной формы относительно других свободных концов магнитопроводов или объектов, а изменение в обмотках электромагнитов вида и направления движения электрического тока обеспечивают создание магнитных полей с возможностью произвольного изменения в них вида и направления движения магнитного потока. Размещение измерительных обмоток, соответственно, внутри и/или вокруг центрального магнитопровода соосно его оси обеспечивает высокую технологичность и точность магнитных измерений в процессе магнитного воздействия на объекты.
Предлагаемое устройство можно применять в области электротехники и электроники для создания распределенного в пространстве магнитного поля произвольной конфигурации, используемого для магнитного воздействия на объекты сложной формы, в том числе, на биологически активные зоны, а также, производства измерений в процессе такого воздействия на объекты.