МАГНИТНЫЙ КОМПАС
MAGNETIC COMPASS

Предлагаемое изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для уничтожения электромагнитной девиации в магнитных стрелочных и индукционных компасах с расширением диапазона компенсации девиации, обеспечивая при этом отсутствие погрешности в виде изменяющейся четвертной девиации при плавании судна, корабля с изменениями широты.
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 г., 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 симметрии магнитного чувствительного элемента (МЧЭ) компаса, под котелком компаса с МЧЭ. Указанное расположение ЭМК между котелком компаса (см. «Магнитно-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 КМ 145. Техническое описание и инструкция по эксплуатации КБО.115.071 ТО», стр.19-20 (рис.1), в котором ЭМК размещен на уровне МЧЭ (см. рис.1, позиции 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.
Известен магнитный компас, описанный в «Компас КДЭ-П. Техническое описание и инструкция по эксплуатации КБО. 115.016 ТО», стр.5, 6, 13, 18, 21, 94, 97, рис.4, рис.7.
Компас КДЭ-П содержит датчик, в котором размещены магнитный чувствительный элемент компаса (см. стр.5, стр.18, рис.4, позиция 17) и девиационные устройства, обеспечивающие уничтожение всех видов магнитной и электромагнитной девиации (см. стр.6, стр.21, стр.97, рис.7).
Компенсатор элетромагнитной девиации состоит из четырех цилиндрических катушек: двух продольных катушек Х, позиция 32, и двух поперечных катушек У, позиция 83, расположенных под катушками X.
Катушки Х снабжены двумя сердечниками из ферромагнитного материала, позиция 77. Катушки У снабжены одним сердечником, позиция 82.
Основным недостатком компаса КДЭ-П - аналога - является то, что сердечники катушек расположены на разных расстояниях от магнитного чувствительного элемента и имеют разные массы. Вследствие этого намагниченности сердечников полем чувствительного элемента существенно различаются, что создает четвертную девиацию компаса, изменяющуюся при изменении широты плавания судна, корабля. Таким образом имеет место изменяющаяся погрешность курсоуказания компаса.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является магнитный компас по патенту №2161775 (заявка №99102426 от 09.02.1999 г.) - прототип.
Компас содержит 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 симметрии катушки и магнитного чувствительного элемента, на угол, определяемый формулой
где α - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси катушки, и линией, соединяющей центры симметрии катушки и магнитного чувствительного элемента;
Ψ - угол между вертикалью, проходящей через центр симметрии катушки электромагнитного компенсатора, и линией, соединяющей центры симметрии катушки и магнитного чувствительного элемента.
Повышение эффективности электромагнитного компенсатора обеспечивается соотношением магнитного момента М и массы обмотки Р его катушки, определяемым зависимостью:
где
М - магнитный момент катушки электромагнитного компенсатора;
Р - масса обмотки катушки;
макс
σ - предельно допустимая плотность тока в обмотке катушки, не вызывающая нагрева обмотки относительно температуры окружающей среды;
пр
ρ - плотность материала провода обмотки;
R - максимальный радиус обмотки;
r - минимальный радиус обмотки, при отношении .
Основным недостатком компаса-прототипа является отсутствие возможности расширения диапазона компенсации электромагнитной девиации, вызываемой магнитными полями электрооборудования судна, корабля, в том числе обмотками размагничивания и другим оборудованием, генерирующим и потребляющим постоянный ток, а также межприборными кабельными трассами, без увеличения габаритных размеров катушек электромагнитного компенсатора, а следовательно, габаритных размеров, массы и стоимости компаса.
Основными задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются обеспечение возможности расширения диапазона компенсации электромагнитной девиации при сохранении габаритных размеров катушек компенсатора, а следовательно, и компаса, при обеспечении минимизации погрешности курсоуказания компаса вследствие изменений четвертной девиации при плавании судна, корабля с изменением широты плавания.
Для решения указанных задач в магнитном компасе, содержащем магнитный чувствительный элемент и электромагнитный компенсатор, включающий катушки, установленные попарно симметрично относительно вертикали компаса, проходящей через центр симметрии магнитного чувствительного элемента, с обеспечением повышения эффективности электромагнитного компенсатора путем увеличения пределов компенсации девиации, 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 симметрии катушки и магнитного чувствительного элемента, на угол, определяемый формулой
где α - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси катушки, и линией, соединяющей центры симметрии катушки и магнитного чувствительного элемента;
Ψ - угол между вертикалью, проходящей через центр симметрии катушки компенсатора, и линией, соединяющей центры симметрии катушки и магнитного чувствительного элемента; катушки электромагнитного компенсатора содержат сердечники цилиндрической формы из ферромагнитного низкокоэрцитивного материала с одинаковыми геометрическими размерами и массой, при этом центры симметрии катушки и сердечника совпадают в общей точке; расстояния между центрами симметрии сердечников и вертикалью компаса равны между собой, и расстояния от центров симметрии сердечников до центра симметрии магнитного чувствительного элемента также равны между собой.
Предлагаемый магнитный компас представлен на фиг.1-3.
На фиг.1 представлен общий вид компаса с электромагнитным компенсатором.
На фиг.2 - размещение катушек электромагнитного компенсатора с сердечниками.
На фиг.3 - основные параметры катушки с сердечником и ее расположение.
Магнитный компас содержит (фиг.1) магнитный чувствительный элемент 1, размещенный в котелке 2, и электромагнитный компенсатор 3, включающий две предельные катушки Х 4 и две поперечные катушки У 5 (фиг.2) с сердечниками цилиндрической формы из ферромагнитного низкокоэрцитивного материала соответственно 6 и 7.
Положения катушек с сердечниками (фиг.2 и 3) определяются углами ψ, отсчитываемыми от вертикали 8, проходящей через совмещенные центры симметрии катушки и сердечника (точка О фиг.2 и 3), и линии 9, соединяющей совмещенный центр симметрии катушки и сердечника и центр симметрии магнитного чувствительного элемента (точка А фиг.2 и 3), причем магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса 10, и наклонены относительно линий, соединяющих совмещенные центры симметрии катушек и сердечников О с центром симметрии А магнитного чувствительного элемента, на угол α.
На фиг.3 представлены основные параметры катушек с сердечниками:
Т - полный вектор индукции магнитного поля катушки;
ЦМС - центр симметрии магнитного чувствительного компаса (точка А);
θ - угол, отсчитываемый от вертикали 8, до оси 11, совпадающей с направлением магнитной оси катушки;
α - угол между осью 11, совпадающей с направлением магнитной оси катушки, и линией 9, соединяющей центры симметрии О катушки с сердечником и магнитного чувствительного элемента А.
ψ - угол между вертикалью 8, проходящей через совмещенный центр симметрии катушки и сердечника, и линией 9, соединяющей центры симметрии катушки и сердечника с центром симметрии магнитного чувствительного элемента;
φ - угол между линией 9, соединяющей центр симметрии катушки с сердечником (точка О) и центр симметрии магнитного чувствительного элемента (точка А), и направлением вектора Т;
l - половина длины сердечника;
1
r - расстояние от центра симметрии сердечника (точка О) до центра симметрии магнитного чувствительного элемента (точка А).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При протекании постоянного тока через обмотки катушек компенсатора, соединенные последовательно и согласно, в области магнитного 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 Т и их проекции на эту плоскость максимальны.
Сердечники, изготовленные из низкокоэрцитивного (магнитомягкого) материала, усиливают индукцию магнитного поля в области магнитного чувствительного элемента компаса, поскольку уменьшают сопротивление магнитному потоку, создаваемому током в обмотках катушек компенсатора, что расширяет возможность компенсации индукции магнитных полей, создаваемых источниками девиации компаса.
В случае выключения источников и вследствие этого обесточивания катушек компенсатора намагничивание полем чувствительного элемента сердечников, размещенных в катушках в продольной плоскости компаса на курсе 0°, когда вектор поля чувствительного элемента проходит через эти сердечники, не вызывает отклонения (девиации) чувствительного элемента от плоскости магнитного меридиана, так как вектор поля, вызванный их намагниченностью, также лежит в плоскости меридиана. Намагниченность сердечников, размещенных в катушках в поперечной плоскости компаса, полем чувствительного элемента также не вызывает появления девиации, поскольку сердечники размещены симметрично относительно продольной плоскости компаса и векторы индукции, созданные их намагниченностью полем чувствительного элемента в области чувствительного элемента, уравновешивают друг друга. На курсе 45°, все четыре сердечника, размещенные симметрично относительно вертикали компаса, также не вызывают появление девиации, так как сердечники создают в области чувствительного элемента взаимно уравновешивающиеся векторы поля, создаваемого их намагниченностью полем ЧЭ. То же самое относится ко всем остальным, в том числе промежуточным между 0° и 45°, курсам.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает значительное расширение диапазонов компенсации электромагнитной девиации, не вызывая необходимости увеличения количества ампер-витков обмоток катушек, а также не вызывает появления девиации, обусловленной намагничиванием сердечников, зависящей от изменений индукции (напряженности) магнитного поля Земли при плаваниях с изменением широты.
Теоретическое приложение к изобретению «Магнитный компас»
Сердечники из ферромагнитного низкокоэрцитивного материала, размещенные внутри катушек электромагнитного компенсатора, намагничиваются полем магнитного чувствительного элемента компаса (МЧЭ), что вызывает четвертную девиацию.
Коэффициент четвертной девиации, то есть ее амплитудное значение при изменении курса судна, корабля от 0° до 360°, определяется формулой (см. Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. - Л.: Морской транспорт, 1960 г. стр.196):
где
1
D - коэффициент четвертной девиации;
1
а - параметр Пуассона, то есть коэффициент пропорциональности между напряженностью поля в области МЧЭ, создаваемого сердечниками, расположенными в продольной плоскости компаса, и напряженностью намагничивающего их поля МЧЭ;
1
е - параметр Пуассона, то есть коэффициент пропорциональности между напряженностью поля в области МЧЭ, создаваемого сердечниками, расположенными в поперечной плоскости компаса, и напряженностью намагничивающего их поля МЧЭ.
1
1
1
Очевидным условием минимизации D является численное равенство параметров а и e при одинаковых знаках.
1
Выражение для параметра а (см. там же, стр.198) имеет вид:
где
- магнитная восприимчивость сердечника;
V - объем сердечника;
l - половина длины сердечника;
1
r - расстояние от центра симметрии сердечника до центра симметрии МЧЭ.
1
1
Выражение для параметра e при одинаковой форме сердечников идентично выражению (2) для параметра а.
При одинаковом материале сердечников значение  одинаково.
При идентичных размерах сердечников значения V и l также одинаковы.
1
1
1
Таким образом, условием равенства параметров а и е, что минимизирует значение D, является симметрия размещения сердечников относительно МЧЭ, при которой значения r равны, что и отражено в формуле предлагаемого изобретения.
Литература
1. Нечаев П.А., Григорьев В.В. Магнитно-компасное дело. - М.: Транспорт, 1975 г., стр.89 (рис.64), стр.231-232.
2. Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. - Л.: Морской транспорт, 1960 г., стр.196, 264-265.