УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
APPARATUS FOR CREATING A LOW-FREQUENCY MAGNETIC FIELD

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.