УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ДИПОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
DEVICE FOR CREATING A ROTATING DIPOLE MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к области технической физики, радиотехники и предназначено для генерации низкочастотного вращающегося магнитного поля в пространстве за пределами магнитной системы с величиной магнитной индукции 0,01-0,1 Тл. Устройство может быть использовано при создании навигационных систем, в которых в качестве навигационного поля применяется магнитное поле.
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]. Устройство предназначено для создания низкочастотного магнитного поля 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.
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, установлены в одной плоскости таким образом, что их геометрические центры совпадают [Заявка РФ 2020104646 А; Заявлено 31.01.2020; Опубликовано 02.08.2021, Бюл. №22]. Назначение этого устройства - создание в пространстве за пределами магнитной системы магнитного дипольного поля [ttps://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C_(%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0)].
Плоский виток с током и постоянный магнит в виде диска создают в пространстве дипольное магнитное поле, которое точно описывается выражением:
0
где  значение магнитной индукции в точке заданной радиусом вектором  (или координатами х, у, z);  - магнитного момента постоянного магнита (плоского витка с током); μ - магнитная постоянная.
Для вращающегося магнитного дипольного поля каждая точка пространства имеет индивидуальные значения вектора индукции магнитного поля. Эта особенность позволяет использовать такое поле для решения навигационных задач. [Голев И.М., Сергеев А.В. Локальная система навигации с использованием низкочастотного магнитного поля // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. №5. С. 88-94.]. Если поле не описывается указанной формулой, т.е. является не дипольным, погрешности определения координат будут большими.
Общим недостатком вышеуказанных устройств на основе соленоидов является сложность конструкции, которая заключается в том, что магнитные системы содержат соленоиды, которые конструктивно состоят из пластинчатых магнитных сердечников, расположенных внутри каркасных катушек с проводом. Для запитки соленоидов переменным током используются усилители мощности, имеющие большие габариты, генераторы гармонических сигналов и источники питания этих устройств. В процессе работы неизбежно увеличивается температура соленоидов за счет джоулевых потерь вызванных вихревым токами в магнитопроводе, что вызывает изменение их характеристик. Так как соленоиды включены в последовательный колебательный контур, то изменение температуры приводит к изменению величины индуктивности соленоида и как следствие к изменению амплитуды и фазы создаваемого им переменного магнитного поля и в конечном итоге снижает стабильность параметров магнитного поля.
Близкими по конструкции к заявляемому устройству являются машины постоянного тока, в которых магнитное поле создается однополюсными или многополюсными магнитами. Однако, во всех этих машинах постоянного тока, в которых вращающееся магнитное поле создается вращающимися магнитами, обязательно содержат такие конструктивные элементы как статоры и статорные обмотки, которые для увеличения магнитной связи выполняются из ферромагнитных материалов. Это приводит к концентрации магнитного поля внутри корпуса устройства. [Хвостов B.C. Электрические машины: Машины постоянного тока: Учеб. для студ. электротех. спец. вузов / Под ред. И.П.Копылова. - Москва: Высшая школа, 1988. - С. 336; см. стр. 34]. Поэтому создаваемые в этих устройствах вращающеюся магнитные поля не являются дипольными, т.е. не может быть описано выражением (1).
Наиболее близким по конструкции к заявленному устройству является саморегулируемый генератор с постоянными магнитами [Патент RU 2399143, заявлено 14.08.2006, опубликовано 10.10.2009]. В данном устройстве основное вращающееся поле обеспечивается вращающимся постоянным магнитом. Однако, расположенный вблизи вращающегося магнита кольцевой якорь неизбежно искажает распределение в пространстве магнитного поля, делая его не дипольным.
Техническим результатом данного изобретения является снижение погрешности определения местоположения и ориентации объекта навигации в пространстве, за счет создания источника стабильного вращающегося дипольного магнитного поля, которое в каждой точке пространства имеет различные значения вектора индукции магнитного поля и значения его фазы, однозначно определяемые координатами объекта в пространства.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее вращающийся постоянный магнит, дополнительно введены последовательно соединенные блок ввода данных, блок управления, драйвер двигателя и опорно-поворотное устройство, а также датчик магнитного поля и устройство индикации, при этом вторые вход и выход блока управления соединены с выходом датчика магнитного поля и входом устройства индикации соответственно, кроме того постоянный магнит выполнен в виде цилиндра вращения и размещен на опорно-поворотном устройстве, ось вращения которого перпендикулярна образующей цилиндра вращения и проходит через его центр масс.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где обозначено: 1 - блок ввода данных, 2 - блок управления, 3 - драйвер двигателя, 4 - опорно-поворотное устройство, 5 - постоянный магнит в виде цилиндра вращения, 6 - датчик магнитного поля, 7 - устройство индикации. 8 - ось симметрии постоянного магнита в виде цилиндра вращения, 9 - ось вращения опорно-поворотного устройства, 10 - центр масс постоянного магнита в виде цилиндра вращения. Для данной фигуры точка расположение центра масс совпадает с ее центром симметрии и лежит на середине оси симметрии цилиндра вращения [Александров А.Д., Вернер А.Л., Рыжик В.И. Стереометрия. Геометрия в пространстве: Учеб. пособие - Висагинас, Alfa, 1998. - 576 с. см. стр. 137],  - вектор индукции магнитного поля на поверхности магнита.
Устройство для создания вращающегося дипольного магнитного поля работает следующим образом.
Постоянный магнит в виде цилиндра вращения 5 размещен на опорно-поворотном устройстве 4 таким образом, что его ось симметрии совпадает с осью вращения опорно-поворотного устройства 9. Опорно-поворотное устройство приводит во вращение постоянный магнит с угловой частотой ω. При вращении магнита с частотой ω, вектор индукции магнитного поля совершает вращения вокруг оси вращения 8 угловой частотой со. Таким образом, в пространстве создается вращающееся переменное магнитное поле с индукцией В, распределение которого в пространстве можно достаточно точно описать формулой (1). Индукция магнитного поля вдоль оси цилиндра 8 определяется в соответствии с выражением:
0
m
где μ - магнитная постоянная, M - магнитный момент постоянного магнита, R - расстояние до точки определения магнитной индукции от оси вращения 9. Отметим, что такое распределение поля, в соответствии формулой (1 и 2), наблюдается на расстоянии R в 5÷10 раз превышающей размеры цилиндра.
0
0
С помощью блока ввода данных 1 на блок управления подается сигнал, содержащий информацию о требуемой частоте вращения переменного магнитного поля ƒ=2πω постоянного магнита в виде цилиндра вращения 5.
Блок управления 2 подает сигнал на драйвер 3, который увеличивает ток двигателя опорно-поворотного устройства 4, что вызывает вращение постоянного магнита в виде цилиндра вращения 5. В пространстве возникает вращающееся магнитное поле:
m
где B - амплитуда переменного поля, ω [рад] - угловая частота, ƒ[оборотов/секунду] - частота, ϕ - начальная фаза. На заданном расстоянии от постоянного магнита в виде цилиндра вращения 5 размещают датчик магнитного поля 6, на выходе которого присутствует напряжение не менее 1,0 вольта:
где S - эффективная площадь датчика магнитного поля 6.
m
m
m
m
Д
Д
Этот сигнал поступает на блок управления 2, где вычисляется его частота ƒ и амплитуда U. Последняя величина позволяет вычислить и амплитуду переменного магнитного поля B в соответствии с выражением B=U/k, где k[В/Тл] - коэффициент преобразования датчика, определяемый экспериментально.
0
0
m
В блоке управления 2 частота сигнала ƒ сравнивается с частотой ƒ, и далее принимается решение по регулировке тока поступающего на электродвигатель опорно-поворотного устройства, до тех пор, пока частота вращения магнита, а равно частота переменного магнитного поля, не будут равны заданной частоте f0. К блоку управления 2 подключено устройство индикации 7, на экране которого отображаются следующие параметры: частота вращения магнита (частота переменного поля) ƒ, величина заданной частоты ƒ и амплитуда переменного магнитного поля B.
Изобретение может быть реализовано с помощью известных радиотехнических элементов и материалов, выпускаемых промышленностью.
Назначение элементов понятно из их названия.
Блок ввода информации 1 может быть реализован с помощью клавиатуры [смотри https://amperka.ru/product/raspberry-pi-keyboard-original].
Блок управления 2 может быть выполнен в виде одноплатного компьютер Raspberry Pi 4 Model В [смотри https://amperka.ru/product/raspberry-pi-4-model-b-4-gb] с платой расширения АЦП/ЦАП для Raspberry Pi (AD/DA) [https://miniboard.com.ua/platy-rasshireniya/184-acpcap-plata-rasshireniya-dlya-raspberry-pi-adda.html].
Драйвер двигателя 3 может быть реализован с помощью блока L298N. [https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/drayver-dvigatelya-1298n/]
Опорно-поворотное устройство 4 предназначено для позиционирования и вращения постоянного магнита с заданной скоростью. Опорная часть устройства может быть выполнена из немагнитных материалов (текстолит, углепластик и т.п.). Поворотная часть устройства может быть выполнена на основе электродвигателя постоянного тока со стабилизацией частоты вращения типа ДПМ-25-Н1-01 [https://www.td-electroprivod.ru/elektrodvigateli-maloj-moschnosti-dlya-avtomatizacii-i-mehan/dpm-elektrodvigateli-postoyannogo-toka-kollektornye/].
m
2
Для проверки работоспособности изобретения использовался постоянный неодимовый магнит (Nd-Fe-B) в виде диска диаметром 50 мм и высотой 30 мм, с аксиальной (осевой) намагниченностью, с магнитным моментом M=53 А⋅м. С помощью электродвигателями ДПМ-25-Н1 диск вращался с частотой 110 об/с. Измеренные зависимости амплитуды индукции магнитного поля от расстояния до предлагаемой магнитной системы были пропорциональны  Это подтверждает то, что создаваемое магнитное поле является дипольным.
-10
На расстоянии R=0.1 м амплитуда индукции переменного магнитного поля с частотой 110 Гц была равна 0.01 Тл, а при R=35 м составляла 2⋅10 Тл, что уверенно регистрируется современными магнитометрическими датчиками. Размер области, в которой создается магнитное поле, может быть увеличен за счет увеличения магнитного момента постоянного магнита, который, в первом приближении, прямо пропорционален его объему.
В данном изобретении для создания переменного вращающегося дипольного магнитного поля не требуются усилители мощности, генераторы и источники питания, что существенно упрощает устройство. При работе предлагаемого устройства не происходит нагрев магнитной системы в силу отсутствия вихревых токов в объеме магнита, что обеспечивает высокую стабильность параметров создаваемого вращающегося магнитного поля. Также отсутствуют внешние конструктивные элементы, искажающие пространственное распределение индукции магнитного поля, соответствующее магнитному диполю. Использование такого источника вращающегося дипольного магнитного поля в системах навигации повышает точность решения навигационных задач.
Таким образом, предложенное устройство по сравнению с известными является в технической реализации более простым и создает дипольное вращающееся магнитное поле в пространстве за пределами магнитной системы с более стабильными параметрами (амплитудой магнитной индукции и ее фазой), практически не зависящими как от температуры окружающей среды, так и самой магнитной системы.
Следовательно, предлагаемое изобретение, обладает новизной, полезностью и реализуемостью, и может быть применено в магнитометрических системах навигации и позиционирования.