Магнитный компас
Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для уничтожения электромагнитной девиации в магнитных стрелочных компасах. Сущность изобретения: компас содержит магнитный чувствительный элемент и компенсатор электромагнитной девиации, размещенный под магнитным чувствительным элементом. Компенсатор включает три взаимно перпендикулярные катушки с обмотками: продольную поперечную и вертикальную с магнитными моментами, Мх, Му, Мz, имеющие прямоугольную форму. Магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса, на которой лежит центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента. Продольная и поперечная катушки с обмотками размещены одна внутри другой так, что центры обмоток совмещены в общей точке на вертикали компаса. Высота внутренней катушки равна расстоянию от верхней плоскости ее витков до плоскости магнитной системы магнитного чувствительного элемента и определяется формулой
где 2b - высота внутренней катушки;
I - ток в обмотке внутренней катушки;
W - число витков обмотки внутренней катушки;
с - половина длины горизонтальной части витков обмотки внутренней катушки;
π - константа;
Н - максимальное значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля обмотки внутренней катушки в области магнитного чувствительного элемента. Технический результат: уменьшение затрат на изготовление вследствие минимизации расходов обмоточного провода, повышение эффективности вследствие расширения диапазона компенсации магнитных полей. 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для уничтожения электромагнитной девиации в магнитных стрелочных компасах.
Известен магнитный компас с компенсатором электромагнитной девиации (ЭМК), описанный в “Компас КМ 145. Техническое описание и инструкция по эксплуатации КБ0.115.071 ТО”, стр. 19-20 (рис.1), в котором ЭМК размещен на уровне магнитного чувствительного элемента (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 (с обмотками) ЭМК.
Известен также магнитный компас с ЭМК по патенту № 2161775 G 01 C 17/02 (заявка № 99102426 от 09.02.1999 г.).
Компас содержит магнитный чувствительный элемент, электромагнитный компенсатор, размещенный под ним и включающий катушки (соленоиды), X, У, установленные попарно симметрично относительно вертикали компаса. При этом ось, совпадающая с направлением магнитной оси катушки, наклонена относительно линии, проходящей через центры катушки и магнитного чувствительного элемента, на угол, определяемый формулой
где α - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси катушки, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента;
ψ - угол между вертикалью, проходящей через центр катушки электромагнитного компенсатора, и линией, соединяющей центры катушки и магнитного чувствительного элемента.
Основной недостаток компаса - недостаточная эффективность ЭМК вследствие того, что при наклоне его катушек по отношению к вертикали компаса в области МЧЭ создается не полное значение напряженности магнитного поля от катушки, а ее уменьшенное значение, соответствующее проекции вектора напряженности на горизонтальную плоскость. Последнее требует увеличения размеров катушек и ампервитков I·W компенсатора (где I - ток в катушке; W - число витков катушки), что приводит к увеличению габаритных размеров, материальных затрат при изготовлении компаса.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является магнитный компас с компенсатором электромагнитной девиации - ЭМК, описанным в книге “Магнитно-компасное дело”, Нечаев П.А., Григорьев В.В., М., Транспорт, 1975 г., стр. 232, 233 (рис.123) (прототип).
ЭМК устанавливается в нактоузе компаса под его котелком, содержащим магнитный чувствительный элемент.
ЭМК содержит три взаимно перпендикулярные катушки (соленоиды) X, У, Z прямоугольной формы, которые ориентированы так, что ось одной из них Х лежит в диаметральной плоскости (в продольной плоскости компаса), ось второй У перпендикулярна ей, а ось третьей Z совпадает с вертикалью компаса.
Магнитный компас с аналогичным устройством ЭМК рассмотрен также в книге “Девиация магнитного компаса”, Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В., Л.: Морской транспорт, 1960 г., стр. 264, 265.
Основным недостатком прототипа - магнитного компаса с ЭМК, описанного в книге “Магнитно-компасное дело”, стр. 232, 233, является отсутствие аналитической зависимости между параметрами обмоток катушек ЭМК и расстоянием между обмотками катушек и магнитной системой магнитного чувствительного элемента компаса, вследствие чего не представляется возможным оптимизация параметров ЭМК, выражающаяся в минимизации числа ампервитков I·W (где I - ток в обмотке катушки; W - число витков обмотки) при заданном значении напряженности магнитного поля, создаваемого ЭМК в области магнитного чувствительного элемента.
Последнее приводит, как правило, к неоправданному увеличению тока в обмотках ЭМК или к избыточному расходу медного обмоточного провода при увеличенном количестве витков.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является оптимизация параметров и расположения катушек Х и У ЭМК относительно центра магнитной системы магнитного чувствительного элемента компаса.
Для решения указанной задачи в магнитном компасе, содержащем магнитный чувствительный элемент и компенсатор электромагнитной девиации, размещенный под магнитным чувствительным элементом и включающий три взаимно перпендикулярные катушки с обмотками: продольную, поперечную и вертикальную с магнитными моментами Мх, My, Mz, имеющие прямоугольную форму, магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса, на которой лежит центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента, а продольная и поперечная катушки с обмотками размещены одна внутри другой так, что центры обмоток совмещены в общей точке на вертикали компаса, причем высота внутренней катушки равна расстоянию от верхней плоскости ее витков до плоскости магнитной системы магнитного чувствительного элемента и определяется формулой
где 2b - высота внутренней катушки;
I - ток в обмотке внутренней катушки;
W - число витков обмотки внутренней катушки;
с - половина длины горизонтальной части витков обмотки внутренней катушки;
π - константа;
Н - максимальное значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля обмотки внутренней катушки в области магнитного чувствительного элемента.
Предлагаемый магнитный компас представлен на фиг.1-3.
На фиг.1 представлен общий вид компаса с ЭМК.
На фиг.2 - размещение катушек.
На фиг.3 - основные параметры обмотки внутренней катушки и ее расположение.
Магнитный компас содержит (фиг.1) магнитный чувствительный элемент 1, выполненный, например, в виде плоского магнита кольцевой формы, размещенный в котелке 2, и компенсатор электромагнитной девиации 3, включающий три взаимно перпендикулярные катушки с обмотками, продольную катушку Х 4, поперечную катушку У 5 и вертикальную катушку Z 6.
Магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса 7, на которой лежит центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента (точка А на фиг.2 и 3).
Центры обмоток катушек Х 4 и У 5 совмещены в общей точке (точка В на фиг.2 и 3) на вертикали компаса 7.
Магнитные моменты катушек Х 4 - Мх; У 5 - My и Z 6 - Mz (фиг.2).
На фиг.3 представлены основные параметры обмотки внутренней катушки и ее расположение относительно плоскости магнитной системы магнитного элемента.
Обмотка наружной катушки выполнена с обеспечением минимально возможных зазоров с обмоткой внутренней катушки. При этом длина горизонтальных частей витков обмотки наружной катушки отличается от длины горизонтальных частей витков внутренней катушки минимально.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При протекании постоянного тока через обмотки катушек компенсатора электромагнитной девиации в области магнитного чувствительного элемента компаса создается магнитное поле, модуль вектора напряженности которого равен, а сам вектор направлен противоположно вектору поля, создаваемого источником девиации. Поскольку оси катушек Х и У компенсатора параллельны плоскости палубы, проекции векторов напряженностей, перпендикулярные палубе, отсутствуют, векторы напряженности магнитного поля, создаваемого катушками Х и У, параллельны плоскостям палубы и максимальны. При этом при соблюдении равенства высоты обмотки внутренней катушки расстоянию от верхней плоскости ее витков до плоскости магнитной системы магнитного чувствительного элемента компаса количество затрачиваемых ампервитков обмотки, соответствующее заданному значению напряженности создаваемого магнитного поля, минимально.
Задача состоит в минимизации количества ампервитков при заданном значении диапазона компенсации горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля ЭМК в области магнитного чувствительного элемента (МЧЭ) компаса Н.
Н выражается как
где М - магнитный момент обмотки;
R - расстояние от центра обмотки до МЧЭ;
I - ток в обмотке;
W - число витков.
Найдем максимум функции Н=f(b)
Обозначим 
тогда 
Приравняем 
и сократим числитель (4) на А(l+b)2:
Поэтому 
Максимальное значение Н при условии (5) составляет по (3)
Откуда
и 
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение затрат на изготовление ЭМК вследствие минимизации расходов обмоточного провода, а также повышение эффективности работы ЭМК вследствие расширения диапазона компенсации магнитных полей.
Магнитный компас, содержащий магнитный чувствительный элемент и компенсатор электромагнитной девиации, размещенный под магнитным чувствительным элементом и включающий три взаимно перпендикулярные катушки с обмотками: продольную, поперечную и вертикальную с магнитными моментами Мх, Му, Мz, имеющие прямоугольную форму, магнитные оси катушек размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса, на которой лежит центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента, а продольная и поперечная катушки с обмотками размещены одна внутри другой так, что центры обмоток совмещены в общей точке на вертикали компаса, причем высота внутренней катушки равна расстоянию от верхней плоскости ее витков до плоскости магнитной системы магнитного чувствительного элемента и определяется формулой:
где 2b - высота внутренней катушки;
I - ток в обмотке внутренней катушки;
W - число витков обмотки внутренней катушки;
с - половина длины горизонтальной части витков обмотки внутренней катушки;
π - константа;
Н - максимальное значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля обмотки внутренней катушки в области магнитного чувствительного элемента.
