Линейный магнит и компас на его основе

Линейный магнит и компас на его основе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области приборостроения, однако может найти и более широкое применение.

В магнитном компасе обычного типа используется силовое взаимодействие чувствительного диполя (стрелки) с локально однородным полем Земли. Для получения максимального вращающего момента необходимо, чтобы при заданной длине и массе чувствительного диполя создаваемое им поле простиралось далеко от центра вращения и имело достаточную величину. В физике характеристикой "габарита" поля служит т.н. "дипольный момент". Дипольный момент линейного (стержневого, полосового) магнита в целом пропорционален его геометрической длине, однако связь носит сложный характер и на практике определяется как формой, так и материалом магнита. Классические формы длинного цилиндра (иглы) и удлиненного ромба возникли в эпоху, когда единственным материалом для постоянных магнитов была обычная углеродистая сталь.

Следует особо подчеркнуть, что все достижения в области магнитных материалов связаны отнюдь не с предельной величиной создаваемого "остаточного" поля, а со способностью материала сохранять сильную намагниченность длительное время. Эта характеристика носит название "коэрцитивной силы", хотя имеет размерность энергии (внутренняя энергия магнита). В частности, широко используемый материал на основе ферроксида бария далеко опережает по коэрцитивной силе все традиционные сталеподобные материалы, однако заметно уступает им по величине поля ("остаточной индукции"). Материалы на основе редкоземельных элементов самария и неодима позволяют сочетать высокую коэрцитивную силу с остаточной индукцией на уровне 1 Тл, однако "абсолютным рекордсменом" по части последней до сих пор остается сталеподобный сплав АЛЬНИКО (1,3 Тл). Для магнитов из новых материалов типична форма пластин или дисков, намагниченных в перпендикулярном направлении. Но дипольный момент диска весьма невелик, поэтому стрелки компасов до сих пор делают из стали.

В патентной литературе имеются примеры "стрелок" (чувствительных диполей) нетрадиционной формы из новых материалов (см. патент РФ 2.078.310 МПК G 01 С 17/04, бюлл. №12 за 1997 г.) Здесь в качестве чувствительного диполя фигурирует прямоугольная пластина, намагниченная неким сложным образом с целью уменьшения влияния "наклонения" (вертикальной компоненты поля Земли). К сожалению, идея "косой" намагниченности в корне ошибочна, ибо магнитные потоки такого магнита неизбежно "замкнутся накоротко" и его дипольный момент резко сократится.

Замена классического удлиненного ромба на прямоугольник оправдана - магнитный поток через широкие полюса существенно возрастает и соответственно возрастает крутящий момент сил со стороны поля Земли. Однако возрастает и масса магнита, поэтому следует говорить об "удельном" моменте. У традиционного "игольчатого" диполя значительная часть магнитного потока не проходит через торцы цилиндра, а замыкается на его боковой поверхности. Это связано с малой коэрцитивной силой традиционных материалов - они попросту не в состоянии "обжать", сфокусировать собственное поле (поскольку помимо "продольных" в магнитном поле действуют "поперечные" силы, стремящиеся "распереть" магнитный поток изнутри). С другой стороны, намагничивать новые материалы вдоль пластины (диска) весьма нерационально - большая часть дорогостоящего материала оказывается излишней.

ПРОТОТИП. Еще в XIX веке был найден оригинальный способ улучшения параметров чувствительного диполя морского компаса. Результат достигался за счет нескольких параллельных стержневых магнитов, образующих в пространстве подобие "решетки" с заданным шагом. Экспериментально выяснили, что наиболее эффективна "решетка" из 6 элементов, причем ширина "решетки" сравнима с ее длиной или несколько меньше, тогда как диаметр элементов существенно (на порядок) меньше длины. "Решетка" имитирует поле продольно-намагниченной тонкой пластины, невозможной для традиционных "слабых" (в смысле коэрцитивной силы) материалов. В свою очередь, уменьшение толщины эквивалентного диполя позволяет предельно уменьшить влияние вертикальной компоненты поля Земли и обеспечивает горизонтальность "картушки" компаса даже под высокими широтами. Вид сверху и сбоку на "решетку" дан, например, в "Пособии по рулевому делу" (автор - П.С.Сур, изд-во "ДОСААФ", М., 1963, стр.58)

Малая коэрцитивная сила элементов остается проблемой прототипа, однако делать стержневые магниты из новых материалов крайне нерационально. Здесь важна сама идея сборного, составного чувствительного диполя с "плоским" магнитным потоком.

Задачей создания изобретения является разработка конструкции составного (сборного) магнитного диполя с максимальным удельным дипольным моментом, что позволяет сделать на его основе компас более надежным, простым и удобным, сохраняя при этом исходную точность компаса как измерительного прибора.

Поставленная задача решается за счет того, что линейный магнит - например, для компаса, состоящий из отдельных предварительно намагниченных элементов, имеет составляющие диполь элементы в количестве 2n+1 штук, где n≥1, которые выполнены из различных магнитных материалов и соединены между собой последовательно по направлению намагниченности, причем коэрцитивная сила элементов возрастает к полюсам, а индукция насыщения максимальна у центрального непарного элемента.

Поставленная задача достигается да счет того, что компас, состот из корпуса с прозрачной крышкой и чувствительного диполя в виде прямоугольной пластины, установленной на конусной опоре-шпильке, при этом боковая поверхность корпуса компаса (по 1 варианту) выполнена гофрированной из упругого материала, а чувствительный диполь состоит из трех последовательно соединенных магнитных элементов - двух концевых с относительно большей коэрцитивной силой, и центрального с относительно большей индукцией насыщения, при этом опора-шпилька установлена с возможностью перемещения вдоль своей оси и подпружинена, а гофрированный корпус помещен в защитную коробку с откидной крышкой и имеет возможность поворота на 360° относительно указанной коробки.

Указанные выше отличительные признаки каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение (устройство и его варианты) соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, является неочевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения (устройство и его варианты) критерию патентоспособности "изобретательский уровень". Объединение трех технических решений в одну заявку связано с тем, что они объединены одним изобретательским замыслом - создание составного (сборного) магнитного диполя с максимальным удельным дипольным моментом, что позволяет сделать на его основе компас более надежным, простым и удобным, сохраняя при этом исходную точность компаса как измерительного прибора.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.

Изобретение иллюстрируется фиг.1-3.

На фиг.1 показан обобщенный тип составного линейного магнита ("диполя Прохорова"), на фиг.2 показан поперечный разрез карманного компаса, а на фиг.3 отдельно показано конкретное исполнение упрощенного "диполя Прохорова" в соответствии с п.2 настоящей заявки.

Позициями обозначены:

1, 2 - концевые элементы с максимальной коэрцитивной силой (F-B-Nd или аналогичный материал),

3 - центральный непарный элемент с максимальной индукцией насыщения (сталь),

4, 5 - промежуточные элементы (сплав АЛЬНИКО) фиг.1. Компас (вариант 1).

6 - гофрированный внутренний корпус компаса, 7 - прозрачная крышка, 8 - чувствительный диполь, 9 - шпилька (пластмасса) фиг.2, 10, 11 - концевые элементы (сплав АЛЬНИКО или Sm-Co), 12 - центральный элемент (хромуглеродистая сталь), 13 - крепежные детали (сталь), 14 - заклепки (алюминий), 15 - мягкая шайба (поролон) фиг.3, 16 - спиральная пружина (латунь), 17 - внешняя защитная коробка фиг.2 одновременно выполняющая роль поворотного указателя азимута (пластмасса) и 18 - точный указатель Севера (краска или пластмасса) фиг.3. С целью упрощения чертежа откидная крышка не показана.

Устройство работает следующим образом.

Сечение элементов 1-5 (Фиг.1) выбрано таким образом, что единый результирующий магнитный поток проходит сквозь все элементы от одного полюса до другого. Поскольку "поперечные" силы в магнитном поле нарастают от центра к полюсам, им должна противостоять нарастающая к полюсам коэрцитивная сила (на самом деле это - внутренняя энергия материала). Однако сделать материал с "переменными" параметрами технически сложно, и гораздо проще цель достигается за счет отдельных элементов. Таким образом, сравнительно тонкие пластины 1, 2 из дорогого "сильного" материала создают намагниченность в значительной области пространства, т.е. обеспечивают большой удельный дипольный момент. Разумеется, при значительной длине диполя магнитный поток неизбежно распадается на две слабо-связанных части. Практически реально "удлинение" примерно в 10-100 раз.

Использование "диполя Прохорова" позволяет упростить опорный узел компаса (фиг.2, 3), издавна являющийся проблемой для конструкторов. В заявленном устройстве отсутствуют хрупкие детали, и тем самым появляется возможность выполнения корпуса 6 прибора "складным" (по аналогии с фотокамерами). Появляется здесь и дополнительное удобство - колебания чувствительного диполя 8 следует гасить, слегка нажимая на центр крышки 7 до ее констакта с мягкой шайбой 15.

Таким образом предложенная конструкция линейного магнита, названного автором "Диполь Прохорова", является оригинальной, а конструкция компасов на его основе новой и промышленно-применимой.

1. Линейный магнит, состоящий из отдельных намагниченных элементов, отличающийся тем, что отдельные намагниченные элементы в количестве 2n+1 штук, где n≥1, выполнены из различных магнитных материалов и соединены между собой последовательно по направлению намагничивания так, что коэрцитивная сила отдельных намагниченных элементов возрастает к полюсам, а индукция насыщения максимальна у центрального непарного намагниченного элемента.

2. Компас, состоящий из корпуса с прозрачной крышкой и чувствительного диполя, установленного на конусной опоре-шпильке, отличающийся тем, что боковая поверхность корпуса выполнена гофрированной из упругого материала, а чувствительный диполь выполнен в виде линейного магнита, состоящего из трех последовательно соединенных намагниченных элементов: двух концевых с относительно большей коэрцитивной силой и центрального непарного с относительно большей индукцией насыщения, при этом, конусная опора-шпилька установлена с возможностью перемещения вдоль своей оси и подпружинена, а гофрированный корпус помещен в защитную коробку с откидной крышкой и имеет возможность поворота на 360° относительно указанной защитной коробки.