RU2749581C1 - Apparatus for positioning magnetosensitive elements in external magnetic field - Google Patents
Apparatus for positioning magnetosensitive elements in external magnetic field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2749581C1 RU2749581C1 RU2020122997A RU2020122997A RU2749581C1 RU 2749581 C1 RU2749581 C1 RU 2749581C1 RU 2020122997 A RU2020122997 A RU 2020122997A RU 2020122997 A RU2020122997 A RU 2020122997A RU 2749581 C1 RU2749581 C1 RU 2749581C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- platform
- axis
- sensor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/40—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for measuring magnetic field characteristics of the earth
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к области конструирования синхронных безщеточных двигателей, может быть использовано в устройствах, где недопустимы магнитные поля при прецизионных измерениях, например, ЯМР в слабых полях. Устройство позволяет позиционировать в пространстве магниточувствительный датчик между измерениями.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to the field of design of synchronous brushless motors, can be used in devices where magnetic fields are unacceptable for precision measurements, for example, NMR in weak fields. The device allows positioning a magnetically sensitive sensor in space between measurements.
Известен промышленный ЯМР-прибор в земном магнитном поле «Terranova-MRI» фирмы Magritek [1], в котором массивный датчик выполнен в настольном исполнении. Аналогичное исполнение имеет датчик учебного прибора «Earth's Field Nuclear Magnetic Resonance» компании TeachSpin [2], а также ее вариант исполнения датчика с градиентными катушками «Earth's Field Nuclear Magnetic Resonance Gradient/Field Coil System». В обоих приборах необходимо вручную поворачивать датчик вокруг вертикальной оси до ортогонального расположения оси катушки по отношению к магнитному полю Земли с целью получения, максимального отношения сигнала к шуму. Заявленное изобретение способно установить направление датчика ортогонально земному магнитному полю автоматически.Known industrial NMR device in the earth's magnetic field "Terranova-MRI" from Magritek [1], in which a massive sensor is made in a desktop version. The sensor of the training device "Earth's Field Nuclear Magnetic Resonance" by TeachSpin [2] has a similar design, as well as its version of the sensor with gradient coils "Earth's Field Nuclear Magnetic Resonance Gradient / Field Coil System". In both devices, it is necessary to manually rotate the sensor around the vertical axis until the coil axis is orthogonal with respect to the Earth's magnetic field in order to obtain the maximum signal-to-noise ratio. The claimed invention is able to set the direction of the sensor orthogonal to the earth's magnetic field automatically.
Известен Apparatus for orienting a magnetometer US 4600886 А [3], в котором привод управления поворотом платформы с магнитометром выполнен в виде ременной передачи для увеличения расстояния между магниточувствительным датчиком и устройством, приводящим в движение ременную передачу, чтобы ослабить влияния магнитных частей приводного устройства на магниточувствительный датчик. Заявленное изобретение свободно от данного недостатка, имеет более компактную конструкцию за счет расположение электрического привода поворота платформы в непосредственной близости от магниточувствительного датчика.Known Apparatus for orienting a magnetometer US 4600886 A [3], in which the drive for controlling the rotation of the platform with the magnetometer is made in the form of a belt drive to increase the distance between the magnetically sensitive sensor and the device driving the belt drive in order to weaken the influence of the magnetic parts of the drive device on the magnetically sensitive sensor. The claimed invention is free from this drawback, has a more compact design due to the location of the electric drive for rotating the platform in the immediate vicinity of the magnetically sensitive sensor.
Известен Non-magnetic servomechanism magnetometer JP 2008116322 A [4], в котором немагнитный пьезоэлектрический двигатель, приводящий во вращение платформу с магниточувствительным датчиком, находится в непосредственной близости с датчиком. Однако пьезоэлектрические двигатели в заявленном изобретении будут иметь ряд недостатков: при сравнительно большой массе на валу (от 2 кг) придется использовать достаточно большие варианты пьезоэлектрических двигателей, они чувствительны к попаданию в них твердых веществ, например песка, для приведения их в движение необходимы высокие напряжения (свыше 100 В) они сравнительно дороги из-за необходимой точности при их изготовлении. Кроме того, основное их достоинство - очень малый шаг и высокая точность в заявленном изобретении излишни.Known Non-magnetic servomechanism magnetometer JP 2008116322 A [4], in which a non-magnetic piezoelectric motor driving a platform with a magnetically sensitive sensor in rotation is in close proximity to the sensor. However, piezoelectric motors in the claimed invention will have a number of disadvantages: with a relatively large mass on the shaft (from 2 kg), rather large versions of piezoelectric motors will have to be used, they are sensitive to the ingress of solids, such as sand, high voltages are required to set them in motion (over 100 V) they are relatively expensive due to the required precision in their manufacture. In addition, their main advantage is a very small step and high accuracy in the claimed invention are superfluous.
Известен Non-magnetic motor used for servo mechanism of optically pumped magnetometer CN 108418371 A [5], в котором немагнитный электродвигатель, приводящий во вращение платформу с магниточувствительным датчиком, находится в непосредственной близости с датчиком. Двигатель изготовлен из немагнитных деталей и имеет схожий принцип действия с двигателем в заявленном изобретении, однако имеет сложную тороидальную конструкцию, которая не имеет фиксацию ротора при выключенном питании двигателя.Known Non-magnetic motor used for servo mechanism of optically pumped magnetometer CN 108418371 A [5], in which a non-magnetic motor driving the platform with a magnetically sensitive sensor in rotation is in close proximity to the sensor. The motor is made of non-magnetic parts and has a similar principle of operation to the motor in the claimed invention, however, it has a complex toroidal design, which does not have the rotor fixation when the motor is powered off.
Техническим результатом заявленного изобретения является отсутствие постоянных магнитных полей, простота устройства двигателя и фиксация положения ротора при выключенном токе, питающего устройство.The technical result of the claimed invention is the absence of permanent magnetic fields, the simplicity of the motor device and the fixation of the rotor position when the current supplying the device is turned off.
Указанный технический результат достигается решением конструктивного исполнения устройства. Такой результат является следствием нескольких факторов. Во-первых, выбор схемы синхронного шагового двигателя, в котором вращающее поле создается последовательной подачей электрического тока на обмотки статора, расположенных радиально под углами, делящими полный оборот ротора на равные части. Во-вторых, использование неферромагнитных материалов в конструкции двигателя позволяет проводить прецизионные измерения магнитных полей при выключенном устройстве. В-третьих, механический тормоз удерживает ротор при выключенном питании.The specified technical result is achieved by solving the design of the device. This result is the result of several factors. First, the choice of a synchronous stepper motor circuit, in which the rotating field is created by sequentially supplying electric current to the stator windings, located radially at angles dividing the full rotation of the rotor into equal parts. Secondly, the use of non-ferromagnetic materials in the design of the engine allows precise measurements of magnetic fields when the device is turned off. Third, the mechanical brake holds the rotor when the power is off.
Сущность заявленного изобретения поясняется фиг. 1, где представлена схема устройства и расположение электрических обмоток, при этом на фиг. 1 а) показан фронтальный разрез устройства и на фиг. 1 б) показан вид сверху на обмотки статора и ротора двигателя и тормоза платформы.The essence of the claimed invention is illustrated in FIG. 1, which shows a diagram of the device and the arrangement of electrical windings, while FIG. 1 a) shows a front section of the device and in Fig. 1 b) shows a top view of the stator and rotor windings of the motor and the platform brake.
На фиг. 1 а) представлено устройство заявленного изобретения, изготовленного из немагнитных деталей, состоящее из горизонтальной платформы (1), на которой располагается ЯМР-датчик или другой магниточувствительный элемент. Платформа закреплена на оси ведомого колеса редуктора. Редуктор (2) состоит из трех колес (шестерен) (3). Ведомое колесо выполнено в виде шестерни с внутренним зацеплением. Таким образом оси ведущего и ведомого колеса совпадают, но имеют разные скорости вращения. Промежуточное колесо служит для связи ведомого и ведущего колес. Ведущее колесо редуктора закреплено на оси электродвигателя, выполненного в виде двух дисков: ротора (4) и статора (5). В обоих дисках выфрезированы или изготовлены иным способом пазы в виде кольцевых секторов вокруг оси вращения. В пазы вложены обмотки, выполненные из медного провода (6). Статор также является опорой для тормоза платформы, который выполнен в виде кольца (7) с обмоткой из медной проволоки (10), вставленного в кольцевой паз статора. Статор также имеет дополнительную обмотку из медной проволоки, опоясываемую кольцевым пазом (10). При подаче напряжения в обмотку тормоза и обмотку, опоясываемую кольцевым пазом тормоза магнитные поля обмоток взаимодействуют так, что они притягиваются друг к другу и кольцо (7) втягивается в паз, преодолевая сопротивление пружины (9), и освобождает платформу (1) для поворота. В месте соприкосновения кольца с платформой наклеивается или наносится фрикционное покрытие (11). При выключение тока в обмотках тормоза пружина прижимает кольцо (7) тормоза к платформе (1), что препятствует ее повороту.FIG. 1 a) shows a device of the claimed invention made of non-magnetic parts, consisting of a horizontal platform (1) on which an NMR sensor or other magnetically sensitive element is located. The platform is fixed on the axle of the driven gear wheel. The reducer (2) consists of three wheels (gears) (3). The driven wheel is made in the form of a gear with internal gearing. Thus, the axes of the driving and driven wheels coincide, but have different speeds. The intermediate wheel is used to connect the driven and driving wheels. The drive wheel of the reducer is fixed on the axis of the electric motor, made in the form of two disks: the rotor (4) and the stator (5). In both discs, grooves in the form of annular sectors around the axis of rotation are milled or otherwise made. The grooves contain windings made of copper wire (6). The stator is also a support for the platform brake, which is made in the form of a ring (7) with a winding of copper wire (10) inserted into the annular groove of the stator. The stator also has an additional copper wire winding, surrounded by an annular groove (10). When voltage is applied to the brake winding and the winding surrounded by the ring groove of the brake, the magnetic fields of the windings interact so that they are attracted to each other and the ring (7) is pulled into the groove, overcoming the resistance of the spring (9), and frees the platform (1) for turning. At the point of contact of the ring with the platform, a friction coating (11) is glued or applied. When the current in the brake windings is turned off, the spring presses the brake ring (7) to the platform (1), which prevents it from turning.
На фиг. 1 б) на виде сверху показано расположение электрических обмоток. В обмотку ротора, состоящую из шести кольцевых секторов, показанных темно-серым цветом, подается постоянный ток. Обмотки ротора соединены так, что вокруг оси вращения образуются чередующиеся магнитные полюса. Обмотки статора представляют собой два слоя обмоток, подобных тому, что и на роторе, но слои сдвинуты на угол половины одной обмотки, второй слой на фиг. 1 б) показан полупрозрачным. Таким образом при чередовании подачи тока в два слоя обмоток статора и перемене направления тока создается пошаговое вращение магнитного поля, которое, взаимодействуя с постоянными магнитными полями ротора, поворачивают последний.FIG. 1 b) the top view shows the location of the electrical windings. The rotor winding, which consists of six circular sectors, shown in dark gray, is supplied with direct current. The rotor windings are connected in such a way that alternating magnetic poles are formed around the axis of rotation. The stator windings are two layers of windings, similar to those on the rotor, but the layers are shifted by an angle of half of one winding, the second layer in Fig. 1 b) is shown as translucent. Thus, when alternating the supply of current to two layers of the stator windings and changing the direction of the current, a stepwise rotation of the magnetic field is created, which, interacting with the constant magnetic fields of the rotor, rotates the latter.
Автоматическое ориентирование осуществляется алгоритмом, который анализирует ЯМР-сигнал или сигнал с другого установленного на платформу магниточувствительного элемента и подает команду на двигатель для поворота в ту или иную сторону, пока не будет достигнут максимальное отношение сигнала к шуму ЯМР-датчика или необходимое значение выходной величины установленного магниточувствительного элемента.Automatic orientation is carried out by an algorithm that analyzes the NMR signal or a signal from another magnetically sensitive element installed on the platform and sends a command to the engine to turn in one direction or another until the maximum signal-to-noise ratio of the NMR sensor or the required output value of the set magnetically sensitive element.
Работа заявленного изобретения осуществляется следующим образом. На обмотки (6) статора (5) и ротора (4) подается напряжение, соответствующее текущему положению ротораThe claimed invention operates as follows. The voltage corresponding to the current position of the rotor is applied to the windings (6) of the stator (5) and rotor (4)
(4), затем подается напряжение на обмотки (10) тормоза, при этом кольцо (7), преодолевая усилие пружины из немагнитного металла (9), освобождает платформу (1), далее ток в обмотках статора (5) меняется таким образом, чтобы повернуть ротор (4) на один или несколько необходимых последовательных шагов, после чего выключается ток в обмотках (10) тормоза и фиксируется положение ротора, и ток во всех обмотках (6) выключается. При этом двигатель обесточен и можно проводить необходимые магниточувствительные измерения.(4), then voltage is applied to the windings (10) of the brake, while the ring (7), overcoming the force of the spring made of non-magnetic metal (9), releases the platform (1), then the current in the stator windings (5) changes so that turn the rotor (4) one or several necessary successive steps, after which the current in the brake windings (10) is turned off and the rotor position is fixed, and the current in all windings (6) is turned off. In this case, the motor is de-energized and the necessary magnetically sensitive measurements can be carried out.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета (на физическом факультете на кафедре ядерно-физических методов исследования). Была подтверждена работоспособность заявленного изобретения и достижение указанного технического результата.The claimed invention was tested in the laboratory of St. Petersburg State University (at the Faculty of Physics at the Department of Nuclear Physics Research Methods). The operability of the claimed invention and the achievement of the specified technical result were confirmed.
Ниже приведен конкретный пример результатов апробации.Below is a specific example of the validation results.
Действующий макет привода с шестью катушками на статоре, выполненном в виде диска диаметром 100 мм и ротором в виде такого же диска с 12-ю катушками (все катушки намотаны проводом диаметром 0.4 мм, имеют по 200 витков провода) при подаваемом напряжении 12 В на двигатель и передаточном числе редуктора 120 уверенно, без пропуска шагов, поворачивал платформу с датчиком общим весом 2.5 кг, тормоз фиксировал платформу, выдерживая усилие 750 г на поворот платформы в горизонтальной плоскости на конце плеча рычага 200 мм, связанного с центром поворотной платформы. Двигатель управлялся микроконтроллером по специальному алгоритму, который анализировал ЯМР-сигнал с датчика и подавал команды на двигатель с целью найти такой горизонтальный угол датчика по отношению к магнитному полю Земли, при котором будет регистрироваться максимальный по амплитуде ЯМР-сигнал. Таким образом датчик был сориентирован перпендикулярно магнитному полю Земли, что необходимо для максимального отношения сигнала к шуму при ЯМР-экспериментах в земном поле. Данный процесс занял около 20 циклов «регистрация-поворот», что составило около 2 мин времени.A working model of a drive with six coils on a stator made in the form of a disc with a diameter of 100 mm and a rotor in the form of the same disc with 12 coils (all coils are wound with a wire with a diameter of 0.4 mm, each have 200 turns of wire) at a voltage of 12 V to the motor and the gear ratio of the reducer 120 confidently, without missing steps, turned the platform with a sensor with a total weight of 2.5 kg, the brake fixed the platform, withstanding a force of 750 g to rotate the platform in the horizontal plane at the end of the lever arm 200 mm connected to the center of the turntable. The engine was controlled by a microcontroller according to a special algorithm, which analyzed the NMR signal from the sensor and sent commands to the engine in order to find such a horizontal angle of the sensor with respect to the Earth's magnetic field, at which the maximum amplitude of the NMR signal would be recorded. Thus, the sensor was oriented perpendicular to the Earth's magnetic field, which is necessary for the maximum signal-to-noise ratio in NMR experiments in the Earth's field. This process took about 20 registration-rotation cycles, which was about 2 minutes of time.
Список источников информацииList of information sources
1. http://www.magritek.com/wp-content/uploads/2013/12/Magritek-MRI-2011-web.pdf1.http: //www.magritek.com/wp-content/uploads/2013/12/Magritek-MRI-2011-web.pdf
2. https://www.teachspin.com/earths-field-nmr2.https://www.teachspin.com/earths-field-nmr
3. Apparatus for orienting a magnetometer US 4600886 А3. Apparatus for orienting a magnetometer US 4600886 А
4. Non-magnetic servomechanism magnetometer JP 2008116322 A4. Non-magnetic servomechanism magnetometer JP 2008116322 A
5. Non-magnetic motor used for servo mechanism of optically pumped magnetometer CN 108418371 A5. Non-magnetic motor used for servo mechanism of optically pumped magnetometer CN 108418371 A
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122997A RU2749581C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Apparatus for positioning magnetosensitive elements in external magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122997A RU2749581C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Apparatus for positioning magnetosensitive elements in external magnetic field |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2749581C1 true RU2749581C1 (en) | 2021-06-15 |
Family
ID=76377469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020122997A RU2749581C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Apparatus for positioning magnetosensitive elements in external magnetic field |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2749581C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU440628A1 (en) * | 1971-05-13 | 1974-08-25 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Геофизических Методов Разведки | Device for measuring variations of magnetic field components |
US4600886A (en) * | 1983-03-11 | 1986-07-15 | Litton Industries, Inc. | Apparatus for orienting a magnetometer |
JP2008116322A (en) * | 2006-11-06 | 2008-05-22 | Mitsubishi Electric Corp | Non-magnetic servomechanism magnetometer |
CN108418371B (en) * | 2018-03-30 | 2020-01-14 | 上海通用卫星导航有限公司 | Non-magnetic motor for servo mechanism of optical pump magnetometer |
-
2020
- 2020-07-06 RU RU2020122997A patent/RU2749581C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU440628A1 (en) * | 1971-05-13 | 1974-08-25 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Геофизических Методов Разведки | Device for measuring variations of magnetic field components |
US4600886A (en) * | 1983-03-11 | 1986-07-15 | Litton Industries, Inc. | Apparatus for orienting a magnetometer |
JP2008116322A (en) * | 2006-11-06 | 2008-05-22 | Mitsubishi Electric Corp | Non-magnetic servomechanism magnetometer |
CN108418371B (en) * | 2018-03-30 | 2020-01-14 | 上海通用卫星导航有限公司 | Non-magnetic motor for servo mechanism of optical pump magnetometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6410732B2 (en) | Integrated multi-turn absolute position sensor for multi-pole count motors | |
US4109170A (en) | Electric motor having frequency generator | |
US5124604A (en) | Disk drive motor | |
JP5306384B2 (en) | motor | |
US10260873B2 (en) | Surveying apparatus with positioning device | |
JPH0622392B2 (en) | Brushless DC motor | |
MX2008001723A (en) | Dc induction electric motor generator. | |
JP6057036B2 (en) | Motor and encoder for motor | |
JP2013046440A (en) | Rotary electric machine | |
JP3481759B2 (en) | Permanent magnet linear motor | |
RU2749581C1 (en) | Apparatus for positioning magnetosensitive elements in external magnetic field | |
US4276499A (en) | Rotary actuator | |
EP1550197B1 (en) | Apparatus and method of using the stator coils of an electric motor to magnetize permanent magnets of the motor rotor when the span of each stator coil is smaller than the width of each permanent magnet pole | |
JP4798598B2 (en) | Wind power generator | |
CN108336891A (en) | The dynamic actuator of rotation peace and combinations thereof device | |
JPS5855747B2 (en) | Brushless rotary motor | |
KR20090088154A (en) | Device for generating stiffness using complex application of pm-type and vcm-type, and joint of robot manipulator comprising the same | |
US6054787A (en) | Electric motor | |
CN100346557C (en) | Device and method for driving magnetic rotation by nonmagnetic motion conductor | |
NL2029491B1 (en) | Motor system, stepper motor and rotor | |
US8558489B2 (en) | Micro motor | |
JP7161944B2 (en) | Braking force adjuster | |
JPH0596606U (en) | 1-axis compound motion unit | |
SU920975A1 (en) | Stepping micromotor (its versions) | |
JP2616818B2 (en) | Stepless induction motor |