FEMM 5

От исходных данных к характеристике устройства

Лабораторный практикум

Лабораторный практикум раскрывает связь между теорией электромагнитного поля и инженерными характеристиками устройств. Каждая работа последовательно объединяет цель, исходные условия, расчётную методику, количественные результаты и обоснованный вывод. Основным средством исследования служат встроенный Python FEMM 5 и учебные модели с русскими именами свойств.

Теоретическая основа практикума — кафедральный курс «Электромагнитные расчёты» в собрании В.И.Гончарова, его пособие по магнитным полям и книга V.Hrabovcová, P.Rafajdus, P.Makyš «Analysis of Electrical Machines». Аналитические эталоны, уравнения поля, энергетические методы и схемы замещения вводятся перед опытом, в котором они используются.

Лабораторные работы

Выберите устройство и пройдите расчётные этапы по порядку. На каждом этапе доступны теория, численный пример, программа встроенного Python и модель FEMM 5.

  1. Трансформатор от потокосцеплений до схемы замещения и нагрузочной характеристики

    Цель. Определить коэффициент трансформации и параметры намагничивающей ветви и ветви короткого замыкания схемы замещения; построить зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки и оценить точность и область применения полученных параметров.

    По результатам выбирают число витков и сечение магнитопровода по требуемому напряжению, оценивают падение напряжения и ток короткого замыкания. Сопротивления и потери требуют отдельного учёта реальных длин проводников и материала.

  2. Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики

    Цель. Определить основную пространственную гармонику поля, намагничивающий параметр по полю зазора и полную эквивалентную фазную индуктивность. По полевым расчётам получить частотный отклик, потери ротора и зависимости тока и электромагнитного момента от скольжения при заданном напряжении статора.

    Профиль поля и гармоники помогают оценить обмотку и геометрию зазора; параметры схемы определяют ток, момент и диапазон рабочих скольжений. К каждому выводу нужен подходящий режим расчёта.

  3. Генератор с постоянными магнитами от конструкции ротора до ЭДС и нагрузочного напряжения

    Цель. Определить число витков по требуемой основной гармонике ЭДС, исследовать спектр ЭДС и зубцовый момент. Построить нагрузочную характеристику по основной гармонике и оценить рабочее состояние магнитов в заданной выборке точек.

    Изменением размеров и расположения магнитов выбирают напряжение на заданной скорости и ограничивают пульсации, ток и риск размагничивания. Геометрическая возможность заменить ротор ещё не подтверждает пригодность всей машины.

  4. Выбор обмотки и расчет момента в кольцевом зазоре

    Цель. Выбрать шаг обмотки с учётом основной и высших пространственных гармоник; определить зависимость момента от взаимного положения МДС и проверить её энергетическим методом и аналитическим расчётом.

    Обосновать уменьшение пятой гармоники при допустимой потере основной ЭДС; установить влияние зазора на передаваемый момент.

  5. Определение коэффициентов поля явнополюсной машины

    Цель. При индукции B на оси полюса 0.85 Тл определить коэффициенты kf, kPhi, alpha_delta, kd, kq и оценить увеличение требуемой МДС статора вследствие насыщения.

    Оценить форму полюсного поля и различие реакций по d/q для последующего расчета синхронного генератора.

  6. Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле

    Цель. При линейном напряжении 400 В получить характеристики I(s), T(s), P(s) и проверить баланс мощности. Отдельно определить основную ЭДС, намагничивающий параметр и годографы магнитной индукции в стали.

    Оценить рабочее скольжение и ток в явно заданной схеме питания; выявить вращательное перемагничивание и изменение намагничивания при росте тока.

  7. Синхронный генератор: от полевых параметров к внешней и угловой характеристикам

    Цель. Определить потокосцепление возбуждения и индуктивности по осям d/q. Исследовать напряжение, ток, мощность, коэффициент мощности и момент при изменении нагрузки и взаимного положения МДС.

    По допустимому падению напряжения выбрать нагрузку и требуемую механическую мощность привода; по угловой серии оценить влияние положения МДС якоря.

  8. Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение

    Цель. Определить вихретоковые потери массивного ротора, проверить достаточность дискретизации возбуждения и оценить вклад пространственных гармоник 5 и 7.

    Выбрать достаточное число участков возбуждения и установить, какие гармоники требуют внимания при снижении нагрева ротора.

  9. Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник

    Цель. Определить добавочное магнитное сопротивление, обусловленное раскрытием паза, и коэффициент Картера. При одинаковом возбуждении оценить изменение амплитуд и фаз пространственных гармоник.

    Выбрать допустимое раскрытие паза по увеличению требуемой МДС и проверить, какие гармоники поля меняются сильнее основной.

  10. Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении

    Цель. Определить матрицу индуктивностей зубцовых контуров и зависимость взаимной магнитной проводимости от смещения. Отдельно оценить поправку, учитывающую рассеяние в области раскрытия паза.

    Оценить чувствительность индуктивности и рассеяния к зазору и положению зубцов; выбрать обоснованную модель проводимости коронок.

  11. Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника

    Цель. Определить распределение поперечной силы между медным проводником и стенками паза. Выбрать положение проводника, при котором доля действующей на него силы не превышает 10%.

    Выбрать минимальную обоснованную глубину погружения проводника при ограничении поперечной электромагнитной нагрузки на медь и изоляцию.

  12. Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия

    Цель. Определить отношение Rac/Rdc, внутреннюю реактивность, распределение тока и потери. По заданным количественным ограничениям выбрать число изолированных жил и частоту вращающегося поля.

    Выбрать минимальное число транспонированных жил с Rac/Rdc≤1,5 среди исследованных вариантов; для проводящего цилиндра выбрать частоту с максимальным моментом при потерях не более 50 Вт/м.

  13. Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери

    Цель. Получить частотные зависимости тока, потерь и отношения Rac/Rdc для замкнутого стального витка. Проверить ток короткого замыкания по полной матрице комплексных сопротивлений.

    Оценить потери при заданном потоке 1,5 мВб и выбрать допустимую частоту по назначенному тепловому ограничению; отделить влияние проводимости, проницаемости и насыщения.

  14. Контрольный опыт: от условия задачи к инженерному выводу

    Цель. Определить взаимную индуктивность измерительной рамки и диапазон её изменения при варьировании числа витков или положения; оценить достоверность полученной зависимости.

    Выбрать нормировку, измеряемую величину и способ независимой проверки до построения более сложной машины.

  15. Опыт Эрстеда: момент стрелки, эквивалентный ток и движение

    Цель. Определить зависимость момента M(\theta ), оценить точность представления постоянного магнита эквивалентными токовыми слоями и рассчитать угловое движение стрелки с проверкой энергетического баланса.

    Выбрать модель магнитного материала, разрешение токового слоя и временной шаг, достаточные для расчёта чувствительного магнитного механизма.

  16. Измерительная рамка: от поля провода к ЭДС

    Цель. Определить взаимную индуктивность M, амплитудное и действующее значения ЭДС измерительной рамки. Оценить погрешность восстановления ЭДС по дискретным значениям потокосцепления.

    Выбрать число витков, расположение рамки и частоту дискретизации для заданной чувствительности к переменному току.

  17. Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия

    Цель. Определить геометрическую проводимость L-образной области тремя полевыми методами и проверить дуальность. Построить количественные резистивную, RC и нелинейную модели-аналогии.

    Выбрать подходящую физическую и дискретную модель по её уравнениям, граничным условиям и требуемой интегральной характеристике.

  18. От магнитной цепи к карте \Psi (i,\theta ) и моменту SRM

    Цель. Получить зависимость потокосцепления фазы от тока и угла и выбрать область положительного момента. Проверить момент и коэнергию независимыми способами.

    По карте выбирают фазовую рабочую область и основу коммутации; ток преобразователя и динамика полного привода требуют следующей модели.

  19. Зубцовый момент: пусковая помеха и спектр PM-генератора

    Цель. При нулевых токах определить средний и максимальный противодействующий момент, размах пульсаций и 36-ю пространственную гармонику. Оценить разрешение расчёта уточнением сетки и углового шага.

    Сравнить препятствующий вращению момент с запасом приводного механизма при запуске, а частоту 900 Гц — с диапазоном механических возбуждений. Выбор скоса или дуги магнита требует отдельного варианта конструкции.

  20. Нагрузка PM-генератора и рабочая область магнитов

    Цель. Получить внешнюю характеристику по основной гармонике, полезную мощность и нагрузочную составляющую момента при 1500 об/мин. По B\parallel и Hrec оценить рабочее состояние магнитов в выбранных точках.

    Выбрать допустимый электрический режим по напряжению и мощности, оценить размагничивающее действие нагрузки и установить, какие данные о магнитном материале нужны для окончательного выбора.

Расчётные модели

Сохраните модель и программу в одной папке. Откройте модель в FEMM 5, проверьте исходные данные и выполните расчёт. Сохранённое решение позволяет сразу перейти к измерению поля и интегральных величин.

Асинхронный двигатель 4А100L4

Планарная магнитостатическая модель, глубина130 мм. В пазах заданы мгновенные плотности тока J_A=1.472,J_B=J_C=-0.736 МА/м²; в роторе наведённые токи отсутствуют. Рассчитываются поле, пространственные гармоники и энергетические интегралы.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W3,003Дж
Коэнергия W'4,137Дж
Интеграл A\cdot J7,14Дж
Пространственная гармоника B_r, порядок 20,8861Тл

Асинхронный двигатель: поле холостого хода

Планарная магнитостатическая модель холостого хода, глубина98 мм. Токи ротора равны нулю. Статорные J соответствуют мгновению t=0 симметричного намагничивающего тока2.3А RMS: A=0,B<0,C>0. Рассчитываются основная пространственная гармоника, оценка ЭДС и секущая индуктивность.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W2,129Дж
Коэнергия W'3,068Дж
Интеграл A\cdot J5,197Дж
Пространственная гармоника B_r, порядок 20,9186Тл

Однофазный трансформатор: холостой ход

Планарная магнитостатическая модель, глубина43 мм, M-43. В первичной обмотке354 витка и мгновенный ток0.387А; вторичная обмотка разомкнута. Рассчитываются потокосцепление, секущая индуктивность, энергия и коэнергия.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W0,1009Дж
Коэнергия W'0,3193Дж
Интеграл A\cdot J0,4202Дж

Рассеяние трансформатора: компенсационный опыт

Компенсационный магнитостатический опыт: первичная354витка,2.75А; вторичная39витков,24.96153846153846А с противоположной МДС. Магнитные области заменены воздухом для отдельной оценки рассеяния. Глубина1мм; эффективная длина161мм задаёт масштаб161/1 для энергии и AJ. Рассчитывается приведённая индуктивность рассеяния.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W90,98 × 10⁻⁶Дж
Коэнергия W'90,98 × 10⁻⁶Дж
Интеграл A\cdot J182 × 10⁻⁶Дж

Трансформатор: влияние магнитного зазора

Планарная магнитостатическая модель с раздельными частями магнитопровода, глубина43мм. Источники первичной обмотки J=±0.210766МА/м²; вторичная разомкнута. Рассчитываются поле, потокосцепление и энергия для заданного положения геометрии.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W0,008155Дж
Коэнергия W'0,008098Дж
Интеграл A\cdot J0,01625Дж

Генератор с постоянными магнитами: выбор числа витков

Четыре полюса; активная длина 130 мм; воздушный зазор 0,3 мм. Холостой ход при 1500 об/мин, основная частота 50 Гц. Цель — основная фазная ЭДС 220 В действующего значения.

Форма фазной и линейной ЭДС при выбранной обмотке; выбор 24 витков на катушку по основной фазной ЭДС при 1500 об/мин.
Форма фазной и линейной ЭДС при выбранной обмотке; выбор 24 витков на катушку по основной фазной ЭДС при 1500 об/мин. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Витки одной катушки241
Последовательные витки фазы1441
Фаза A · основная ЭДС221В
Фаза A · THD, гармоники 2–2311,47%
Фаза B · основная ЭДС221В
Фаза B · THD, гармоники 2–2311,47%
Фаза C · основная ЭДС221В
Фаза C · THD, гармоники 2–2311,48%
Линейная ЭДС A–B, основная гармоника382,7В
Линейный THD A–B, гармоники 2–235,518%

Стрелка: момент, токовый слой и движение

Плоская стрелка 20×2 мм, глубина 2 мм; провод с током 100 А на расстоянии 25 мм. Условные значения \mu _{\mathrm{rec}}=1 или 6.678; H_c=100 кА/м. Отделено нечётное взаимодействие; механика — отдельный расчёт RK4 по проверенной моментной характеристике.

Стрелка: момент, токовый слой и движение — результаты расчётного опыта.
Стрелка: момент, токовый слой и движение — результаты расчётного опыта. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Момент при30°2,264 × 10⁻⁶Н·м
Аналитический момент при30°2,274 × 10⁻⁶Н·м
Последнее сеточное изменение0,2323%

Измерительная рамка: взаимная индуктивность и ЭДС

N=100; активная длина 100 мм; стороны на расстояниях 10/20 мм от длинного провода; ток источника 10 А peak; частота 50 Гц для восстановления ЭДС. Нулевой ток рамки, линейная немагнитная среда.

Измерительная рамка: взаимная индуктивность и ЭДС — результаты расчётного опыта.
Измерительная рамка: взаимная индуктивность и ЭДС — результаты расчётного опыта. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
M по FE1,384 × 10⁻⁶Гн
M по аналитике1,386 × 10⁻⁶Гн
ЭДС RMS0,003074В
Ошибка производной192отсчёта0,01785%

Прямая и обратная аналогии L-образной области

Односвязная L-область 40×30 мм с вырезом 20×20 мм, глубина 100 мм. Изотропные свойства \sigma =2 См/м и \mu _{0}; сопряжённые электродные и изолирующие стороны. Сеть, RC-диффузия и нелинейный элемент вычислены явно.

Прямая и обратная аналогии <span class="inline-math" data-inline-latex="L">L</span>-образной области — результаты расчётного опыта.
Прямая и обратная аналогии L-образной области — результаты расчётного опыта. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
\lambda прямой модели0,31941
\lambda обратной модели3,1331
Произведение \lambda \lambda*1,0011
Магнитная проводимость40,11 × 10⁻⁹Гн
Показатель поля у угла-0,30811

Подключение нагрузки по полевым параметрам d/q

Фиксированная скорость; постоянное возбуждение; линейные L_d/L_q из трёх независимых полевых проб. Сопротивление фазы задано равным 2 Ом; активная нагрузка 25/50 Ом. Редуцированная модель не описывает переходное поле, динамику привода и насыщение.

Редуцированная динамика после подключения нагрузки; проверка шага и баланса.
Редуцированная динамика после подключения нагрузки; проверка шага и баланса. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
L_d0,00744Гн
L_q0,004966Гн
Потокосцепление возбуждения0,492Вб
Мощность нагрузки50Ом661,5Вт
Мощность привода50Ом687,9Вт

SRM: карта потокосцепления, коэнергия и рабочая зона

Нелинейная B(H) и одна фаза, статические точки; токи 0..6 А; углы 0..45 градусов. Коммутация, механическая динамика, взаимная динамика фаз и потери не рассчитаны.

Статическая карта одной фазы и независимое сравнение момента.
Статическая карта одной фазы и независимое сравнение момента. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Момент Максвелла при15° и3А0,4714Н·м
Момент по коэнергии0,471Н·м
Ошибка двух способов0,07837%
Коэнергия при15° и6А0,4319Дж

Обмоточные коэффициенты и спектр ЭДС

Q=36, p=2, q=3; кольцо 90..100 мм; длина 100 мм; линейный воздух и идеальные сердечники; шаг 9 или 8 пазов.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Обмоточный коэффициент полного шага0,95971
Обмоточный коэффициент укороченного шага0,94521
Пятая гармоника укороченной обмотки0,1391

Электромагнитный момент кольцевого зазора

Кольцо 90..100 мм; длина 100 мм; p=3. Каждый токовый слой создаёт основную гармонику 0.8 Тл; статика, идеальные сердечники.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Момент по тензору Максвелла-452,9Н·м
Момент по производной коэнергии-452,9Н·м
Момент аналитического решения-454,4Н·м

Коэффициенты поля и продольной/поперечной реакции

Четыре явных полюса; радиус ротора 60 мм; радиус статора 63 мм; длина 100 мм. Гладкий линейный эталон и нелинейный статор M-43 с 36 пазами.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Коэффициент формы kf1,21
Коэффициент потока kPhi1,038А
Коэффициент полюсного перекрытия alpha_delta0,7931
Коэффициент оси d0,98291
Коэффициент оси q0,65491

Асинхронная машина: характеристика и годографы поля

36 пазов статора, 26 стержней; p=2; L=98 мм; Nф=282. AC: частота s\cdot 50 Гц; линейное напряжение 400 В; соединение Y; Rф=3.5 Ом; Lлоб=3 мГн; \mu _{r}=2000. DC-годографы рассчитаны по B(H) M-43.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Момент при s_{0}.060,8452Н·м
Ток RMS при s_{0}.062,812А
Основная ЭДС при 2.3А RMS229,3В
Эквивалентная фазная индуктивность при2.3А RMS0,3174Гн
Основная ЭДС поля зазора при2.3А RMS224,9В

Синхронный генератор: полевые параметры и нагрузка

Четыре явных полюса; Rр=60 мм; Rс=63 мм; L=100 мм; Nф=100; Rф=2 Ом; f=50 Гц; n=1500 об/мин. Линейная сталь с \mu _{r}=10000; симметричная активная нагрузка.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Продольная индуктивность L_d0,00744Гн
Поперечная индуктивность L_q0,004966Гн
Потокосцепление возбуждения0,492Вб·вит
Напряжение фазы при25Ом100,9В
Фазный ток при25Ом4,035А

Вихретоковые потери массивного ротора

Цилиндр: R=60 мм; L=100 мм; \sigma =2 МСм/м; \mu _{r}=500. Слой на радиусах 64..65 мм; частота поля в системе ротора 10..300 Гц. Отдельный опыт с замороженной секущей проницаемостью.

Модели и сохранённые решения серии
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Потери при50Гц998Вт
Потери гармоник5и7 при300Гц47,55Вт
Изменение потерь при24→96участков127,9 × 10⁻⁶1

Зубцовый момент PM-генератора

Четыре полюса, 36 пазов; зазор 0,3 мм; активная длина 130 мм; нулевые токи фаз. Период 10^\circ механических. Две сетки и независимая проверка углового шага.

Зависимость зубцового момента от угла на 10-градусном периоде; две сетки показаны отдельно.
Зависимость зубцового момента от угла на 10-градусном периоде; две сетки показаны отдельно. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Средний момент за период-0,04008Н·м
Размах момента10,05Н·м
Амплитуда36-й гармоники2,895Н·м
Изменение гармоники при уточнении сетки0,3002%
Изменение гармоники при уточнении угла0,02088%
Частота зубцовой составляющей при1500об/мин900Гц

PM-генератор: внешняя характеристика и поле в магнитах

Нелинейный магнитопровод M-43; 1500 об/мин; 24 витка катушки. Синусоидальные токи согласованы с основной гармоникой активной нагрузки; Rф=1 Ом задано отдельно. B\parallel и Hrec определяются в 180 внутренних точках каждого положения; это выборочная оценка обратимой рабочей области.

Основная гармоника внешней характеристики и выборочная рабочая область магнитов. Для каждого угла показан минимум Hrec по 180 внутреннимточкам.
Основная гармоника внешней характеристики и выборочная рабочая область магнитов. Для каждого угла показан минимум Hrec по 180 внутреннимточкам. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Фазное напряжение при100Ом218,7В
Фазный ток при100Ом2,188А
Мощность нагрузки1436Вт
Средняя нагрузочная составляющая момента-9,302Н·м
Изменение момента24→48положений0,7746%
Минимум Hrec среди контрольных точек-427,4кА/м

Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник

Плоская задача, активная длина 1 м, зубцовое деление 40 мм, зазор 2 мм, глубина паза 20 мм. Раскрытие 0, 4, 8 или 12 мм. Воздух имеет \mu _{r}=1; поверхности идеальных сердечников задают H\tau =0. В серии Картера задан средний поток Bср=0,8 Тл через постоянные значения A на боковых сечениях. В гармонической серии одинаковый токовый слой толщиной 0,3 мм расположен у верхнего сердечника; J_{1}=10 А/мм², J_{3}/J_{1}=0{,}3∠0,6 рад. Проводимость равна нулю, поэтому частота 50 Гц задаёт фазоры без вытеснения тока. Идеальные линейные сердечники исключают насыщение и потери в стали. Плоская периодическая область не содержит кривизну, скос и торцы. Комплексное отношение при совместном источнике не равно универсальной передаче отдельной гармоники.

Модели и сохранённые решения серии
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Коэффициент Картера, b=8 мм1,0991
Эффективный зазор2,198мм

Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении

Матрица двух конечных зубцов рассчитывается при \mu _{r}=10000, зазорах 1, 2, 4 мм и единичных ампер-витках. Противоположные токи сторон одной катушки имеют согласованные знаки. Серия встречных зубцов использует антипериодическую ячейку с шагом зубцов 30 мм: соседний зубцовый контур имеет противоположную МДС. Магнитный период — 60 мм. Смещение 0…60 мм с шагом 3 мм исследуется двумя независимыми возбуждениями. Для коронок ширина шлица 20 мм, зазор 5 или 20 мм, глубина 10, 20, 30, 50 мм. Ток 1000 А расположен в нижнем слое толщиной 0,5 мм; опорная линия находится на 1 мм выше дна. Матрица относится к линейной стали \mu _{r}=10000 и объявленным направлениям контуров. Период 60 мм описывает чередование МДС, а не равномерное униполярное возбуждение. Выделенная по двум линиям A проводимость рассеяния отличается от полной проводимости катушки по энергии.

Модели и сохранённые решения серии
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Взаимная индуктивность при совмещении7,675мкГн
Поправка коронок b=20, \delta =5 мм-0,00891

Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника

Паз 8×20 мм, деление 40 мм, зазор 2 мм; идеальные линейные сердечники. Средний поток Bср=0,8 Тл. Проводник 6×0,6 мм несёт ±1000 А; активная длина 1 м. Координата y направлена к верхнему сердечнику, ток +I — вдоль +z. Центр проводника перемещается от 0,7 до 17 мм ниже поверхности зубцов. Для выделения силы взаимодействия выполняются парные опыты с противоположными токами. Идеальные сердечники не моделируют насыщение, контактные напряжения и механическую прочность изоляции. Результат относится к прямому участку длиной 1 м; торцевые силы требуют отдельной модели. Вычисление по разрывному или незамкнутому силовому контуру не даёт полного баланса.

Модели и сохранённые решения серии
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Доля силы меди на глубине 4 мм8,436%
Сила меди на глубине 4 мм-74,19Н/м

Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия

Глубокий стержень: 8×40 мм, \sigma =20{,}5 МСм/м, Ipeak=1280 А, f=0, 50, 400 Гц. Идеальные магнитные стенки создают одномерный эталон вытеснения тока. Пакет меди: 304 мм², габарит 8×42 мм, две колонки и n=1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 ряда. Температура 120 °C; \sigma =58/[1+0{,}00393(120-20)] МСм/м. Общий амплитудный ток 6000 А, частота 400 Гц. Геометрия меди и изоляции одинакова в паре сравниваемых соединений. Цилиндр радиусом 10 мм имеет \sigma =20{,}5 МСм/м и нулевую механическую скорость. Фазированный слой радиусов 19…20 мм создаёт двухполюсное вращающееся поле. Внешняя граница радиусом 160 мм, активная длина 1 м. Равные токи описывают идеальную полную транспозицию; реальные лобовые соединения, длина и контактные сопротивления отдельно не рассчитаны. Температура меди задана, а не получена из теплового равновесия. Для цилиндра задана нулевая скорость. Результат не определяет скорость расплава и не включает гидродинамику.

Модели и сохранённые решения серии
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
kR глубокого стержня при 50 Гц2,5271
Выбранное число жил1281
Rac/Rdc выбранного пакета1,2171
Частота цилиндра при P\le 50 Вт/м200Гц

Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери

Полная осесимметричная геометрия: стальной виток r=140…160 мм, z=-10…10 мм, \mu _{r}=500, \sigma =3 МСм/м. Возбуждающая катушка r=100…110 мм, z=-30…30 мм, 200 витков. Базовый ток 100 А peak, частоты 10, 50, 200 Гц. Контролируемый поток проходит через окружность r=130 мм в плоскости z=0. В линейной серии он нормируется до амплитуды 1,5 мВб; выбранный режим 50 Гц дополнительно рассчитывается с найденным током катушки. Нелинейная серия использует явно заданную условную безгистерезисную B(H), а не протокол конкретной стали. Сравниваются одинаковые геометрия, проводимость, частота и ток возбуждения. Потери в витке не определяют температуру без тепловой модели и теплоотдачи. Гистерезис и заявленные изготовителем свойства конкретной марки стали не заданы. Условная B(H) предназначена для анализа чувствительности; она не является аттестацией промышленного материала.

Модели и сохранённые решения серии
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Потери при 50 Гц и 1.5 мВб22,51Вт
Амплитуда тока замкнутого витка135А

Трансформатор: параметры, нагрузка и выбор вторичной обмотки

Планарная активная часть 43 мм; N_{1}/N_{2}=354/39 или 350/38. Линейная схема на 50 Гц с \mu _{r}=2000 и отдельно заданными сопротивлениями; нелинейная токовая серия M-43. Воздушная компенсационная модель — отдельная оценка рассеяния.

Модели и сохранённые решения серии
Нагрузочная характеристика при 230 В,50 Гц и нелинейное потокосцепление <span class="inline-math" data-inline-latex="M-43">M-43</span>. Выбор <span class="inline-math" data-inline-latex="350/38">350/38</span> витков проверен отдельным полевым расчётом.
Нагрузочная характеристика при 230 В,50 Гц и нелинейное потокосцепление M-43. Выбор 350/38 витков проверен отдельным полевым расчётом. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
L_{11}2,65Гн
L_{22}0,03217Гн
M0,2919Гн
Lк активной части1,366мГн
Рассеяние с эффективной длиной4,134мГн
U_{2} выбранной обмотки350/38 витков23,97В

Оформление результата

Начинайте отчёт с требуемой характеристики устройства и решения, которое по ней принимают. Запишите независимые условия: что задано, что изменяется в серии и что вычисляется.

Сохраните протокол геометрии, материалов, обмоток, нормировки, сетки и точных файлов. Зафиксируйте исходные данные и критерии до анализа результата.

Для каждой величины приведите определение, единицу, способ извлечения, таблицу и график. Выполните предусмотренные в работе независимые проверки и отделите численную ошибку от неопределённости геометрии и материалов.

Завершите отчёт обоснованным проектным выводом. Если модель не содержит нужный физический механизм, укажите дополнительную постановку и необходимые данные. Подготовительное занятие завершается проверяемым протоколом или обоснованием следующего этапа.

Материалы В.И.Гончарова и лекционный подход А.В.Иванова-Смоленского связывают теорию поля с расчётом электрических машин. В практикуме эта связь проходит четыре этапа: физическая постановка и аналитический предел; поле и его интегральные характеристики; параметры схемы замещения; характеристика устройства и проектное решение. Авторство, использованные разделы книг и статьи указаны в каждой работе.

Работа выполняется бригадой из двух-трёх человек. Контрольный опыт имеет последовательный разбор и независимую проверку; самостоятельный вариант требует собственного выбора параметра, прогноза и обоснования. Результаты оформляются презентацией и обсуждаются на семинаре всей группы.

Презентация содержит: Устройство, измеримая цель и источники исходных данных; Краткий вывод применённых формул с допущениями и единицами; Рабочая модель, программа и таблицы результатов; Независимый контроль, сетка/дискретизация и границы выводов; Обоснованный выбор параметра и вопросы для общего обсуждения.

[106].

[106].

Раздел «Место в инженерной методике» в каждом занятии связывает цель и задачи с последовательностью решения и проверяемым результатом.

Литература

  1. Моделирование однофазного трансформатора : задание 1. — 20 с.
  2. Моделирование асинхронного электродвигателя : задание 4. — 11 с.
  3. Моделирование синхронного генератора с постоянными магнитами : задание 5. — 5 с.
  4. Однофазный трансформатор : расчётный лист. — 4 с.
  5. Магнитные поля в электрических машинах — введение. — 75 с.
  6. Hrabovcová V., Rafajdus P., Makyš P. Analysis of Electrical Machines. — London : IntechOpen, 2020. — ISBN 978-1-83880-207-3. — DOI: 10.5772/intechopen.90135. Главы 1–3 распространяются по лицензии CC BY 3.0 [13].
  7. Обмоточные коэффициенты как средство выбора схемы и шага обмотки. — 8 с.
  8. Влияние раскрытия пазов на гармоники воздушного зазора. — 7 с.
  9. Коэффициенты поля возбуждения явнополюсного генератора. — 5 с.
  10. Продольная и поперечная проводимости явнополюсной машины. — 6 с.
  11. Проводимость рассеяния по коронкам зубцов. — 5 с.
  12. Гармоники МДС, затухание поля и момент в кольцевом зазоре. — 14 с.
  13. Асинхронный двигатель: от схемы замещения к проверке поля и момента. — 34 с.
  14. Поле асинхронного двигателя на холостом ходу и вращательное перемагничивание. — 9 с.
  15. Синхронный генератор: восстановление напряжения, мощности и угловой характеристики. — 6 с.
  16. Гладкий зазор: аналитическая проверка поля и независимых источников ошибки. — 12 с.
  17. Силы на проводниках и зубчатом роторе: три независимых эталона. — 10 с.
  18. Потокосцепление и ЭДС обмотки: сравнение независимых способов. — 16 с.
  19. Чётное и нечётное поля паза: Картер и разностная проводимость. — 3 с.
  20. Зубцовый контур и взаимная проводимость при движении. — 6 с.
  21. Распределение силы между проводом и стенками паза. — 8 с.
  22. Конформный эталон поля линейного тока. — 8 с.
  23. Нечётное поле паза как аналитический эталон рассеяния. — 8 с.
  24. Чётное поле паза и контроль комплексной потенциальной функции. — 8 с.
  25. Короткозамкнутый виток: поверхностный эффект и потери. — 3 с.
  26. Транспонированный стержень: выбор числа элементарных проводов. — 5 с.
  27. Иванов-Смоленский А. В., Гончаров В. И., Тейн Наинг Тун. Применение конечно-элементных моделей при учебном проектировании синхронных машин. — 14 с.
  28. Гончаров В. И., Тейн Наинг Тун. Расчёт потерь в массивных сердечниках электрических машин с помощью конечно-элементных моделей. — 12 с.
  29. Габдуллин Н. А., Глазков В. П., Гончаров В. И., Панасюк М. Б. Простые конечно-элементные модели для приближённых расчётов потерь в массивных роторах электрических машин. — 17 с.
  30. Фисенко В. Г. Расчёты вихревых полей в электромеханике. — 8 с.
  31. Гончаров В. И. Моделирование опытов Эрстеда и Фарадея. — 19 с.
  32. Рымша В. В., Процына З. П., Якимец А. М. Расчёт магнитных систем электромагнитов классическим и численным методом : методические указания. — Одесса : ОНПУ, 2010. — 48 с.
  33. Составление скриптов на языке Lua. — 30 с.
  34. Введение. — 13 с.
  35. Простейшая электрическая машина. Раздел 1. — 30 с.
  36. Уравнения Максвелла. Раздел 2. — 20 с.
  37. Основные понятия векторной алгебры, используемые при описании электромагнитного поля. Векторный магнитный потенциал. Раздел 3. — 31 с.
  38. Выражение энергии магнитного поля через векторный магнитный потенциал. Раздел 4. — 30 с.
  39. Математическое описание электромагнитного поля в электрической машине. Раздел 5. — 15 с.
  40. Электромагнитный момент и силы тяжения. Раздел 6. — 6 с.
  41. Аналитические методы исследования поля в электрической машине. Общие положения. Раздел 7. — 19 с.
  42. Аналитические методы исследования поля в электрической машине. Метод разделения переменных. Поле в плоском и кольцевом зазоре. Поверхностный ток как источник поверхностного потенциала. Раздел 8. — 33 с.
  43. Конформные преобразования. Комплексная потенциальная функция. Раздел 9. — 30 с.
  44. Конформные преобразования (продолжение). Преобразование Шварца — Кристоффеля. Раздел 10. — 13 с.
  45. Магнитное поле в зазоре электрической машины с учётом зубчатости сердечников. Раздел 11. — 54 с.
  46. Электромагнитные силы в магнитном поле. Раздел 12. — 15 с.
  47. Электродинамические поля в электрических машинах. Раздел 13. — 42 с.
  48. Переменное электромагнитное поле в прямоугольном проводнике в пазу электрической машины. Раздел 14. — 21 с.
  49. Расчёт интегральных величин (тока, потока, электрического и магнитного сопротивлений) для тел произвольной формы при резко выраженном поверхностном эффекте. Раздел 15. — 15 с.
  50. Моделирование электромагнитного поля на аналоговых моделях. Раздел 16. — 18 с.