FEMM 5

Электрическое поле тока · Плоскопараллельная

Составная шина с резистивной вставкой

Прямой проводник 100 × 10 мм, глубина 5 мм. Между медными участками длиной по 45 мм расположена вставка длиной 10 мм с пониженной проводимостью.

Цель работы — связать полевое распределение с измеряемой величиной, получить проверяемый численный результат и объяснить границы выбранной модели. Все параметры заданы непосредственно в программе. Собственная постановка содержит физический ориентир и критерии приёмки, поэтому результат можно исследовать без внешней библиотеки готовых решений.

Самостоятельная учебная модель FEMM 5: от физических соотношений к полевому решению и проверке результата.

Допущения и устройство учебной модели

Все размеры, свойства материалов и условия возбуждения заданы ниже. Численные результаты относятся к опубликованной версии модели FEMM 5.

Физическая и математическая постановка

Теория и контрольная модель

Материальная граница без отдельного поверхностного сопротивления сохраняет непрерывность потенциала и нормального тока. Плотность тока в последовательной цепи одинакова, но напряжённость во вставке выше из-за меньшей проводимости. Поэтому короткий участок может выделять большую часть всей джоулевой мощности.

В данной прямой геометрии решение одномерно. Полное сопротивление и доля мощности вставки имеют точные формулы. Встроенная программа вычисляет мощность каждого материала интегралом по группе и сопоставляет её с независимой электрической схемой. Это полезная проверка назначения материалов и единиц проводимости перед переходом к реальному контакту.

R=\sum_i\frac{l_i}{\sigma_iwd},\quad P_i/P=R_i/R

Как читать расчёт и проверки

Программа создаёт три последовательные дискретизации. Для каждой сохраняются отдельная входная модель и собственное решение FEMM. Перед запуском решателя записанный файл закрывается и повторно открывается: проверяется именно сохранённая версия с русскими именами материалов, проводников и границ. В result.json величины records сопровождаются числом узлов и элементов, а checks содержит фактический остаток, предел и логический итог.

Для электрических моделей отдельно проверяются баланс токов на выводах и равенство суммарных джоулевых потерь и активной мощности на выводах. Для тепловых задач используются аналитический профиль, эквивалентное координатное преобразование или интегральный баланс источников и теплоотдачи. Эти проверки отвечают на разные вопросы: совпадение одной температуры или одного тока само по себе не подтверждает правильность всей постановки.

Практическое исследование

Увеличьте длину вставки в два раза при прежней полной длине шины. Учтите, что суммарная длина медных частей при этом уменьшается. Сравните изменения полного сопротивления и доли мощности, выделяющейся во вставке.

Приблизьте проводимость вставки к проводимости меди. На границах материалов должен исчезнуть скачок нормального электрического поля, а потенциал должен перейти в единую линейную функцию по всей длине.

Сопоставьте напряжения в точках на двух границах вставки с её интегральной мощностью. Закон P=IΔU даёт ещё одну независимую проверку группового интеграла и помогает обнаружить случайное назначение неверной области.

Исходные данные

Прямой проводник 100 × 10 мм, глубина 5 мм. Между медными участками длиной по 45 мм расположена вставка длиной 10 мм с пониженной проводимостью.

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Ширина10ммПринято в учебной постановке
Глубина5ммПринято в учебной постановке
Длина вставки10ммПринято в учебной постановке
Проводимость вставки1000000См/мПринято в учебной постановке
Напряжение0,01ВПринято в учебной постановке

Порядок воспроизведения

  1. Скопируйте reproduce.py в отдельную рабочую папку и откройте его во встроенном редакторе Python FEMM 5. Запускайте файл целиком. Программа сама создаёт новый каталог calculated-XX рядом с файлом, поэтому повторная серия сохраняет предыдущие модели и результаты.
  2. До расчёта прочитайте параметры и единицы. После расчёта откройте последнюю входную модель и соответствующее решение. Сопоставьте назначение русских имён с физическим смыслом, определите путь тока или теплового потока и найдите величины, используемые в контрольной формуле.
  3. Сравните все три записи records и убедитесь, что каждый пункт checks имеет passed=true. Уточните различие между ошибкой аналитического сравнения, изменением по сетке, невязкой баланса и итерационным остатком. Для модели с координатным преобразованием откройте также отдельную контрольную геометрию.
  4. Выполните исследовательские варианты по одному. Перед изменением предскажите знак и примерный масштаб эффекта. В отчёте приведите выбранные параметры, контрольную формулу, таблицу сеток, независимые проверки и объяснение того, какие выводы можно переносить на реальный объект.

Скачайте нужные файлы по отдельным ссылкам ниже в одну рабочую папку, затем откройте reproduce.py во встроенном Python FEMM 5 и выполните его. Сохраните имена файлов и структуру подпапок. Условия конкретного запуска и путь новых результатов указаны в комментариях программы.

Программа встроенного Python FEMM 5
Python · reproduce.py
"""Самостоятельная лабораторная работа курса FEMM 5.
Запуск: встроенный MicroPython FEMM 5, команды FEMM доступны непосредственно.
Геометрические координаты и глубина — мм; результаты интегралов — единицы СИ.
Данные, допущения, аналитические ориентиры и ход исследования заданы в README.md.
Каждая серия записывается в новую calculated-XX; прежние результаты сохраняются.
Сохранённая модель закрывается и открывается до расчёта, включая русские имена.
"""

import os
import sys
import json
import math

script = globals().get("__file__", "") or (sys.argv[0] if sys.argv else "")
base = os.path.dirname(os.path.abspath(script)) if script else os.getcwd()
index = 1
while "calculated-%02d" % index in os.listdir(base):
    index += 1
directory = base + "/calculated-%02d" % index
os.mkdir(directory)
records = []
checks = []


def real(value):
    if isinstance(value, (tuple, list)):
        return real(value[0])
    return complex(value).real


def check(name, value, limit):
    checks.append(
        {
            "name": name,
            "value": value,
            "limit": limit,
            "passed": math.isfinite(value) and value <= limit,
        }
    )


def polygon(prefix, points):
    for x, y in points:
        globals()[prefix + "_addnode"](x, y)
    for i, (x, y) in enumerate(points):
        x2, y2 = points[(i + 1) % len(points)]
        globals()[prefix + "_addsegment"](x, y, x2, y2)


def geometry(prefix, job, mesh):
    if job.get("polygon"):
        polygon(prefix, job["polygon"])
    for x1, y1, x2, y2 in job.get("interfaces", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
        globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
        globals()[prefix + "_addsegment"](x1, y1, x2, y2)
    for x, y, radius, name in job.get("circles", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x - radius, y)
        globals()[prefix + "_addnode"](x + radius, y)
        globals()[prefix + "_addarc"](x - radius, y, x + radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_addarc"](x + radius, y, x - radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y + radius)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y - radius)
        if prefix == "ci":
            ci_setarcsegmentprop(1, "<None>", 0, 0, name or "<None>")
        else:
            hi_setarcsegmentprop(1, name or "<None>", 0, 0, "<None>")
        globals()[prefix + "_clearselected"]()
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        globals()[prefix + "_addblocklabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_selectlabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_setblockprop"](name, 0, mesh, group)
        globals()[prefix + "_clearselected"]()


def current(job, mesh, stem):
    newdocument(3)
    ci_probdef("millimeters", "planar", 0, 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, sx, sy in job["materials"]:
        ci_addmaterial(name, sx, sy, 1, 1, 0, 0)
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        ci_addconductorprop(name, voltage, amperes, kind)
    geometry("ci", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("electrode_segments", []):
        ci_selectsegment(x, y)
        ci_setsegmentprop("<None>", mesh, 0, 0, 0, name)
        ci_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".fec"
    ci_saveas(path)
    ci_close()
    opendocument(path)
    ci_analyze(1)
    ci_loadsolution()
    co_smooth("off")
    terminals = {}
    terminal_power = 0
    balance = 0
    current_scale = 0
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        u, i = co_getconductorproperties(name)
        terminals[name] = {"U_V": real(u), "I_A": real(i)}
        terminal_power += real(complex(u) * complex(i).conjugate())
        balance += complex(i)
        current_scale = max(current_scale, abs(complex(i)))
    powers = {}
    power = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        if name == "<No Mesh>":
            continue
        co_groupselectblock(group)
        powers[str(group)] = real(co_blockintegral(0))
        power += powers[str(group)]
        co_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        values = co_getpointvalues(x, y)
        samples.append(
            {
                "x_mm": x,
                "y_mm": y,
                "U_V": real(values[0]),
                "J_A_m2": math.sqrt(
                    abs(complex(values[1])) ** 2 + abs(complex(values[2])) ** 2
                ),
            }
        )
    row = {
        "model": stem + ".fec",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": co_numnodes(),
        "elements": co_numelements(),
        "terminals": terminals,
        "P_W": power,
        "group_power_W": powers,
        "samples": samples,
        "current_balance_relative": abs(balance) / current_scale,
        "power_balance_relative": abs(power - terminal_power) / max(power, 1e-30),
    }
    check(stem + ": баланс токов", row["current_balance_relative"], 1e-6)
    check(stem + ": баланс мощности", row["power_balance_relative"], 1e-6)
    co_close()
    ci_close()
    return row


def heat(job, mesh, stem):
    newdocument(2)
    hi_probdef("millimeters", "planar", 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, kx, ky, q in job["materials"]:
        hi_addmaterial(name, kx, ky, q, 0)
    for name, kind, temp, ambient, h in job["boundaries"]:
        hi_addboundprop(name, kind, temp, 0, ambient, h, 0)
    geometry("hi", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("boundary_segments", []):
        hi_selectsegment(x, y)
        hi_setsegmentprop(name, mesh, 0, 0, 0, "<None>")
        hi_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".feh"
    hi_saveas(path)
    hi_close()
    opendocument(path)
    hi_analyze(1)
    hi_loadsolution()
    ho_smooth("off")
    averages = {}
    generated = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        ho_groupselectblock(group)
        averages[str(group)] = real(ho_blockintegral(0))
        volume = real(ho_blockintegral(2))
        q = [m[3] for m in job["materials"] if m[0] == name][0]
        generated += q * volume
        ho_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        samples.append({"x_mm": x, "y_mm": y, "T_K": real(ho_getpointvalues(x, y)[0])})
    convection = 0
    for x1, y1, x2, y2, ambient, h in job.get("convection_edges", []):
        count = 200
        total = 0
        for n in range(count + 1):
            t = real(
                ho_getpointvalues(
                    x1 + (x2 - x1) * n / count, y1 + (y2 - y1) * n / count
                )[0]
            )
            total += (0.5 if n in (0, count) else 1) * (t - ambient)
        length = math.sqrt((x2 - x1) ** 2 + (y2 - y1) ** 2) * 0.001
        convection += total / count * length * job["depth"] * 0.001 * h
    row = {
        "model": stem + ".feh",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": ho_numnodes(),
        "elements": ho_numelements(),
        "samples": samples,
        "group_average_K": averages,
        "generated_W": generated,
        "convection_W": convection,
    }
    if job.get("convection_edges"):
        check(
            stem + ": баланс конвективного теплоотвода",
            abs(convection - generated) / max(generated, 1e-30),
            0.005,
        )
    ho_close()
    hi_close()
    return row


JOB = json.loads(
    '{"polygon": [[0, 0], [100, 0], [100, 10], [0, 10]], "depth": 5, "materials": [["Медь", 58000000.0, 58000000.0], ["Резистивная вставка", 1000000.0, 1000000.0]], "blocks": [[20, 5, "Медь", 1], [50, 5, "Резистивная вставка", 2], [80, 5, "Медь", 3]], "terminals": [["Питание", 0.01, 0, 1], ["Возврат", 0, 0, 1]], "electrode_segments": [[0, 5, "Питание"], [100, 5, "Возврат"]], "samples": [[45, 5], [55, 5]], "interfaces": [[45, 0, 45, 10], [55, 0, 55, 10]]}'
)
for level, mesh in enumerate((1, 0.5, 0.25)):
    row = current(JOB, mesh, "model-%02d" % (level + 1))
    row["R_ohm"] = 0.01 / abs(row["terminals"]["Питание"]["I_A"])
    row["P_insert_fraction"] = row["group_power_W"]["2"] / row["P_W"]
    records.append(row)
reference = (0.09 / 5.8e7 + 0.01 / 1e6) / (0.01 * 0.005)
check(
    "Сумма последовательных сопротивлений",
    abs(records[-1]["R_ohm"] / reference - 1),
    1e-6,
)
fraction = (0.01 / 1e6) / (0.09 / 5.8e7 + 0.01 / 1e6)
check(
    "Доля джоулевой мощности вставки",
    abs(records[-1]["P_insert_fraction"] - fraction),
    1e-6,
)

result = {
    "runtime": "FEMM 5; embedded MicroPython",
    "records": records,
    "checks": checks,
    "passed": all(item["passed"] for item in checks),
}
with open(directory + "/result.json", "w") as output:
    json.dump(result, output)
print(json.dumps(result))
assert result["passed"]

Картина рассчитанного поля

Потенциал, В: model-03.anc
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 model-03.anc. Электрический потенциал по сохранённым узловым значениям. Показана расчётная область. Контуры деталей взяты из той же модели. Области вне сохранённых треугольников не заполняются. Это научный график сохранённых данных. Нажмите на карту, чтобы открыть её отдельно и увеличить.

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Рабочая область модели «Составная шина с резистивной вставкой». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Составная шина с резистивной вставкой». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Составная шина с резистивной вставкой». Модуль потенциала |V|, В, в медной шине с резистивной вставкой. Основное изменение потенциала сосредоточено на вставке.
Сохранённое решение «Составная шина с резистивной вставкой». Модуль потенциала |V|, В, в медной шине с резистивной вставкой. Основное изменение потенциала сосредоточено на вставке. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 3. Выполнено проверок: 8. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
Сопротивление, ОмМасштаб сетки, ммМощность области, ВтДоля мощности вставкиЭлементовКонтрольные точкиЭлектродыОтносительная невязка токаОтносительная невязка мощностиМощность, ВтУзловМодель
231,03448 × 10⁻⁶13 полей; полные данные JSON0,8656716426062 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON17,55435 × 10⁻⁹3,4348811 × 10⁻⁹0,432835821443model-01.fec
231,03448 × 10⁻⁶0,53 полей; полные данные JSON0,8656716494812 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON19,889571 × 10⁻⁹9,1234885 × 10⁻⁹0,432835824983model-02.fec
231,03447 × 10⁻⁶0,253 полей; полные данные JSON0,86567164373532 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON72,672544 × 10⁻⁹45,811907 × 10⁻⁹0,4328358219162model-03.fec
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
model-01: баланс токов17,55 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
model-01: баланс мощности3,435 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
model-02: баланс токов19,89 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
model-02: баланс мощности9,123 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
model-03: баланс токов72,67 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
model-03: баланс мощности45,81 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
Сумма последовательных сопротивлений45,81 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
Доля джоулевой мощности вставки355,1 × 10⁻¹²1e-06Выполнен

Допуски относятся к указанной учебной задаче и способу сравнения. Число показанных цифр не означает такой же физической точности.

Модели, решения и программа

Для нового расчёта сохраните программу, модели и необходимые данные в одну рабочую папку, сохраняя структуру подпапок.

Полные численные результаты

Границы применимости