FEMM 5

Магнитостатика · Осесимметричная

Катушки Гельмгольца: поле и выбор расстояния

Пара катушек Гельмгольца создаёт область, где магнитная индукция слабо меняется при небольшом смещении от центра. Особое расстояние между катушками выбирается по кривизне осевого профиля, поэтому большой центральный уровень поля сам по себе ещё не означает хорошую однородность. В работе сравниваются три расстояния при одинаковых радиусах, токах и числе витков.

Радиус каждой катушки равен 100 мм, сечение обмотки 2×2 мм, число витков 100, ток 1 А. Межосевое расстояние принимается равным 80, 100 и 120 мм. Полная геометрия вращается вокруг оси r=0: горизонтальная координата FEMM означает r, вертикальная — z. Каждый прямоугольник обмотки представляет полный кольцевой пакет.

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

Осевой профиль двух колец

Поле тонкого кругового витка на оси получается интегрированием закона Био — Савара. Для пары катушек нужно сложить выражения с разными осевыми координатами центров. В центральной плоскости нечётные производные профиля обращаются в нуль из-за симметрии. При расстоянии, равном радиусу, исчезает также вторая производная.

Программа рассчитывает осевую индукцию в семи точках от −0.3R до +0.3R. Рядом сохраняется результат независимой формулы тонких колец. Конечное сечение катушки оставляет небольшое физическое различие между моделями; оно уменьшается при сокращении размеров сечения, даже если сетка уже достаточно подробна.

B_z(z)=\sum_k\frac{\mu_0NI R^2}{2[R^2+(z-z_k)^2]^{3/2}}

Однородность и проверка знака

Для каждого расстояния оценивается максимальное относительное отклонение в интервале |z|≤0.2R. Сравнивайте именно эту величину: у более близких катушек поле в центре выше, но полезная область может оказаться менее однородной. Увеличение числа витков или тока в линейной воздушной модели масштабирует поле и не меняет относительный профиль.

Контроль включает знак Bz, аналитический профиль, энергетическую связь с потокосцеплениями и изменение центрального поля между последними сетками. В центральной области вводится локальное сгущение воздуха. Для исследования датчика добавьте точки вне оси: осевая однородность не гарантирует одинаковое поле во всём трёхмерном объёме. В отчёте следует назвать как интервал оценки, так и используемую нормировку.

Исходные данные

Осесимметричная

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Базовый радиус100ммЗаданный параметр самостоятельной учебной модели
Число витков одной обмотки100Заданный параметр самостоятельной учебной модели
Ток; для AC — амплитуда1АЗаданный параметр самостоятельной учебной модели
Отношение расстояния к радиусу H/R0.8, 1, 1.2Заданный параметр самостоятельной учебной модели

Порядок воспроизведения

  1. До запуска запишите уравнение контрольной величины и ожидаемое направление изменения при вариации параметра. Согласуйте миллиметры геометрии с единицами СИ в формулах. Создайте отдельную папку и откройте reproduce.py во встроенном редакторе Python FEMM 5. Команды mi_* и mo_* в этой среде уже доступны глобально.
  2. Выполните программу целиком. Она создаёт новый calculated-NN, строит каждую модель с русскими именами материалов и цепей, сохраняет файл FEM, закрывает его и повторно открывает перед решением. Поэтому проверка относится к точному записанному варианту модели и охватывает сохранение кириллицы.
  3. Изучите result.json: records хранит численные результаты всех режимов и трёх сеток, checks — названия проверок, измеренные отклонения, допуски и итог. Откройте модель и решение финальной сетки; сопоставьте материалы, направление токов и характерные размеры с таблицей параметров.
  4. Составьте отчёт с физическим объяснением, таблицей сходимости и независимым контрольным расчётом. Затем измените один параметр и выполните новую серию. Сохраняйте предыдущую серию для сравнения; успешное завершение решателя само по себе не заменяет проверки физического масштаба и сеточной устойчивости.

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
"""Собственная учебная лабораторная FEMM 5: встроенный Python.
Команды FEMM доступны глобально, внешний пакет femm не используется.
Каждая сетка сохраняется в отдельный FEM, закрывается, открывается повторно
и решается с русскими именами свойств. Новый запуск создаёт calculated-NN.
Опубликованные модели и квитанции не изменяются. Размеры: мм; результаты: СИ.
"""
import os
import sys
import math
import json
CONFIG = {'R': 100, 'N': 100, 'I': 1, 'variants': [0.8, 1, 1.2]}
MODE = 'helmholtz'
saved=globals().get('__file__','') or (sys.argv[0] if sys.argv else '')
base=os.path.dirname(os.path.abspath(saved)) if saved else os.getcwd()
index=1
while os.path.exists(base+'/calculated-%02d'%index):index+=1
directory=base+'/calculated-%02d'%index
os.mkdir(directory)
records=[]
checks=[]
MU0=4*math.pi*1e-7

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

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

def material(name,mu=1,sigma=0):
    mi_addmaterial(name,mu,mu,0,0,sigma/1e6)

def label(x,y,name,mesh,group=1,circuit='<None>',turns=1):
    mi_addblocklabel(x,y);mi_selectlabel(x,y)
    mi_setblockprop(name,0,mesh,circuit,0,group,turns);mi_clearselected()

def polygon(points,boundary=None,spacing=0):
    for x,y in points:mi_addnode(x,y)
    for i,(x,y) in enumerate(points):
        x2,y2=points[(i+1)%len(points)];mi_addsegment(x,y,x2,y2)
        if boundary:
            mi_selectsegment((x+x2)/2,(y+y2)/2)
            mi_setsegmentprop(boundary,spacing,0,0,0);mi_clearselected()

def rect(x1,y1,x2,y2):polygon([(x1,y1),(x2,y1),(x2,y2),(x1,y2)])

def circle(x,y,r,angle,boundary=None):
    mi_addnode(x-r,y);mi_addnode(x+r,y)
    mi_addarc(x-r,y,x+r,y,180,angle);mi_addarc(x+r,y,x-r,y,180,angle)
    if boundary:
        mi_selectarcsegment(x,y-r);mi_selectarcsegment(x,y+r)
        mi_setarcsegmentprop(angle,boundary,0,0);mi_clearselected()

def halfcircle(r,angle,boundary=None):
    mi_addnode(0,-r);mi_addnode(0,r)
    mi_addarc(0,-r,0,r,180,angle)
    if boundary:
        mi_selectarcsegment(r,0);mi_setarcsegmentprop(angle,boundary,0,0);mi_clearselected()

def start(axis,f,outer,level,uniform=0):
    newdocument(0)
    mi_probdef(f,'millimeters','axi' if axis else 'planar',1e-10,1000,30,0)
    material('Воздух')
    # Коэффициенты пространственной функции A вводятся на миллиметр геометрии.
    mi_addboundprop('Внешняя граница',0,uniform/2000 if axis else 0,0 if axis else uniform/1000,0,0,0,0,0,0)
    if axis:
        # Ось r=0, z снизу вверх: исходные координаты библиотек не используются.
        halfcircle(outer,4/(2**level),'Внешняя граница')
        mi_addsegment(0,-outer,0,outer)
    else:circle(0,0,outer,4/(2**level),'Внешняя граница')

def close_axis():
    # FEMM автоматически разбивает осевой отрезок вершинами внутренних дуг.
    pass

def coil(r,z,width,height,current,turns,mesh,num):
    name='Обмотка %d'%num
    mi_addcircprop(name,current,1)
    rect(r-width/2,z-height/2,r+width/2,z+height/2)
    label(r,z,'Медь обмотки',mesh,10+num,name,turns)
    return name

def solve(level,variant,tag=''):
    name='model-%s-%02d%s.fem'%(str(variant).replace('.','p'),level+1,tag)
    mi_saveas(directory+'/'+name);mi_close();opendocument(directory+'/'+name)
    mi_analyze(1);mi_loadsolution();mo_smooth('off')
    mo_groupselectblock();energy=real(mo_blockintegral(2));loss=real(mo_blockintegral(4));mo_clearblock()
    return {'model':name,'level':level+1,'variant':variant,'nodes':mo_numnodes(),'elements':mo_numelements(),'energy_J':energy,'ohmic_loss_W':loss,'saved_reopened_solved':True}

def finish():mo_close();mi_close()

def loop_field(r,z,turns,current,position):
    r*=0.001;dz=(position-z)*0.001
    return MU0*turns*current*r*r/(2*(r*r+dz*dz)**1.5)

def bessel(n,z):
    term=(z/2)**n
    total=term
    for k in range(1,100):
        term*=-(z*z/4)/(k*(k+n));total+=term
        if abs(term)<1e-15*max(1,abs(total)):break
    return total

def skin_resistance(radius,sigma,f):
    a=radius*.001
    if f==0:return 1/(math.pi*a*a*sigma)
    delta=math.sqrt(2/(2*math.pi*f*MU0*sigma));k=(1-1j)/delta
    return (k*bessel(0,k*a)/(2*math.pi*a*sigma*bessel(1,k*a))).real

def circuit_values(name):
    i,v,psi=mo_getcircuitproperties(name)
    return complex(i),complex(v),complex(psi)

def magnetic_b(x,y):
    mo_smooth('on')
    values=mo_getpointvalues(x,y)
    mo_smooth('off')
    return values[1],values[2]

def asinh(x):return math.log(x+math.sqrt(x*x+1))

def energy_identity(row,circuits,frequency):
    power=0;fluxenergy=0
    for name in circuits:
        i,v,psi=circuit_values(name)
        power+=(v*i.conjugate()).real/2
        fluxenergy+=(psi*i.conjugate()).real/(4 if frequency else 2)
    row['circuit_active_power_W']=power
    row['circuit_energy_J']=fluxenergy
    if frequency:
        error=abs(power-row['ohmic_loss_W'])/max(abs(power),1e-20)
        row['power_balance_relative']=error
        check('Баланс активной мощности '+row['model'],error,0.015)
    else:
        error=abs(fluxenergy-row['energy_J'])/max(abs(fluxenergy),1e-20)
        row['energy_identity_relative']=error
        check('Энергия и потокосцепление '+row['model'],error,0.012/(2**(row['level']-1)))

if MODE in ('wires','wireL','skin','proximity','busbars'):
    variants=CONFIG.get('variants',[0])
    for variant in variants:
      shapes=('solid','tube') if MODE=='busbars' else ('solid',)
      for shape in shapes:
       for level in range(3):
        f=variant if MODE in ('skin','proximity','busbars') else 0
        r=CONFIG.get('r',math.sqrt(20));d=CONFIG.get('d',30)
        if MODE=='skin':d=200
        outer=5000 if MODE=='wireL' else (1000 if MODE=='wires' else max(300,8*d))
        start(False,f,outer,level)
        if MODE in ('wires','wireL'):
            local=150 if MODE=='wires' else 750
            circle(0,0,local,4/(2**level))
            label(0,local*.7,'Воздух',(5 if MODE=='wires' else 15)/(2**level),3)
        sigma=CONFIG.get('sigma',0);material('Медь проводников',1,sigma)
        names=[]
        for side in (-1,1):
            name='Прямой проводник' if side<0 else 'Обратный проводник'
            mi_addcircprop(name,-side*CONFIG['I'],1);names.append(name)
            rr=6 if MODE=='busbars' and shape=='tube' else r
            circle(side*d/2,0,rr,4/(2**level))
            if MODE=='busbars' and shape=='tube':
                circle(side*d/2,0,4,4/(2**level));label(side*d/2,0,'Воздух',r/3/(2**level),2)
                label(side*d/2+5,0,'Медь проводников',r/4/(2**level),10,name,1)
            else:label(side*d/2,0,'Медь проводников',r/4/(2**level),10,name,1)
        label(0,outer*.6,'Воздух',outer/16/(2**level),1)
        row=solve(level,variant,'-'+shape);row['shape']=shape
        energy_identity(row,names,f)
        if MODE=='wires':
            x,y=-d/2,50;bx,by=magnetic_b(x,y);bx=real(bx);by=real(by)
            exactx=0;exacty=0
            for side in (-1,1):
                xx=x-side*d/2;ii=-side*CONFIG['I'];dist2=(xx*.001)**2+(y*.001)**2
                exactx-=MU0*ii*(y*.001)/(2*math.pi*dist2);exacty+=MU0*ii*(xx*.001)/(2*math.pi*dist2)
            row.update({'Bx_T':bx,'By_T':by,'analytic_Bx_T':exactx,'analytic_By_T':exacty})
            error=math.sqrt((bx-exactx)**2+(by-exacty)**2)/math.sqrt(exactx**2+exacty**2)
            check('Векторный закон Био — Савара '+row['model'],error,0.035/(2**level))
            row['primary']=math.sqrt(bx*bx+by*by)
        elif MODE=='wireL':
            inductance=2*row['energy_J']/CONFIG['I']**2
            exact=MU0/math.pi*(math.log(d/r)+.25)
            row.update({'L_H_per_m':inductance,'analytic_L_H_per_m':exact,'primary':inductance})
            check('Аналитическая индуктивность линии '+row['model'],abs(inductance/exact-1),0.03/(2**level))
        else:
            resistance=2*row['ohmic_loss_W']/CONFIG['I']**2
            row.update({'loop_R_ohm_per_m':resistance,'skin_only_loop_R_ohm_per_m':2*skin_resistance(r,sigma,f),'primary':resistance})
            if MODE=='skin':check('Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя '+row['model'],abs(resistance/(2*skin_resistance(r,sigma,f))-1),0.018)
            elif MODE=='proximity':check('Потери не ниже двух изолированных проводов '+row['model'],max(0,2*skin_resistance(r,sigma,f)/resistance-1),0.015)
            else:
                dc=2/(math.pi*20e-6*sigma)
                check('AC-сопротивление не ниже DC '+row['model'],max(0,dc/resistance-1),0.01)
        records.append(row);finish()

elif MODE in ('helmholtz','maxwell','brooks','solenoid','mutual'):
    for variant in CONFIG['variants']:
      excitations=(1,2) if MODE=='mutual' else (1,)
      for excitation in excitations:
       for level in range(3):
        outer=2500 if MODE=='solenoid' else 1500
        start(True,0,outer,level);material('Медь обмотки')
        rect(0,-400,400,400)
        label(300,0,'Воздух',8/(2**level),3)
        names=[];specs=[]
        if MODE=='helmholtz':
            R=CONFIG['R'];sep=variant*R
            specs=[(R,-sep/2,2,2,CONFIG['I'],CONFIG['N']),(R,sep/2,2,2,CONFIG['I'],CONFIG['N'])]
        elif MODE=='maxwell':
            R=CONFIG['R'];rr=R*math.sqrt(4/7);zz=R*math.sqrt(3/7)*variant
            specs=[(R,0,2,2,CONFIG['I'],CONFIG['N']),(rr,-zz,2,2,CONFIG['I']*49/64,CONFIG['N']),(rr,zz,2,2,CONFIG['I']*49/64,CONFIG['N'])]
        elif MODE=='brooks':specs=[(1.5*variant,0,variant,variant,CONFIG['I'],CONFIG['N'])]
        elif MODE=='solenoid':specs=[(32.5,0,5,variant,CONFIG['I'],CONFIG['N'])]
        else:
            specs=[(50,-variant/2,4,4,1 if excitation==1 else 0,CONFIG['N']),(60,variant/2,4,4,1 if excitation==2 else 0,CONFIG['N'])]
        mesh=(variant/20 if MODE=='brooks' else 1)/(2**level)
        for num,spec in enumerate(specs,1):names.append(coil(*spec,mesh,num))
        label(outer*.5,0,'Воздух',outer/18/(2**level))
        row=solve(level,variant,'-e%d'%excitation);row['excitation']=excitation
        energy_identity(row,names,0)
        br,bz=magnetic_b(0,0);bz=real(bz);row['Bz_center_T']=bz
        if MODE in ('helmholtz','maxwell'):
            exact=sum(loop_field(r,z,n,i,0) for r,z,w,h,i,n in specs)
            row['analytic_Bz_center_T']=exact
            check('Знак и модуль осевого поля '+row['model'],abs(bz/exact-1),0.025/(2**level))
            profile=[]
            for frac in (-.3,-.2,-.1,0,.1,.2,.3):
                zz=frac*CONFIG['R'];bb=real(magnetic_b(0,zz)[1]);theory=sum(loop_field(r,z,n,i,zz) for r,z,w,h,i,n in specs)
                profile.append([zz,bb,theory]);check('Профиль поля z='+str(zz)+' '+row['model'],abs(bb/theory-1),0.035/(2**level))
            row['axis_profile_mm_T']=profile;row['uniformity_20percent']=max(abs(p[1]/bz-1) for p in profile if abs(p[0])<=.2*CONFIG['R']);row['primary']=bz
        elif MODE=='brooks':
            ll=2*row['energy_J']/CONFIG['I']**2;exact=1.6994e-6*1.5*variant*.001*CONFIG['N']**2
            row.update({'L_H':ll,'analytic_Grover_L_H':exact,'primary':ll})
            check('Формула Брукса — Гровера '+row['model'],abs(ll/exact-1),0.025)
        elif MODE=='solenoid':
            aa=variant*.001/2;exact=MU0*CONFIG['N']*CONFIG['I']/(2*.005)*(asinh(.035/aa)-asinh(.030/aa))
            ll=2*row['energy_J']/CONFIG['I']**2
            row.update({'analytic_center_T':exact,'L_H':ll,'primary':bz})
            check('Интеграл Био — Савара для конечной обмотки '+row['model'],abs(bz/exact-1),0.012)
        else:
            one=circuit_values(names[0]);two=circuit_values(names[1])
            ll=(one if excitation==1 else two)[2].real;mm=(two if excitation==1 else one)[2].real
            row.update({'L_self_H':ll,'M_H':mm,'primary':mm})
        records.append(row);finish()
    if MODE=='mutual':
        for variant in CONFIG['variants']:
            a=[r for r in records if r['variant']==variant and r['level']==3 and r['excitation']==1][0]
            b=[r for r in records if r['variant']==variant and r['level']==3 and r['excitation']==2][0]
            check('Взаимность M12=M21 при зазоре '+str(variant),abs(a['M_H']/b['M_H']-1),0.003)
            check('Положительная определённость матрицы L при зазоре '+str(variant),max(0,a['M_H']**2/(a['L_self_H']*b['L_self_H'])-1),1e-8)

elif MODE in ('cylinder','sphere','acshield'):
    for variant in CONFIG['variants']:
      for level in range(3):
        axis=MODE!='cylinder';a=CONFIG['a'];b=CONFIG['b'];mu=CONFIG.get('mu',variant);f=variant if MODE=='acshield' else 0
        sigma=CONFIG.get('sigma',0);outer=b*12
        start(axis,f,outer,level,CONFIG['B']);material('Материал экрана',mu,sigma)
        if axis:
            halfcircle(a,3/(2**level));halfcircle(b,3/(2**level))
            label((a+b)/2,0,'Материал экрана',(.5 if MODE=='acshield' else (b-a)/8)/(2**level),5)
        else:
            circle(0,0,a,3/(2**level));circle(0,0,b,3/(2**level));label((a+b)/2,0,'Материал экрана',(b-a)/6/(2**level),5)
        label(a/2,0,'Воздух',a/8/(2**level),2)
        label(b*3,0,'Воздух',outer/18/(2**level),1)
        row=solve(level,variant);bx,by=magnetic_b(0,0);bb=abs(complex(by if axis else bx))
        ratio=bb/CONFIG['B'];row.update({'B_inside_T':bb,'attenuation_ratio':ratio,'primary':ratio})
        if MODE=='cylinder':shield=((mu+1)**2-(mu-1)**2*(a/b)**2)/(4*mu)
        else:shield=((2*mu+1)*(mu+2)-2*(mu-1)**2*(a/b)**3)/(9*mu)
        row['analytic_DC_ratio']=1/shield
        if f==0:check('Аналитическое экранирование '+row['model'],abs(ratio*shield-1),0.018)
        if f>0:
            # Независимое интегрирование J^2/(2σ) по центрам элементов экрана.
            total=0
            for ei in range(1,mo_numelements()+1):
                elem=mo_getelement(ei)
                if int(elem[6])!=5:continue
                x,y,area=elem[3],elem[4],elem[5]
                values=mo_getpointvalues(x,y);jj=(complex(values[7])+complex(values[8]))*1e6
                volume=area*1e-6*(2*math.pi*x*.001 if axis else 1)
                total+=abs(jj)**2/(2*sigma)*volume
            row['element_Joule_integral_W']=total
            check('Интеграл Джоуля в экране '+row['model'],abs(total/row['ohmic_loss_W']-1),0.04)
        records.append(row);finish()
    if MODE=='acshield':
        last=[r for r in records if r['level']==3]
        for i in range(1,len(last)):
            check('Частотное усиление экранирования '+str(last[i]['variant']),max(0,last[i]['attenuation_ratio']/last[i-1]['attenuation_ratio']-1),0.01)

elif MODE in ('sensor','pipe','heating'):
    for variant in CONFIG['variants']:
      for level in range(3):
        f=variant if MODE=='heating' else CONFIG['f']
        start(True,f,500,level);material('Медь обмотки');material('Проводящая мишень',1,CONFIG['sigma'])
        if MODE=='sensor':
            name=coil(20,variant+3,4,6,CONFIG['I'],CONFIG['N'],1/(2**level),1)
            rect(0,-8,60,0);label(30,-4,'Проводящая мишень',1/(2**level),5)
        elif MODE=='heating':
            name=coil(40,10,6,8,CONFIG['I'],CONFIG['N'],1/(2**level),1)
            rect(0,-5,60,0);label(30,-2.5,'Проводящая мишень',.6/(2**level),5)
        else:
            name=coil(24,0,4,6,CONFIG['I'],CONFIG['N'],.8/(2**level),1)
            polygon([(16,-40),(20,-40),(20,-4),(20-variant,-4),(20-variant,4),(20,4),(20,40),(16,40)])
            label(18,-20,'Проводящая мишень',.8/(2**level),5)
        label(300,0,'Воздух',30/(2**level))
        row=solve(level,variant);energy_identity(row,[name],f)
        ii,vv,pp=circuit_values(name);zz=vv/ii
        row.update({'impedance_real_ohm':zz.real,'impedance_imag_ohm':zz.imag,'L_apparent_H':zz.imag/(2*math.pi*f),'primary':row['ohmic_loss_W']})
        check('Пассивность мишени '+row['model'],max(0,-zz.real),1e-10)
        check('Реактивное сопротивление катушки '+row['model'],max(0,-zz.imag),1e-10)
        records.append(row);finish()
    finest=[r for r in records if r['level']==3]
    if MODE=='sensor':
        for i in range(1,len(finest)):check('Убывание потерь с зазором '+str(finest[i]['variant']),max(0,finest[i]['ohmic_loss_W']/finest[i-1]['ohmic_loss_W']-1),0.005)
    if MODE=='pipe':
        difference=abs(finest[1]['impedance_imag_ohm']/finest[0]['impedance_imag_ohm']-1)
        check('Утонение даёт разрешимый сигнал',max(0,0.001-difference),0)
        records.append({'measurement':'thinning_signal','relative_impedance_change':difference})

# Сходимость по трём сеткам проверяется отдельно для каждого физического режима.
groups={}
for row in records:
    if 'level' not in row:continue
    key=str(row['variant'])+str(row.get('shape',''))+str(row.get('excitation',''))
    if key not in groups:groups[key]=[]
    groups[key].append(row)
for key,rows in groups.items():
    rows.sort(key=lambda row:row['level'])
    value=abs(rows[-1]['primary']/rows[-2]['primary']-1)
    check('Сходимость измеряемой величины, режим '+key,value,0.025 if MODE in ('acshield','heating','pipe','sensor','proximity','skin','busbars') else 0.012)
result={'runtime':'FEMM 5; embedded MicroPython','case_id':'helmholtz-coils','records':records,'checks':checks,'passed':all(c['passed'] for c in checks),'scope':'Самостоятельная учебная 2D/осесимметричная модель; численные проверки относятся к указанным параметрам.'}
with open(directory+'/result.json','w') as stream:json.dump(result,stream)
print(json.dumps(result))
assert result['passed']

Картина рассчитанного поля

Линии магнитного потока: model-0p8-03-e1.ans
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 model-0p8-03-e1.ans. Осесимметричная потоковая функция ψ=2πrAφ; интерполяция FEMM 5. Показана магнитостатическая картина; численной шкалы индукции здесь нет. Показан увеличенный фрагмент расчётной области. 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.

Меридиональный разрез катушек Гельмгольца: ось вращения слева и два сечения обмоток справа. Показана рабочая область; удалённая внешняя граница за кадром.
Меридиональный разрез катушек Гельмгольца: ось вращения слева и два сечения обмоток справа. Показана рабочая область; удалённая внешняя граница за кадром. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Катушки Гельмгольца: поле и выбор расстояния». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического поля двух соосных катушек: исследуемый вариант d/R = 0,8, R = 100 мм, центры z = ±40 мм. Показана рабочая область.
Сохранённое решение «Катушки Гельмгольца: поле и выбор расстояния». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического поля двух соосных катушек: исследуемый вариант d/R = 0,8, R = 100 мм, центры z = ±40 мм. Показана рабочая область. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 9. Выполнено проверок: 84. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
Индукция в центре Bz, ТлОтношение расстояния к радиусу H/RФайл моделиСохранение, открытие и решениеОсевой профиль: z, поле FEMM и аналитикаЧисло узловОтносительная неоднородность на ±0,2RЭнергия по потокосцеплениям, ДжУровень сеткиСредние джоулевы потери, ВтИндукция в центре Bz, ТлАктивная мощность цепей, ВтЧисло элементовНомер возбуждённой катушкиОтносительная ошибка энергетического равенстваЭнергия поля, ДжИндукция тонких колец в центре, Тл
0,00100411130,8model-0p8-01-e1.femДа7 точек; полные данные JSON91420,018776750,0062518947100,0010041113017953168,811853 × 10⁻⁶0,00625232490,0010058261
0,00100496160,8model-0p8-02-e1.femДа7 точек; полные данные JSON270590,0175518610,00653207200,0010049616053695110,102186 × 10⁻⁶0,0065321360,0010058261
0,00100535950,8model-0p8-03-e1.femДа7 точек; полные данные JSON1043190,0173235710,0066389925300,0010053595020786411,6539964 × 10⁻⁶0,00663900350,0010058261
898,58598 × 10⁻⁶1model-1-01-e1.femДа7 точек; полные данные JSON91970,00225917330,006074693710898,58598 × 10⁻⁶01806714,8952658 × 10⁻⁶0,0060747234899,17629 × 10⁻⁶
898,73952 × 10⁻⁶1model-1-02-e1.femДа7 точек; полные данные JSON273160,00216837260,006358603420898,73952 × 10⁻⁶05419416,4795626 × 10⁻⁶0,0063585622899,17629 × 10⁻⁶
898,78071 × 10⁻⁶1model-1-03-e1.femДа7 точек; полные данные JSON1041020,00193073190,006464991730898,78071 × 10⁻⁶020744511,3646614 × 10⁻⁶0,0064649828899,17629 × 10⁻⁶
792,89855 × 10⁻⁶1,2model-1p2-01-e1.femДа7 точек; полные данные JSON91240,00957877590,005956243410792,89855 × 10⁻⁶0179241223,60992 × 10⁻⁶0,0059575753792,32161 × 10⁻⁶
792,03074 × 10⁻⁶1,2model-1p2-02-e1.femДа7 точек; полные данные JSON272200,0123939470,006238580520792,03074 × 10⁻⁶05401118,0595956 × 10⁻⁶0,0062385302792,32161 × 10⁻⁶
791,9971 × 10⁻⁶1,2model-1p2-03-e1.femДа7 точек; полные данные JSON1040170,01224990,006343567230791,9971 × 10⁻⁶020727113,2332211 × 10⁻⁶0,0063435467792,32161 × 10⁻⁶
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
Энергия и потокосцепление model-0p8-01-e1.fem68,81 × 10⁻⁶0,012Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-0p8-01-e1.fem0,0017050,025Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-0p8-01-e1.fem0,0011750,035Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-0p8-01-e1.fem741,5 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-0p8-01-e1.fem0,0012530,035Выполнен
Профиль поля z=0 model-0p8-01-e1.fem0,0017050,035Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-0p8-01-e1.fem0,0037780,035Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-0p8-01-e1.fem0,0033620,035Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-0p8-01-e1.fem0,0026510,035Выполнен
Энергия и потокосцепление model-0p8-02-e1.fem10,1 × 10⁻⁶0,006Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-0p8-02-e1.fem859,4 × 10⁻⁶0,0125Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-0p8-02-e1.fem0,0043770,0175Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-0p8-02-e1.fem0,0012730,0175Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-0p8-02-e1.fem0,0019180,0175Выполнен
Профиль поля z=0 model-0p8-02-e1.fem859,4 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-0p8-02-e1.fem467,9 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-0p8-02-e1.fem814 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-0p8-02-e1.fem0,0018030,0175Выполнен
Энергия и потокосцепление model-0p8-03-e1.fem1,654 × 10⁻⁶0,003Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-0p8-03-e1.fem463,9 × 10⁻⁶0,00625Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-0p8-03-e1.fem0,0010640,00875Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-0p8-03-e1.fem645,3 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-0p8-03-e1.fem708,8 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=0 model-0p8-03-e1.fem463,9 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-0p8-03-e1.fem271,5 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-0p8-03-e1.fem256,7 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-0p8-03-e1.fem785,2 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Энергия и потокосцепление model-1-01-e1.fem4,895 × 10⁻⁶0,012Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-1-01-e1.fem656,5 × 10⁻⁶0,025Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-1-01-e1.fem0,002330,035Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-1-01-e1.fem0,0010750,035Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-1-01-e1.fem576,5 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Профиль поля z=0 model-1-01-e1.fem656,5 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-1-01-e1.fem864,5 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-1-01-e1.fem0,0011530,035Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-1-01-e1.fem0,0033480,035Выполнен
Энергия и потокосцепление model-1-02-e1.fem6,48 × 10⁻⁶0,006Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-1-02-e1.fem485,7 × 10⁻⁶0,0125Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-1-02-e1.fem0,0021170,0175Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-1-02-e1.fem891,1 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-1-02-e1.fem540,7 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=0 model-1-02-e1.fem485,7 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-1-02-e1.fem579,4 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-1-02-e1.fem602,4 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-1-02-e1.fem333,2 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Энергия и потокосцепление model-1-03-e1.fem1,365 × 10⁻⁶0,003Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-1-03-e1.fem439,9 × 10⁻⁶0,00625Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-1-03-e1.fem224,7 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-1-03-e1.fem607,4 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-1-03-e1.fem438,6 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=0 model-1-03-e1.fem439,9 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-1-03-e1.fem465,3 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-1-03-e1.fem525,6 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-1-03-e1.fem808,6 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Энергия и потокосцепление model-1p2-01-e1.fem223,6 × 10⁻⁶0,012Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-1p2-01-e1.fem728,2 × 10⁻⁶0,025Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-1p2-01-e1.fem0,0023920,035Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-1p2-01-e1.fem0,0019780,035Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-1p2-01-e1.fem126,2 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Профиль поля z=0 model-1p2-01-e1.fem728,2 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-1p2-01-e1.fem490,1 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-1p2-01-e1.fem0,0022180,035Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-1p2-01-e1.fem878,5 × 10⁻⁶0,035Выполнен
Энергия и потокосцепление model-1p2-02-e1.fem8,06 × 10⁻⁶0,006Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-1p2-02-e1.fem367,1 × 10⁻⁶0,0125Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-1p2-02-e1.fem101,8 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-1p2-02-e1.fem417,7 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-1p2-02-e1.fem103,3 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=0 model-1p2-02-e1.fem367,1 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-1p2-02-e1.fem296,1 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-1p2-02-e1.fem290,7 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-1p2-02-e1.fem971,6 × 10⁻⁶0,0175Выполнен
Энергия и потокосцепление model-1p2-03-e1.fem3,233 × 10⁻⁶0,003Выполнен
Знак и модуль осевого поля model-1p2-03-e1.fem409,6 × 10⁻⁶0,00625Выполнен
Профиль поля z=-30.0 model-1p2-03-e1.fem666,7 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=-20.0 model-1p2-03-e1.fem831,8 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=-10.0 model-1p2-03-e1.fem503,4 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=0 model-1p2-03-e1.fem409,6 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=10.0 model-1p2-03-e1.fem524,5 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=20.0 model-1p2-03-e1.fem475,4 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Профиль поля z=30.0 model-1p2-03-e1.fem566,3 × 10⁻⁶0,00875Выполнен
Сходимость измеряемой величины, режим 1145,82 × 10⁻⁶0,012Выполнен
Сходимость измеряемой величины, режим 0.81395,9 × 10⁻⁶0,012Выполнен
Сходимость измеряемой величины, режим 1.2142,47 × 10⁻⁶0,012Выполнен

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