FEMM 5

Гармоническое магнитное поле · Плоскопараллельная

Скин-эффект круглого провода и комплексное внутреннее сопротивление

Скин-эффект увеличивает сопротивление массивного проводника на переменном токе даже без заметного влияния соседних проводов. Изменяющееся поле порождает вихревые токи, которые вытесняют полный ток к поверхности сечения. В работе вычисленное активное сопротивление сравнивается с аналитическим решением для круглого провода через комплексные функции Бесселя.

Радиус медного провода равен 5 мм, проводимость 57 МСм/м, амплитуда тока 100 А. Обратный провод расположен на расстоянии 200 мм, чтобы эффект близости оставался малым. Рассматриваются частоты 50, 500 и 5000 Гц. Глубина плоской модели — один метр; сопротивление и потери относятся к метровой двухпроводной петле.

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

Комплексное внутреннее сопротивление

В круглом однородном проводнике гармоническое решение уравнения диффузии выражается функциями J0 и J1 комплексного аргумента. При низкой частоте внутреннее сопротивление переходит в Rdc+jωLint. На высокой частоте активная часть растёт, поскольку эффективная площадь прохождения тока уменьшается.

Контрольная функция вычисляет ряды Бесселя непосредственно во встроенном Python. Она использует только математические операции и не читает численный результат FEMM. Сравнение относится к внутреннему активному сопротивлению, поэтому реактивное сопротивление внешнего поля петли не подставляется в эту формулу.

Z_{\mathrm{внутр}}^\prime=\frac{kJ_0(ka)}{2\pi a\sigma J_1(ka)},\qquad k=(1-\mathrm{i})/\delta

От мощности к сопротивлению

Средняя мощность двух проводов делится на квадрат амплитуды тока и умножается на два. Полученное сопротивление должно совпадать с активной мощностью на выводах двух цепей. Здесь важно не спутать ток одной ветви с суммой модулей двух противоположных токов.

На каждой частоте выполняются три решения с разным размером элемента внутри меди. Наиболее требовательной оказывается верхняя частота с меньшей δ. В отчёте приведите Rac/Rdc и отношение радиуса к глубине проникновения. Затем объясните, почему сетка, достаточная на 50 Гц, не может автоматически считаться достаточной на 5 кГц. Температурная зависимость сопротивления в этом опыте намеренно исключена, чтобы наблюдаемое увеличение объяснялось только распределением тока.

Исходные данные

Плоскопараллельная

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Радиус провода5ммЗаданный параметр самостоятельной учебной модели
Межосевое расстояние200ммФактический межосевой размер режима skin: d=200 мм; центры проводов x=±100 мм. CONFIG['d']=100 в этом режиме переопределяется.
Ток; для AC — амплитуда100АЗаданный параметр самостоятельной учебной модели
Электропроводность57000000См/мЗаданный параметр самостоятельной учебной модели
Частота50, 500, 5000ГцЗаданный 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': 5, 'd': 100, 'I': 100, 'sigma': 57000000.0, 'variants': [50, 500, 5000]}
MODE = 'skin'
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':'round-wire-skin','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-5000-03-solid.ans
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 model-5000-03-solid.ans. Плоская постановка: изолинии векторного потенциала Az. Показана действительная компонента фазора при фазе 0; это не модуль индукции. 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.

Рабочая область круглых проводов радиусом 5 мм: центры x = −100 и +100 мм, межосевое расстояние 200 мм. Русские назначения меди и прямой/обратной цепей; удалённая граница за кадром.
Рабочая область круглых проводов радиусом 5 мм: центры x = −100 и +100 мм, межосевое расстояние 200 мм. Русские назначения меди и прямой/обратной цепей; удалённая граница за кадром. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Скин-эффект круглого провода и комплексное внутреннее сопротивление». Модуль комплексной амплитуды плотности тока |J|, МА/м², на 5 кГц: вытеснение тока к поверхности круглого провода. Показано увеличенное сечение прямого проводника; обратный проводник на межосевом расстоянии 200 мм за кадром. Шкала отображения 0–6 МА/м²; контуры потенциала скрыты.
Сохранённое решение «Скин-эффект круглого провода и комплексное внутреннее сопротивление». Модуль комплексной амплитуды плотности тока |J|, МА/м², на 5 кГц: вытеснение тока к поверхности круглого провода. Показано увеличенное сечение прямого проводника; обратный проводник на межосевом расстоянии 200 мм за кадром. Шкала отображения 0–6 МА/м²; контуры потенциала скрыты. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 9. Выполнено проверок: 21. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
Сопротивление двух удалённых проводов, ОмЧастота, ГцФайл моделиСохранение, открытие и решениеЧисло узловЭнергия по потокосцеплениям, ДжОтносительная ошибка баланса мощностиСредние джоулевы потери, ВтУровень сеткиАктивная мощность цепей, ВтЧисло элементовАктивное сопротивление метровой петли, ОмЭнергия поля, ДжФорма проводникаСопротивление метровой петли, Ом
447,48615 × 10⁻⁶50model-50-01-solid.femДа47810,00379595451,5441486 × 10⁻¹²2,239213712,23921379366447,84274 × 10⁻⁶0,0037959545solid447,84274 × 10⁻⁶
447,48615 × 10⁻⁶50model-50-02-solid.femДа59570,003796138110,876338 × 10⁻¹²2,237893522,237893511731447,57871 × 10⁻⁶0,0037961381solid447,57871 × 10⁻⁶
447,48615 × 10⁻⁶50model-50-03-solid.femДа202860,00383730133,8397987 × 10⁻¹²2,237563632,237563640204447,51272 × 10⁻⁶0,0038373013solid447,51272 × 10⁻⁶
511,91376 × 10⁻⁶500model-500-01-solid.femДа47810,0037785984900,02174 × 10⁻¹⁵2,559865712,55986579366511,97315 × 10⁻⁶0,0037785984solid511,97315 × 10⁻⁶
511,91376 × 10⁻⁶500model-500-02-solid.femДа59570,003778354111,18421 × 10⁻¹²2,561049122,561049111731512,20982 × 10⁻⁶0,0037783541solid512,20982 × 10⁻⁶
511,91376 × 10⁻⁶500model-500-03-solid.femДа202860,00381936623,6288851 × 10⁻¹²2,56096732,56096740204512,19339 × 10⁻⁶0,0038193662solid512,19339 × 10⁻⁶
0,00130398915000model-5000-01-solid.femДа47810,00363934172,213436 × 10⁻¹²6,632539216,632539293660,00132650780,0036393417solid0,0013265078
0,00130398915000model-5000-02-solid.femДа59570,003638928456,651998 × 10⁻¹²6,549634126,5496341117310,00130992680,0036389284solid0,0013099268
0,00130398915000model-5000-03-solid.femДа202860,003680297527,192799 × 10⁻¹²6,542415136,5424151402040,0013084830,0036802975solid0,001308483
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
Баланс активной мощности model-50-01-solid.fem1,544 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-50-01-solid.fem796,9 × 10⁻⁶0,018Выполнен
Баланс активной мощности model-50-02-solid.fem10,88 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-50-02-solid.fem206,8 × 10⁻⁶0,018Выполнен
Баланс активной мощности model-50-03-solid.fem3,84 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-50-03-solid.fem59,39 × 10⁻⁶0,018Выполнен
Баланс активной мощности model-500-01-solid.fem900 × 10⁻¹⁵0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-500-01-solid.fem116 × 10⁻⁶0,018Выполнен
Баланс активной мощности model-500-02-solid.fem11,18 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-500-02-solid.fem578,3 × 10⁻⁶0,018Выполнен
Баланс активной мощности model-500-03-solid.fem3,629 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-500-03-solid.fem546,2 × 10⁻⁶0,018Выполнен
Баланс активной мощности model-5000-01-solid.fem2,213 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-5000-01-solid.fem0,017270,018Выполнен
Баланс активной мощности model-5000-02-solid.fem56,65 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-5000-02-solid.fem0,0045530,018Выполнен
Баланс активной мощности model-5000-03-solid.fem27,19 × 10⁻¹²0,015Выполнен
Внутреннее сопротивление по функциям Бесселя model-5000-03-solid.fem0,0034460,018Выполнен
Сходимость измеряемой величины, режим 500solid32,07 × 10⁻⁶0,025Выполнен
Сходимость измеряемой величины, режим 50solid147,4 × 10⁻⁶0,025Выполнен
Сходимость измеряемой величины, режим 5000solid0,0011020,025Выполнен

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