FEMM 5

Часть IV · Трансформаторы, реакторы и дроссели → § 18 · Катушки, реакторы и дроссели

Занятие 18.2

Реакторы и дроссели: выбор зазора, рассеяние и запасённая энергия

Цель и задачи

Цель. Обосновать выбор зазора дросселя по индуктивности и энергии.

Задачи

  • Выбирайте магнитную постановку по функции устройства и фиксированному режиму: ток, потокосцепление или вольт-секунды.
  • Выводите цепную оценку зазора и долю энергии воздуха с учётом конечного сопротивления сердечника.
Что нужно вспомнить перед началом

Если одно из понятий незнакомо, вернитесь к предыдущему занятию и воспроизведите его численный пример. После этого переходите к новой постановке.

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Определение потокосцеплений, индуктивности и запаса энергии

Инженерный вопрос. Как увеличение зазора распределяет энергию и меняет магнитное сопротивление?

Зазор и рабочий ток выбирают по требуемой индуктивности, запасу энергии и насыщению; переменная составляющая и потери дополнительно ограничивают рабочий режим.

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Выберите секущее, дифференциальное или взаимное определение параметра; запишите условия применимости энергетической формулы.

  2. Аналитический эталон. Проверьте переход от тока и потокосцепления к параметру цепи и энергии в том же рабочем состоянии.

  3. Проверяемая серия во встроенном Python FEMM 5. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сведите зазор, ток, потокосцепление, энергию воздуха и сердечника проверяемой серии.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Рассчитайте требуемый параметр по определениям занятия и сопоставьте предусмотренные независимые оценки при одном рабочем состоянии.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Сравнение вариантов с оценкой рассеяния и границей простой магнитной цепи.

Данные именно этого опыта. Сведите зазор, ток, потокосцепление, энергию воздуха и сердечника проверяемой серии.

Оформление наблюдений. Токи, направления обмоток, потокосцепления и энергия; для матрицы — независимое возбуждение каждого столбца и проверочный режим.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Нужны точная программа, FEM/ANS новой серии, три сетки одного режима, отдельный контроль области и таблица удерживаемых величин.

Независимый контроль. Используйте независимую энергетическую оценку, взаимность либо совместное возбуждение в соответствии с линейностью и процедурой занятия.

Критерий выполнения. Число зазоров, единицы, глубина и удерживаемый режим явно указаны. Полная энергия и потокосцепление имеют согласованный охват; сетка и внешняя область проверены отдельно. Аналитический эталон, сохранённые результаты и новая серия FEMM различены; происхождение и точные SHA входов сохранены.

Точность и расхождения. Уточняйте токовый шаг отдельно от сетки; при нулевом токе не вычисляйте секущее отношение. Для малых взаимных коэффициентов показывайте абсолютное расхождение и знак.

Основание сравнения. Используйте определения секущей, дифференциальной и взаимной индуктивности, приведённые в занятии. Энергетическая формула линейной системы не переносится автоматически на насыщенную систему.

Вывод для устройства

Свяжите найденный параметр с моделью электрической цепи, выбором зазора или допустимым запасом энергии, сохраняя зависимость от рабочего тока.

Границы вывода. Секущая индуктивность, малосигнальный наклон и потери относятся к разным определениям и режимам. Температуру и допустимый ток нельзя установить только по запасённой энергии.

Теория и вывод формул

Назначение реактора связывает требуемую индуктивность с током и запасаемой энергией. Сопоставление воздушной катушки, дросселя с зазором и связанного устройства проводится при явно заданных неизменных параметрах.

Соглашения об обозначениях и единицах
  • \(i(t)\), \(u(t)\) — мгновенные значения; \(\widehat I\), \(\widehat U\) — комплексные амплитуды; \(\underline I_{\text{д}}\), \(\underline U_{\text{д}}\) — комплексные действующие значения. Для синусоиды \(\widehat I=\sqrt{2}\,\underline I_{\text{д}}\); действующее значение тока равно \(|\underline I_{\text{д}}|\). Нормировка обязательно учитывается в формулах мощности.
  • \(\Phi=\int_S\mathbf B\cdot\mathrm d\mathbf S\) — поток через ориентированную поверхность; \(\Psi=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l\) — потокосцепление последовательных витков с согласованными замкнутыми контурами. Только при одинаковом сцепленном потоке каждого витка \(\Psi=N\Phi\). Обе величины измеряются в веберах: число витков безразмерно. Запись «Вб·виток» подчёркивает суммирование.
  • \(\theta_{\text{м}}\), \(\Omega\) (также \(\omega_{\text{мех}}\)) — механические угол и угловая скорость. Для основной гармоники \(\theta_{\text{э}}=p\theta_{\text{м}}\), \(\omega_{\text{э}}=p\Omega\), где \(p\) — число пар полюсов. Геометрический период зубцов задаётся отдельно. В производных по углу используйте радианы.
  • Статическая индуктивность \(L_{\text{ст}}=\Psi/i\) — наклон секущей из начала координат; это определение используется при \(\Psi(0)=0\) и \(i\ne0\). Динамическая индуктивность \(L_{\text{дин}}=\partial\Psi/\partial i\) — наклон касательной (дифференциальная, инкрементальная); положение и остальные токи фиксированы. Для линейной характеристики без смещения обе равны одной индуктивности \(L\). При постоянных магнитах и взаимном возбуждении сначала учитывают ненулевое смещение потокосцепления.
  • Положительные направления, оси и специальные индексы определяются в конкретной задаче. Единицу берите из условия или заголовка таблицы; перед подстановкой в формулу СИ переводите миллиметры в метры, миллигенри в генри и градусы в радианы.
  • Численные результаты обычно показаны с четырьмя значащими цифрами; для сравнения близких значений в таблицах сходимости сохранено больше цифр. Полные значения остаются в исходных расчётных данных. Малые остатки вычисления координат на осях показаны как ноль; малые физические величины сохраняются в показательной записи.
Указатель формул этого занятия
  1. (18.2) · Одномерная оценка зазора
  2. (18.3) · Одномерная оценка зазора
  3. (18.4) · Одинаковый ток и одинаковый поток

Функция устройства и выбранный режим

Реактор здесь — индуктивное устройство, ограничивающее ток, изменяющее реактивное сопротивление или сглаживающее пульсацию. Название «дроссель» уточняет функцию в цепи, но не определяет материал и наличие зазора. Полевую постановку задают реальные обмотки, источники и частота.

Воздушная катушка не насыщается как стальной сердечник, но её размеры, рассеяние и потери проводника ограничивают применение. Зазор в высокопроницаемом сердечнике позволяет управлять магнитным сопротивлением и местом хранения энергии; допустимая температура требует отдельной проверки.

В трансформаторе изучают связь обмоток и передачу мощности, в накопительном дросселе — заданную связь тока и потокосцепления. При сравнении выпишите, удерживаются ли ток, поток, напряжение или энергия: эти условия дают разные тенденции.

Одномерная оценка зазора

Примем однородное сечение, линейный сердечник и суммарную длину последовательно проходимых зазоров g. Закон полного тока даёт NI =H_c·lc+Hg·g. Непрерывность основного потока позволяет выразить оба поля через \Phi и получить сопротивление магнитной цепи.

У реального стыка поле выпучивается: эффективное сечение зазора отличается от сечения стержня, а часть потока рассеивается. Не подбирайте коэффициент задним числом под FEMM: сначала сравните поток, энергию и поле в определённых областях.

При одном B плотность энергии воздуха больше плотности линейной стали в \mu _{r} раз. Доля энергии зависит ещё от объёмов; фраза «вся энергия в зазоре» должна подтверждаться интегралами.

\mathcal R=\frac{l_c/\mu_r+g}{\mu_0S},\quad L=\frac{N^2}{\mathcal R},\quad W=\frac{I\Psi}{2}
(18.2)
Одно сечение, линейность, \Psi =N\Phi; выпучивание и рассеяние отсутствуют.
W_g/W=\frac{g}{g+l_c/\mu_r}
(18.3)
Доля энергии зазора только для принятой одномерной цепи.

Одинаковый ток и одинаковый поток

При постоянных N и I увеличение зазора снижает поток, L и полную энергию. Чтобы сохранить энергию, понадобится изменить ток или витки и снова проверить медь и насыщение.

При фиксированном потокосцеплении энергия \Psi ^{2}/(2L), напротив, увеличивается при уменьшении L. Поэтому вывод о направлении изменения всегда содержит указание источника и удерживаемого режима.

При заданных вольт-секундах изменение \Psi определяется интегралом напряжения за вычетом Ri; ток получается из магнитной характеристики. Одного сравнения при одинаковом введённом токе недостаточно для выбора реактора в преобразователь.

d\Psi=(u-Ri)\,dt,\quad W|_I=LI^2/2,\quad W|_\Psi=\Psi^2/(2L)
(18.4)
Два энергетических выражения относятся к линейному обратимому устройству с неподвижной геометрией.

Связь с полевыми исследованиями

Начните с линейного дросселя с зазором. Программа reproduce.py выполняется во встроенном Python, создаёт новую серию и повторно открывает каждый сохранённый файл с русскими свойствами перед решением.

Для линейной постановки сравните \Psi /I, 2W/I^{2} и равенство 2W=I\Psi. Энергия должна охватывать всю моделируемую область, включая воздух. Отдельно уточняйте сетку зазора и внешнюю границу.

В катушке Брукса сравните подобие воздушной катушки, а в связанных катушках — взаимный поток и рассеяние. Их параметры отличаются от аналитической цепи ниже; числа нельзя переносить между постановками.

Разобранный численный пример

Аналитический эталон

Дано. N=100; S=400 мм²; lc=0,22 м; \mu _{r}=1000; суммарный зазор g=0{,}5 мм; I=1 А. Сечение одинаково; рассеяние и выпучивание отсутствуют.

  1. S=4\cdot 10^{-4} м²; эквивалентная воздушная длина lc/\mu _{r}+g=0{,}72 мм.

  2. ℛ=1,432·10⁶ А/Вб; L=N^{2}/ℛ=6,98131701 мГн; \Psi =6{,}98131701 мВб.

  3. B=0{,}174532925 Тл; W=3{,}49065850 мДж. Доля энергии зазора равна 0{,}5/0{,}72=0{,}694444.

  4. Wg=2,424 мДж. При g=1 мм L=4{,}12012151 мГн, а W=2{,}06006076 мДж.

Ответ: L=6{,}981317 мГн; B=0{,}174533 Тл; W=3{,}490659 мДж; доля энергии зазора 69,4444%.

Проверка: При \mu _{r}\to \infty получим L=10{,}053096 мГн. При I=0{,}5 А энергия уменьшается в четыре раза. Аналитический расчёт по формулам.

Практикум в FEMM 5

Проверяемая серия во встроенном Python FEMM 5

Таблица 18.2. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
N100витков
S400мм²
lc0,22м
\mu _{r}10001
g0,25; 0,5; 1; 2мм
I1А
  1. Выполните аналитическую программу; подпишите вывод как одномерную магнитную цепь.
  2. Скачайте отдельные файлы gapped-reactor-energy в новую рабочую папку. Сопоставьте CONFIG, реальные размеры, глубину, зазоры и цепи с протоколом; они отличаются от аналитического примера.
  3. Запустите reproduce.py во встроенном Python FEMM 5. Сохраните новую calculated-NN с моделями, решениями и проверками повторного открытия. Старые reference-файлы не редактируйте.
  4. Для одного режима сравните три сетки. Затем при фиксированном токе изменяйте зазор на согласованной мелкой сетке; выпишите L=\Psi /I, 2W/I^{2}, B и число элементов.
  5. В отдельной учебной копии выделите воздух зазора и прочий воздух группами с русскими пользовательскими метками; измерьте доли энергии, не исключая воздух из общей суммы.
  6. Отдельно удалите внешнюю границу при прежней локальной сетке. Объясните отличие от цепной оценки и сравните с подобием катушки Брукса.

Ожидаемый результат. В линейной серии энергетическая и потоковая индуктивности согласуются в пределах численной ошибки; при росте g и одном токе L уменьшается. Доли энергии устанавливаются интегрированием новой серии.

Как проверить. Нужны точная программа, FEM/ANS новой серии, три сетки одного режима, отдельный контроль области и таблица удерживаемых величин.

Обработка и анализ результатов

Как увеличение зазора распределяет энергию и меняет магнитное сопротивление?

  1. Сведите зазор, ток, потокосцепление, энергию воздуха и сердечника проверяемой серии.
  2. Рассчитайте требуемый параметр по определениям занятия и сопоставьте предусмотренные независимые оценки при одном рабочем состоянии.

С чем сравнить. Используйте определения секущей, дифференциальной и взаимной индуктивности, приведённые в занятии. Энергетическая формула линейной системы не переносится автоматически на насыщенную систему.

Итог работы. Сравнение вариантов с оценкой рассеяния и границей простой магнитной цепи.

Программа с русскими пояснениями: Энергия воздушного зазора · Порядок запуска

Аналитическая самопроверка во встроенном Python FEMM 5

Откройте программу в редакторе встроенного Python FEMM 5 и выполните целиком. Она печатает JSON, проверяет контрольные равенства, не создаёт геометрию и не изменяет старые результаты. Полевые комплекты: дроссель с зазором, катушка Брукса, связанные катушки.

Python · встроенный MicroPython FEMM 5
"""Одномерная аналитическая цепь: зазор, индуктивность и энергия.

Среда: встроенный Python FEMM 5. Входы в СИ; выход — JSON.
Решатель FEMM не вызывается. Рассеяние и краевое поле отсутствуют.
"""
import math
import json

# Суммарная длина последовательных зазоров задаётся отдельно от пути стали.
MU0 = 4 * math.pi * 1e-7
turns, area_m2, core_path_m, mu_r, current_A = 100, 400e-6, 0.22, 1000.0, 1.0
records = []
for gap_m in (0.00025, 0.0005, 0.001, 0.002):
    reluctance = (core_path_m / mu_r + gap_m) / (MU0 * area_m2)
    L_H = turns * turns / reluctance
    B_T = turns * current_A / reluctance / area_m2
    W_J = 0.5 * L_H * current_A * current_A
    W_gap_J = B_T * B_T * area_m2 * gap_m / (2 * MU0)
    records.append({"gap_m": gap_m, "L_H": L_H, "B_T": B_T,
                    "W_J": W_J, "W_gap_J": W_gap_J,
                    "gap_energy_fraction": W_gap_J / W_J})

# Проверяем аналитический масштаб и знак зависимости при постоянном токе.
assert abs(records[1]["L_H"] - 0.006981317007977319) < 1e-12
assert all(records[n+1]["L_H"] < records[n]["L_H"] for n in range(3))
print(json.dumps({"origin": "author_analytical_reference_not_FEMM",
                  "records": records}))

Расчётные исследования по теме

Изучите физическую постановку, выполните программу во встроенном Python FEMM 5 и проверьте результаты по сохранённым моделям и независимым критериям.

Все темы учебного практикума

Самостоятельная работа

Выберите зазор по заданным L и I в цепной оценке, затем сравните два полевых варианта при одинаковом токе. Покажите энергетические проверки и объясните отличие от одномерной цепи.

Критерий выполнения: Число зазоров, единицы, глубина и удерживаемый режим явно указаны. Полная энергия и потокосцепление имеют согласованный охват; сетка и внешняя область проверены отдельно. Аналитический эталон, сохранённые результаты и новая серия FEMM различены; происхождение и точные SHA входов сохранены.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — §§ 2.2.6–2.2.7, 2.3.10; mo_getcircuitproperties, mo_blockintegral, mi_setprevious
Пояснения и типичные ошибки
Всегда ли рост зазора увеличивает энергию?

Нет: при фиксированном токе LI ^{2}/2 уменьшается с L; при фиксированном \Psi энергия \Psi ^{2}/(2L) увеличивается.

Почему нельзя проверять 2W=I\Psi, выбрав только сталь?

\Psi относится к полной связи обмотки с полем, поэтому W должно охватывать соответствующее поле, включая зазор и наружный воздух.

Равен ли поток рассеяния разности двух картинок B?

Нет. Нужны определённые поверхности или потокосцепления при согласованных источниках; для связанных обмоток используют независимые токовые опыты.

На что обратить внимание

  • Сравнение при одном токе и при одном потоке решает разные задачи.
  • W=I\Psi /2 неприменимо к произвольному насыщенному сердечнику; наружный воздух входит в полный энергетический контроль.
  • В 2D автоматически не учтены торцевое рассеяние, корпус и тепловые ограничения.