FEMM 5

Часть I · Интерфейс FEMM 5, геометрия, сетка и математические основы → § 3 · Постановка, границы и сетка

Занятие 3.5

Четыре окна постановки: единицы, глубина, частота, точность и библиотеки свойств

Цель и задачи

Цель. Связать настройки четырёх модулей с физическим смыслом результата.

Задачи

  • Проверьте по проводимости Y, какие параметры меняют поле, какие интегральный множитель, а какие только численный алгоритм.
  • Сопоставьте поля диалогов и комплексный ток токового эталона при постоянном токе и гармонике.
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 · Согласование комплексного отклика и средней мощности

Инженерный вопрос. Какие настройки меняют проводимость, а какие только численный алгоритм?

Эти действия входят в подготовку расчёта любого устройства: они устанавливают связь источника, геометрии и наблюдаемой величины. Их результат позволяет выбрать допустимую постановку и способ извлечения будущей характеристики.

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. Зафиксируйте частоту, фазовый нуль и амплитудную либо действующую нормировку; отдельно запишите действительную и мнимую части уравнения.

  2. Проводимость и ток смещения в одной гармонике — аналитический эталон. Проверьте комплексное произведение для мощности и физический смысл фазы на численном примере.

  3. Составьте сравнительную таблицу четырёх диалогов и библиотек; в токовой задаче отдельно сравните f=0 и f=1000\,\mathrm{Гц}.. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сопоставьте поля диалогов и комплексный ток токового эталона при постоянном токе и гармонике.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Проверьте действительную и мнимую части отдельно, затем фазу и мощность; явно сохраните амплитудную либо действующую нормировку.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Краткая таблица настроек и проверка исчезновения ёмкостной составляющей при нулевой частоте.

Данные именно этого опыта. Сопоставьте поля диалогов и комплексный ток токового эталона при постоянном токе и гармонике.

Оформление наблюдений. Частота, \operatorname{Re} и \operatorname{Im} входных и выходных величин, единицы, нормировка и средняя мощность; модуль без фазы недостаточен.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. При f\to 0 ёмкостная составляющая исчезает. Фазовый угол и коэффициент 1/2 проверяются отдельно от модуля. Прямое численное сравнение возможно только при совпадении всех исходных данных и постановки.

Независимый контроль. Сопоставьте комплексное уравнение целиком, отдельно баланс активной мощности и допустимый низкочастотный или постоянный предел.

Критерий выполнения. Каждое поле диалога связано с единицей, физическим смыслом и доступностью по модулю. Для гармоники записана амплитудная нормировка и комплексный ток.

Точность и расхождения. Используйте модуль комплексной разности, а не разность модулей. Для исчезающей компоненты приводите абсолютное расхождение и фиксированный физический масштаб.

Основание сравнения. Опора — комплексные уравнения и определение средней мощности из занятия. Не смешивайте амплитудные и действующие значения и не заменяйте комплексную невязку одной разностью модулей.

Вывод для устройства

Объясните, как фазовый отклик влияет на параметр цепи, реактивную составляющую или потери в исследуемом режиме.

Границы вывода. Простой эталон проверяет конкретное действие или физический закон; перенос на устройство требует заново согласовать геометрию, материалы, режим и объёмный множитель.

Дополнительный расчётный метод

Математическая модель поля и электрических цепей машины

Протокол краевой задачи связывает среды, свойства, границы, источники и электрические выводы. Проверка одной целевой величины на двух сетках показывает численную устойчивость выбранной постановки.

Лабораторные работы по методу: Трансформатор от потокосцеплений до схемы замещения и нагрузочной характеристики; Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Генератор с постоянными магнитами от конструкции ротора до ЭДС и нагрузочного напряжения; Выбор обмотки и расчет момента в кольцевом зазоре; Определение коэффициентов поля явнополюсной машины; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Синхронный генератор: от полевых параметров к внешней и угловой характеристикам; Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Контрольный опыт: от условия задачи к инженерному выводу; Опыт Эрстеда: момент стрелки, эквивалентный ток и движение; Измерительная рамка: от поля провода к ЭДС; Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия; От магнитной цепи к карте \Psi (i,\theta ) и моменту SRM; Нагрузка PM-генератора и рабочая область магнитов

Получаемые величины. скачки H\tau при поверхностном токе и непрерывность Bn; напряжение вывода и ток; F и невязка действия/противодействия; изменение результата при сетке

  1. Разбить устройство на среды и назначить материальные связи.
  2. Для каждой границы записать физический смысл условия.
  3. Согласовать возбуждение с внешней электрической цепью.
  4. Сравнить силы и внутренние граничные соотношения при независимом уточнении сетки и внешней области.

Страницы источника. PDF 1–15 полностью: 1–4 область и уравнения; 5–8 границы раздела; 9–11 связь поля с цепью; 12–15 проверка геометрии и сетки.

Литература по методу

Теория и вывод формул

Окно Problem Definition задаёт общие параметры выбранного физического модуля. Единицы, геометрическая постановка, частота и точность решения проверяются до построения сетки и запуска расчёта.

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. (3.23) · Вывод контрольного соотношения

Физический и методический смысл

Набор полей Problem Definition зависит от выбранной физики. Магнитная и токовая задачи используют частоту; стационарная электростатика не становится гармонической от желания пользователя.

Материалы имеют разные размерности: проводимость \sigma в магнитном модуле задаётся в МСм/м, а в Current Flow — в См/м; теплопроводность k — в Вт/(м·К), относительная \varepsilon безразмерна. Для теплового переходного расчёта объёмная теплоёмкость вводится в МДж/(м³·К). Глубина плоской задачи соответствует выбранной единице длины.

Вывод контрольного соотношения

Проверьте по проводимости Y, какие параметры меняют поле, какие интегральный множитель, а какие только численный алгоритм.

Y=(\sigma+j\omega\varepsilon)\frac SL,\quad \widehat I=Y\widehat V,\quad P=\frac12\operatorname{Re}(Y)|\widehat V|^2
(3.23)
Электроквазистатическая постановка учитывает проводимость и ток смещения. Индуктивное вытеснение тока требует магнитной модели; это не полный волновой решатель.
  1. \omega =2\pi \cdot 1000\,\mathrm{рад/с}; G=10^{-9}\,\mathrm{См}, B=2{,}2253001109\cdot 10^{-8}\,\mathrm{См}.

  2. Комплексная амплитуда тока равна 10^{-7}+j2{,}2253001109\cdot 10^{-6}\,\mathrm{А}.

  3. Средняя активная мощность равна 5·10⁻⁶ Вт. Для \mathrm{RMS}=100\,\mathrm{В} мощность была бы вдвое больше: 10 мкВт.

Границы применимости. Электроквазистатическая постановка учитывает проводимость и ток смещения. Индуктивное вытеснение тока требует магнитной модели; это не полный волновой решатель.

Связь с опытом в FEMM

Составьте сравнительную таблицу четырёх диалогов и библиотек; в токовой задаче отдельно сравните f=0 и f=1000\,\mathrm{Гц}.

Сначала вычислите контрольное значение вручную, затем сформулируйте ожидаемый знак и зависимость от одного параметра. Повторите опыт в рабочей копии с изменением только этого параметра. Сохраняйте геометрию, единицы, глубину, материалы, источники и граничные условия вместе с результатом. Успешное завершение решателя означает решение введённой модели, но само по себе не доказывает её соответствие устройству.

Проверка и границы вывода

Каждое поле диалога связано с единицей, физическим смыслом и доступностью по модулю. Для гармоники записана амплитудная нормировка и комплексный ток.

При f\to 0 ёмкостная составляющая исчезает. Фазовый угол и коэффициент 1/2 проверяются отдельно от модуля.

Число из библиотеки не переносится между магнитным, электрическим и тепловым материалом без проверки смысла и единицы.

Пояснения к официальному руководству

Подробности, которые следует учитывать при настройке и проверке модели. Все учебные пояснения.

Рисунки из руководства к этому занятию (5)
  1. М.2.5 · Диалог «Постановка задачи»
  2. М.2.15 · Кнопки панели запуска расчётных операций
  3. М.2.25 · Диалог «Постановка задачи»
  4. М.2.38 · Диалог «Постановка задачи»
  5. М.2.52 · Диалог «Постановка задачи»
Формулы и таблицы руководства к этому занятию

Открытая область: удалённая граница и кольцевые слои IABC

У воздушной катушки нет естественной стенки, за которой поле строго равно нулю. Простейший расчёт заменяет бесконечное пространство большой конечной областью с условием A = 0 либо \partial A/\partial n = 0. Руководство приводит ориентир: радиус внешней границы не менее пяти характерных расстояний от выбранного центра до устройства. Это начальный выбор, а не доказательство заданной точности; необходимое удаление зависит от источников и требуемой величины.

Удалённая граница и правило пяти размеров

A(r\to\infty)\to0,\qquad R_{\mathrm{outer}}\gtrsim5R_{\mathrm{object}}
(М.Н.26)
Первое условие выражает желаемое поведение открытой магнитной задачи. Второе — приведённое в руководстве практическое правило для усечения области, которое обязательно проверяют увеличением внешнего радиуса.

Обозначения и единицы

  • A — магнитный потенциал, Вб/м; R_{\mathrm{outer}} — расстояние от выбранного центра до внешней границы, м; R_{\mathrm{object}} — расстояние от того же центра до внешних частей объекта, м.

Условия применения. Правило не является оценкой ошибки и не гарантирует нужной точности силы или индуктивности. Нельзя применять его к произвольным источникам без проверки поведения поля на бесконечности.

Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.

Проверку проводят, меняя только внешнюю область и сохраняя разрешение у источников, зазоров и интересующих кромок. В дальнем воздухе допустима более редкая сетка, поскольку локальные изменения обычно медленнее. Сравнивают именно целевой выход: поле в точке, потокосцепление, энергию, силу или момент. Относительная разность плохо подходит для величины около нуля; тогда назначают абсолютный масштаб.

Команда Open Boundary создаёт приближённое асимптотическое условие IABC из вложенных кольцевых слоёв со специально подобранными свойствами. В руководстве допускается от 1 до 12 слоёв; 7 предлагается как разумное исходное значение. Задаются радиус, центр и тип внешней кромки: Дирихле или Неймана. Предложенные по габаритам устройства параметры удобны для начала, но при необычной геометрии их необходимо проверить.

Решатель и постпроцессор обрабатывают оболочки IABC как области конечных элементов с заданными свойствами. Они видны на карте и попадут в интеграл, если выделить всю модель. Поэтому для физического интеграла сначала выбирают соответствующие области устройства. Особенно опасно считать искусственные слои реальной массой, объёмом или материалом. Если нужна полная энергия, включая бесконечное внешнее пространство, эквивалентность выбранной процедуры интегрирования нужно обосновать отдельно; механическое суммирование всех искусственных областей такого обоснования не даёт.

Скриптовые команды mi_makeABC, ei_makeABC, hi_makeABC и ci_makeABC создают аналогичную конструкцию в соответствующем модуле. Наличие команды в тепловом модуле ещё не гарантирует физический смысл стационарного отвода заданной мощности «в бесконечность». Например, у бесконечно длинного двумерного источника с ненулевой суммарной мощностью и постоянной теплопроводностью температура зависит логарифмически от расстояния, и конечная заданная температура на бесконечности не получается. Открытую границу выбирают вместе с допустимой физической постановкой.

\varepsilon_R=\frac{|Q(2R)-Q(R)|}{\max(|Q(2R)|,Q_{\text{масштаб}})}
(Р.11.1)
Диагностическая чувствительность к радиусу с ненулевым масштабом Qмасштаб. Это разность двух приближённых решений, а не строгая верхняя граница ошибки.
\frac{dT}{dr}=-\frac{P_\ell}{2\pi kr},\qquad T(r_2)-T(r_1)=-\frac{P_\ell}{2\pi k}\ln\frac{r_2}{r_1}
(Р.11.2)
Авторский контроль применимости открытой тепловой модели: P\ell — мощность на единицу длины в Вт/м; k — постоянная теплопроводность. Ненулевой P\ell несовместим с конечной температурой при r \to \infty в такой бесконечной двумерной среде.

Проверьте на своей модели

  • Сравните удалённое усечение и IABC по одной целевой величине при одинаковой сетке около устройства.
  • Для IABC отдельно измените число слоёв и радиус; не смешивайте эти изменения с уточнением зазора.
  • Перед блоковым интегралом проверьте выделение: искусственные слои не должны случайно стать частью физического тела.

Источник: [33]. § a.3 · § a.3.1 · § a.3.2

Точность решателя, минимальный угол и Smart Mesh

Length Units выбирает дюймы, миллиметры, сантиметры, метры, mils или микрометры. Depth доступна в Planar и измеряется в выбранных единицах длины. В Axisymmetric интегральный объём учитывает вращение сечения; постоянная глубина к нему не добавляется. Frequency имеется у магнитной и токовой задач: нулевая частота задаёт статический режим.

Магнитный диалог Problem Definition: частота 0 Гц, миллиметры, Planar, глубина 76, параметры сетки, AC Solver и предыдущее решение.

Рисунок М.2.5. Диалог «Постановка задачи»

Показан магнитостатический пример: Frequency = 0. Depth = 76 относится к выбранным миллиметрам и влияет на объёмные результаты. Поля AC Solver и Prev. Solution предназначены для других режимов; наличие этих полей не делает текущий расчёт переходным.

Обозначения на рисунке

Frequency (Hz)
Частота, Гц
Length Units
Единицы длины
Problem Type
Тип геометрии задачи
Planar
Плоскопараллельная постановка
Precision
Допуск решателя
Depth
Глубина плоскопараллельной модели
Min Angle (deg)
Минимальный угол треугольника, градусы
Smart Mesh
Автоматическое уточнение сетки
AC Solver
Алгоритм нелинейной гармонической задачи
Prev. Solution
Предыдущее решение
Prev. Type
Способ использования предыдущего решения

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Электростатический Problem Definition: сантиметры, Planar, глубина 100 и параметры сетки; поля частоты нет.

Рисунок М.2.25. Диалог «Постановка задачи»

Электростатическая задача не требует частоты: она описывает установившееся поле зарядов. Depth = 100 в выбранных сантиметрах относится к физической глубине плоской модели и влияет на полный заряд и энергию, но не заменяет размеры сечения.

Обозначения на рисунке

Length Units
Единицы длины
Problem Type
Тип геометрии задачи
Planar
Плоскопараллельная постановка
Precision
Допуск решателя
Depth
Глубина плоскопараллельной модели
Min Angle (deg)
Минимальный угол треугольника, градусы
Smart Mesh
Автоматическое уточнение сетки

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Тепловой Problem Definition с метрами, Planar, глубиной 20 и параметрами сетки.

Рисунок М.2.38. Диалог «Постановка задачи»

На рисунке показаны общие параметры тепловой модели. Глубина 20 относится к выбранным метрам, поэтому пример нельзя переносить в миллиметровую деталь без пересмотра масштаба. Этот диалог не задаёт коэффициент теплоотдачи: охлаждение назначается отдельно граничными свойствами.

Обозначения на рисунке

Length Units
Единицы длины
Problem Type
Тип геометрии задачи
Planar
Плоскопараллельная постановка
Precision
Допуск решателя
Depth
Глубина плоскопараллельной модели
Min Angle (deg)
Минимальный угол треугольника, градусы
Smart Mesh
Автоматическое уточнение сетки

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Токовый Problem Definition: частота 60 Гц, миллиметры, Planar и глубина 1.

Рисунок М.2.52. Диалог «Постановка задачи»

В токовом модуле ненулевая частота добавляет ёмкостную составляющую полного тока. Она не включает магнитный скин-эффект: для индукционного вытеснения тока нужна магнитная постановка. Depth = 1 относится к миллиметрам и участвует в полном токе и мощности плоской модели.

Обозначения на рисунке

Frequency (Hz)
Частота, Гц
Length Units
Единицы длины
Problem Type
Тип геометрии задачи
Planar
Плоскопараллельная постановка
Precision
Допуск решателя
Depth
Глубина плоскопараллельной модели
Min Angle (deg)
Минимальный угол треугольника, градусы
Smart Mesh
Автоматическое уточнение сетки

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Precision — порог относительной невязки линейной системы, обычно 10⁻⁸. Это не относительная ошибка силы, температуры или ёмкости: пространственную погрешность оценивают отдельным уточнением сетки. Min Angle задаёт желаемое качество треугольников и принимает 1–33{,}8^\circ. Теоретическое завершение при угле до 20{,}7^\circ относится к идеальной арифметике; на тонких деталях реальная конечная точность может потребовать меньшего ограничения.

Линейная система и относительная невязка

\mathbf M\mathbf x=\mathbf b,\qquad\eta=\frac{\lVert\mathbf b-\mathbf M\mathbf x\rVert}{\lVert\mathbf b\rVert}\le\varepsilon_{\mathrm{solver}}
(М.Н.7)
Precision ограничивает относительную невязку алгебраической системы, а не погрешность геометрии, сетки или итоговой силы. В руководстве значение по умолчанию равно 10⁻⁸.

Обозначения и единицы

  • \mathbf M — квадратная матрица; \mathbf x — искомый вектор; \mathbf b — правая часть. Их единицы задаёт физическая дискретизация; \eta и \varepsilon_{\mathrm{solver}} — безразмерные относительная невязка и заданный допуск.

Условия применения. Приведённое отношение определено при \lVert\mathbf b\rVert\ne0. Для нулевой правой части нужен внутренний критерий решателя, которого эта формула не устанавливает.

Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.

Smart Mesh On выводит характерный размер из средней длины прямых отрезков и уточняет сетку возле их концов. Узлы, принадлежащие только дугам, не получают такое уточнение просто из-за кривизны. При Off остаются размеры в метках и ограничения на рёбрах; гладкий зазор поэтому проверяют локально, а не полагаются на переключатель.

Решатель актуализирует сетку перед анализом, но предварительный просмотр позволяет заметить непомеченные области и недостаточное разрешение. Mesh/Purge Mesh освобождает загруженную сетку из памяти; это не удаление геометрии. Abort прекращает решение, после него нельзя выдавать прежний открытый результат за новый. В Problem Info записывают тип, частоту, глубину, единицы и числа узлов/элементов.

Проверьте на своей модели

  • Выполните три расчёта с неизменной физикой и разным ограничением размера; сравните целевую величину, а не только невязку.
  • Проверьте сетку на гладкой дуге и в углу при обоих состояниях Smart Mesh.

Источник: [33]. § 2.2.6 · § 2.2.9 · § 2.4.1 · § 2.4.3 · § 2.6.1 · § 2.6.3 · § 2.8.1 · § 2.8.3

AC Solver и использование предыдущего магнитного решения

AC Solver выбирает Successive Approximation или Newton для нелинейной гармонической задачи. Newton может уменьшать число внешних итераций ценой большей работы на одну итерацию. Для линейной задачи и магнитостатики этот выбор не меняет алгоритм, поэтому его нельзя использовать как универсальную настройку точности.

Prev. Solution указывает уже рассчитанный файл .ans. Пустое поле принудительно означает Prev. Type=None. Incremental использует решение как рабочую точку и линеаризует малое возмущение через дифференциальную проницаемость; Frozen фиксирует достигнутую проницаемость. Это разные физические постановки, а не два ускорителя повторного полного нелинейного расчёта.

Для оценки малого сигнала сначала сохраните нелинейное исходное состояние и его ток. Затем в отдельной модели задайте малое возмущение, выберите Incremental и запишите файл рабочей точки. Frozen применяют к задаче с намеренно закреплёнными свойствами; её результат не объявляют новым самосогласованным насыщенным состоянием.

Проверьте на своей модели

  • Объясните различие секущей и дифференциальной индуктивности до выбора Prev. Type.
  • В Comment укажите рабочую точку, её файл и характер возмущения.

Источник: [33]. § 2.2.6

Личная библиотека материалов и безопасное обновление

Material Library обменивает материалы текущей модели и библиотеки перетаскиванием. Двойной щелчок редактирует материал; контекстное меню корневой папки Library или Model содержит Import Materials для чтения другого файла библиотеки либо модели. Копия материала в расчётном документе должна иметь проверенное происхождение и диапазон применимости.

FEMM 5 поставляет библиотеки рядом с программой, но после сохранения диалога создаёт личную копию: в Windows это %APPDATA%\FEMM, в macOS — ~/Library/Application Support/FEMM/, в Linux/FreeBSD — ~/.local/share/FEMM/. Имена четырёх библиотек: matlib.dat, statlib.dat, heatlib.dat, condlib.dat. Для сохранности пользовательских материалов важна именно личная копия.

Новая версия программы не подмешивает новые материалы в изменённую библиотеку автоматически: при изменении поставляемой версии диалог предлагает заменить личную библиотеку. Перед согласием сохраните её копию; для выборочного обновления используйте импорт. Файл .seed отмечает исходную версию и не является резервной копией. Старые фразы в скалярных разделах руководства о единственном расположении рядом с исполняемым файлом следует читать вместе с уточнением на с.36–37.

Проверьте на своей модели

  • Найдите файл личной библиотеки без удаления; сопоставьте один материал библиотеки и его копию в модели.
  • Опишите, что сохранится при выборочном импорте и что может замениться при принятии новой поставляемой библиотеки.

Источник: [33]. § 2.2.7 · § 2.4.2 · § 2.6.2 · § 2.8.2

Внешняя осесимметричная область и файл результата

External Region задаёт центр внешнего преобразованного объёма по оси z, его радиус и радиус внутреннего объёма с устройством. Для осесимметричного преобразования Кельвина эффективные свойства внешней области меняются по положению; одних двух окружностей недостаточно. Метки внешней области должны иметь флажок Block located in an external region.

Параметры преобразования, парные связи границ и отметка внешних блоков работают совместно. Проверьте отсутствие источников и конструктивных деталей в области, которая служит математическим образом бесконечности. Сравнение с увеличением обычной воздушной области помогает обнаружить неправильное назначение внешней метки.

Три действия на панели — сетка, анализ, просмотр решения — сохраняют разный смысл во всех модулях. Файлы результатов различаются: .ans для магнитного поля, .res для электростатики, .anh для теплопроводности, .anc для токовой задачи. Открытая ранее карта не обновляется от изменения исходного документа: сохраните модель, завершите новый анализ и откройте соответствующий результат.

Три значка магнитного препроцессора: жёлтая сетка, запуск решателя и просмотр решения.

Рисунок М.2.15. Кнопки панели запуска расчётных операций

Слева направо показаны построение и просмотр сетки, запуск анализа и открытие результата. Перед последним действием убедитесь, что завершён расчёт актуального документа: ранее открытый результат не меняется автоматически после редактирования геометрии.

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Проверьте на своей модели

  • Покажите три параметра External Region и все отмеченные внешние метки.
  • По расширению, Problem Info и имени файла установите, какой расчёт сейчас открыт.

Источник: [33]. § 2.2.8 · § 2.2.9 · § 2.3 · § 2.4.3 · § 2.6.3 · § 2.8.3

Разобранный численный пример

Проводимость и ток смещения в одной гармонике — аналитический эталон

Дано. Плоская область: S=0{,}001\,\mathrm{м^2}, L=0{,}01\,\mathrm{м}; \sigma =10^{-8}\,\mathrm{См/м}; \varepsilon_r=4; f=1000\,\mathrm{Гц}; комплексная амплитуда напряжения \widehat{V}=100\,\mathrm{В}.

  1. \omega =2\pi \cdot 1000\,\mathrm{рад/с}; G=10^{-9}\,\mathrm{См}, B=2{,}2253001109\cdot 10^{-8}\,\mathrm{См}.

  2. Комплексная амплитуда тока равна 10^{-7}+j2{,}2253001109\cdot 10^{-6}\,\mathrm{А}.

  3. Средняя активная мощность равна 5·10⁻⁶ Вт. Для \mathrm{RMS}=100\,\mathrm{В} мощность была бы вдвое больше: 10 мкВт.

Ответ: \widehat I=0{,}1+j2{,}2253001109\,\mathrm{мкА}; P_{\mathrm{average}}=5 мкВт при амплитуде 100 В.

Проверка: При f\to 0 ёмкостная составляющая исчезает. Фазовый угол и коэффициент 1/2 проверяются отдельно от модуля. Значения получены аналитически и сами по себе не подтверждают выполнения полевого расчёта FEMM.

Практикум в FEMM 5

Составьте сравнительную таблицу четырёх диалогов и библиотек; в токовой задаче отдельно сравните f=0 и f=1000\,\mathrm{Гц}.

Таблица 3.11. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
f1000Гц
\varepsilon_r41
\sigma1\times 10^{-08}См/м
\widehat{V}100В
  1. Создайте Current Flow Problem с f=1000\,\mathrm{Гц}; прямоугольник 10 × 10 мм, Depth=100.
  2. Задайте \sigma_x=\sigma_y=1\times 10^{-8}\,\mathrm{См/м}, \varepsilon_{rx}=\varepsilon_{ry}=4, тангенс угла диэлектрических потерь \tan \delta (Loss Tangent) равен 0; это безразмерное отношение.
  3. На торцах задайте комплексные потенциалы 100+0j и 0; сохраните амплитудную нормировку в протоколе.
  4. Получите комплексные токи выводов и сопоставьте действительную и мнимую части с YV. Пересчитайте мощность через 0.5\cdot \operatorname{Re}(V\cdot \operatorname{conj}(I)) в принятом направлении входящего тока.

Ожидаемый результат. \widehat I=0{,}1+j2{,}2253001109\,\mathrm{мкА}; P_{\mathrm{average}}=5 мкВт при амплитуде 100 В. Для FEMM сравнение действительно только при совпадении идеализации и граничных условий.

Как проверить. При f\to 0 ёмкостная составляющая исчезает. Фазовый угол и коэффициент 1/2 проверяются отдельно от модуля. Прямое численное сравнение возможно только при совпадении всех исходных данных и постановки.

Обработка и анализ результатов

Какие настройки меняют проводимость, а какие только численный алгоритм?

  1. Сопоставьте поля диалогов и комплексный ток токового эталона при постоянном токе и гармонике.
  2. Проверьте действительную и мнимую части отдельно, затем фазу и мощность; явно сохраните амплитудную либо действующую нормировку.

С чем сравнить. Опора — комплексные уравнения и определение средней мощности из занятия. Не смешивайте амплитудные и действующие значения и не заменяйте комплексную невязку одной разностью модулей.

Итог работы. Краткая таблица настроек и проверка исчезновения ёмкостной составляющей при нулевой частоте.

Самостоятельная работа

Составьте сравнительную таблицу четырёх диалогов и библиотек; в токовой задаче отдельно сравните f=0 и f=1000\,\mathrm{Гц}. Сопоставьте исходный и изменённый режимы, сохраните исходные файлы, результаты и объяснение различия.

Критерий выполнения: Каждое поле диалога связано с единицей, физическим смыслом и доступностью по модулю. Для гармоники записана амплитудная нормировка и комплексный ток.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 24–38, 53–59, 66–71, 78–82
Пояснения и типичные ошибки
Почему одинаковая геометрия не означает одинаковую физическую задачу?

Неизвестная величина, коэффициенты, источники и граничные условия определяются модулем.

Какое контрольное число и единица проверяют этот опыт?

\widehat I=0{,}1+j2{,}2253001109\,\mathrm{мкА}; P_{\mathrm{average}}=5 мкВт при амплитуде 100 В.

При каких предположениях получена приведённая формула?

Электроквазистатическая постановка учитывает проводимость и ток смещения. Индуктивное вытеснение тока требует магнитной модели; это не полный волновой решатель.

На что обратить внимание

  • Число из библиотеки не переносится между магнитным, электрическим и тепловым материалом без проверки смысла и единицы.
  • Электроквазистатическая постановка учитывает проводимость и ток смещения. Индуктивное вытеснение тока требует магнитной модели; это не полный волновой решатель.