FEMM 5

Часть VI · Электрические аппараты → § 40 · Электромагнит и сила

Занятие 40.1

Геометрия электромагнита и поле в зазоре

Цель и задачи

Цель. Связать геометрию зазора электромагнита с полем.

Задачи

  • Вывести магнитное сопротивление железа и зазоров.
  • Правильно учесть две рабочие поверхности.
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 · Проверка масштаба и пространственного распределения поля

Инженерный вопрос. Где зазорная оценка описывает поле и где видны краевые эффекты?

Магнитная цепь, потокосцепление, тяговая характеристика и потери образуют методику выбора зазора, обмотки и режима привода. Сила становится проектным критерием после сопоставления с нагрузкой механизма.

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Сопоставление поля середины и края зазора даёт количественную оценку применимости магнитной цепи.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Свяжите потенциал, его производные и измеряемые компоненты поля; выберите точки внутри областей и отдельно у границ.

  2. Масштаб силы двухполюсного электромагнита. Получите аналитический масштаб поля в условиях примера; перенесите способ проверки, сохраняя ограничения его геометрии.

  3. Первая модель электромагнита. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Снимите поле в середине и у края зазора, сохранив ток и размеры.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Проверьте знак, единицу и масштаб по постановке; используйте аналитическое поле, если для этого эталона оно выведено в занятии.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Оценка масштаба поля с указанием роли краевых участков.

Данные именно этого опыта. Снимите поле в середине и у края зазора, сохранив ток и размеры.

Оформление наблюдений. Координаты, компоненты поля, единицы, режим и принадлежность точки материалу; при сравнении профилей — одна ориентация оси.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Проверены положительная ширина обоих зазоров, одинаковая B по модулю и малая F_x. Фактическая сила по результатам полевого расчёта записывается после расчёта.

Независимый контроль. Используйте производную потенциала, аналитический однородный предел или закон источника, предусмотренный данным занятием.

Критерий выполнения. Аналитически B\approx 0{,}15325 \,\text{Тл}, |F|\approx 7{,}476 \,\text{Н}; объяснено преобладание зазора.

Точность и расхождения. Сравнивайте поле в тех же физических точках. Максимум у идеальной острой кромки нельзя оценивать единственной относительной погрешностью; фиксируйте расстояние до кромки и шаг сетки.

Основание сравнения. Аналитический профиль из теории применим только при тех же источниках, материале и граничных условиях. Карта цветов не заменяет численное измерение.

Вывод для устройства

Поясните, где поле определяет полезный эффект устройства, а где локальная неоднородность ограничивает простую расчётную схему.

Границы вывода. Магнитная сила отдельного привода не подтверждает работу всего аппарата: контактные усилия, пружины, трение, динамика и нагрев должны быть заданы и проверены по назначению.

Дополнительный расчётный метод

Магнитные поля в электрических машинах — введение (файл Гончарова)

Теория связывает поле с потоком, коэффициентами формы и реакции якоря, рабочей точкой генератора и частотной постановкой асинхронной машины. Каждый переход заканчивается вычисляемым параметром.

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; Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия; Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери; Контрольный опыт: от условия задачи к инженерному выводу; Измерительная рамка: от поля провода к ЭДС; От магнитной цепи к карте \Psi (i,\theta ) и моменту SRM; Зубцовый момент: пусковая помеха и спектр PM-генератора; Нагрузка PM-генератора и рабочая область магнитов

Получаемые величины. \Phi =\Delta Az·depth, B=\Delta Az/\Delta n; L, M; Bp и ошибка обратного восстановления; kf, k_{\Phi}, kd, kq; E0(If), Xd, Xq, U, I,\varphi,\delta; Jротора(f2), T(s), отличие дефектного ротора

Страницы источника. PDF1–75; A_z/поле 1–16; L_{17}–20; FFT20–29; синхронные 30–60; AD60–74

Литература по методу

Расчёт магнитных систем электромагнитов классическим и численным методом (ОНПУ,2010)

Размеры и B(H) задают магнитную цепь, затем полевой расчёт определяет тяговую силу. Таблица независимых оценок показывает пользу и границы классического и численного методов.

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; 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

Получаемые величины. \Phi, Bсерд и Bзазора; тяговая сила; секущая индуктивность; отклонение магнитной цепи от поля и численная устойчивость

  1. Составить протокол варианта и независимую магнитную цепь с числом зазоров.
  2. Построить отдельную учебную копию с русскими именами.
  3. Получить поле, поток и силу при одних токах и размерах.
  4. Сопоставить классическую и полевую оценки, объяснив краевые поля и насыщение.
  5. Уточнить сетку, внешнюю область и положение отдельно; оформить количественный отчёт.

Страницы источника. PDF 1–48 полностью: 1–3 титул/авторы/содержание; 4–13 теория; 14–34 FEMM 4.0.1; 35–43 П-электромагнит и сравнение; 44–45 выводы/литература; 46–48 варианты.

Литература по методу

Теория и вывод формул

Электромагнит с двумя воздушными зазорами позволяет проследить связь между возбуждением, распределением поля и силой притяжения. Независимая оценка магнитной цепи задаёт ориентир для проверки полевого 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. (40.1) · Вывод основного потока
  2. (40.2) · От индукции к магнитному давлению
  3. (40.3) · Два зазора: магнитная цепь и сила
  4. (40.4) · Численный пример
  5. (40.5) · Численный пример
  6. (40.6) · Энергия, коэнергия и знак обобщённой силы
  7. (40.7) · Энергия, коэнергия и знак обобщённой силы
  8. (40.8) · Равновесие не равно устойчивости левитации
  9. (40.9) · Равновесие не равно устойчивости левитации
  10. (40.10) · Контролируемый перебор двух размеров

Электромагнит как законченная магнитная цепь

Основной магнитный поток П-образного электромагнита замыкается через сердечник, якорь и два воздушных зазора. Его путь последовательно проходит левый стержень, первый зазор, якорь, второй зазор, правый стержень и нижнее ярмо. Прямая и обратная стороны обмотки охватывают один стержень и создают единую магнитодвижущую силу NI. В магнитной цепи оба зазора включаются последовательно, поэтому исключение одного из них приводит к завышению индукции и силы. Окружающая воздушная область необходима для воспроизведения краевого поля и потоков рассеяния.

Вывод основного потока

По закону Ампера NI=H_{\text{жел}} l_{\text{жел}}+2H_{\text{заз}} g. При одинаковом сечении B=\Phi/S и линейных материалах это выражение превращается в сумму сопротивлений. Сечение полюса равно ширине 20 \,\text{мм}, умноженной на глубину 20 \,\text{мм}:400 \,\text{мм}^2. Для аналитического ориентира средняя длина магнитного пути в ферромагнитном участке принимается 0{,}2 \,\text{м}. В реальной геометрии поток распределяется неоднородно, поэтому эта длина — оценка. Полевой расчёт позволяет проверить насколько полезна такая магнитная цепь.

\mathcal R=\frac{l_\text{жел}}{\mu_0\mu_\text{жел}S}+\frac{2g}{\mu_0S},\quad\Phi=\frac{NI}{\mathcal R},\quad B_\text{заз}\simeq\frac\Phi S
(40.1)
\mu_{\text{жел}} — относительная проницаемость железа; g — каждый из двух одинаковых зазоров в м; S — площадь одного полюса в \text{м}^2.

Почему зазор доминирует

В ферромагнитном участке с большой относительной проницаемостью падение H\cdot l мало по сравнению с воздушным зазором. Эквивалентная воздушная длина этого участка равна l_{\text{жел}}/\mu_{\text{жел}}. При l_{\text{жел}}=200 \,\text{мм} и \mu_{\text{жел}}=2000 это 0{,}1 \,\text{мм}, тогда как два зазора дают 2 \,\text{мм}. Поэтому большая часть магнитодвижущей силы приложена к воздуху. При насыщении магнитная проницаемость уменьшается, а падение магнитного потенциала в ферромагнитном участке возрастает. Нельзя заранее принимать магнитную проницаемость сердечника бесконечной, если требуется точная сила при большом токе.

От индукции к магнитному давлению

В почти однородном зазоре с нормальной B тензор напряжений Максвелла определяет магнитное давление притяжения B^{2}/(2\mu_0). Одна рабочая поверхность площадью S даёт силу pS; две одинаковые поверхности дают 2pS. Направление на якорь — к неподвижному сердечнику. Это оценка при малом выпучивании потока у краёв зазора и слабой касательной компоненте. Если подставить максимальную B кромки вместо средней по полюсу, сила будет завышена. Следующий урок рассматривает точный интегральный подход.

p_\text{м}\simeq\frac{B_\text{заз}^2}{2\mu_0},\qquad |F_y|\simeq2p_\text{м}S=\frac{B_\text{заз}^2S}{\mu_0}
(40.2)
p_{\text{м}} в \text{Н}/\text{м}^2; F_y в Н. Множитель 2 относится к двум полюсам данной геометрии, а не является универсальным.

Как подготовить подвижную область

Якорь строится как отдельное замкнутое тело, полностью отделённое воздухом. Его нужно выбирать целиком при переносе: узлы, отрезки и метка должны перемещаться совместно. Зазор измеряется между ближайшими торцами, а не между центрами тел. На грубой сетке размер 0{,}2 \,\text{мм} в миллиметровом зазоре даёт несколько рядов элементов. Воздушная прослойка должна оставаться геометрически положительной во всех вариантах. При касании ферромагнитных тел меняется топология и условия применимости интеграла силы.

Какие результаты снимать

В первую очередь измеряются B в серединах двух зазоров и сила отдельного якоря. Для пояснения записываются \Psi и энергия: уменьшение зазора увеличивает потокосцепление при том же токе. В приближении общего потока ожидаются близкие модули поля в двух зазорах. Однако обмотка на одном стержне нарушает зеркальную симметрию возбуждения: F_x не обязана строго обращаться в нуль и может содержать физический вклад рассеяния, а также численную погрешность; оценивать её лучше по абсолютному допуску. Интерактивный элемент магнитной цепи показывает падения магнитодвижущей силы и зависимость аналитической силы от g и I.

Проверка общего потока и асимметрии рассеяния

Левый и правый полюса одинаковы по ширине, глубине и зазору. В приближении магнитной цепи без утечки через них проходит один поток: нормальные компоненты индукции противоположны, а модули равны. Силы рабочих поверхностей на якорь направлены вниз и складываются. В полной полевой модели обмотка на одном стержне нарушает зеркальную симметрию возбуждения; потоки рассеяния могут дать разность модулей и ненулевую горизонтальную силу. Поэтому крупное неожиданное различие сначала проверяют по геометрии, источникам и сетке, а устойчивое различие объясняют распределением поля. Точное обнуление горизонтальной компоненты можно требовать только от задачи с действительно симметричным возбуждением.

Два зазора: магнитная цепь и сила

В показанном электромагните поток проходит два одинаковых зазора последовательно. Каждый полюс имеет площадь S, поле в нём считаем нормальным к поверхности.

  1. Сложите магнитные сопротивления железа и обоих зазоров. Число зазоров входит в падение магнитодвижущей силы, а не добавляется после вычисления индукции.

  2. Подставьте найденное поле в магнитное давление одного полюса, затем сложите силы двух полюсов.

    |F|=2\frac{B_g^2}{2\mu_0}S=\frac{B_g^2S}{\mu_0}
    (40.3)
  3. Укажите знак силы по направлению координаты: при увеличении зазора притяжение действует в отрицательном направлении. Сравнивайте аналитический модуль с модулем соответствующей компоненты полевого результата.

Таблица 40.1. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
gДлина одного воздушного зазорам
SПлощадь поперечного сечениям²
BМагнитная индукцияТл
FКомпонента электромагнитной силыН
\mu_0Магнитная постояннаяГн/м

Границы применимости. Для одного зазора и одной полюсной поверхности множители другие. При краевых полях эффективные площади магнитной цепи и распределения механического напряжения могут не совпадать.

Магнитная часть и механизм аппарата

В показанной учебной модели якорь перемещается поступательно; его магнитное усилие могло бы передаваться через шток или траверсу контактной системе. Катушка требует изоляционного каркаса, места под провод и выводы; эти конструктивные детали не входят в идеализированную немагнитную область обмотки. Пружина, направляющие, трение, удар и дуговая камера также отсутствуют и не могут считаться проверенными по одной силе.

Различайте начальный рабочий зазор, остаточный немагнитный упор и электрический контактный промежуток. В реальном механизме после касания контактов якорь может продолжать ход, сжимая контактную пружину; поэтому тяга сравнивается с кусочной нагрузочной характеристикой на всём пути, а не только с усилием в конечном положении.

Этот сохранённый образец имеет полюса 20×20 мм², N=100 и I=5 А. Новый П-магнит линии по Буль имеет полюса 10×20 мм², N=300 и I=1 А; это отдельная самостоятельная модель. Русскую адаптацию сохранённого образца создают в новой папке с собственной проверкой, а исходные FEM/ANS и старую квитанцию не перезаписывают.

До расчёта запишите, на какой вопрос отвечает модель: поле в зазоре, статическая тяга, рассеяние либо влияние геометрии. Короткий протокол перечисляет включённые детали, источник, тип движения, площадь каждого полюса и отсутствующие физические эффекты. Это связывает магнитную схему с устройством и не даёт перенести ответ на другой аппарат.

Разобранный численный пример

Масштаб силы двухполюсного электромагнита

Дано. N=100; I=5 \,\text{А}; g=1 \,\text{мм} под каждым полюсом; S=400 \,\text{мм}^2; l_{\text{жел}}=0{,}2 \,\text{м}; \mu_{\text{жел}}=2000.

  1. Магнитное сопротивление и индукция.

    \mathcal R\simeq4{,}17782\cdot10^6\,\text{А/Вб},\qquad B_\text{заз}\simeq0{,}299199\,\text{Тл}
    (40.4)
  2. Суммарная сила двух полюсов.

    |F_y|\simeq\frac{0{,}299199^2\cdot400\cdot10^{-6}}{\mu_0}\simeq28{,}495\,\text{Н}
    (40.5)

Ответ: Идеализированный ориентир B_{\text{заз}}\approx 0{,}2992 \,\text{Тл} и F_y\approx -28{,}5 \,\text{Н} при положительной оси y вверх.

Проверка: При бесконечной \mu_{\text{жел}} получили бы B\approx 0{,}3142 \,\text{Тл} и силу\approx 31{,}4 \,\text{Н}; конечная проницаемость магнитопровода уменьшает расчётную силу.

Углублённый разбор

Магнитная муфта и левитрон: от силовой характеристики к выбору конструкции

Устройство и назначение двух аппаратов

Магнитная муфта передаёт вращающий момент через воздушный промежуток. Ведущая и ведомая части несут магниты либо магнитопровод с обмотками; механический контакт между ними отсутствует. В герметичном приводе между частями может находиться немагнитная перегородка. Входные величины статической модели — взаимный угол, геометрия, токи и намагниченность; выходные — момент, силы и рабочие точки материала. Предельный передаваемый момент связан с максимумом угловой характеристики, но нагрев перегородки и механические нагрузки требуют дополнительных расчётов.

В левитроне электромагнитная сила удерживает подвижное тело против тяжести. Рассматриваем притягивающий электромагнит над стальным цилиндром. Обмотка создаёт неоднородное поле, ферромагнитное тело втягивается в область большего поля. Зазор, ток и размеры определяют силу; масса превращает эту силу в ускорение. Поэтому полевая карта является компонентом модели движения, а не готовой системой левитации.

Последовательность учебного проекта заимствует методическую идею НГТУ: постановка задания, построение геометрии, параметрическая серия, проверка сил, выбор размеров. Здесь построены собственные небольшие геометрии FEMM 5; размеры, численные таблицы и программы не объявляются повторением результатов пособия. Муфта представлена плоским сечением с центральным магнитом и двумя внешними магнитами; левитрон — осесимметричной катушкой и цилиндром.

Энергия, коэнергия и знак обобщённой силы

Для обратимой магнитной системы при фиксированной геометрии электрическая работа равна i d\Psi. Если часть работы уходит в механическую координату x, баланс записывается dW =i d\Psi -F dx. Преобразование Лежандра W'=i\Psi -W делает независимыми ток и положение. Дифференцирование даёт dW '=\Psi di +F dx; следовательно производную берут именно при неизменных токах. Для угла аналогично получают момент. При наличии постоянных магнитов необходимо сохранять их материальную модель и направление намагниченности при повороте.

В линейной системе с одной токовой обмоткой \Psi =L(x)i, поэтому W'=L(x)i^{2}/2 и F=i^{2}L'(x)/2. Эта формула удобна для оценки требуемого тока. В насыщении L зависит от тока: требуется интеграл \Psi (i, x) по току либо прямой силовой интеграл. Подставлять секущую индуктивность в линейную формулу без проверки нельзя.

Для ориентированной магнитной муфты равновесие определяется равенством электромагнитного и нагрузочного моментов. Если положительный момент увеличивает угол \theta, локальное механическое восстановление требует отрицательной производной результирующего момента по \theta. На ветви с положительной производной малое отклонение усиливается. Торможение, трение, инерция и движение за пределами одного сечения в статическом FEMM не возникают сами.

dW=i\,d\Psi-F\,dx,\qquad W\prime=i\Psi-W,\qquad F=\left.\frac{\partial W\prime}{\partial x}\right|_i
(40.6)
Знак силы связан с явно выбранным положительным перемещением.
T=\left.\frac{\partial W\prime}{\partial\theta}\right|_i,\qquad F=\frac{i^2}{2}\frac{dL}{dx}\quad\text{(линейная система)}
(40.7)
Угол в производной выражен в радианах; конечная разность требует пересчёта градусов.

Равновесие не равно устойчивости левитации

Обозначим z высоту тела вверх; увеличение z уменьшает воздушный промежуток g. Вертикальное уравнение движения m z¨=F(z, i)−mg. В рабочей точке сила равна весу. Линеаризация даёт m \Delta z¨=kz \Delta z+ki \Delta i, где kz=\partial F/\partial z и ki=\partial F/\partial i. При постоянном токе и kz>0 имеется положительный вещественный корень характеристического уравнения: притяжение усиливает приближение к полюсу, тело либо притягивается, либо падает.

В обратной связи ток можно уменьшать при подъёме: \Delta i=−KpΔz−KdΔż. Тогда эффективная жёсткость определяется kiKp−kz, а демпфирование kiKd. Необходимые условия положительности этих величин относятся к идеальному безынерционному токовому исполнительному звену. Реальные обмотка, усилитель, датчик, задержка, насыщение напряжения и дискретизация изменяют устойчивость. Нативная серия ниже подтверждает только статическую карту и её производную.

У реального ферромагнитного тела собственная масса должна соответствовать размерам. Сначала рассчитывается объём цилиндра и масса при принятой плотности; затем ищется ток, способный удержать именно эту массу. Величина F/g при произвольном тестовом токе — допустимая поддерживаемая масса, а не автоматически масса нарисованного тела.

m\Delta\ddot z=k_z\Delta z+k_i\Delta i,\quad s^2=k_z/m\quad(i=\mathrm{const})
(40.8)
При kz>0 положительный корень s означает локальную неустойчивость разомкнутой системы.
m\Delta\ddot z+k_iK_d\Delta\dot z+(k_iK_p-k_z)\Delta z=0
(40.9)
Идеализированная обратная связь; это условие не заменяет полный анализ регулятора.

Контролируемый перебор двух размеров

Оптимизация начинается с задания допустимости, а не с поиска самого большого усилия. В малом опыте изменяются радиус цилиндра r=3{,}4,5 мм и зазор g=6{,}8,10 мм; длина цилиндра 6 мм, обмотка и материал одинаковы. Цель — минимальный удерживающий ток. Ограничения: g\ge 8 мм, масса≤3 г и ток≤12 А. При одинаковом сопротивлении обмотки минимум i^{2} соответствует минимуму её медных потерь.

Для каждого кандидата FEMM рассчитывает силу при 5 А. В принятой линейной магнитной модели сила пропорциональна i^{2}, поэтому удерживающий ток получается масштабированием. Отдельный повтор равновесной точки проверяет это предположение. В нелинейной стали вместо масштабирования нужна ограниченная итерация по току с новой полевой задачей на каждом шаге.

Перебор девяти точек даёт выбор среди девяти конкретных конструкций. Он не доказывает глобального оптимума непрерывной области и не включает нагрев, механическую жёсткость, стоимость магнитопровода или запас управления. После выбора следует уточнить сетку, размеры возле лучшей точки и запас по насыщению.

m=\rho\pi r^2l,\qquad i_{eq}=i_0\sqrt{\frac{mg}{F(i_0,g,r)}}
(40.10)
Масса изменяется с радиусом; сравнивать силы при разных массах без этой поправки некорректно.

Равновесная точка и неустойчивость

Дано. Катушка r=10…20 мм, z=0…20 мм, 200 витков; цилиндр r=4 мм, l=6 мм, \mu _{r}=500, \rho =7800 кг/м³; g=8 мм.

  1. Объём даёт массу 2,35242 г и вес 0,0230694 Н. При 5 А FEMM даёт 0,00624032 Н.

  2. Из квадратичного масштабирования найден ток 9,61357 А; новый нативный расчёт даёт 0,0230694 Н.

  3. При этом токе силы для g=6 и 10 мм равны 0,0344187 и 0,0155938 Н. Центральная разность по z даёт kz≈4,70623 Н/м.

Ответ. Сила согласована с весом, но kz>0. В идеальной разомкнутой линейной модели скорость нарастания отклонения √(kz/m)≈44,7 с⁻¹.

Проверка. Это грубая производная по шагу 2 мм и линейная сталь. Для точного локального коэффициента шаг уменьшить; наличие положительного kz уже исключает вывод о пассивной устойчивости.

Выбор из девяти геометрий

Дано. r=3{,}4,5 мм; g=6{,}8,10 мм; ограничение массы 3 г и тока 12 А.

  1. r=3 мм, g=6 мм: m=1.3232 г; i_{\mathrm{eq}}=7.0828 А; исключено ограничениями.

  2. r=3 мм, g=8 мм: m=1.3232 г; i_{\mathrm{eq}}=8.5914 А; допустимо.

  3. r=3 мм, g=10 мм: m=1.3232 г; i_{\mathrm{eq}}=10.4757 А; допустимо.

  4. r=4 мм, g=6 мм: m=2.3524 г; i_{\mathrm{eq}}=7.8706 А; исключено ограничениями.

  5. r=4 мм, g=8 мм: m=2.3524 г; i_{\mathrm{eq}}=9.6136 А; допустимо.

  6. r=4 мм, g=10 мм: m=2.3524 г; i_{\mathrm{eq}}=11.6930 А; допустимо.

  7. r=5 мм, g=6 мм: m=3.6757 г; i_{\mathrm{eq}}=8.4676 А; исключено ограничениями.

  8. r=5 мм, g=8 мм: m=3.6757 г; i_{\mathrm{eq}}=10.3713 А; исключено ограничениями.

  9. r=5 мм, g=10 мм: m=3.6757 г; i_{\mathrm{eq}}=12.6546 А; исключено ограничениями.

Ответ. Лучший допустимый узел: r=3 мм, g=8 мм, i_{\mathrm{eq}}=8{,}59140 А. Увеличение радиуса до 4 мм повышает требуемый ток до 9,61357 А, хотя сила при 5 А растёт.

Проверка. Критерий учитывает возрастающий вес; весь массив девяти выполненных решений методом конечных элементов сохранён в results.json.

Угловая характеристика учебной муфты

Дано. Центральный магнит 4×10 мм, два внешних 4×20 мм, \mu _{r}=1, H_c=800 кА/м, глубина 20 мм.

  1. При \theta =30^\circ,60^\circ,90^\circ вычислены моменты 0,0259399; 0,0589341; 0,0752050 Н·м.

  2. Нулевые концы периода имеют небольшую численную невязку: −1,13·10⁻⁵ Н·м при 0^\circ и 6,84·10⁻⁵ Н·м при 180^\circ.

Ответ. Максимум среди семи проверенных углов приходится на 90^\circ. Это дискретная оценка предельного момента учебной геометрии.

Проверка. Не приписывать каждому нулю устойчивость; проверить знак наклона и уменьшить угловой шаг возле экстремума.

Самостоятельное воспроизведение и расширение

  1. Скачайте файлы по отдельным ссылкам, сохраните структуру подпапок и запустите 06-coupling-levitron.py встроенным Python.
  2. Разберите три уровня данных: момент муфты, тяговая кривая при 5 А, повтор равновесия с реальной массой.
  3. Постройте F(g), найдите направление силы при смещении вверх и вниз; затем отдельно сформулируйте требования к регулятору.
  4. Из девяти кандидатов сначала удалите недопустимые, затем минимизируйте ток; уточните сетку и промежуточный размер возле выбранного узла.

Ожидаемый результат. Семь угловых точек, пять силовых точек, три проверки удерживающего тока, девять проектных вариантов; все таблицы сохраняются.

Проверка.

  • Баланс F=mg в рабочей точке.
  • Явный знак производной dF/dz.
  • Раздельное влияние сетки, шага положения и нелинейности.
Муфта, левитрон и перебор двух размеров

Учебные геометрии; 24 магнитостатических решения, линейная сталь.

Проверка программы. Программа выполнена во встроенном Python FEMM 5.0. Это ограниченная проверка указанной постановки, не эксперимент.

Скачать программу для встроенного Python FEMM 5

Для запуска сохраните необходимые файлы, сохраняя их имена и структуру подпапок:

MicroPython · FEMM 5
"""Последовательный проект: статическая муфта и тяговая характеристика левитрона.
Это новые учебные геометрии по мотивам методической последовательности НГТУ,
не численное воспроизведение размеров пособия. FEMM5, без внешнего контроллера.
Муфта плоская 20мм глубины; левитрон осесимметричный, сталь mu_r=500 линейная.
Серия силы даёт равновесие и локальную производную, а не устойчивый регулятор.
"""

# Каталог сценария определяется явно: запуск не зависит от чужого CWD.
import os
import sys

os.chdir(os.path.dirname(os.path.abspath(sys.argv[0])))
exec(open("common.py").read())
folder = result_folder("results-coupling-levitron")
data = {"coupling": [], "levitron": []}
for angle in [0, 30, 60, 90, 120, 150, 180]:
    newdocument(0)
    mi_probdef(0, "millimeters", "planar", 1e-9, 20, 30)
    material("Air")
    material("PM", hc=800000)
    mi_drawrectangle(-2, -5, 2, 5)
    mi_selectrectangle(-2.1, -5.1, 2.1, 5.1, 4)
    mi_setgroup(1)
    mi_clearselected()
    label(0, 0, "PM", 0.4, group=1, angle=90)
    for x in [-12, 12]:
        mi_drawrectangle(x - 2, -10, x + 2, 10)
        label(x, 0, "PM", 0.6, group=2, angle=90)
    label(7, 0, "Air", 1)
    mi_makeABC(7, 60, 0, 0, 0)
    mi_selectgroup(1)
    mi_moverotate(0, 0, angle)
    mi_clearselected()
    solve(folder, "coupling-%d" % angle)
    mo_groupselectblock(1)
    data["coupling"].append({"angle_deg": angle, "torque_Nm": mo_blockintegral(22)})
    close_magnetic()
    save_json(folder, data)
for gap in [4, 6, 8, 10, 12]:
    newdocument(0)
    mi_probdef(0, "millimeters", "axi", 1e-9, 1, 30)
    material("Air")
    material("Steel", mu=500)
    mi_addcircprop("Coil", 5, 1)
    mi_drawrectangle(10, 0, 20, 20)
    label(15, 10, "Air", 0.6, "Coil", 200, 1)
    mi_drawrectangle(0, -gap - 6, 4, -gap)
    label(2, -gap - 3, "Steel", 0.25, group=2)
    label(5, 0, "Air", 0.8)
    mi_makeABC(7, 80, 0, 0, 0)
    solve(folder, "levitron-gap%d" % gap)
    mo_groupselectblock(2)
    force = mo_blockintegral(19)
    data["levitron"].append(
        {"gap_mm": gap, "force_up_N": force, "equilibrium_mass_kg": force / 9.80665}
    )
    close_magnetic()
    save_json(folder, data)
f6, f10 = data["levitron"][1]["force_up_N"], data["levitron"][3]["force_up_N"]
data["dF_dgap_N_per_m"] = (f10 - f6) / 0.004
data["dF_dz_up_N_per_m"] = -data["dF_dgap_N_per_m"]
mass = 7800 * math.pi * 0.004**2 * 0.006
current_eq = 5 * math.sqrt(mass * 9.80665 / data["levitron"][2]["force_up_N"])
data["equilibrium"] = {"steel_mass_kg": mass, "current_A": current_eq, "points": []}
for gap in [6, 8, 10]:
    opendocument(os.path.join(folder, "levitron-gap%d.fem" % gap))
    mi_modifycircprop("Coil", 1, current_eq)
    solve(folder, "equilibrium-gap%d" % gap)
    mo_groupselectblock(2)
    data["equilibrium"]["points"].append(
        {"gap_mm": gap, "force_N": mo_blockintegral(19)}
    )
    close_magnetic()
# Ограниченный перебор двух размеров; оцениваем реальную массу каждого цилиндра.
data["design_grid"] = []
for radius in [3, 4, 5]:
    for gap in [6, 8, 10]:
        newdocument(0)
        mi_probdef(0, "millimeters", "axi", 1e-9, 1, 30)
        material("Air")
        material("Steel", mu=500)
        mi_addcircprop("Coil", 5, 1)
        mi_drawrectangle(10, 0, 20, 20)
        label(15, 10, "Air", 0.6, "Coil", 200, 1)
        mi_drawrectangle(0, -gap - 6, radius, -gap)
        label(radius / 2, -gap - 3, "Steel", 0.25, group=2)
        label(7, 0, "Air", 0.8)
        mi_makeABC(7, 80, 0, 0, 0)
        solve(folder, "grid-radius%d-gap%d" % (radius, gap))
        mo_groupselectblock(2)
        force = mo_blockintegral(19)
        model_mass = 7800 * math.pi * (radius / 1000) ** 2 * 0.006
        required_current = 5 * math.sqrt(model_mass * 9.80665 / force)
        data["design_grid"].append(
            {
                "radius_mm": radius,
                "gap_mm": gap,
                "mass_kg": model_mass,
                "force_at_5A_N": force,
                "current_required_A": required_current,
                "feasible": gap >= 8 and model_mass <= 0.003 and required_current <= 12,
            }
        )
        close_magnetic()
        save_json(folder, data)
feasible = [row for row in data["design_grid"] if row["feasible"]]
data["selected_design"] = min(feasible, key=lambda row: row["current_required_A"])
save_json(folder, data)
assert all(row["force_up_N"] > 0 for row in data["levitron"])
print(data)

Сохранённые численные результаты: таблица JSON. Просмотр серий доступен на отдельной странице исследования.

Границы модели.

Самостоятельное русское введение и новый статический проект по последовательности НГТУ. Полная система управления и эксперимент не воспроизведены; линейная \mu _{r}=500 не заменяет заявленную изготовителем B–H.

Первоисточники: [82] (Работы: магнитная муфта; левитрон; выбор соотношений размеров. 115 страниц PDF.); [32] (Методическая постановка оптимизации; здесь собственный конечный перебор.).

Практикум в FEMM 5

Первая модель электромагнита

Таблица 40.2. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Тип задачиPlanar
Глубина20мм
Ширина каждого полюса20мм
Толщина ярма и якоря20мм
Зазор под каждым полюсом1мм
Число витков100
Ток5А
Относительная проницаемость железа2000
Внешняя граница: геометрияКвадрат x,y=-150\ldots 150мм
Внешняя граница: магнитный потенциал A0Вб/м
  1. Основной файл переработанного занятия — русская копия П-электромагнита I05 из блока «Расчётный образец FEMM 5». Она сохраняет параметры прежнего примера и рассчитана заново; сохраняйте рабочие варианты отдельно. Новые П-магнит N=300 и броневые конструкции изучаются в самостоятельном исследовании.
  2. Создайте магнитостатическую Planar-модель в миллиметрах с глубиной 20 \,\text{мм}. Постройте замкнутый П-образный неподвижный сердечник по вершинам (-30;-40), (30;-40), (30;20), (10;20), (10;-20), (-10;-20), (-10;20), (-30;20).
  3. Постройте отдельный якорь прямоугольником x=-30\ldots 30 \,\text{мм}, y=21\ldots 41 \,\text{мм}. Между каждым торцом стержня и якорем получается воздушный зазор 1 \,\text{мм}. Для уменьшения зазора весь якорь перемещается вниз; сами полюса остаются неподвижными.
  4. Одна обмотка охватывает левый стержень: x=-40\ldots -30 и x=-10\ldots 0 \,\text{мм}, y=-10\ldots 10 \,\text{мм}. Назначьте последовательную цепь с током 5 \,\text{А}, витки соответственно +100 и -100. Это две стороны одной 100-витковой обмотки.
  5. Назначьте линейному сердечнику и якорю \mu_r=2000, \sigma=0; воздуху и учебной обмотке \mu_r=1, \sigma=0. Замкните воздушную область квадратом x,y=-150\ldots 150 \,\text{мм} с A=0, разместите необходимые метки областей.
  6. В зазорах установите ограничение размера элемента 0{,}2 \,\text{мм}, на поверхности якоря 0{,}5 \,\text{мм}, в железе 2 \,\text{мм}. Постройте сетку, убедитесь, что в каждом зазоре несколько рядов элементов, затем решите задачу.
  7. В результате снимите B в серединах зазоров: (-20;20{,}5) и (20;20{,}5). Выделите только якорь в режиме областей и выполните интеграл силы по взвешенному тензору напряжений. Компонента F_y должна быть направлена вниз, к сердечнику.

Ожидаемый результат. Поле в зазорах почти симметрично; F_y направлена вниз. Аналитические 0{,}2992 \,\text{Тл} и-28{,}5 \,\text{Н} не учитывают выпучивание потока у краёв зазора и служат независимым ориентиром.

Как проверить. Проверены положительная ширина обоих зазоров, одинаковая B по модулю и малая F_x. Фактическая сила по результатам полевого расчёта записывается после расчёта.

Оценка результата

Где зазорная оценка описывает поле и где видны краевые эффекты?

  1. Снимите поле в середине и у края зазора, сохранив ток и размеры.
  2. Проверьте знак, единицу и масштаб по постановке; используйте аналитическое поле, если для этого эталона оно выведено в занятии.

С чем сравнить. Аналитический профиль из теории применим только при тех же источниках, материале и граничных условиях. Карта цветов не заменяет численное измерение.

Итог работы. Оценка масштаба поля с указанием роли краевых участков.

Место занятия в расчёте магнитной системы

Базовая полевая модель П-образного электромагнита. Постройте конкретную геометрию, назначьте катушку и измерьте поле двух промежутков до перехода к расчёту силы.

Опорная теория: 38.1 · Детали аппарата и магнитная цепь; 39.1 · Потоки сечений и потокосцепление.

Применение: 40.2 · Вычислить силу тремя способами; 41.2 · Сравнить с броневой компоновкой.

Маршрут магнитных систем в основном оглавлении · Каталог рассчитанных конструкций

Пошаговая настройка расчётного примера

Откройте отдельную страницу с последовательными действиями, точными параметрами, накопительными файлами этапов и программами с русскими комментариями.

Все расчётные примеры курса

Расчётный образец FEMM 5

Собственная русская копия ранее проверенного П-электромагнита I05: N=100, I=5 А, полюса 20×20 мм², два зазора по 1 мм, глубина 20 мм. Копия заново решена FEMM 5; сетка и геометрия сохранены. Откройте модель, воспроизведите указанный режим и сопоставьте свои измерения с таблицей результатов.

Таблица 40.3. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота0Гц
Активная длина20мм
Ток цепи «Катушка возбуждения»5А
Потокосцепление цепи «Катушка возбуждения»0,0153Вб
Сила по оси y-29,65Н
Энергия поля0,03824Дж
Модуль B в контрольной точке0,2922Тл
Координаты контрольной точки (x, y)20; 20,5мм
Визуализация численных данных FEMM 5: Электромагнит с отдельным якорем. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 40.1. Визуализация численных данных FEMM 5: Электромагнит с отдельным якорем. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.

Магнитостатическая модель П-образного электромагнита. Используйте силу, потокосцепление и энергию для сравнения вариантов зазора. Движение и нагрев рассматриваются отдельными моделями.

Ориентиры в интерфейсе
Геометрия: электромагнит с двумя зазорами и отдельным якорем
Рисунок 40.2. Геометрия: электромагнит с двумя зазорами и отдельным якорем Открыть в полном размере
Распределение магнитной индукции: электромагнит с двумя зазорами и отдельным якорем При открытии сохранённого решения FEMM сообщает Multiply Defined Regions. Кадр показывает интерфейс и картину поля; количественные результаты требуют проверки задания областей.
Рисунок 40.3. Распределение магнитной индукции: электромагнит с двумя зазорами и отдельным якорем При открытии сохранённого решения FEMM сообщает Multiply Defined Regions. Кадр показывает интерфейс и картину поля; количественные результаты требуют проверки задания областей. Открыть в полном размере

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

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.

Плунжерный электромагнит: сила по полю и виртуальному смещению. Геометрия учебной модели; подписи скрыты для читаемости.
Плунжерный электромагнит: сила по полю и виртуальному смещению. Геометрия учебной модели; подписи скрыты для читаемости. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Плунжерный электромагнит: сила по полю и виртуальному смещению». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического магнитного поля; рабочая область модели.
Сохранённое решение «Плунжерный электромагнит: сила по полю и виртуальному смещению». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического магнитного поля; рабочая область модели. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Переоцените B и силу при g=2 \,\text{мм}, не меняя остальные параметры.

Критерий выполнения: Аналитически B\approx 0{,}15325 \,\text{Тл}, |F|\approx 7{,}476 \,\text{Н}; объяснено преобладание зазора.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 46–52
  2. [20] — 39–43 скачанного ENSEM_TP_FEMM.pdf
  3. [100] — С. 8–17, 129–135, 169–199 (печатная нумерация). Полная предоставленная копия изучена отдельно; ссылка ведёт на фрагмент издателя. Изложение курса самостоятельное.
  4. [82] — Работы: магнитная муфта; левитрон; выбор соотношений размеров. 115 страниц PDF.
  5. [32] — Методическая постановка оптимизации; здесь собственный конечный перебор.
Пояснения и типичные ошибки
Сколько зазоров входит в основной путь?

Два последовательных зазора по 1 \,\text{мм}.

Почему две стороны 100-витковой обмотки не дают 200 витков?

Они являются двумя сечениями одного замкнутого витка.

Почему нужна средняя B, а не пик у края?

Давление интегрируется по площади; один локальный пик не представляет всю поверхность.

На что обратить внимание

  • Пропустить второй зазор.
  • Удвоить витки из-за двух сторон обмотки.
  • Использовать кромочный максимум B как средний по полюсу.