FEMM 5

Часть II · Теория четырёх физических модулей FEMM → § 8 · Магнитное поле, цепи и энергетические величины

Занятие 8.5

Источники тока, витки, знаки и связи между токами и напряжениями на выводах

Цель и задачи

Цель. Проверить физический смысл числа витков и знака обмотки.

Задачи

  • Правильно назначать series, Turns и знаки.
  • Различать заданный, индуцированный и полный ток.
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 возбуждения и преобразование тока в магнитный отклик

Инженерный вопрос. Дают ли одинаковые ампер-витки одинаковые поле и потокосцепление?

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.

Лабораторная работа:

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. Различите ток цепи, число витков, ампер-витки и потокосцепление. Знаки двух сторон одной обмотки должны соответствовать одному физическому току.

  2. Ток распределённой обмотки. Выведите, какие величины сохраняются при одинаковых ампер-витках и какие дополнительно зависят от числа витков.

  3. Проверка числа витков и их знаков. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Запишите ток, число витков, поле и потокосцепление согласованных вариантов.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сравните результаты при согласованном возбуждении; проверьте знаки и разделите ток витка, ампер-витки и потокосцепление.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Сравнение поля и потокосцепления с объяснением их различного масштабирования.

Данные именно этого опыта. Запишите ток, число витков, поле и потокосцепление согласованных вариантов.

Оформление наблюдений. Ток, витки и их знак, поле в одной точке, потокосцепление и указание линейности материала.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Проверьте, что в материале обмоток нет дополнительного J и что series выбран у обеих цепей.

Независимый контроль. Сравните согласованные варианты с законом Ампера и законом масштабирования, не задавая один источник независимо дважды.

Критерий выполнения. Поле практически одинаково при одинаковом NI; потокосцепление вдвое меньше при вдвое меньшем N.

Точность и расхождения. Сравнивайте отношения при одинаковой геометрии и материале; отличие нелинейного режима от линейной пропорции сначала объясняют изменением рабочей точки.

Основание сравнения. Опора — закон Ампера и определения цепи и потокосцепления из занятия. Масштабирование по току линейно только для линейного материала при неизменной геометрии.

Вывод для устройства

Свяжите выбор витков и тока с требуемым полем, отдельно указав, что потери и реализуемость обмотки требуют её реальных размеров и сопротивления.

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

Введение: поле как основа электромеханического преобразования

Направление поля сначала предсказывают по источникам, затем проверяют численно. Поток, потокосцепление, индуктивность и ЭДС позволяют перейти от картины поля к характеристике устройства.

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

Получаемые величины. B и H с единицами; \Phi и \Psi по фактической обмотке; секущая L=\Psi /i; ЭДС при заданном изменении потокосцепления

  1. Задать устройство, источники и нормали поверхностей.
  2. Предсказать направление поля и силы до расчёта.
  3. Получить локальное поле и интегралы в согласованной геометрии.
  4. Проверить единицы, знаки и закон Фарадея; объяснить проектную пользу каждой величины.

Страницы источника. PDF 1–13 полностью: 1–2 преобразование энергии; 3–8 величины и законы; 9–13 задачи по картинам поля.

Литература по методу

Теория и вывод формул

Задание обмотки требует согласованного выбора тока, числа витков и их ориентации. Такая запись возбуждения позволяет избежать двойного учёта источника и установить знаки магнитного потока и напряжения.

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. (8.37) · Ток цепи и ток сечения
  2. (8.38) · Полный ток в гармонической задаче
  3. (8.39) · На выводах обмотки: ток задаётся, напряжение рассчитывается
  4. (8.40) · От витка к уравнению напряжения
  5. (8.41) · Численный пример
  6. (8.42) · Что сохраняют при сопоставлении вариантов
  7. (8.43) · Мощность, импеданс и смысл интегралов
  8. (8.44) · Средняя сила в гармонической модели
  9. (8.45) · Труба: уравнение поля и недостающее электрическое условие
  10. (8.46) · Труба: уравнение поля и недостающее электрическое условие
  11. (8.47) · Фаза, норма ошибки и границы вывода

Ток цепи и ток сечения

Ток через ориентированную поверхность по определению равен I_S=\int_S\mathbf J\cdot\mathbf n\,\mathrm dS. Если поверхность пересекает N одинаково ориентированных последовательных проводов, каждый с током I, её суммарный ток равен NI. Это интеграл по сечению всей стороны обмотки; его нельзя путать с током одного провода.

В многовитковой обмотке один и тот же ток проходит последовательно через все витки. Суммарный ток выбранной стороны обмотки равен NI, а средняя плотность — NI/S_{\text{обм}}. Число витков в FEMM может иметь знак: он показывает направление тока относительно положительной цепи. Две стороны одной плоской катушки получают +N и -N. Суммировать их абсолютные витки как 2N для магнитодвижущей силы нельзя: они относятся к одному замкнутому набору витков.

J_\text{зад}=\frac{NI}{S_\text{обм}}
(8.37)
J_{\text{зад}} в \text{А}/\text{м}^2; S_{\text{обм}} — площадь одной стороны обмотки в \text{м}^2; N — число витков со знаком.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Для многовитковой обмотки с изолированными проводниками (stranded) используется последовательная цепь series: ток цепи прикладывается к каждому её блоку с учётом витков. Параллельная цепь parallel распределяет ток между сплошными проводящими участками по равенству напряжения; она не является удобной заменой многовитковой катушки. В гармонической задаче связность проводников особенно важна: без ограничения возможен нежелательный возврат индуцированного тока через другие области. Для изолированного массивного элемента задают условие нулевого суммарного тока, хотя локальные вихревые токи могут оставаться ненулевыми.

Почему плотность тока J и ток цепи не задают одновременно

В статике можно возбуждать область заданной плотностью J либо током цепи и витками. Если два источника введены одновременно, они могут сложиться, и поле окажется ошибочно удвоенным. В учебной катушке используется только ток электрической цепи; поле J источника материала оставляют нулевым. Проводимость отвечает за наведённый отклик, а не за заданный ток сама по себе. Поэтому материал «Copper» без цепи или источника не создаёт нужной обмотки даже при корректном рисунке пазов.

Полный ток в гармонической задаче

Из E=-j\omega A-\operatorname{grad} V следует, что ток проводимости содержит реакцию на поле. Заданный ток возбуждения и индуцированный ток нельзя отождествлять. В массивном проводнике распределение полного J может быть сильно неоднородным из-за вытеснения. В идеализированной тонкопроводной обмотке задаётся равномерная суммарная плотность без разрешения отдельных проводов. FEMM также имеет модели объёмной намотки; их параметры требуют отдельного обоснования, поэтому в исходных опытах принято \sigma=0 и отсутствуют потери, которые модель не описывает.

\widehat{\mathbf J}_\text{полн}=\widehat{\mathbf J}_\text{зад}-j\omega\sigma\widehat{\mathbf A}-\sigma\nabla\widehat V
(8.38)
Запись относится к неподвижному линейному проводнику при \exp(j\omega t); ограничения цепей определяют допустимую потенциальную часть.

На выводах обмотки: ток задаётся, напряжение рассчитывается

В магнитной постановке задаётся ток цепи, а потокосцепление и напряжение рассчитываются. При синусоиде напряжение на выводах состоит из омического падения и j\omega \Psi. При чистой статике индуцированное напряжение отсутствует. Условие питания от сети формулируется как согласование рассчитанного напряжения с заданным; для этого нужно найти соответствующий ток. В первой части простые линейные уравнения решаются вручную. Условие короткого замыкания U=0 не означает I=0.

Напряжение между точками требует пути измерения: U_{ab}^{(\gamma)}=\int_{\gamma:a\to b}\mathbf E\cdot\mathrm d\mathbf l. В потенциальном поле оно равно V(a)-V(b) и не зависит от пути; при меняющемся магнитном потоке это уже неверно. Уравнение выводов u=Ri+\mathrm d\Psi/\mathrm dt использует согласованные направления тока, обмотки и измерительной цепи; ЭДС индукции по замкнутому обходу имеет знак -\mathrm d\Psi/\mathrm dt.

\widehat U=R\widehat I+j\omega\widehat\Psi
(8.39)
U в В; R в Ом; \Psi в Вб; шляпка обозначает комплексную амплитуду. Та же линейная связь сохраняется для комплексных действующих значений после деления всех напряжений, токов и потокосцеплений на \sqrt{2}.

Согласование знаков

Положительные ток и потокосцепление определяются выбранной ориентацией обмотки. Для взаимной индуктивности знак зависит от того, где условно находятся начала. Если одновременно поменять направление всех витков одной цепи, её собственная индуктивность остаётся положительной, но взаимное потокосцепление с другой цепью меняет знак. Напряжение требуется отсчитывать по той же пассивной ориентации. Подписи начал на схеме и короткий опыт со сменой знака тока уменьшают риск ошибки больше, чем попытка угадывать полярность по цветовой карте.

Две стороны замкнутого витка и полярность

Нарисуйте один виток, огибающий левый стержень, и укажите стрелку тока. В одной стороне ток направлен из плоскости рисунка, в другой — в плоскость. Затем мысленно повторите виток сто раз: направление каждой стороны сохраняется, а ток сечения становится в сто раз больше. Такой рисунок объясняет знаки в поле Turns (число витков) без запоминания команды. Для измерительной второй обмотки началом считается тот вывод, при положительном токе которого она создаёт согласованный поток. Отсчёт её напряжения и потокосцепления должен соответствовать этому началу. Если полярность не записана, отрицательную взаимную индуктивность нельзя однозначно назвать ни верной, ни ошибочной; сначала необходимо восстановить принятую ориентацию.

От витка к уравнению напряжения

Положительные ток и напряжение выбраны по пассивному правилу. В плоском сечении полная обмотка включает прямые и обратные стороны с противоположными знаками витков.

  1. Интеграл плотности тока по ориентированной поверхности возвращает ток через эту поверхность. Для одной стороны N одинаково ориентированных витков он равен NI; в магнитостатике закон Ампера приравнивает его циркуляции H по границе поверхности. Это проверяет нормировку источника и выбранный контур.

  2. Для замкнутой неподвижной обмотки закон Фарадея даёт внутреннюю ЭДС с отрицательным знаком; падение напряжения на выводах записывается с положительной производной потокосцепления.

    e=-\frac{\mathrm d\Psi}{\mathrm dt},\qquad u=Ri-e=Ri+\frac{\mathrm d\Psi}{\mathrm dt}
    (8.40)
  3. В гармонике замените производную множителем мнимой частоты. При заданном напряжении неизвестен ток: внешнее уравнение нужно согласовать с полевым решением, а не одновременно назначить оба независимо.

Таблица 8.10. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
NЧисло витков с учётом принятого направления1
IТок обмотки; в статике постоянныйА
JПлотность электрического токаА/м²
\PsiПотокосцепление обмоткиВб
RАктивное электрическое сопротивлениеОм
\omega=2\pi fУгловая электрическая частотарад/с

Границы применимости. Однородная плотность ампер-витков не равна локальной плотности тока в реальной меди при неполном заполнении или выраженном вытеснении. Вихревой ток нельзя прибавлять вторично к уже полному току цепи.

Связь с общими определениями

Определения и границы применимости собраны в занятии Интегральные величины магнитного поля. Используйте интегральную запись как исходную; алгебраические формулы применяйте после проверки перечисленных там условий.

Пояснения к официальному руководству

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

Рисунки из руководства к этому занятию (1)
  1. М.2.14 · Диалог «Свойства цепи»

Последовательная цепь, параллельная связь и изолированные проводники

Series задаёт один ток цепи каждой связанной области; Turns в метке умножает его на число витков и задаёт направление знаком. Все многовитковые проводники должны иметь последовательную цепь. Parallel распределяет общий ток между сплошными областями по их импедансам при одинаковом падении напряжения; число витков здесь не используется и соответствующее поле отключено.

Диалог Circuit Properties с именем цепи, током в амперах и переключателем Series/Parallel; выбран Series.

Рисунок М.2.14. Диалог «Свойства цепи»

Series задаёт ток цепи, а число витков и знак задаются в метках обмоточных областей. Parallel задаёт общий ток для распределения между связанными сплошными областями. Один и тот же введённый ток поэтому нужно интерпретировать вместе с типом цепи и назначениями меток.

Обозначения на рисунке

Current (A)
Ток, А
Series
Последовательная цепь
Parallel
Параллельное соединение

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

В вихретоковой задаче электрически не связанные тела нельзя оставлять с неявно общей связностью. По руководству без ограничений токи могут замыкаться через другие области условно «на бесконечности». Отдельная параллельная цепь с суммарным током 0 для каждого физически изолированного тела запрещает такой искусственный перенос. Это ограничение полного тока; локальные встречные вихревые токи внутри тела при нём возможны.

В окне Circuit Properties постпроцессора выберите имя цепи и прочитайте ток, напряжение и потокосцепление. Их смысл зависит от принятой геометрии и соединения. Для гармоники сохраняйте комплексные значения и амплитудную нормировку; отношение потокосцепления к току не объявляют дифференциальной индуктивностью нелинейной рабочей точки.

Проверьте на своей модели

  • Сравните две области +N и -N одной последовательной цепи: полный охваченный ток должен иметь ожидаемый знак.
  • Для пары изолированных вихретоковых деталей покажите отдельные нулевые ограничения суммарного тока.

Источник: [33]. § 2.2.7 · § 2.3.13

Разобранный численный пример

Ток распределённой обмотки

Дано. N=100; I=5 \,\text{А}; площадь одной стороны обмотки 10\times 20=200 \,\text{мм}^2.

  1. Приводим площадь к СИ и вычисляем плотность.

    J_\text{зад}=\frac{100\cdot5}{200\cdot10^{-6}}=2{,}5\cdot10^6\,\text{А/м}^2=2{,}5\,\text{МА/м}^2
    (8.41)
  2. У ответной стороны плотность -2{,}5 \,\text{МА}/\text{м}^2. Магнитодвижущая сила полного 100-виткового контура равна 500 \,\text{А}.

Ответ: Модули токов сечений по 500 \,\text{А}; J=\pm 2{,}5 \,\text{МА}/\text{м}^2; NI=500 \,\text{А}.

Проверка: Суммарный алгебраический ток двух сторон равен нулю, как требуется для замкнутой обмотки.

Углублённый разбор

Проводник в поле: явные жилы, MagnetWire и Litz

Три разных описания одной обмоточной области

Обмотка переносит ток и создаёт магнитодвижущую силу. При переменном токе распределение плотности J внутри меди определяется не только общей площадью, но и собственным полем, полем соседних проводов и электрическим соединением жил. Скин-эффект вытесняет ток от центра отдельной жилы; эффект близости перераспределяет его из-за внешнего поперечного поля.

В явной модели каждый изолированный провод изображается собственной проводящей областью, и вихревое перераспределение решается внутри неё. В MagnetWire несколько витков заменяются однородной обмоточной областью с аналитически учтённым мелкомасштабным поведением провода. В Litz задаются число и диаметр изолированных транспонированных жил одного витка. Эти варианты различаются не только скоростью расчёта: модель Litz предполагает электрическую структуру, которой нет у сплошного провода.

В FEMM 5 коды LamType=0,3,5 обозначают соответственно объёмный проводник, MagnetWire и Litz. Число витков задаётся в метке блока, число жил и их диаметр — в материале. Четыре витка по четыре жилы не следует заменять шестнадцатью витками: это изменит ампер-витки, напряжение и потокосцепление.

Что сохраняют при сопоставлении вариантов

Зафиксируем длину активной части, суммарный ток каждого витка, число витков, площадь меди и область размещения. Для N витков одинаковой длины сопротивление последовательной обмотки Rdc=Nl/(σAw). Для Litz площадь одного витка равна Nsπds²/4; она должна совпасть с площадью заменяемого провода.

Коэффициент заполнения — отношение суммарной площади меди к площади обмоточного окна. Он должен быть физически меньше единицы с учётом изоляции и зазоров. В гомогенизированном описании геометрическое окно и реальные жилы не обязаны иметь одинаковую форму, поэтому остаточная разница индуктивности включает геометрическое усреднение.

Для теста используются четыре круглые жилы диаметра 1 мм на квадратной решётке. MagnetWire содержит четыре витка того же диаметра в квадратном окне 2,5×2,5 мм; Litz заменяет каждый виток четырьмя жилами диаметра 0,5 мм. Площадь меди и ампер-витки одинаковы, но Litz физически имеет более тонкую отдельную жилу.

A_{Cu,turn}=N_s\frac{\pi d_s^2}{4},\qquad k_f=\frac{N A_{Cu,turn}}{A_{window}},\qquad R_{dc}=\frac{Nl}{\sigma A_{Cu,turn}}
(8.42)
Для теста kf≈0,5027; ток в цепи относится к одному последовательному витку, а не к сумме токов всех сечений.

Мощность, импеданс и смысл интегралов

При амплитудных фазорах активная входная мощность равна Re(VI*)/2. Для явной меди с действительной \sigma и \mu =\mu _{0} она совпадает с интегралом|J|^{2}/(2\sigma ). В гомогенизированной обмотке часть мелкомасштабных потерь описывается через эффективные комплексные свойства. Поэтому только интеграл 4 не обязательно собирает всю физическую мощность.

В новом опыте значение blockintegral(6), то есть полные потери, совпадает с активной мощностью на выводах во всех трёх вариантах. У MagnetWire на 10 кГц интеграл 4 заметно меньше интеграла 6. Разность нельзя произвольно объявлять гистерезисом меди: это способ представления потерь эффективной моделью.

Уменьшение потерь Litz не делает его универсально лучшим при любой частоте. В реальном проводе учитывают изоляцию, ухудшение заполнения, длину скрутки, неполную транспозицию, концевые соединения и теплоотвод. Нативная модель предполагает идеализированную структуру жил.

P=\frac12\operatorname{Re}(\widehat V\widehat I^*),\quad R_{ac}=2P/|I|^2,\quad k_{ac}=R_{ac}/R_{dc}
(8.43)
Отношение Rac/Rdc сравнивает потери при одинаковом действующем токе.

Четыре витка при 100 Гц и 10 кГц

Дано. Глубина 100 мм, \sigma =58 МСм/м, I_{\mathrm{peak}}=1 А; Rdc=8,781 мОм.

  1. На 100 Гц явная модель даёт 4,39139 мВт; MagnetWire 4,39050 мВт; Litz 4,39049 мВт. Все близки к I²Rdc/2=4{,}39048 мВт.

  2. На 10 кГц полные мощности соответственно 4,59171; 4,59692; 4,46879 мВт.

  3. У MagnetWire интеграл 4 равен 4,27092 мВт, а интеграл 6 и мощность на выводах 4,59692 мВт. Пропуск эффективной части дал бы неверный баланс.

Ответ. MagnetWire отличается от явной меди по мощности около 0,113%; Litz снижает потери в этой модели примерно на 2,68% относительно явной одножильной обмотки.

Проверка. Это одна геометрия и две частоты. Сходство одной полной мощности не проверяет локальное распределение тока или все частотные режимы.

Самостоятельное воспроизведение и расширение

  1. Запустите 05-winding-models.py; составьте таблицу Rac/Rdc для всех вариантов.
  2. Проверьте равенство площадей меди и ампер-витков до сравнения потерь.
  3. Сравните интегралы 4 и 6 с Re(VI*)/2; объясните, почему у эквивалентного провода они различаются.
  4. Уменьшите диаметр жил Litz, увеличивая их число с сохранением площади; отдельно измените окно, чтобы увидеть влияние заполнения.

Ожидаемый результат. Шесть гармонических решений и баланс мощности для каждого.

Проверка.

  • Одинаковая площадь меди.
  • Одинаковые ампер-витки.
  • Потери, вычисленные по полю, совпадают с активной мощностью на выводах.
Явные провода, MagnetWire и Litz

Новые геометрии, две частоты; контроль мощности, не универсальная валидация гомогенизации.

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
"""Четыре витка: явная медь, MagnetWire и идеальный Litz при равной площади меди.
FEMM5/MicroPython; глубина 100 мм, I_peak=1 А в каждом витке.
Явные провода d=1 мм; MagnetWire: четыре таких витка в окне 2.5x2.5 мм;
Litz: четыре витка по 4 транспонированные жилы d=0.5 мм.
Разница Litz/явный одножильный — физическая замена провода, не ошибка FEMM.
"""

# 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-winding-models")
rows = []
for frequency in [100, 10000]:
    for model in ["Explicit", "MagnetWire", "Litz"]:
        newdocument(0)
        mi_probdef(frequency, "millimeters", "planar", 1e-9, 100, 30)
        material("Air")
        mi_addcircprop("Winding", 1, 1)
        if model == "Explicit":
            material("Cu", sigma=58)
            for x in [-0.75, 0.75]:
                for y in [-0.75, 0.75]:
                    circle(x, y, 0.5)
                    label(x, y, "Cu", 0.04, "Winding", 1, 1)
        else:
            code = 3 if model == "MagnetWire" else 5
            strands = 1 if model == "MagnetWire" else 4
            diameter = 1 if model == "MagnetWire" else 0.5
            material("Cu", sigma=58, wire_type=code, strands=strands, diameter=diameter)
            mi_drawrectangle(-1.25, -1.25, 1.25, 1.25)
            label(0, 0, "Cu", 0.15, "Winding", 4, 1)
        label(3, 0, "Air", 1)
        mi_makeABC(7, 20, 0, 0, 0)
        solve(folder, "%s-%dHz" % (model, frequency))
        current, voltage, linkage = mo_getcircuitproperties("Winding")
        mo_groupselectblock(1)
        p4 = mo_blockintegral(4).real
        p6 = mo_blockintegral(6).real
        pin = (voltage * current.conjugate()).real / 2
        rows.append(
            {
                "model": model,
                "frequency_Hz": frequency,
                "P_ohmic_W": p4,
                "P_total_W": p6,
                "P_terminal_W": pin,
                "Z_ohm": pair(voltage / current),
                "Rdc_ohm": 4 * 0.1 / (58e6 * math.pi * 0.0005**2),
            }
        )
        close_magnetic()
        save_json(folder, rows)
assert all(row["P_total_W"] > 0 for row in rows)
print(rows)

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

Границы модели.

Оригинальное объяснение и собственный расчётный опыт. Тонкие изолированные транспонированные жилы и сплошной провод представляют разные физические конструкции.

Первоисточники: [31] (Метод явного и приближённого представления проводов; собственная геометрия дополнения.).

Вихретоковый аппарат: два независимых ориентира — TEAM 28 и труба

Электродинамический подвес и замкнутые токи

В электродинамическом подвесе переменное поле неподвижной катушки наводит токи в проводящем теле. Их взаимодействие с полем может уравновесить тяжесть. В TEAM 28 две концентрические обмотки взаимодействуют с алюминиевым диском; в осесимметричной модели токи диска замыкаются по окружности. Входные данные — частота, токи обмоток, высота диска и проводимость; выходные — средняя сила, потери и импеданс.

Труба с внутренним прямым проводом — другой объект. В конечной трубе без внешнего подключения суммарный продольный ток через поперечное сечение должен быть нулевым. Локальные положительные и отрицательные токи при этом остаются. Условие задаётся нулевым током цепи; зануление проводимости устранило бы сам изучаемый механизм.

Эти задачи проверяют разные стороны модели. TEAM 28 связывает расчёт с опубликованной высотой левитации, но имеет материальную и экспериментальную неопределённость. Труба допускает точную радиальную задачу с постоянными коэффициентами и независимо проверяет комплексный ток.

Средняя сила в гармонической модели

Мгновенная плотность силы Лоренца равна J\times B. Усреднение произведения амплитудных синусоид даёт Re(J×B*)/2. Для немагнитного алюминия объёмный интеграл применяется непосредственно. Ферромагнитное тело требует учёта намагниченности либо интеграла напряжений в окружающем воздухе.

Проверка равновесной высоты состоит в сравнении средней силы с mg. Исходная динамическая задача TEAM 28 включает движение и переходный процесс; её нельзя заменить одним гармоническим решением. Помимо средней силы существуют компоненты 2\omega, а при движении возможны дополнительные электромеханические связи.

Новая серия использует учебную team28-course.fem, адаптированную из официального примера FEMM 5. Русские имена свойств не меняют геометрию и физические параметры: 50 Гц, амплитуда тока 20 А, 960 и −576 витков. Для исходной асимптотической границы выполнены две сетки. Затем на плотной сетке та же внешняя дуга заменена условием A=0; последняя модель увеличивает только внешний радиус с 12 до 24 см. Катушки и диск сохраняются. Такой опыт непосредственно отделяет чувствительность силы TEAM 28 к внешней границе от общего сравнения границ на воздушной катушке.

\overline{\mathbf F}=\frac12\operatorname{Re}\int_V\widehat{\mathbf J}\times\widehat{\mathbf B}^{*}\,dV,\qquad\overline F_z(z_{eq})=mg
(8.44)
Амплитудные фазоры; применимость Лоренца к диску обусловлена \mu _{r}\approx 1.

Труба: уравнение поля и недостающее электрическое условие

В проводящем кольце окружная напряжённость H\theta (r) удовлетворяет модифицированному уравнению Бесселя. Общее решение записывается через I1 и K_{1}, однако встроенная среда не обязана иметь эти функции. Здесь радиальная задача решена методом Рунге—Кутты четвёртого порядка для двух фундаментальных решений. Это независимый одномерный расчёт, не подгонка к FE.

На внутренней стенке закон Ампера даёт 2πriH(ri)=I провода. При нулевом суммарном токе трубы также верно 2πroH(ro)=I провода. Два условия определяют коэффициенты решения. Плотность продольного тока находится из производной rH; разность rH на границах даёт полный ток трубы.

Без цепи I=0 FEMM допускает ненулевой продольный ток. Это изменение электрической схемы, а не численная ошибка. Намеренно изменённая модель показывает, почему геометрия, \sigma и \mu без электрического условия не определяют физическую задачу.

H\prime\prime+\frac1rH\prime-\left(\frac1{r^2}+\alpha^2\right)H=0,\quad\alpha^2=j\omega\mu\sigma
(8.45)
H=H\theta, радиусы в метрах.
H(r_i)=\frac{I}{2\pi r_i},\quad H(r_o)=\frac{I}{2\pi r_o},\quad J_z=\frac1r\frac{d(rH)}{dr},\quad I_{tube}=2\pi[rH]_{r_i}^{r_o}=0
(8.46)
Второе условие выражает отсутствие внешнего тока по трубе.

Фаза, норма ошибки и границы вывода

Сравнивать только модули J недостаточно: одинаковые амплитуды могут иметь разные фазы. Сохранены действительные и мнимые части H и J в двадцати точках. Нормированная RMS-ошибка строится по комплексной разности J_{\mathrm{FE}}-J_{\mathrm{ref}} и учитывает фазовую ошибку.

Радиальный эталон проверен 2000 и 4000 шагами; максимальная разность H существенно меньше 10⁻³ А/м. Это проверка интегрирования эталона. Сеточная пара FEMM 0{,}8/0{,}4 мм проверяет дискретизацию поля. Эти проверки не валидируют произвольную нелинейную сталь, концы короткой трубы или переходный процесс.

\varepsilon_J=\sqrt{\frac{\sum_n|J_{FE,n}-J_{ref,n}|^2}{\sum_n|J_{ref,n}|^2}}
(8.47)
Комплексная норма включает амплитудную и фазовую ошибки.

TEAM 28: расчёт и опубликованный ориентир

Дано. Опубликованная высота 11,3 мм; масса 0,107 кг; вес 1,04931 Н.

  1. Грубая сетка: Лоренц 1,021 Н, WST 1,001 Н. Мелкая: Лоренц 1,025 Н, WST 1,018 Н.

  2. На мелкой сетке потери диска 13,5119 Вт; методы силы отличаются приблизительно на 0,671%.

  3. Лоренц на мелкой сетке ниже веса на 2,314%. Историческая страница публикует около 1,007 Н для своих моделей; это отдельные данные.

Ответ. Подтверждён масштаб силы, но осталось ненулевое расхождение с опубликованным равновесием.

Проверка. Две сетки не доказывают асимптотическую сходимость. Геометрию, материалы, амплитуду тока и измерительную неопределённость рассматривают отдельно.

Труба: одно условие меняет весь ответ

Дано. ri=12,7 мм, ro=25,4 мм, \mu _{r}=1000, \sigma =10 МСм/м, f=1 Гц, амплитуда 100 А, глубина 1 м.

  1. При I трубы=0 комплексная RMS-ошибка J уменьшается с 0,3357% на сетке 0,8 мм до 0,1505% на сетке 0,4 мм.

  2. На мелкой сетке суммарный ток около (1{,}43\cdot 10^{-13}+j1{,}52\cdot 10^{-12}) А, потери 1,76182 Вт.

  3. Без ограничения I=0 ток трубы становится -116{,}114-j13{,}227 А, потери 1,04429 Вт; разница с эталоном нулевого тока возрастает до 63,39%.

Ответ. Изменилось электрическое замыкание, поэтому ответ другой при прежней геометрии и материалах.

Проверка. f=1 Гц означает \omega =2\pi рад/с. Неоднозначное обозначение частоты в исторической таблице исправляется по физическому смыслу.

TEAM 28: одна геометрия, асимптотическая граница и A=0

Дано. Плотная сетка h=0{,}0625 см, прежняя высота диска 11,3 мм; вес 1,049 Н.

  1. При радиусе 12 см исходная асимптотическая граница даёт Лоренц 1,025 Н, WST 1,018 Н и потери диска 13,51 Вт.

  2. При том же радиусе и той же сетке A=0 даёт Лоренц 2,15 Н, WST 2,144 Н и потери 30 Вт. Число элементов в обеих моделях равно 135198; отдельно проверены совпадение узлов и связности.

  3. При A=0 и радиусе 24 см: Лоренц 1,152 Н, WST 1,146 Н, потери 14,23 Вт; 538015 элементов. Геометрия катушек и диска не меняется.

Ответ. Близкая A=0 более чем удваивает среднюю силу относительно асимптотики. При прежней высоте остаток F−mg равен +1{,}101043 Н для 12 см и +0{,}102730 Н для 24 см: эти модели уже не воспроизводят заявленное равновесие.

Проверка. Удвоение области уменьшает искажение, но 24 см ещё не доказывает сходимости к бесконечной области. Для новой равновесной высоты нужна отдельная серия по положению; здесь рассчитан только остаток в опубликованной точке.

Самостоятельное воспроизведение и расширение

  1. Запустите 08-dipole-team28.py и 04-tube.py.
  2. Сравните Лоренц, WST и вес; сохраните ненулевые расхождения.
  3. Для трубы восстановите фазу из пары (\operatorname{Re} , \operatorname{Im} ), затем проверьте суммарный ток.
  4. Уточняйте шаг радиального эталона и сетку конечных элементов раздельно; объясните изменение схемы после снятия I=0.

Ожидаемый результат. Четыре варианта TEAM 28 и три решения трубы; сетки, внешние границы, комплексные профили и мощности.

Проверка.

  • Фактор 1/2 в средней силе.
  • Нулевой суммарный ток трубы.
  • Исторические данные отделены от новых расчётов.
Дипольный момент и TEAM 28

Семь дипольных положений и четыре варианта TEAM 28: две сетки, две границы и увеличенная область. Только статический момент и установившаяся сила.

Скачать программу для встроенного Python FEMM 5

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

MicroPython · FEMM 5
"""Два официальных эталона, повторённых в FEMM5: точный момент и TEAM28.
Используются учебные torque-benchmark-course.fem и team28-course.fem с русскими именами свойств.
Диполь: m=1Ам²,B=1Тл; изменяется внутренний угол AGE без пересоздания сетки.
TEAM28: только установившаяся гармоническая сила при измеренной высоте11.3мм,
не полная переходная задача. Историческую силу автора не используем как ответ.
"""

# 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-dipole-team28")
data = {"dipole": [], "team28": []}
for angle in [0, 30, 60, 90, 180, 270, 360]:
    opendocument(os.path.abspath("torque-benchmark-course.fem"))
    mi_modifyboundprop("Воздушный зазор AGE", 10, angle)
    solve(folder, "dipole-%d" % angle)
    torque = mo_gapintegral("Воздушный зазор AGE", 0)[0]
    exact = math.sin(angle * math.pi / 180)
    data["dipole"].append(
        {
            "angle_deg": angle,
            "torque_Nm": torque,
            "exact_Nm": exact,
            "absolute_error_Nm": abs(torque - exact),
            "elements": mo_numelements(),
        }
    )
    close_magnetic()
    save_json(folder, data)
for mesh_cm, boundary_name, radius_cm in [
    (0.125, "Asymptotic", 12),
    (0.0625, "Asymptotic", 12),
    (0.0625, "A0", 12),
    (0.0625, "A0", 24),
]:
    opendocument(os.path.abspath("team28-course.fem"))
    if boundary_name == "A0":
        # Меняется только физическое свойство внешней дуги.
        mi_modifyboundprop("Асимптотическая внешняя граница", 9, 0)
    if radius_cm != 12:
        # Увеличиваем только внешнюю дугу и два её осевых узла.
        # Катушки, диск, метки и заданная ближняя плотность сетки не меняются.
        mi_selectarcsegment(12, 0)
        mi_setgroup(99)
        mi_clearselected()
        mi_selectnode(0, -12)
        mi_selectnode(0, 12)
        mi_setgroup(99)
        mi_clearselected()
        mi_selectgroup(99)
        mi_scale(0, 0, radius_cm / 12, 4)
        mi_clearselected()
    # Размеры исходного файла в сантиметрах, ток20А — амплитуда.
    for r, z, name, turns in [
        (0.9, -0.1, "Воздух", 0),
        (4.2, -0.1, "Обмотка", 960),
        (8.8, 0.3, "Обмотка", -576),
        (3.89, 3.92, "Aluminum", 0),
    ]:
        # Имена исходного материала диска читаются непосредственно ниже.
        if name == "Aluminum":
            continue
        mi_selectlabel(r, z)
        mi_setblockprop(name, 0, mesh_cm, "Ток возбуждения" if turns else "<None>", 0, 0, turns)
        mi_clearselected()
    mi_selectlabel(3.89, 3.92)
    mi_setblockprop("Алюминиевый диск", 0, mesh_cm, "<None>", 0, 2, 0)
    mi_clearselected()
    solve(folder, "team28-%s-R%d-mesh-%g" % (boundary_name, radius_cm, mesh_cm))
    mo_selectblock(3.89, 3.92)
    data["team28"].append(
        {
            "mesh_cm": mesh_cm,
            "boundary": boundary_name,
            "outer_radius_cm": radius_cm,
            "Lorentz_Fz_N": mo_blockintegral(12).real,
            "WST_Fz_N": mo_blockintegral(19).real,
            "disc_power_W": mo_blockintegral(4).real,
            "weight_N": 0.107 * 9.80665,
            "elements": mo_numelements(),
        }
    )
    close_magnetic()
    save_json(folder, data)
assert max(x["absolute_error_Nm"] for x in data["dipole"]) < 0.002
print(data)
Труба и независимый комплексный радиальный эталон

Три варианта; RK4 без scipy, комплексные профили в двадцати точках.

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
"""Проводящая труба: FE и независимое интегрирование точного радиального ОДУ.
FEMM5/MicroPython, без scipy. ri=12.7мм,ro=25.4мм,mu_r=1000,sigma=10МСм/м,
f=1Гц,I_peak=100А, глубина1м. Сначала труба I=0, затем заземлённая на бесконечности.
RK4 решает линейное комплексное ОДУ; 2000 и 4000 шагов проверяют интегрирование.
"""

# 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-tube")
ri, ro = 0.0127, 0.0254
alpha2 = 1j * 2 * math.pi * 1000 * MU0 * 1e7


def integrate(h_initial, d_initial, count):
    step = (ro - ri) / count
    h, d = complex(h_initial), complex(d_initial)
    values = [[ri, h, d]]

    def slope(r, h, d):
        return d, (1 / r**2 + alpha2) * h - d / r

    for n in range(count):
        r = ri + n * step
        a, b = slope(r, h, d)
        c, e = slope(r + step / 2, h + a * step / 2, d + b * step / 2)
        f, g = slope(r + step / 2, h + c * step / 2, d + e * step / 2)
        k, l = slope(r + step, h + f * step, d + g * step)
        h += step * (a + 2 * c + 2 * f + k) / 6
        d += step * (b + 2 * e + 2 * g + l) / 6
        values.append([r + step, h, d])
    return values


def reference(count):
    a = integrate(100 / (2 * math.pi * ri), 0, count)
    b = integrate(0, 1, count)
    coefficient = (100 / (2 * math.pi * ro) - a[-1][1]) / b[-1][1]
    return [
        [v[0], v[1] + coefficient * w[1], v[2] + coefficient * w[2]]
        for v, w in zip(a, b)
    ]


ref = reference(4000)
ref_coarse = reference(2000)
ode_difference = max(abs(ref[2 * n][1] - ref_coarse[n][1]) for n in range(2001))
rows = []
for constrained, mesh in [(True, 0.8), (True, 0.4), (False, 0.4)]:
    newdocument(0)
    mi_probdef(1, "millimeters", "planar", 1e-10, 1000, 30)
    material("Air")
    material("Steel", 1000, 10)
    mi_addcircprop("Wire", 100, 1)
    mi_addcircprop("Tube", 0, 0)
    circle(0, 0, 2.54)
    circle(0, 0, 12.7)
    a0_circle(25.4)
    label(0, 0, "Air", mesh, "Wire", 1, 1)
    label(5, 0, "Air", mesh)
    label(20, 0, "Steel", mesh, "Tube" if constrained else "<None>", 1, 2)
    solve(folder, "Izero-%s-mesh-%g" % (constrained, mesh))
    samples = []
    numerator, denominator = 0, 0
    for index in range(100, 4000, 200):
        r, h, derivative = ref[index]
        exact_j = derivative + h / r
        p = mo_getpointvalues(r * 1000, 0)
        j = (p[7] + p[8]) * 1e6
        samples.append(
            {
                "r_m": r,
                "H_exact": pair(h),
                "H_FE": pair(p[6]),
                "J_exact": pair(exact_j),
                "J_FE": pair(j),
            }
        )
        numerator += abs(j - exact_j) ** 2
        denominator += abs(exact_j) ** 2
    mo_groupselectblock(2)
    rows.append(
        {
            "Izero": constrained,
            "mesh_mm": mesh,
            "tube_current_A": pair(mo_blockintegral(7)),
            "power_W": mo_blockintegral(4).real,
            "relative_RMS_J_error": math.sqrt(numerator / denominator),
            "ode_mesh_difference_A_per_m": ode_difference,
            "samples": samples,
        }
    )
    close_magnetic()
    save_json(folder, rows)
assert ode_difference < 1e-3
assert abs(complex(*rows[1]["tube_current_A"])) < 1e-5
assert rows[1]["relative_RMS_J_error"] < 0.08
print(rows)

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

Границы модели.

Авторские разборы сопровождаются результатами расчётов в FEMM 5. Библиотечный оригинал TEAMProblem28.fem хранится отдельно для сверки; в курсе используется адаптированная учебная копия. Модель трубы построена заново. Опубликованная высота служит внешним ориентиром и не является результатом нового измерения.

Первоисточники: [62] (§1–3: измеренная высота, масса, Лоренц/WST и историческая таблица.); [14] (Problem Setup; Analytical Solution; условие нулевого тока.).

Практикум в FEMM 5

Проверка числа витков и их знаков

Таблица 8.11. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Тип задачиПлоскопараллельная (Planar)
Глубина модели20мм
Наружный квадрат магнитопровода60 \times 60мм
Окно магнитопровода40 \times 40мм
Относительная проницаемость линейного сердечника1000
Витки первой / второй обмотки100 / 50
Частота0Гц
Радиус внешней границы150мм
  1. Создайте плоскопараллельную модель в миллиметрах с Depth=20 мм и Frequency=0. Постройте два концентрических квадрата: наружный x,y=\pm 30 \,\text{мм}, внутренний x,y=\pm 20 \,\text{мм}. Область между ними — один линейный магнитопровод с \mu_r=1000 и \sigma=0.
  2. Обмотка 1 охватывает левый стержень: прямоугольники x=-40\ldots -30 и x=-20\ldots -10 \,\text{мм}, в обоих y=-10\ldots 10 \,\text{мм}. Назначьте цепь «Обмотка 1» типа series и соответственно +100 и -100 витков.
  3. Обмотка 2 охватывает правый стержень: прямоугольники x=10\ldots 20 и x=30\ldots 40 \,\text{мм}, y=-10\ldots 10 \,\text{мм}. Для положительного взаимного потокосцепления назначьте цепь «Обмотка 2» и соответственно -50 и +50 витков. Подпишите на схеме выбранный положительный обход потока.
  4. Замкните внешнюю квадратную область x,y=\pm 150 \,\text{мм} и назначьте Prescribed A=0. Полуширина квадрата равна 150 \,\text{мм}; это не радиус окружности. Метки воздуха необходимы во всех независимых замкнутых воздушных областях, включая окно. Материал обмоток: \mu_r=1, \sigma=0, без дополнительного источника J.
  5. Задайте размер элемента в железе и обмотках не более 2 \,\text{мм}. Сначала возбудите только одну цепь, затем другую; каждый раз сохраняйте отдельную копию задачи и оба потокосцепления из View → Circuit Properties.
  6. Задайте I_{1}=1 \,\text{А}, I_{2}=0. Снимите \Psi_{1} и \Psi_{2}.
  7. Замените Turns обмотки 2 \,\text{с} (-50;+50) на (+50;-50), оставьте I_{2}=0 и повторите расчёт.
  8. Сравните \Psi_{1}, модуль \Psi_{2} и знак \Psi_{2}. Затем верните исходные знаки; обмотка 2 должна быть разомкнутой по току, а не удалённой из модели.

Ожидаемый результат. Поле при I_{2}=0 не меняется от смены ориентации измерительной обмотки; \Psi_{1} сохраняется, \Psi_{2} меняет знак.

Как проверить. Проверьте, что в материале обмоток нет дополнительного J и что series выбран у обеих цепей.

Обработка и анализ результатов

Дают ли одинаковые ампер-витки одинаковые поле и потокосцепление?

  1. Запишите ток, число витков, поле и потокосцепление согласованных вариантов.
  2. Сравните результаты при согласованном возбуждении; проверьте знаки и разделите ток витка, ампер-витки и потокосцепление.

С чем сравнить. Опора — закон Ампера и определения цепи и потокосцепления из занятия. Масштабирование по току линейно только для линейного материала при неизменной геометрии.

Итог работы. Сравнение поля и потокосцепления с объяснением их различного масштабирования.

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

Откройте модель, воспроизведите указанный режим и сопоставьте свои измерения с таблицей результатов.

Таблица 8.12. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота0Гц
Ток цепи Катушка1А
Потокосцепление цепи Катушка95,85 × 10⁻⁶Вб
Энергия поля47,92 × 10⁻⁶Дж
Модуль B в контрольной точке608,5 × 10⁻⁶Тл
Координаты контрольной точки (r, z)0,001; 0мм
Визуализация численных данных FEMM 5: Воздушная катушка. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 8.10. Визуализация численных данных FEMM 5: Воздушная катушка. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.

Осесимметричная учебная модель. Независимо проверены изменения сетки и внешнего радиуса; аналитическая модель тонкостенного соленоида служит отдельным приближённым ориентиром.

Ориентиры в интерфейсе
Учебная обмоточная область: относительная проницаемость 1 и нулевая проводимость; источник задаётся цепью.
Рисунок 8.11. Учебная обмоточная область: относительная проницаемость 1 и нулевая проводимость; источник задаётся цепью. Открыть в полном размере
Последовательная цепь Coil: ток 1 А; число витков задаётся отдельно в метке области.
Рисунок 8.12. Последовательная цепь Coil: ток 1 А; число витков задаётся отдельно в метке области. Открыть в полном размере
Свойства метки катушки: материал Winding, цепь Coil и 100 витков.
Рисунок 8.13. Свойства метки катушки: материал Winding, цепь Coil и 100 витков. Открыть в полном размере
Поле воздушной катушки: осесимметричный магнитостатический эталон FEMM 5.
Рисунок 8.14. Поле воздушной катушки: осесимметричный магнитостатический эталон FEMM 5. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

При N=50 и I=2 \,\text{А} сравните поле с N=100, I=1 \,\text{А}, затем объясните отличие \Psi.

Критерий выполнения: Поле практически одинаково при одинаковом NI; потокосцепление вдвое меньше при вдвое меньшем N.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 32–38
  2. [20] — 14–16, 42 скачанного ENSEM_TP_FEMM.pdf
  3. [19] — 20 скачанного раздела Bianchi_FEMM_Lua_section.pdf; номер страницы оригинала на 35 больше
  4. [31] — Метод явного и приближённого представления проводов; собственная геометрия дополнения.
  5. [62] — §1–3: измеренная высота, масса, Лоренц/WST и историческая таблица.
  6. [14] — Problem Setup; Analytical Solution; условие нулевого тока.
Пояснения и типичные ошибки
Почему две стороны +100 и -100 не дают 200 витков?

Это два сечения одних и тех же 100 замкнутых витков.

Чем заданный J отличается от полного?

Полный включает индуцированный проводящий отклик.

Чему равен ток короткозамкнутой вторичной обмотки?

Он определяется условием U_{2}=0 и магнитной связью; заранее нулём его не задают.

На что обратить внимание

  • Одновременно задать ток цепи и соответствующую ему плотность тока J.
  • Использовать параллельную цепь (Parallel) для обычной многовитковой обмотки.
  • Считать U_{2}=0 эквивалентным I_{2}=0.