FEMM 5

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

Занятие 8.7

Одна катушка и потокосцепление без смешения с потоком

Цель и задачи

Цель. Получить индуктивность катушки из независимых наблюдений.

Задачи

  • Различать \Phi и \Psi.
  • Вывести L=N^2/\mathcal R для идеальной цепи.
Что нужно вспомнить перед началом

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

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Определение потокосцеплений, индуктивности и запаса энергии

Инженерный вопрос. Согласуются ли потокосцепление и энергия линейной катушки?

Потокосцепления, индуктивность и запас энергии превращают полевую модель в параметры электрической цепи. Они нужны для выбора числа витков, тока, магнитной связи и рабочего диапазона до расчёта динамики.

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. Выберите секущее, дифференциальное или взаимное определение параметра; запишите условия применимости энергетической формулы.

  2. Идеальная катушка на линейном сердечнике. Проверьте переход от тока и потокосцепления к параметру цепи и энергии в том же рабочем состоянии.

  3. Индуктивность из двух измерений. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Запишите ток, потокосцепление и энергию одного режима.

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

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Две оценки индуктивности с объяснением условий их согласия.

Данные именно этого опыта. Запишите ток, потокосцепление и энергию одного режима.

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

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Относительное расхождение двух L менее 1\,\% после сеточной проверки; один источник, корректная Depth и все области энергии.

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

Критерий выполнения. B удваивается, \Psi и W_{\text{м}} увеличиваются в четыре раза; выбранная линейная модель и геометрия не изменены.

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

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

Вывод для устройства

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

Границы вывода. Параметр относится к указанной рабочей точке и определению индуктивности. Торцевые поля, сопротивление и нагрев не возникают автоматически из магнитостатической энергии.

Дополнительный расчётный метод

Потокосцепление и ЭДС обмотки: сравнение независимых способов

Сравнение независимых способов потокосцепления позволяет проверить фазную ЭДС и количественно оценить вклад высших гармоник.

Лабораторные работы по методу: Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Измерительная рамка: от поля провода к ЭДС

Получаемые величины. Ψф и E ф, rms; вклад гармоник в \Psi и ЭДС; расхождение способов интегрирования; влияние насыщения и положения ротора

  1. Проверяем витки, ветви, полюса, длину и ось фазы.
  2. Сопоставляем сумму зубцовых потоков, усреднение A по сторонам и circuit flux linkage.
  3. Проверяем спектральный способ по B_{\delta} и обмоточной функции.
  4. Получаем \Psi (\theta ) и E=-\omega d\Psi /d\theta; повторяем с нелинейной сталью.
\frac{\widehat\Psi_\nu}{\widehat\Psi_1}=\frac{\widehat B_\nu}{\widehat B_1}\frac{k_{w\nu}}{k_{w1}}\frac{1}{\nu}
Отношение записано для согласованных пространственных гармоник и одной обмотки; при комплексном представлении сохраняются их фазовые углы.
\frac{E_{\nu,\mathrm{rms}}}{E_{1,\mathrm{rms}}}=\nu\frac{\widehat\Psi_\nu}{\widehat\Psi_1}
При постоянной скорости \nu-я пространственная гармоника потокосцепления изменяется вνраз быстрее основной; дифференцирование убирает множитель 1/\nu.
Численный пример применения метода

Заданы B_{1}=0{,}90 Тл, B_{5}=0{,}12 Тл и коэффициенты обмотки из примера q=3, \varepsilon =20^\circ:kw1=0,9452,kw5=0,1398. Оцениваем модули вкладов при постоянной скорости.

  1. Отношение амплитуд поля B_{5}/B_{1}=0.133333.
  2. С учётом обмотки и порядка гармоники получаем \Psi 5/\Psi 1=0.00394549.
  3. После дифференцирования E_{5}/E_{1}=5\Psi 5/\Psi 1=0.01972745.

Ответ. Пятая гармоника даёт 0.3945%основного потокосцепления, но 1.9727%основной ЭДС. Поэтому небольшое искажениеΨне обязательно означает столь же малое искажение напряжения.

Страницы источника. PDF 1–6: геометрия и прямые методы; 7–12: спектр; 12–13: вращающийся вектор; 14–16: программа и варианты

Литература по методу

Моделирование опытов Эрстеда и Фарадея

Момент магнитной стрелки связывает опыт с вычисляемой характеристикой. Сравнение дискретной токовой и полевой моделей отделяет статический момент от движения с заданной инерцией.

Лабораторные работы по методу: Опыт Эрстеда: момент стрелки, эквивалентный ток и движение; Измерительная рамка: от поля провода к ЭДС

Получаемые величины. момент стрелки M(\theta ); ошибка дискретизации токового слоя; эквивалентные \mu и намагниченность; угол и энергия движения при заданном Jмех

  1. Зафиксировать геометрию провода, стрелки и источник.
  2. Вычислить поле внешнего тока и силу каждого элемента эквивалентного токового слоя.
  3. Суммировать моменты и уточнить число элементов/толщину слоя при сохранении полных токов.
  4. Сравнить с FEMM при совместимых свойствах материала.
  5. Для динамики добавить момент инерции и оговорённое трение, проверить шаг времени и баланс энергии.

Страницы источника. PDF 1–19 полностью: 1–4 опыты и амперовская модель; 5–14 алгоритм сил и программные иллюстрации; 15–17 сравнение FEMM; 18–19 движение стрелки.

Литература по методу

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

Энергия магнитного поля через векторный потенциал

Независимые энергетические определения связывают поле с параметрами цепи и электромеханическим преобразованием. Сравнение зависит от принятого материального закона и удерживаемых величин.

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; Определение коэффициентов поля явнополюсной машины; Синхронный генератор: от полевых параметров к внешней и угловой характеристикам; 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

Получаемые величины. AJ=\int A\cdot J dV; W и W'; матрица индуктивностей и перекрёстное насыщение; устойчивость параметров при сетке и перемещении

  1. Для линейной токовой системы сопоставить AJ, \Sigma i\Psi и 2W.
  2. Для нелинейной системы интегрировать H по B и B по H, сохраняя одну рабочую точку.
  3. Определить секущие и локальные параметры отдельными опытами.
  4. Проверить сетку в узких зазорах и перенос карты в уравнения цепи/механики.

Страницы источника. PDF 1–7: энергия и функционал; 8–9: нелинейная магнитная цепь; 10–18: постановка и параметры; 19–25: сетка и движение; 26–30: связанные модели.

Литература по методу

Аналоговые модели электромагнитного поля

Сходство краевых задач позволяет связать магнитную проводимость с проводимостью токового аналога. Коэффициенты масштаба переводят измеряемую величину аналога в параметр исходного устройства.

Лабораторные работы по методу: Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия

Получаемые величины. масштабы потенциала, поля и потока; электрическая и магнитная проводимости; ошибка резистивной сетки относительно непрерывной задачи

  1. Сопоставить уравнения и граничные условия двух физических задач.
  2. Задать масштабы геометрии, потенциала и свойств с единицами.
  3. Получить поток и ток на сходственных границах.
  4. Уточнить дискретную сеть или полевую сетку и проверить выбранную интегральную величину.

Страницы источника. PDF 1–18 полностью: 1–6 прямая аналогия; 7–12 обратная и токовводы; 13–15 сеточные аналоги; 16–18 нелинейные аналоги.

Литература по методу

Теория и вывод формул

Индуктивность линейной катушки можно определить по потокосцеплению и независимо проверить по энергии магнитного поля. Согласование этих оценок требует одинаковых исходных данных, единиц и геометрических множителей.

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. (8.55) · Каждый виток имеет свой сцепленный поток
  2. (8.56) · Вывод через магнитное сопротивление
  3. (8.57) · Распределённая обмотка и потенциал
  4. (8.58) · Вывод энергетической проверки
  5. (8.59) · Вывод индуктивности из закона Ампера
  6. (8.60) · Вывод индуктивности из закона Ампера
  7. (8.61) · Рассеяние распределённой намотки и нормировка A
  8. (8.62) · Рассеяние распределённой намотки и нормировка A
  9. (8.63) · Численный пример
  10. (8.64) · Численный пример
  11. (8.65) · От закона Био—Савара к условию Гельмгольца
  12. (8.66) · От закона Био—Савара к условию Гельмгольца
  13. (8.67) · Пространственное усреднение и электрический выход
  14. (8.68) · Пространственное усреднение и электрический выход
  15. (8.69) · Сопротивление, индуктивность и конечный сердечник
  16. (8.70) · Как составить бюджет калибровки
  17. (8.71) · Магнитопровод и намагничивающая обмотка
  18. (8.72) · Магнитопровод и намагничивающая обмотка
  19. (8.73) · Оценка линейного сердечника

Каждый виток имеет свой сцепленный поток

Магнитный поток определяется поверхностным интегралом индукции. Для тонкой многовитковой обмотки потокосцепление — сумма таких потоков по поверхностям отдельных замкнутых витков; по теореме Стокса каждый вклад равен циркуляции векторного потенциала A по соответствующему витку. Направление обхода и нормаль согласуют правилом правой руки. Формула \Psi=N\Phi получается только при одинаковом сцепленном потоке всех N витков. В воздушной катушке наружные и внутренние витки могут охватывать разные потоки, поэтому одной центральной B недостаточно. Для обмотки конечного сечения дополнительно учитывают распределение проводников; FEMM вычисляет потокосцепление из потенциала и назначенных областям витков.

\Phi_S=\int_S\mathbf B\cdot\mathbf n\,\mathrm dS,\qquad \Psi=\sum_{k=1}^{N}\int_{S_k}\mathbf B\cdot\mathbf n_k\,\mathrm dS=\sum_{k=1}^{N}\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l
(8.55)
\partial S_k=C_k; интеграл A по одному замкнутому тонкому витку даёт его сцепленный поток. Сумма учитывает всю обмотку; \Phi и \Psi измеряются в Вб.

Вывод через магнитное сопротивление

Сначала задают контур C и определяют его МДС как \mathcal F_C=\oint_C\mathbf H\cdot\mathrm d\mathbf l. В магнитостатике закон Ампера даёт \mathcal F_C=\int_S\mathbf J\cdot\mathbf n\,\mathrm dS. Для контура, сцепленного с N последовательными витками одного направления, правая часть равна NI. Только при постоянной касательной H вдоль среднего пути длины l интеграл превращается в Hl. Если B равномерна и нормальна сечению S, поток равен BS. Подстановка линейного закона B=\mu H даёт NI=\Phi l/(\mu S); при одинаковом сцепленном потоке витков получается L=N^2/\mathcal R. Это приближение магнитной цепи предполагает малые рассеяние и выпучивание потока; полевой расчёт позволяет проверить эти допущения.

\mathcal R=\frac l{\mu S},\qquad \Phi=\frac{NI}{\mathcal R},\qquad L=\frac\Psi I=\frac{N^2}{\mathcal R}
(8.56)
\mathcal R в \text{А}/\text{Вб}=1/\text{Гн}; l в м; S в \text{м}^2; L в Гн. Равенство \Psi=N\Phi — отдельное допущение.

Распределённая обмотка и потенциал

Для плоской катушки разность средних значений A_z по двум сторонам, умноженная на число витков и глубину, даёт потокосцепление при принятом равномерном распределении проводников. Числа витков со знаком объединяют вклады многих областей. Равномерное добавление константы к A_z сокращается только для замкнутой согласованной обмотки; это полезная проверка знаков. Потенциальный способ объясняет, почему \Psi зависит от всей намотки, а не только от одного сечения сердечника.

\Psi=d\sum_qN_q\langle A_z\rangle_q,\qquad \langle A_z\rangle_q=\frac1{S_q}\int_{S_q}A_z\,\mathrm dS
(8.57)
N_q — число витков области q с учётом знака; d — глубина в м. Для замкнутой плоской обмотки алгебраическая сумма N_q равна нулю.

Вывод энергетической проверки

При медленном обратимом нарастании тока электрическая работа без потерь равна интегралу i\cdot \mathrm d\Psi. Для линейной \Psi=Li при неизменной геометрии интегрирование даёт W_{\text{м}}=LI^2/2. Отсюда L=2W_{\text{м}}/I^{2}. Энергия должна быть собрана по всему полю, включая воздух, а не только по железу. Метод применим к линейной системе без независимого постоянного источника. Он не превращается в универсальную формулу для магнита или насыщаемого сердечника, где зависимость имеет иной вид.

W_\text{м}=\int_0^\Psi i(\widetilde{\Psi})\,\mathrm d\widetilde{\Psi}=\frac12LI^2
(8.58)
\widetilde{\Psi} — переменная интегрирования потокосцепления; формула последнего равенства требует линейной \Psi=LI и отсутствия постоянного смещения.

Что значит расхождение методов

L из \Psi и из энергии должны согласовываться в линейном контрольном опыте. Существенное расхождение часто означает, что выделены не все области энергии, неверно учтена глубина или перепутаны витки. Незначительная разность может быть обусловлена дискретизацией и особенностями вычисления интегралов. Проверку повторяют на более мелкой сетке. Для катушки с постоянным магнитом \Psi содержит ненулевой вклад при I=0; отношение \Psi/I тогда вообще не является собственной индуктивностью.

Как перейти от эталона к реальной обмотке

Идеальная формула N^2/\mathcal R даёт масштаб и контроль размерностей. FEMM добавляет неоднородное поле и рассеяние выбранного двумерного приближения. Сопротивление меди и лобовое рассеяние находятся отдельно: они не входят в магнитостатическую энергию воздушного эталона. В отчёте нужно хранить одновременно исходный I, \Psi, W_{\text{м}} и вычисленные L двумя способами. Проверьте квадратичный закон по числу витков и обратную зависимость от магнитного сопротивления; аналитическая оценка служит ориентиром для полевого результата.

В линейной системе без смещения \Psi=LI, поэтому статическая L_{\text{ст}}=\Psi/I и динамическая L_{\text{дин}}=\mathrm d\Psi/\mathrm dI совпадают при фиксированной геометрии. Различать два значения необходимо для нелинейной характеристики, например при насыщении сердечника с B\text{–}H-кривой. Изменение L с положением само по себе не делает систему нелинейной по току.

Вывод энергетической связи непосредственно из напряжения

У идеальной обмотки без сопротивления напряжение равно скорости изменения потокосцепления. Мгновенная электрическая мощность равна произведению тока на эту скорость. Интегрирование мощности по времени даёт работу как интеграл тока по потокосцеплению. Если геометрия неподвижна и процесс обратим, эта работа запасается в магнитном поле. В линейном случае ток выражается как потокосцепление, делённое на индуктивность, и площадь интеграла становится треугольником. Так получаются формула энергии и её обратное использование для проверки L. При изменяющейся геометрии часть работы становится механической; при сопротивлении часть уходит в потери. Поэтому энергетический контроль чистой статической катушки требует специально сохранить эти исходные допущения.

Вывод индуктивности из закона Ампера

Магнитная цепь здесь линейная, поток по всем виткам одинаков, а рассеяние потока и его выпучивание у краёв зазора пренебрежимо малы.

  1. Интегрируйте напряжённость вдоль среднего пути и используйте однородность поля и сечения.

    \mathcal F_C=\oint_C\mathbf H\cdot\mathrm d\mathbf l=NI\ \longrightarrow\ NI=Hl=\frac{Bl}{\mu}=\Phi\frac{l}{\mu S}=\mathcal R\Phi
    (8.59)
  2. При одинаковом сцепленном потоке всех витков сумма интегралов превращается в N\Phi. Деление на ток даёт квадрат числа витков в линейной индуктивности.

  3. Малая электрическая работа при неизменной геометрии равна току, умноженному на приращение потокосцепления. В линейной модели её интеграл совпадает с коэнергией.

    W=\int_0^\Psi i(\widetilde{\Psi})\,\mathrm d\widetilde{\Psi}=\frac{\Psi^2}{2L}=\frac{LI^2}{2}
    (8.60)
Таблица 8.16. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
NЧисло витков с учётом принятого направления1
IТок обмотки; в статике постоянныйА
\PhiМагнитный поток через выбранную поверхностьВб
\PsiПотокосцепление обмоткиВб
LИндуктивность при явно указанной линеаризацииГн
WМагнитная энергияДж

Границы применимости. Формула через магнитное сопротивление — приближение для выбранного пути потока. Полевое потокосцепление позволяет учесть рассеяние, которое такая одноветвевая схема опускает.

Связь с общими определениями

Определения и границы применимости собраны в занятии Статическая и динамическая индуктивности. Используйте интегральную запись как исходную; алгебраические формулы применяйте после проверки перечисленных там условий.

Рассеяние распределённой намотки и нормировка A

Поток рабочего зазора \Phi р, поток выбранного сечения стержня \Phi_{\text{ст}} и потокосцепление \Psi являются разными интегральными величинами. При распределённом рассеянии не каждый виток охватывает весь поток данного сечения. Поэтому \Psi /N нельзя без проверки назвать потоком рабочего зазора. Коэффициенты \Phi_{\text{ст}}/\Phi р и \Psi/(N\Phi р) требуют отдельных определений.

Например, три секции по 100 витков сцеплены с потоками 50, 55 и 60 мкВб. Их \Psi =100\cdot (50+55+60) мкВб=0,0165 Вб; средний сцепленный поток 55 мкВб не равен рабочим 50 мкВб. Это собственный секционный контроль определения, а не решение геометрии FEMM.

В линейной цепи с общим сцеплением \Lambda =\Phi /(NI ), поэтому \Psi =N\Phi =N^{2}\Lambda I. При нелинейной B(H) или неодинаковом сцеплении нельзя переносить одну постоянную \Lambda на все токи и секции. Секущая \Psi /I и локальная d\Psi /dI в насыщении различаются; само наличие рассеяния не обязательно означает нелинейность.

Для обычного A_z в Planar ориентированный поток поверхности, полученной экструзией отрезка на глубину \ell, равен \ell \Delta A_z. Дополнительный \mu _{0} здесь отсутствует: [A_z]=Вб/м. В формулах 3.33–3.34 книги на с. 134 встречается лишний \mu _{0} относительно её же B=\operatorname{rot} A на с. 174. В курсе используем согласованную с FEMM нормировку; знак \Delta A_z выбирается по нормали и направлению обхода.

\Psi=\sum_{k=1}^N\Phi_k,\qquad \Psi=N\Phi\ \text{при общем сцеплении},\qquad L=N^2\Lambda\ \text{для линейной общей цепи}
(8.61)
Формула N^{2}\Lambda следует из двух определений; оба множителя N имеют разное происхождение.
\mathbf B=\operatorname{rot}\mathbf A,\quad \Phi=\ell\,\Delta A_z,\quad[\ell\,\Delta A_z]=\mathrm{Wb}
(8.62)
Ориентированная разность потенциала и глубина дают поток без дополнительного \mu _{0}.
  1. Для каждой секции умножаем её собственный поток на число витков и суммируем; только после равенства всех \Phi k можно вынести общий \Phi за знак суммы.

  2. Подставляя \Phi =\Lambda NI в \Psi =N\Phi, получаем N^{2}\Lambda I. Для нелинейной системы этот переход не делает \Lambda независимой от тока.

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.2.24 · Диалог результатов цепи

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

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.

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.

Окно Circuit Properties для Coil со значениями тока, падения напряжения, потокосцепления, их отношений и мощности.

Рисунок М.2.24. Диалог результатов цепи

Flux Linkage — потокосцепление всей назначенной цепи, а не поток одной произвольной площадки. В показанном примере ток равен 1 А, поэтому численные значения потокосцепления и отношения Flux/Current совпадают. Для нелинейной системы это отношение не является дифференциальной индуктивностью.

Обозначения на рисунке

Total Current
Полный ток цепи
Voltage Drop
Падение напряжения
Flux Linkage
Потокосцепление
Flux/Current
Отношение потокосцепления к току
Volt/Current
Отношение напряжения к току
Power
Мощность

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

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

Идеальная катушка на линейном сердечнике

Дано. N=100; \mu_r=1000; l=0{,}200 \,\text{м}; S=200 \,\text{мм}^2; I=1 \,\text{А}.

  1. Магнитное сопротивление.

    \mathcal R=\frac{0{,}200}{\mu_0\cdot1000\cdot200\cdot10^{-6}}=7{,}95775\cdot10^5\,\text{А/Вб}
    (8.63)
  2. Индуктивность и энергия.

    L=\frac{100^2}{\mathcal R}=0{,}012566\,\text{Гн},\quad \Psi=0{,}012566\,\text{Вб},\quad W_\text{м}=0{,}006283\,\text{Дж}
    (8.64)

Ответ: L\approx 12{,}566 \,\text{мГн}; \Psi\approx 12{,}566 мВб; W_{\text{м}}\approx 6{,}283 мДж в идеальной цепи.

Проверка: L=\Psi/I=2W_{\text{м}}/I^{2}. Реальный 2D-сердечник имеет рассеяние и неоднородный путь; совпадение с идеалом не задаётся заранее.

Углублённый разбор

Виртуальная калибровка: пара Гельмгольца, конечная катушка и сердечник

Измерительный объект и калибровочный стенд

Поисковая катушка измеряет изменение магнитного потока через свои витки. Её выход — напряжение, пропорциональное скорости изменения потокосцепления. Поэтому постоянное поле неподвижной катушкой без дополнительной модуляции не измеряется. При гармоническом поле и известных частоте, площади и числе витков амплитуда напряжения позволяет восстановить среднюю нормальную индукцию.

Пара Гельмгольца — две одинаковые соосные круглые катушки с одинаковым током, расстояние между центрами которых равно радиусу. Она создаёт сравнительно однородное поле возле центра. Калибровка сопоставляет известное поле стенда и выход датчика. Нужно различать поле в точке, среднее поле по площади каждого витка и среднее потокосцепление всей многослойной обмотки.

Виртуальный стенд здесь построен непосредственно командами FEMM 5. Использована полезная идея pywinding о совместном рассмотрении стенда, катушки и сердечника; сама библиотека, её внешние зависимости и программные оболочки не нужны. Построены четыре самостоятельных магнитостатических решения: поле стенда при \mu _{r} сердечника 1 и 100, затем самоиндуктивность датчика при отключённом стенде.

От закона Био—Савара к условию Гельмгольца

Осевая составляющая поля кругового витка находится интегрированием закона Био—Савара: поперечные составляющие взаимно сокращаются, а все осевые вклады одинаковы. Для N витков и двух катушек поля суммируются. В центре первая производная по z равна нулю из-за зеркальной симметрии при любом расстоянии; именно вторая производная обнуляется при d=R.

После этого ведущая осевая неоднородность имеет четвёртый порядок по z/R. Это не означает однородности во всём пространстве или на любой площади датчика. Вне оси появляются радиальные составляющие; ошибка конечного датчика должна оцениваться интегралом, а не только двумя осевыми точками.

В конечно-элементной модели калибровочные обмотки имеют конечное сечение 1×1 мм. Формула тонкого кольца остаётся независимым приближённым ориентиром. Разницу от конечного сечения, дискретизации и внешней границы нужно отличать от погрешности измеряемого датчика.

B_z(z)=\frac{\mu_0NI R^2}{2}\left[(R^2+(z-d/2)^2)^{-3/2}+(R^2+(z+d/2)^2)^{-3/2}\right]
(8.65)
Две одинаковые катушки; R, d, z в метрах.
d=R:\quad B_0=\left(\frac45\right)^{3/2}\frac{\mu_0NI}{R},\qquad B_z(z)/B_0=1-\frac{144}{125}(z/R)^4+O((z/R)^6)
(8.66)
Нулевая вторая производная объясняет выбор расстояния, а не подменяет расчёт рабочего объёма.

Пространственное усреднение и электрический выход

Потокосцепление представляет сумму поверхностных интегралов по всем виткам. Для одинаковой площади A можно ввести эквивалентную среднюю индукцию Bavg=\Psi/(NA). Эффективная площадь реальной многослойной катушки — сумма площадей витков, а не площадь внешнего контура. Погрешность позиционирования и наклона меняет именно этот интеграл.

При фазорах \exp (j\omega t) ЭДС разомкнутой поисковой катушки равна−j\omega \Psi. Если вход измерительного прибора конечен, его сопротивление вместе с R и L обмотки образует делитель. Модуль ωNA даёт чувствительность только при высоком входном сопротивлении и отсутствии значимого влияния собственной ёмкости.

В расчёте сначала используется статический поток при 1 А стенда, затем он масштабируется на гармонический ток при предположении линейности. Это корректно для воздушной катушки на достаточно низкой частоте; для проводящего сердечника с потерями надо решать гармонику и учитывать комплексную \mu, \sigma и частотную зависимость входа.

\Psi=\sum_{k=1}^{N}\int_{S_k}\mathbf B\cdot\mathbf n\,dS,\quad\widehat E=-j\omega\widehat\Psi,\quad S_B=\frac{|E|}{|B_{ref}|}
(8.67)
B_{\mathrm{ref}} — поле калибровочного стенда без внесённого датчиком ферромагнитного возмущения.
\widehat U=\widehat E\frac{Z_{in}}{Z_{in}+R+j\omega L}
(8.68)
При приближении к собственному резонансу требуется ёмкостная модель, здесь не выполненная.

Сопротивление, индуктивность и конечный сердечник

При известной средней длине витка lturn и сечении провода Aw сопротивление R=N lturn/(σAw). Самоиндуктивность получают отдельным возбуждением датчика: L=\Psi /I при отключённой калибровочной паре. Повышение L и чувствительности сердечником может одновременно сузить полезную полосу и увеличить чувствительность к частоте, температуре и гистерезису.

Конечный сердечник размагничивается собственными полюсами. Для эллипсоидального приближения эффективная восприимчивость \chi eff=\chi/(1+Ndχ). Уже эта формула показывает, почему \mu _{r}=100 не даёт автоматически стократный прирост потока. Для цилиндра поле неоднородно, и одна постоянная Nd является приближением.

В FEMM геометрическое размагничивание вычисляется непосредственно. Поэтому в материале задают внутреннюю проницаемость, а не заранее уменьшенную эффективную, иначе размагничивание будет учтено дважды. Вставленный сердечник также меняет само калибровочное поле: его внутреннее B нельзя считать новым независимым эталоном стенда.

R=\frac{N\,2\pi r_m}{\sigma\pi d_w^2/4},\qquad L=\Psi/I,\qquad\chi_{eff}=\frac{\chi}{1+N_d\chi}
(8.69)
Последняя формула — оценка для конечного тела; новая конечно-элементная модель использует геометрию цилиндра непосредственно.

Как составить бюджет калибровки

Чувствительность зависит от тока стенда, радиуса и расстояния катушек, числа витков датчика, его площади и положения, частоты, входного сопротивления прибора и температуры. Неоднородность следует оценивать в фактическом объёме перемещения датчика. Сеточная чувствительность относится к численной модели, а неопределённость тока и геометрии — к физическому стенду.

Если величины независимы, относительные стандартные неопределённости перемножаемых коэффициентов складывают квадратично. Корреляции общего размера, температуры или калибровочного тока требуют ковариаций. Систематическую поправку на пространственное усреднение сначала применяют к результату; остаточная неопределённость поправки затем входит в бюджет.

В новом расчёте нет экспериментальных показаний, поверенного амперметра или аттестации катушек. Он показывает метод виртуальной калибровки и позволяет отделить геометрический эффект сердечника от неверного умножения на табличную \mu _{r}.

\left(\frac{u(B)}B\right)^2\simeq\left(\frac{u(U)}U\right)^2+\left(\frac{u(f)}f\right)^2+\left(\frac{u(NA)}{NA}\right)^2+u_{rel,spatial}^2
(8.70)
Формула предполагает независимые малые неопределённости и исправленные систематические эффекты.

Калибровочное поле и пространственное среднее

Дано. R=d=50 мм, N=100 в каждой катушке, I=1 А. Датчик N=100, r=4 мм, l=20 мм.

  1. Тонкие кольца дают B_{0}=1{,}7983526 мТл; FEMM без ферромагнитного сердечника —1,798 мТл, отклонение−0,00382%.

  2. При z=±10 мм поле около 1,79504 мТл, то есть ниже центра приблизительно на 0,18%.

  3. Из потокосцепления 9,03751 мкВб получено Bavg=1,798 мТл. Среднее отличается от центрального поля примерно на−0,0183%.

Ответ. При 1 кГц чувствительность разомкнутой воздушной катушки 31,5758 В/Т; при B_{\mathrm{RMS}}=1 мТл ожидается 31,576 мВ RMS.

Проверка. Это масштабирование DC-потока, а не отдельное гармоническое решение.

Что действительно даёт сердечник

Дано. Цилиндр r=3 мм, l=20 мм, \mu _{r}=100; обмотка r=4 мм,100 витков, dwire=0,1 мм.

  1. Без сердечника R=5{,}51724 Ом, L=26{,}6150 мкГн. С сердечником R не меняется, L=169{,}668 мкГн.

  2. Чувствительность относительно исходного B_{0} возрастает до 195,570 В/Т — примерно в 6,194 раза, а не в 100 раз.

  3. Поле в центре самого сердечника≈23,52 мТл, тогда как эквивалентное поле по потокосцеплению датчика≈11,14 мТл.

Ответ. Нельзя заменить пространственный поток одним B в центре сердечника. Изменения R, L и чувствительности следует рассматривать совместно.

Проверка. \mu _{r} здесь постоянная действительная; потери, нелинейность и частотная дисперсия отсутствуют.

Самостоятельное воспроизведение и расширение

  1. Запустите 01-helmholtz.py; раздельно прочитайте результаты при \mu _{r}=1 и 100.
  2. Измените расстояние пары на 0{,}8R и 1{,}2R, сравните вторую производную поля и полезный объём.
  3. Увеличьте длину датчика; сравните B(0), осевые точки и \Psi/(NA).
  4. По вычисленным R, L рассчитайте делитель для Rin=50 Ом и 1 МОм; определите, где поправка нагрузки существенна.

Ожидаемый результат. Четыре нативные модели; поле, потокосцепление, чувствительность, R, L и осевые точки.

Проверка.

  • Независимая формула Гельмгольца.
  • Геометрическая масса/площадь/длина в СИ.
  • B_{\mathrm{ref}} берётся до внесения сердечника.
Стенд Гельмгольца и поисковая катушка

Четыре DC-решения; чувствительность получена линейным гармоническим масштабированием.

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
"""Калибровочная пара и поисковая катушка: поле, усреднение, сердечник, R и L.
Запуск внутри FEMM 5 из папки комплекта. Нужен common.py; внешних пакетов нет.
R=50 мм, расстояние=R, по 100 витков и 1 А DC; сечение каждой обмотки 1x1 мм.
Датчик: 100 витков среднего радиуса 4 мм, длина 20 мм, провод 0.1 мм.
Магнитная модель линейна; 1-кГц чувствительность выводится из DC поля,
поэтому вихревые потери и частотная проницаемость сердечника не моделируются.
"""

# 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-helmholtz")
rows = []
for core_mu in [1, 100]:
    newdocument(0)
    mi_probdef(0, "millimeters", "axi", 1e-9, 1, 30)
    material("Air")
    material("Winding", sigma=58, wire_type=3, strands=1, diameter=0.1)
    material("Core", mu=core_mu)
    mi_addcircprop("Cal", 1, 1)
    mi_addcircprop("Sense", 0, 1)
    for z in [-25, 25]:
        mi_drawrectangle(49.5, z - 0.5, 50.5, z + 0.5)
        label(50, z, "Air", 0.2, "Cal", 100, 1)
    mi_drawrectangle(3.95, -10, 4.05, 10)
    label(4, 0, "Winding", 0.1, "Sense", 100, 2)
    mi_drawrectangle(0, -10, 3, 10)
    label(1.5, 0, "Core", 0.5, group=3)
    label(20, 0, "Air", 2)
    mi_makeABC(7, 200, 0, 0, 0)
    solve(folder, "calibration-mu%d" % core_mu)
    b0 = mo_getpointvalues(0, 0)[2]
    linkage = mo_getcircuitproperties("Sense")[2]
    samples = []
    for z in [-10, -5, 0, 5, 10]:
        samples.append([z, mo_getpointvalues(0, z)[2]])
    bavg = linkage / (100 * math.pi * 0.004**2)
    exact = (4 / 5) ** 1.5 * MU0 * 100 / 0.05
    row = {
        "core_mu": core_mu,
        "B0_T": b0,
        "linkage_Wb": linkage,
        "Bavg_T": bavg,
        "axis_z_mm_B_T": samples,
        "thin_loop_B0_T": exact,
        "sensitivity_V_per_T_at_1kHz": 2 * math.pi * 1000 * linkage / exact,
    }
    close_magnetic()
    # Самоиндуктивность датчика при отключённой калибровочной паре.
    opendocument(os.path.join(folder, "calibration-mu%d.fem" % core_mu))
    mi_modifycircprop("Cal", 1, 0)
    mi_modifycircprop("Sense", 1, 1)
    solve(folder, "self-mu%d" % core_mu)
    current, voltage, flux = mo_getcircuitproperties("Sense")
    row["L_H"] = flux / current
    row["R_ohm"] = voltage / current
    rows.append(row)
    close_magnetic()
    save_json(folder, rows)
assert abs(rows[0]["B0_T"] / rows[0]["thin_loop_B0_T"] - 1) < 0.02
assert rows[1]["L_H"] > rows[0]["L_H"] > 0
print(rows)

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

Границы модели.

Собственные введение, выводы и геометрия. Новые результаты FEMM 5; внешние библиотеки отсутствуют. Виртуальная калибровка не является метрологической аттестацией.

Первоисточники: [69] (README; Coil и Testbench_B_Sweep. Использована предметная идея, библиотека не требуется.).

Замкнутый магнитопровод: предварительная оценка до полевого расчёта

Магнитопровод и намагничивающая обмотка

Замкнутый магнитопровод направляет магнитный поток, создаваемый обмоткой. Его применяют в трансформаторах, реакторах и магнитных датчиках. Обмотка сообщает магнитодвижущую силу NI, а геометрия и характеристика материала определяют поток. Соединения частей сердечника могут образовывать технологические зазоры; их нельзя автоматически считать отсутствующими.

В предварительной одномерной модели поток одинаков во всех сечениях, а рассеяние отсутствует. Применим закон полного тока к средней линии. Для линейного однородного материала H=B/\mu, а B=\Phi /S. Подстановка даёт магнитное сопротивление и поток. Далее потокосцепление последовательной N-витковой обмотки равно N\Phi, если весь поток сцеплен со всеми витками.

Видео № 5 показывает старую последовательность настройки магнитостатики. В нашем курсе используйте интерфейс FEMM 5 и уже имеющийся пример магнитной цепи; предварительная оценка ниже позволяет проверить порядок величин.

\oint H\,\mathrm dl=NI,\quad B=\frac\Phi S,\quad \mathcal R_{\text{м}}=\frac{l_{\text{ср}}}{\mu_0\mu_r S},\quad \Phi=\frac{NI}{\mathcal R_{\text{м}}}
(8.71)
Средняя длина магнитной линии l ср — м; сечение S — м²; \Phi — Вб; магнитное сопротивление — А/Вб.
\Psi=N\Phi,\qquad L=\frac{\Psi}{I}=\frac{N^2}{\mathcal R_{\text{м}}},\qquad W=\int_0^I\Psi(i)\,\mathrm di=\frac{LI^2}{2}
(8.72)
Последнее равенство справедливо для линейной характеристики без постоянных магнитов. В общем случае интеграл \Psi di — коэнергия; для линейной системы энергия и коэнергия равны.

Оценка линейного сердечника

Дано. l ср=0,4 м; S=100 мм²; \mu _{r}=2000; N=200; I=0{,}2 А; зазоры и рассеяние в оценке отсутствуют.

  1. Магнитное сопротивление равно приблизительно 1,5915·10⁶ А/Вб; МДС равна 40 А.

  2. Находим поток, индукцию и индуктивность.

    \Phi\approx25{,}13\ \text{мкВб},\quad B\approx0{,}2513\ \text{Тл},\quad L\approx25{,}13\ \text{мГн}
    (8.73)

Ответ. L\approx 25{,}13 мГн, энергия в линейном приближении W\approx 0{,}5027 мДж.

Проверка. При удвоении I поток должен удвоиться, энергия — увеличиться в четыре раза. Если задать нелинейную сталь, эта проверка линейности перестаёт быть тождеством и становится способом обнаружить насыщение.

Границы модели.
  • Это собственные учебные размеры. Оценка не является результатом FEMM или копией чисел видео. Для реального сердечника учитывайте стыки, рассеяние, неодинаковое сечение и B(H).

Первоисточники: [9].

Практикум в FEMM 5

Индуктивность из двух измерений

Таблица 8.17. 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
Полуширина внешнего квадрата150мм
  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=-150\ldots 150 \,\text{мм} и назначьте Prescribed A=0. 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. При I_{1}=1 \,\text{А} и I_{2}=0 запишите \Psi_{1}. Выделите все области поля, включая внешний воздух, и вычислите полную магнитную энергию.
  7. Рассчитайте L_\Psi=\Psi_{1}/I_{1} и L_W=2W_{\text{м}}/I_{1}^{2} вручную; повторите на более мелкой сетке.
  8. Повторите при I_{1}=2 \,\text{А}: \Psi удваивается, энергия увеличивается в четыре раза, рассчитанная L сохраняется.

Ожидаемый результат. Два полевых способа определения L должны сближаться в линейной модели. Идеальный ориентир 12{,}566 \,\text{мГн} не учитывает рассеяние.

Как проверить. Относительное расхождение двух L менее 1\,\% после сеточной проверки; один источник, корректная Depth и все области энергии.

Обработка и анализ результатов

Согласуются ли потокосцепление и энергия линейной катушки?

  1. Запишите ток, потокосцепление и энергию одного режима.
  2. Рассчитайте требуемый параметр по определениям занятия и сопоставьте предусмотренные независимые оценки при одном рабочем состоянии.

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

Итог работы. Две оценки индуктивности с объяснением условий их согласия.

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 8.18. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота0Гц
Активная длина20мм
Ток цепи Первичная обмотка1А
Потокосцепление цепи Первичная обмотка0,01393Вб
Ток цепи Вторичная обмотка0А
Потокосцепление цепи Вторичная обмотка0,00683Вб
Энергия поля0,006967Дж
Модуль B в контрольной точке0,6848Тл
Координаты контрольной точки (x, y)0; 25мм
Визуализация численных данных FEMM 5: Двухобмоточный магнитопровод: первичное возбуждение. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 8.20. Визуализация численных данных FEMM 5: Двухобмоточный магнитопровод: первичное возбуждение. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.

Двумерная модель активной части. Модель стали с постоянной магнитной проницаемостью не описывает насыщение. Идеализированные обмотки с нулевой проводимостью не учитывают все потери. Сходимость силы и момента требует отдельной проверки.

Ориентиры в интерфейсе
Свойства метки катушки: материал Winding, цепь Coil и 100 витков.
Рисунок 8.21. Свойства метки катушки: материал Winding, цепь Coil и 100 витков. Открыть в полном размере
Результаты цепи Coil: заданный ток и рассчитанное потокосцепление.
Рисунок 8.22. Результаты цепи Coil: заданный ток и рассчитанное потокосцепление. Открыть в полном размере
Интегральная энергия всей магнитной системы; выделение включает катушку и окружающий воздух.
Рисунок 8.23. Интегральная энергия всей магнитной системы; выделение включает катушку и окружающий воздух. Открыть в полном размере
Геометрия: двухобмоточный линейный сердечник, независимое первичное возбуждение
Рисунок 8.24. Геометрия: двухобмоточный линейный сердечник, независимое первичное возбуждение Открыть в полном размере
Распределение магнитной индукции: двухобмоточный линейный сердечник, независимое первичное возбуждение
Рисунок 8.25. Распределение магнитной индукции: двухобмоточный линейный сердечник, независимое первичное возбуждение Открыть в полном размере
Измерение B и H в точке (−25; 15) мм внутри левого стержня.
Рисунок 8.26. Измерение B и H в точке (−25; 15) мм внутри левого стержня. Открыть в полном размере
Ориентированный контур поперёк стержня и интеграл нормальной индукции.
Рисунок 8.27. Ориентированный контур поперёк стержня и интеграл нормальной индукции. 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.

Дроссель с зазором: индуктивность, рассеяние и запасённая энергия. Геометрия учебной модели; подписи скрыты для читаемости.
Дроссель с зазором: индуктивность, рассеяние и запасённая энергия. Геометрия учебной модели; подписи скрыты для читаемости. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Дроссель с зазором: индуктивность, рассеяние и запасённая энергия». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического магнитного поля; рабочая область модели.
Сохранённое решение «Дроссель с зазором: индуктивность, рассеяние и запасённая энергия». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического магнитного поля; рабочая область модели. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Удвойте витки при том же токе и сравните B, \Psi, W_{\text{м}}.

Критерий выполнения: B удваивается, \Psi и W_{\text{м}} увеличиваются в четыре раза; выбранная линейная модель и геометрия не изменены.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 46–48, 52
  2. [20] — 18–22 скачанного ENSEM_TP_FEMM.pdf
  3. [19] — 26–32 скачанного раздела Bianchi_FEMM_Lua_section.pdf; номер страницы оригинала на 35 больше
  4. [100] — С. 19–29, 30–43, 134, 174, 318 (печатная нумерация). Полная предоставленная копия изучена отдельно; ссылка ведёт на фрагмент издателя. Изложение курса самостоятельное.
  5. [69] — README; Coil и Testbench_B_Sweep. Использована предметная идея, библиотека не требуется.
  6. [9]
Пояснения и типичные ошибки
Почему L зависит от N^2?

Один N создаёт поток через NI, второй N суммирует потокосцепление витков.

Чему равна единица \Psi?

Вб; число витков безразмерно.

Когда верно L=2W/I^{2}?

Для линейной обратимой системы без независимого постоянного магнитного источника.

На что обратить внимание

  • Принимать N\Phi при сильном рассеянии без проверки.
  • Интегрировать энергию не по всему полю.
  • Применять \Psi/I к системе с \Psi(0)\ne 0.