FEMM 5

Часть I · Интерфейс FEMM 5, геометрия, сетка и математические основы → § 4 · Постановка, границы и сетка

Занятие 4.1

Плоскопараллельная и осесимметричная постановки и объёмные множители

Две обмотки на магнитопроводе: N₁ = 100 · N₂ = 50 · I₁ = 1 А; основные размеры, поле при первичном возбуждении; Ψ₂ = 6,83 мВб.
Двухобмоточный магнитопровод: первичное возбуждение1 — N₁ · 2 — N₂Расчётный образец. Линейная сталь μᵣ = 1000; глубина 20 мм. b и h — наружные размеры сердечника между противоположными поверхностями.Открыть SVG целикомРезультат отдельноИсходная учебная модель

Цель и задачи

Цель. Отличать изменение поля от изменения объёмного множителя.

Задачи

  • Связать 2D-сечение с реальным объёмом.
  • Объяснить Depth и вес 2\pi r.
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

Теоретическое занятие с количественной проверкой · Проверка размерности и перенос результата между размерами

Инженерный вопрос. Какие результаты меняет глубина плоской модели?

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

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Опыт выделяет объёмный множитель и законы размерности, необходимые для правильного переноса интегральных параметров.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Выведите степень масштабирования из геометрии интеграла. Отдельно рассмотрите изменение глубины плоской модели и изменение всех линейных размеров.

  2. Два объёмных множителя. Проверьте отношения величин аналитически до переноса чисел на другую геометрию.

  3. Проверка глубины. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Запишите локальное поле и интегральные величины при двух глубинах.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Вычислите отношения величин до и после изменения; отдельно отметьте локальные и интегральные результаты.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Таблица отношений с отдельным выводом для поля и объёмных интегралов.

Данные именно этого опыта. Запишите локальное поле и интегральные величины при двух глубинах.

Оформление наблюдений. Таблица исходного и изменённого масштабов, отношений локальных и интегральных величин, с указанием неизменных источников.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Сравните отношения, укажите фактически выбранные области интеграла. Не вводите после FEMM ещё один множитель глубины.

Независимый контроль. Сопоставьте отношения с выведенным законом подобия и проверьте, что объёмный множитель не учтён дважды.

Критерий выполнения. B почти одинаково; отношения \Psi и W_{\text{м}} близки к 3; объём катушки равен \pi(0{,}030^{2}-0{,}020^{2})\cdot 0{,}200 \,\text{м}^3.

Точность и расхождения. Оцените отклонение отношения от закона подобия при согласованных сетке и источниках. При нулевой исходной величине используйте абсолютную разность с единицей.

Основание сравнения. Используйте объёмные множители и законы подобия, выведенные в занятии. Глубина плоской модели и радиальное интегрирование осесимметричной модели имеют разный смысл.

Вывод для устройства

Укажите, позволяет ли такой перенос оценивать новый размер устройства и какие торцевые, тепловые или нелинейные эффекты разрушают подобие.

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

Теория и вывод формул

Плоскопараллельная и осесимметричная постановки выражают разные предположения о пространственной структуре поля. Выбор геометрии определяет как вид расчётной области, так и множители при вычислении объёмных интегралов.

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. (4.1) · Объёмные интегралы в Planar
  2. (4.2) · Осесимметричная модель — тело вращения
  3. (4.3) · Поток и регулярность на оси
  4. (4.4) · Почему объёмные множители различаются
  5. (4.5) · Почему объёмные множители различаются
  6. (4.6) · Численный пример
  7. (4.7) · Численный пример

Размерность моделей: плоские и осесимметричные задачи

Зачем понижать размерность

Реальные устройства трёхмерны, но трёхмерный расчёт дорог: число узлов растёт как куб от числа узлов вдоль ребра, а вместе с ним — память, время и трудность анализа результата. К счастью, большинство электротехнических конструкций обладает симметрией, и поле в них по существу зависит лишь от двух координат. Длинная шина, пакет листов статора, коаксиальный кабель — поле в них повторяется от сечения к сечению. Катушка соленоида, индуктор нагревателя, круглый изолятор — поле в них повторяется при поворотах вокруг оси. В первом случае говорят о плоской (плоскопараллельной) модели, во втором — об осесимметричной. Обе двумерны, но математика и правила пересчёта в них разные, и перепутать их — распространённая и дорогая ошибка.

Трансляционная симметрия: плоская модель

Плоская (плоскопараллельная) задача

Если геометрия, свойства сред и источники не меняются вдоль оси zz, а само устройство достаточно протяжённо в этом направлении, то поле считают независимым от zz: ∂/∂z=0\partial/\partial z=0. Расчётная область — поперечное сечение в плоскости xyxy; истинное устройство представляется как это сечение, вытянутое на глубину dd (м).

Для электростатики и теплопроводности следствия просты: φ=φ(x,y)\varphi=\varphi(x,y), E=−∇φ\uE=-\nabla \varphi лежит в плоскости сечения, уравнение Пуассона записывается в двух переменных. В магнитостатике картина своеобразнее. Токи, создающие поле длинного устройства, текут вдоль zz: J=Jz(x,y) ez\uJ=J_z(x,y)\,\vec e_z. Тогда и векторный потенциал имеет одну составляющую, A=Az(x,y) ez\uA=A_z(x,y)\,\vec e_z, а индукция B=∇×A=∂Az∂yex−∂Az∂xey\uB=\nabla\times \uA=\frac{\partial A_z}{\partial y}\vec e_x-\frac{\partial A_z}{\partial x}\vec e_y лежит в плоскости сечения и перпендикулярна току. Уравнение магнитостатики ∇×(μ−1∇×A)=J\nabla\times (\mu^{-1}\nabla\times \uA)=\uJ сводится к скалярному −∇⋅(1μ∇Az)=Jz,-\nabla\cdot \left(\frac1\mu\nabla A_z\right)=J_z , формально совпадающему с уравнением Пуассона для потенциала [Бессонов; Демирчян]. Калибровка здесь не нужна: ∇⋅A=∂Az/∂z=0\nabla\cdot \uA=\partial A_z/\partial z=0 выполняется автоматически. Линии уровня Az=constA_z=\mathrm{const} являются силовыми линиями B\uB — так построены картины потока в лаборатории магнитной цепи.

Поток в плоской задаче

Поток индукции через прямоугольную поверхность глубиной dd, опирающуюся на отрезок между точками P1P_1 и P2P_2 сечения, равен Φ=d [Az(P1)−Az(P2)].\Phi=d\,\bigl[A_z(P_1)-A_z(P_2)\bigr]. Доказательство: по теореме Стокса Φ=∮A⋅dl\Phi=\oint\uA\cdot\dl по контуру прямоугольника. На двух сторонах длиной dd, параллельных zz, вклады равны Az(P1)dA_z(P_1)d и −Az(P2)d-A_z(P_2)d; на двух сторонах, лежащих в плоскости сечения, A⊥dl\uA\perp\dl и вклад равен нулю.

Разность AzA_z между двумя точками — это поток на единицу глубины, Вб/м, что согласуется с единицей векторного потенциала.

Величины на единицу длины и пересчёт на глубину

Плоская задача ничего не знает о dd: она решается в сечении, и все интегралы по области берутся по площади. Поэтому «извлекаемые» из неё величины — это величины на единицу глубины, которые принято снабжать штрихом. Чтобы получить параметры реального устройства, нужно понять, как каждая величина зависит от dd.

Величина плоской модели Единица Полная величина при глубине dd
Погонная ёмкость C′C' Ф/м C=C′dC=C'd
Погонная индуктивность L′L' Гн/м L=L′dL=L'd
Погонный заряд Q′Q', поток Φ′\Phi' Кл/м, Вб/м Q=Q′dQ=Q'd, Φ=Φ′d\Phi=\Phi'd
Энергия W′W', потери P′P' Дж/м, Вт/м W=W′dW=W'd, P=P′dP=P'd
Сила F′F' Н/м F=F′dF=F'd
Сопротивление проводника с током вдоль zz Ом/м R=R′dR=R'd, R′=ρэ/SR'=\rho_{\mathrm э}/S
Сопротивление при токе в плоскости сечения Ом·м R=R′/dR=R'/d
Тепловое сопротивление Rт′R'_{\mathrm т} К·м/Вт Rт=Rт′/dR_{\mathrm т}=R'_{\mathrm т}/d
Поля E\uE, B\uB, J\uJ, TT, потенциалы, напряжения, токи — не зависят от dd

Обратите внимание на две строки о сопротивлении. Если ток течёт вдоль zz (шина, жила кабеля, сторона обмотки в пазу), то в плоской задаче задаётся полный ток II в сечении площадью SS, плотность Jz=I/SJ_z=I/S, а потери на единицу длины P′=ρэJz2SP'=\rho_{\mathrm э}J_z^2S. Чем глубже устройство, тем длиннее путь тока: R=ρэd/SR=\rho_{\mathrm э}d/S — сопротивление растёт с глубиной, как и потери. Если же ток течёт в плоскости сечения (между двумя электродами, вытянутыми вдоль zz), то увеличение глубины добавляет параллельные пути: R=R′/dR=R'/d — сопротивление убывает. Такова же природа теплового сопротивления стенки: тепло в плоской тепловой задаче течёт в плоскости сечения, и Rт=ΔT/P=ΔT/(P′d)R_{\mathrm т}=\Delta T/P=\Delta T/(P'd).

Ёмкость и индуктивность линии растут с глубиной по той же причине, что и проводимость: удлинение линии добавляет параллельно включённые «ломтики» ёмкости и последовательно — потокосцепление с тем же током.

Коаксиальный кабель как плоская задача

Жила радиусом a=1a=1 мм, оболочка радиусом b=2,718b=2{,}718 мм (ln⁡(b/a)=1,000\ln(b/a)=1{,}000), немагнитный диэлектрик, ток I=100I=100 А по жиле и обратно по оболочке. Из закона полного тока в диэлектрике Bα=μ0I/(2πr)B_\alpha=\mu_0I/(2\pi r), и Az(r)=μ0I2πln⁡br,Φ′=Az(a)−Az(b)=μ0I2πln⁡ba=2⋅10−7⋅100⋅1=2⋅10−5 Вб/м.A_z(r)=\frac{\mu_0I}{2\pi}\ln\frac br,\qquad \Phi'=A_z(a)-A_z(b)=\frac{\mu_0 I}{2\pi}\ln\frac ba=2\cdot10^{-7}\cdot100\cdot1=2\cdot10^{-5}\ \text{Вб/м}. Погонная индуктивность L′=Φ′/I=μ02πln⁡ba=2⋅10−7L'=\Phi'/I=\dfrac{\mu_0}{2\pi}\ln\dfrac ba=2\cdot10^{-7} Гн/м =0,2=0{,}2 мкГн/м — известная формула внешней индуктивности коаксиального кабеля [Калантаров]. Для отрезка кабеля длиной d=10d=10 м: Φ=Φ′d=2⋅10−4\Phi=\Phi'd=2\cdot10^{-4} Вб, L=L′d=2L=L'd=2 мкГн, энергия W=12LI2=12⋅2⋅10−6⋅104=10−2W=\tfrac12LI^2=\tfrac12\cdot2\cdot10^{-6}\cdot10^4=10^{-2} Дж (или W′=10−3W'=10^{-3} Дж/м, умноженные на dd).

Сопротивление медной жилы (ρэ=1,7⋅10−8\rho_{\mathrm э}=1{,}7\cdot10^{-8} Ом·м) сечением S=πa2=3,14S=\pi a^2=3{,}14 мм²: погонное R′=ρэ/S=1,7⋅10−8/(3,14⋅10−6)=5,41⋅10−3R'=\rho_{\mathrm э}/S=1{,}7\cdot10^{-8}/(3{,}14\cdot10^{-6})=5{,}41\cdot10^{-3} Ом/м, погонные потери P′=I2R′=104⋅5,41⋅10−3=54,1P'=I^2R'=10^4\cdot5{,}41\cdot10^{-3}=54{,}1 Вт/м. Для d=10d=10 м: R=R′d=5,41⋅10−2R=R'd=5{,}41\cdot10^{-2} Ом, P=P′d=I2R=541P=P'd=I^2R=541 Вт — ток течёт вдоль zz, и обе величины растут с глубиной. Независимая проверка через поле в сечении: Jz=I/S=3,18⋅107J_z=I/S=3{,}18\cdot10^7 А/м², объёмная плотность потерь p=ρэJz2=1,7⋅10−8⋅1,013⋅1015=1,72⋅107p=\rho_{\mathrm э}J_z^2=1{,}7\cdot10^{-8}\cdot1{,}013\cdot10^{15}=1{,}72\cdot10^7 Вт/м³, и P′=pS=1,72⋅107⋅3,14⋅10−6=54,1P'=pS=1{,}72\cdot10^7\cdot3{,}14\cdot10^{-6}=54{,}1 Вт/м — совпадает. Именно так, двумя независимыми путями, полезно проверять любой пересчёт на глубину.

Когда плоская модель непригодна

Плоская модель предполагает бесконечную протяжённость вдоль zz. На концах реального устройства поле замыкается иначе: у короткой катушки значительная часть потока проходит через торцы, у электрической машины лобовые части обмоток создают поля, не имеющие аналога в сечении, у конденсатора конечной длины краевое поле добавляет к C′dC'd ёмкость торцов. Правило грубой оценки: плоская модель применима, когда глубина dd в несколько раз превышает поперечный размер области, в которой поле существенно, а искомая величина интегральна по длине. Концевые эффекты либо оценивают отдельно (поправки на «выпучивание» в магнитных цепях, формулы для лобового рассеяния), либо требуют трёхмерного расчёта.

Вращательная симметрия: осесимметричная модель

Осесимметричная задача

Если геометрия, свойства и источники не зависят от азимутального угла α\alpha цилиндрической системы (r,α,z)(r,\alpha,z), то поле считают независимым от α\alpha. Расчётная область — меридиональное полусечение в плоскости (r,z)(r,z), r≥0r\ge0; истинное устройство получается его поворотом на 2π2\pi вокруг оси zz.

Для скалярных задач φ=φ(r,z)\varphi=\varphi(r,z), T=T(r,z)T=T(r,z), и градиент содержит лишь компоненты ∂/∂r\partial/\partial r и ∂/∂z\partial/\partial z (см. урок о градиенте). В магнитостатике токи, обладающие осевой симметрией и создающие поле катушек, текут по окружностям: J=Jα(r,z)eα\uJ=J_\alpha(r,z)\vec e_\alpha. Соответственно A=Aα(r,z)eα\uA=A_\alpha(r,z)\vec e_\alpha, а индукция лежит в меридиональной плоскости: Br=−∂Aα∂z,Bz=1r∂(rAα)∂r.B_r=-\frac{\partial A_\alpha}{\partial z},\qquad B_z=\frac1r\frac{\partial(rA_\alpha)}{\partial r}. Здесь важно не спутать две осесимметричные ситуации. Ток, текущий вдоль оси круглого провода, тоже обладает вращательной симметрией, но создаёт азимутальное поле Bα(r)B_\alpha(r), описываемое потенциалом AzA_z — такая задача одновременно и плоская (сечение провода), и одномерная по rr; именно так решена задача о скин-эффекте в круглом проводе. Осесимметричная формулировка с AαA_\alpha предназначена для азимутальных токов: соленоидов, индукторов, колец.

Поток через окружность

Поток индукции через круг радиуса rr, лежащий в плоскости z=constz=\mathrm{const} с центром на оси, равен Φ(r,z)=2πr Aα(r,z).\Phi(r,z)=2\pi r\,A_\alpha(r,z). Доказательство: по теореме Стокса Φ=∮A⋅dl\Phi=\oint\uA\cdot\dl по окружности радиуса rr; на ней A∥dl\uA\parallel\dl, ∣A∣=Aα|\uA|=A_\alpha постоянно, длина окружности 2πr2\pi r.

Отсюда линии уровня величины rAαrA_\alpha (а не AαA_\alpha!) являются силовыми линиями B\uB в меридиональной плоскости; произведение rAαrA_\alpha часто называют функцией потока. На оси Aα(0,z)=0A_\alpha(0,z)=0: окружность нулевого радиуса не охватывает потока.

Множитель 2πr2\pi r

Элемент объёма в цилиндрических координатах dV=r dr dα dz\dV=r\,\dd r\,\dd\alpha\,\dd z. При интегрировании по α\alpha от 00 до 2π2\pi независимой от угла функции получаем dV→2πr dr dz,\dV\to2\pi r\,\dd r\,\dd z , то есть каждому элементу меридионального сечения площадью dr dz\dd r\,\dd z соответствует кольцо объёмом 2πr dr dz2\pi r\,\dd r\,\dd z. Все объёмные интегралы осесимметричной задачи берутся с этим весом: W=∫ ⁣ ⁣∫w(r,z) 2πr dr dz,P=∫ ⁣ ⁣∫p(r,z) 2πr dr dz,Q=∫ ⁣ ⁣∫ρ 2πr dr dz.W=\int\!\!\int w(r,z)\,2\pi r\,\dd r\,\dd z,\qquad P=\int\!\!\int p(r,z)\,2\pi r\,\dd r\,\dd z,\qquad Q=\int\!\!\int\rho\,2\pi r\,\dd r\,\dd z . Тот же вес появляется в элементных матрицах МКЭ: Kije=∫ε ∇Ni⋅∇Nj 2πr dr dzK^e_{ij}=\int\varepsilon\,\nabla N_i\cdot\nabla N_j\,2\pi r\,\dd r\,\dd z — площадь элемента умножается на 2πrc2\pi r_c, где rcr_c — радиус его центра тяжести (точно для линейных функций формы). Следствие: элементы одинакового размера, но расположенные дальше от оси, «весят» больше, а материал у самой оси почти не вносит вклада в интегральные величины. Поверхностные интегралы по поверхностям вращения берутся с весом 2πr dl2\pi r\,\dd l, где dl\dd l — элемент длины кривой в меридиональном сечении.

В осесимметричной задаче результат уже является полным, а не погонным: интегрирование по α\alpha выполнено аналитически. Никаких множителей на «глубину» нет — глубины нет.

Ось симметрии как граница

Ось r=0r=0 — граница расчётной области, хотя физически там ничего не происходит. Условия на ней следуют из гладкости поля: для скалярных величин ∂φ/∂r=0\partial\varphi/\partial r=0, ∂T/∂r=0\partial T/\partial r=0 (однородное условие Неймана, которое, как показано в уроке о численном моделировании, является естественным и не требует действий); для азимутального потенциала Aα=0A_\alpha=0 (условие Дирихле, задаётся явно). Проводник, пересекающий ось, невозможен в формулировке с AαA_\alpha — азимутальный ток на оси не имеет смысла.

Длинный соленоид: поток через AαA_\alpha и энергия через 2πr2\pi r

Соленоид с плотностью намотки n=1000n=1000 витков/м, ток I=2I=2 А, внутренний радиус R=30R=30 мм, длина ℓ=0,5\ell=0{,}5 м. Внутри длинного соленоида Bz=μ0nI=4π⋅10−7⋅2000=2,513⋅10−3B_z=\mu_0nI=4\pi\cdot10^{-7}\cdot2000=2{,}513\cdot10^{-3} Тл, Br=0B_r=0.

Поток через круг радиуса r=20r=20 мм: Φ=Bzπr2=2,513⋅10−3⋅π⋅4⋅10−4=3,158⋅10−6\Phi=B_z\pi r^2=2{,}513\cdot10^{-3}\cdot\pi\cdot4\cdot10^{-4}=3{,}158\cdot10^{-6} Вб. Отсюда Aα=Φ/(2πr)=3,158⋅10−6/0,1257=2,513⋅10−5A_\alpha=\Phi/(2\pi r)=3{,}158\cdot10^{-6}/0{,}1257=2{,}513\cdot10^{-5} Вб/м. Общая формула Aα=μ0nIr/2A_\alpha=\mu_0nIr/2 даёт то же: 2,513⋅10−3⋅0,02/2=2,513⋅10−52{,}513\cdot10^{-3}\cdot0{,}02/2=2{,}513\cdot10^{-5} Вб/м. Проверка через Bz=r−1 ∂(rAα)/∂r=r−1 ∂(μ0nIr2/2)/∂r=μ0nIB_z=r^{-1}\,\partial(rA_\alpha)/\partial r=r^{-1}\,\partial(\mu_0nIr^2/2)/\partial r=\mu_0nI — верно.

Энергия поля внутри соленоида. Плотность энергии w=Bz2/(2μ0)=μ0(nI)2/2=4π⋅10−7⋅4⋅106/2=2,513w=B_z^2/(2\mu_0)=\mu_0(nI)^2/2=4\pi\cdot10^{-7}\cdot4\cdot10^6/2=2{,}513 Дж/м³ постоянна. Интегрируем по меридиональному сечению 0≤r≤R0\le r\le R, 0≤z≤ℓ0\le z\le\ell с весом 2πr2\pi r: W=∫0ℓ ⁣ ⁣∫0Rw 2πr dr dz=w⋅2πR22⋅ℓ=w πR2ℓ=2,513⋅π⋅9⋅10−4⋅0,5=3,55⋅10−3 Дж.W=\int_0^\ell\!\!\int_0^R w\,2\pi r\,\dd r\,\dd z=w\cdot2\pi\frac{R^2}{2}\cdot\ell=w\,\pi R^2\ell =2{,}513\cdot\pi\cdot9\cdot10^{-4}\cdot0{,}5=3{,}55\cdot10^{-3}\ \text{Дж}. Контроль через индуктивность: L=μ0n2πR2ℓ=4π⋅10−7⋅106⋅1,414⋅10−3=1,777⋅10−3L=\mu_0n^2\pi R^2\ell=4\pi\cdot10^{-7}\cdot10^6\cdot1{,}414\cdot10^{-3}=1{,}777\cdot10^{-3} Гн, W=12LI2=12⋅1,777⋅10−3⋅4=3,55⋅10−3W=\tfrac12LI^2=\tfrac12\cdot1{,}777\cdot10^{-3}\cdot4=3{,}55\cdot10^{-3} Дж. Если забыть множитель 2πr2\pi r и проинтегрировать ww просто по площади сечения RℓR\ell, получится 2,513⋅0,03⋅0,5=3,8⋅10−22{,}513\cdot0{,}03\cdot0{,}5=3{,}8\cdot10^{-2} с единицей Дж/м — величина с неверной размерностью, что сразу выдаёт ошибку.

Кольцевой проводник и «выпрямленный» провод

Медное кольцо прямоугольного сечения: внутренний радиус r1=10r_1=10 мм, наружный r2=20r_2=20 мм, высота hz=5h_z=5 мм; ток азимутальный (как в короткозамкнутом витке индукционного нагревателя). При ЭДС ee на один оборот Eα=e/(2πr)E_\alpha=e/(2\pi r) — поле убывает с радиусом, ток теснится к внутренней стороне. Полный ток I=∫r1r2σe2πrhz dr=σehz2πln⁡r2r1,R=eI=2πρэhzln⁡(r2/r1)=2π⋅1,7⋅10−80,005⋅0,693=3,08⋅10−5 Ом.I=\int_{r_1}^{r_2}\sigma\frac{e}{2\pi r}h_z\,\dd r=\frac{\sigma e h_z}{2\pi}\ln\frac{r_2}{r_1},\qquad R=\frac eI=\frac{2\pi\rho_{\mathrm э}}{h_z\ln(r_2/r_1)}=\frac{2\pi\cdot1{,}7\cdot10^{-8}}{0{,}005\cdot0{,}693}=3{,}08\cdot10^{-5}\ \text{Ом}. «Выпрямив» кольцо в провод длиной 2πrm2\pi r_m, rm=15r_m=15 мм, сечением (r2−r1)hz=50(r_2-r_1)h_z=50 мм², получим R=ρэ⋅2πrm/S=1,7⋅10−8⋅0,0942/(5⋅10−5)=3,20⋅10−5R=\rho_{\mathrm э}\cdot2\pi r_m/S=1{,}7\cdot10^{-8}\cdot0{,}0942/(5\cdot10^{-5})=3{,}20\cdot10^{-5} Ом — на 4 % больше. Для тонкого кольца (r2−r1≪rmr_2-r_1\ll r_m) оба ответа сходятся; для массивного различие растёт, и прямой провод перестаёт быть адекватной моделью.

Лаборатория

Лаборатория решает осесимметричную задачу магнитостатики для катушки прямоугольного сечения (внутренний радиус R1R_1, наружный R2R_2, длина ℓ\ell, NN витков, ток II) в воздухе или с цилиндрическим сердечником на оси; ток в обмотке азимутальный, равномерно распределённый по сечению: Jα=NI/[(R2−R1)ℓ]J_\alpha=NI/[(R_2-R_1)\ell]. Неизвестная — функция потока u=rAαu=rA_\alpha, для которой уравнение ∇×(μ−1∇×A)=J\nabla\times (\mu^{-1}\nabla\times \uA)=\uJ принимает вид −∂∂r(1μr∂u∂r)−∂∂z(1μr∂u∂z)=Jα,Br=−1r∂u∂z,Bz=1r∂u∂r,-\frac{\partial}{\partial r}\left(\frac{1}{\mu r}\frac{\partial u}{\partial r}\right)-\frac{\partial}{\partial z}\left(\frac{1}{\mu r}\frac{\partial u}{\partial z}\right)=J_\alpha,\qquad B_r=-\frac1r\frac{\partial u}{\partial z},\quad B_z=\frac1r\frac{\partial u}{\partial r}, а энергия W=∫ ⁣ ⁣∫B22μ 2πr dr dz=π∫ ⁣ ⁣∫1μr∣∇u∣2 dr dzW=\int\!\!\int\frac{B^2}{2\mu}\,2\pi r\,\dd r\,\dd z=\pi\int\!\!\int\frac{1}{\mu r}|\nabla u|^2\,\dd r\,\dd z — множитель 2πr2\pi r объёма вращения и деление на r2r^2 при переходе от uu к B\uB вместе дают вес 1/r1/r. На оси и на удалённой внешней границе Aα=0A_\alpha=0. На экране — меридиональная полуплоскость (r,z)(r,z): карта ∣B∣|\uB| и линии потока, то есть линии уровня rAαrA_\alpha, проведённые так, что между соседними линиями заключён одинаковый поток (Φ=2πu\Phi=2\pi u). Переключатель «полное сечение» зеркально отражает полуплоскость — это операция отображения, о которой говорилось выше, а не второй расчёт. Знаки ⊗ и ⊙ в обмотке показывают направление тока (за экран и к наблюдателю): система (r,α,z)(r,\alpha,z) правая, при I>0I>0 справа от оси ток направлен за экран и Bz>0B_z>0 внутри катушки.

Что менять и на что смотреть:

  • Длина катушки. При ℓ≫R2\ell\gg R_2 поле внутри однородно и равно μ0nI\mu_0nI; укорачивая катушку, наблюдайте, как поле на оси в центре отстаёт от этого предела, а у торцов спадает до половины. Численное Bz(0,z)B_z(0,z) сравнивается с замкнутой формулой для поля на оси конечного соленоида и с пределом μ0nI\mu_0nI; показание «расхождение в центре» — относительная разность численного и точного значений (для катушки без сердечника; при обычной сетке она составляет десятые доли процента).
  • Сетка. Переключатель «грубая / обычная / мелкая» меняет шаг сетки примерно в полтора раза; сравнивая показания, можно оценить погрешность дискретизации — подробнее об этом в следующем уроке.
  • Поток через круг. Зонд задаёт круг радиуса rpr_p в плоскости zpz_p; показание Φ=2πrpAα\Phi=2\pi r_pA_\alpha читается прямо из решения. Внутри длинного соленоида Φ=μ0nI πrp2\Phi=\mu_0nI\,\pi r_p^2; график Φ(r)\Phi(r) показывает, что поток растёт до обмотки, а дальше убывает — внешние линии замыкаются в обратном направлении (ответ к упражнению 4).
  • Энергия и индуктивность. WW вычисляется с весом 2πr2\pi r и является полной, а не погонной; L=2W/I2L=2W/I^2 сравнивается с L∞=μ0n2πa2ℓL_\infty=\mu_0n^2\pi a^2\ell для тонкого соленоида среднего радиуса a=(R1+R2)/2a=(R_1+R_2)/2 и с LN=KNL∞L_N=K_NL_\infty, где KN(2a/ℓ)<1K_N(2a/\ell)<1 — коэффициент Нагаоки, учитывающий конечную длину (при ℓ/2a=10\ell/2a=10 он равен 0,959, при ℓ=2a\ell=2a — 0,688). Для толстой обмотки численное LL ниже и этого эталона — витки на разных радиусах сцеплены с разным потоком: для длинной катушки дефицит составляет примерно (R2−R1)/(3a)(R_2-R_1)/(3a).
  • Сердечник. Цилиндр с линейной μr\mu_r лежит на оси: это допустимо, поскольку ось — граница лишь для AαA_\alpha, а не для материала. Короткий сердечник увеличивает LL далеко не в μr\mu_r раз — его размагничивают собственные торцы.

Какие устройства какой модели соответствуют

Приближённо плоские Приближённо осесимметричные
Длинные шины и токопроводы, жилы кабелей Соленоиды, катушки без сердечника и с круглым сердечником
Пакеты листов, активная часть электрических машин (поперечное сечение) Индукторы индукционного нагрева с круглой заготовкой
Протяжённые воздушные зазоры, пазы с обмоткой Коаксиальные конструкции с конечной длиной (концы, проходные изоляторы)
Плоские конденсаторы и экраны большой протяжённости Круглые провода, стержни, опорные изоляторы (тепловые и электростатические задачи)

Одна конструкция может требовать обеих моделей для разных вопросов: активная часть машины — плоская, а её лобовые части — существенно трёхмерные; индуктор нагревателя осесимметричен, но подводящие шины к нему — нет.

Трёхмерная визуализация и научная честность

Осесимметричное решение можно «повернуть» вокруг оси и показать как объёмное тело с цветной картой; плоское — «вытянуть» на глубину dd. Это удобно для восприятия, но следует отдавать себе отчёт: поворот и вытягивание — операции отображения, а не расчёта. Решение по-прежнему двумерно и предполагает идеальную симметрию. Оно не является трёхмерным решением задачи для произвольной геометрии и ничего не знает о том, что в реальном устройстве симметрию нарушает. В этом курсе принят принцип: любое объёмное изображение, построенное из двумерного решения, помечается как таковое, и по нему нельзя судить о трёхмерных эффектах.

Что именно теряется при нарушении симметрии:

  • Катушка с токоподводом. Выводы катушки — радиальные проводники, нарушающие вращательную симметрию. Их поле локально сравнимо с полем витков, но на интегральную индуктивность длинной катушки влияет слабо. Осесимметричная модель верна для LL и для поля внутри, но не для поля вблизи выводов и не для потерь в них.
  • Цилиндр с продольным пазом. Паз делает задачу трёхмерной. Если он узкий и глубина его влияния мала по сравнению с радиусом, осесимметричная модель с «размазанным» по окружности пазом может дать приемлемую среднюю температуру, но не локальный перегрев у кромки паза.
  • Плоская модель короткого объекта. Если глубина dd соизмерима с поперечным размером, поле у торцов не описано вовсе; погрешность величин, пропорциональных dd, порядка отношения поперечного размера к dd.

Во всех этих случаях честная формулировка результата — «в предположении осевой (трансляционной) симметрии», а оценка потерянного эффекта требует либо отдельной модели, либо эксперимента.

Распространённые заблуждения

  • «Осесимметричная модель учитывает любую круглую деталь». Круглое сечение — необходимое, но не достаточное условие. Требуется, чтобы все элементы (геометрия, материалы, токи, граничные условия) были инвариантны к повороту. Круглая катушка с одним радиальным выводом или круглый диск с одним отверстием не осесимметричны.
  • Забытый множитель 2πr2\pi r. Интегрирование по площади меридионального сечения без веса 2πr2\pi r даёт величину неверной размерности (Дж/м вместо Дж). Элементы у оси при этом переоцениваются, а дальние — недооцениваются.
  • Смешение погонных и полных величин. Погонная ёмкость в Ф/м, умноженная на глубину в миллиметрах вместо метров, даёт ошибку в тысячу раз. Сопротивление при токе вдоль zz умножают на dd, при токе в сечении — делят.
  • «Плоская» катушка. Осесимметричная задача с AαA_\alpha требует азимутальных токов; задача с AzA_z — продольных. Нельзя поместить круглый виток с азимутальным током в плоскую AzA_z-модель: в сечении он выглядит как два проводника с противоположными токами, что соответствует бесконечно длинной двухпроводной линии, а не витку.
  • Трёхмерная картинка как трёхмерный расчёт. Повёрнутое или вытянутое изображение не содержит информации о концевых эффектах и нарушениях симметрии.

Вопросы и упражнения

  1. Двухпроводная линия в плоской модели имеет погонную ёмкость C′=12C'=12 пФ/м и погонную индуктивность L′=0,9L'=0{,}9 мкГн/м. Найдите CC и LL для участка длиной 250 м и проверьте, что L′C′=μ0ε0L'C'=\mu_0\varepsilon_0 выполняется лишь приближённо; объясните, чем это может быть вызвано.
  2. В плоской модели паза с обмоткой найдены потери P′=120P'=120 Вт/м при токе I=50I=50 А. Чему равно сопротивление участка обмотки длиной 0,4 м? Как оно изменится при удвоении длины?
  3. В осесимметричной тепловой модели на оси r=0r=0 ничего не задано. Какое граничное условие при этом выполняется и почему это правильно? Что изменится, если ось заменить тонкой трубкой радиуса r0r_0 с заданной температурой?
  4. По осесимметричному решению Aα(r,z)A_\alpha(r,z) в точке r=50r=50 мм на средней плоскости катушки получено Aα=4⋅10−4A_\alpha=4\cdot10^{-4} Вб/м. Чему равен поток через круг радиуса 50 мм? Через круг радиуса 100 мм, если там Aα=2,5⋅10−4A_\alpha=2{,}5\cdot10^{-4} Вб/м? Как возможно, что AαA_\alpha убыл, а поток вырос?
  5. Два элемента сетки одинаковой площади 11 мм² расположены при rc=1r_c=1 мм и rc=50r_c=50 мм. Во сколько раз различаются их вклады в энергию при одинаковой плотности энергии?
  6. Инженер показал объёмную картину температуры индуктора, построенную поворотом осесимметричного решения, и указал на горячую точку у подводящей шины. Что в этом утверждении неверно и какая модель требуется для ответа на вопрос о шине?

Ответы к пунктам 1, 2, 4 и 5

1. C=C′d=12⋅10−12⋅250=3,0C=C'd=12\cdot10^{-12}\cdot250=3{,}0 нФ; L=L′d=0,9⋅10−6⋅250=225L=L'd=0{,}9\cdot10^{-6}\cdot250=225 мкГн. L′C′=0,9⋅10−6⋅12⋅10−12=1,08⋅10−17L'C'=0{,}9\cdot10^{-6}\cdot12\cdot10^{-12}=1{,}08\cdot10^{-17} с²/м², тогда как μ0ε0=1/c2=1,113⋅10−17\mu_0\varepsilon_0=1/c^2=1{,}113\cdot10^{-17} с²/м². Равенство L′C′=μ0ε0L'C'=\mu_0\varepsilon_0 точно выполняется для внешней индуктивности линии в вакууме; диэлектрик (εr>1\varepsilon_r>1) и внутренняя индуктивность проводов могут лишь увеличить произведение. Значение меньше μ0ε0\mu_0\varepsilon_0 физически невозможно — оно указывает на округление исходных данных (μ0ε0/C′=0,927\mu_0\varepsilon_0/C'=0{,}927 мкГн/м, а не 0,90{,}9) или на несогласованность двух расчётов; именно такая проверка и полезна.

2. R′=P′/I2=120/2500=0,048R'=P'/I^2=120/2500=0{,}048 Ом/м; R=R′d=0,048⋅0,4=0,0192R=R'd=0{,}048\cdot0{,}4=0{,}0192 Ом; при удвоении длины сопротивление удвоится (ток вдоль zz).

4. Φ=2πrAα=2π⋅0,05⋅4⋅10−4=1,257⋅10−4\Phi=2\pi rA_\alpha=2\pi\cdot0{,}05\cdot4\cdot10^{-4}=1{,}257\cdot10^{-4} Вб; для r=100r=100 мм: 2π⋅0,1⋅2,5⋅10−4=1,571⋅10−42\pi\cdot0{,}1\cdot2{,}5\cdot10^{-4}=1{,}571\cdot10^{-4} Вб. Поток через больший круг включает поток через меньший плюс поток через кольцо между ними; AαA_\alpha убывает медленнее, чем 1/r1/r, поэтому rAαrA_\alpha растёт.

5. Вклады пропорциональны 2πrc ΔS2\pi r_c\,\Delta S, то есть различаются в 5050 раз.

Итоги

  • Трансляционная симметрия даёт плоскую модель: ∂/∂z=0\partial/\partial z=0, A=Azez\uA=A_z\vec e_z, токи вдоль zz, B\uB в плоскости сечения; поток на единицу глубины — разность AzA_z.
  • Результаты плоской модели — погонные величины. Ёмкость, индуктивность, энергия, потери, сила и сопротивление продольного проводника умножаются на глубину dd; сопротивления при токе в плоскости (электрическое, тепловое) делятся на dd; поля и потенциалы от dd не зависят.
  • Вращательная симметрия даёт осесимметричную модель в плоскости (r,z)(r,z): A=Aαeα\uA=A_\alpha\vec e_\alpha, азимутальные токи, Φ=2πrAα\Phi=2\pi rA_\alpha, объёмные интегралы с весом 2πr2\pi r; результат полный, не погонный; на оси Aα=0A_\alpha=0, ∂T/∂r=0\partial T/\partial r=0.
  • Поворот и вытягивание двумерного решения — операции отображения; они предполагают идеальную симметрию и не заменяют трёхмерного расчёта.

Далее — сходимость, проверки и верификация: как убедиться, что дискретная модель действительно приближает выбранную математическую, и с какой скоростью сходятся разные величины.

Уточнения постановки и расчётной методики FEMM 5

Плоскопараллельная модель электрической машины

Сечение машины с радиальным потоком часто рассчитывается в плоскости поперёк вала. Предполагается, что геометрия и поле одинаковы вдоль активной длины пакета. Поле B зависит от x и y, ток направлен вдоль z. Параметр Depth задаёт активную длину, по которой FEMM вычисляет объём, энергию, потокосцепление, силу и момент. Это физическая длина представляемого тела, а не толщина изображения. Условия на торцах, лобовое рассеяние и скос пазов отсутствуют и требуют отдельного анализа.

Объёмные интегралы в Planar

Если f — плотность энергии либо другая объёмная плотность, интеграл по телу получается умножением интеграла по сечению на глубину. При одинаковой плотности заданного тока и одинаковом сечении удвоение Depth не меняет локальное B, но удваивает энергию и многие интегральные величины. Постпроцессор уже выполняет это умножение. Повторный множитель активной длины даёт двойной учёт. Единицы интеграла должны проверяться: \text{Дж}/\text{м}^3 умножаются на \text{м}^3 и дают Дж, а не \text{Дж}/\text{м}.

\mathrm dV=d\,\mathrm dS,\qquad W_\text{м}=d\int_S w_\text{м}\,\mathrm dS
(4.1)
d — глубина плоскопараллельной модели в м; S — её плоское сечение в \text{м}^2; w_{\text{м}} — плотность энергии в \text{Дж}/\text{м}^3.

Осесимметричная модель — тело вращения

В Axisymmetric-модели горизонтальная координата r — расстояние от оси, вертикальная z — продольная координата. Каждая площадка меридионального сечения вращается и образует кольцевой объём. Азимутальные токи моделируют кольцевые витки; катушка-соленоид естественно соответствует такой постановке. Радиально-поточная зубчатая машина с отдельными пазами не осесимметрична: её окружная неоднородность исчезнет при таком упрощении. Не следует выбирать Axisymmetric только потому, что реальная машина имеет цилиндрическую форму.

\mathrm dV=2\pi r\,\mathrm dr\,\mathrm dz,\qquad W_\text{м}=2\pi\int_S r w_\text{м}\,\mathrm dr\,\mathrm dz
(4.2)
Радиус r измеряется в м. Внешний вес 2\pi r уже включается FEMM в осесимметричные объёмные интегралы.

Поток и регулярность на оси

В осесимметрии поле описывает азимутальная компонента A_\theta. Поток через круг радиуса r определяется значением 2\pi rA_\theta; производные по r и z дают B_r и B_z. При приближении к оси решение должно быть регулярным: физические поля конечны. Ось является частью математической структуры, а не произвольной внешней стенкой. В начальной модели удобно назначать A_\theta=0 на оси и проверять, что отрицательных радиусов нет. Перенос того же прямоугольника через ось не создаёт вторую половину соленоида.

B_r=-\frac{\partial A_\theta}{\partial z},\qquad B_z=\frac1r\frac{\partial(rA_\theta)}{\partial r}
(4.3)
На оси выражение интерпретируется через регулярный предел; прямое деление численного значения на r=0 недопустимо.

Что меняет и что не меняет масштаб

Масштабирование всей геометрии и смена Depth — разные опыты. При изменении глубины Planar-сечения поперечная магнитная задача сохраняется. При пропорциональном увеличении всех поперечных размеров меняются плотность тока при заданном NI, магнитные сопротивления и рассеяние. В Axisymmetric радиус изменяет и путь поля, и кольцевой объём. Поэтому размерности следует восстанавливать до сравнения результатов. График энергии без указания длины пакета не позволяет сравнивать два проекта машины.

Область применимости двумерного приближения

Двумерная модель даёт численное решение выбранного приближения с погрешностью дискретизации и не отменяет его физических ограничений. Для длинного пакета центральное сечение может хорошо описывать основной поток. Для короткой машины торцевые эффекты относительно больше. Аксиальные и поперечнопоточные конструкции обычно требуют дополнительных приближений или 3D. На этом занятии задача состоит в строгом выборе объёма и единиц. Независимо изменяйте глубину плоского сечения и радиус кольца, наблюдая разные законы изменения объёма.

Проверка кольцевого объёма интегрированием

Для прямоугольника осесимметричного сечения сначала интегрируйте вес 2\pi r по радиусу от внутреннего до наружного края, затем умножьте на высоту. Получается разность площадей кругов, умноженная на высоту, то есть знакомый объём полого цилиндра. Этот простой вывод помогает понять, почему одинаковые площадки у оси и далеко от неё дают разные объёмные вклады. В плоской модели такой зависимости от радиуса нет: все площадки вытягиваются на одну глубину. Поэтому копирование энергии из Planar в Axisymmetric с добавленным произвольным множителем физически неверно. Даже если в одном частном случае объёмы совпали, источники и пространственная структура магнитного поля всё равно должны быть проверены заново.

Почему объёмные множители различаются

Плоская модель предполагает неизменность вдоль активной глубины. Осесимметричная модель предполагает неизменность при вращении вокруг оси.

  1. В декартовых координатах проинтегрируйте плотность энергии по направлению неизменности: интеграл даёт множитель глубины.

  2. В цилиндрических координатах элемент объёма содержит якобиан радиуса. Интегрирование по полному обороту даёт множитель окружности.

    \mathrm dV=r\,\mathrm dr\,\mathrm d\theta\,\mathrm dz\quad\Longrightarrow\quad\int_0^{2\pi}\mathrm dV=2\pi r\,\mathrm dr\,\mathrm dz
    (4.4)
  3. Поток через круг находится по теореме Стокса: циркуляция азимутального потенциала по окружности равна магнитному потоку.

    \Phi(r,z)=\oint\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l=2\pi rA_\theta(r,z)
    (4.5)
  4. Проверьте регулярность на оси. Конечная индукция требует согласованного поведения потенциала при стремлении радиуса к нулю; произвольное ненулевое значение азимутального потенциала на оси недопустимо.

Таблица 4.1. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
dАктивная глубина плоской моделим
rРадиальная координатам
A_\thetaАзимутальная компонента векторного потенциалаВб/м
\PhiМагнитный поток через выбранную поверхностьВб
WМагнитная энергияДж

Границы применимости. Готовые объёмные интегралы FEMM уже учитывают тип постановки. Повторное умножение осесимметричного результата на окружность даёт ошибочную размерность.

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.A.9 · Пример исходной геометрии
Формулы и таблицы руководства к этому занятию

Естественная граница, опорный потенциал и совместимость источников

Неназначенная внешняя граница FEMM по умолчанию получает однородное условие Неймана. Это определённое математическое условие, а не отсутствие влияния границы. В плоскопараллельной магнитной задаче оно заставляет поток пересекать границу нормально; постоянный A на границе, напротив, запрещает нормальную компоненту потока. В электростатике однородное естественное условие означает нулевой нормальный электрический поток, а не заземление.

Два разных однородных магнитных условия

A|_\Gamma=0\qquad\text{или}\qquad\left.\frac{\partial A}{\partial n}\right|_\Gamma=0
(М.Н.3)
Заданный постоянный A удерживает поток вдоль границы плоской модели. Нулевая нормальная производная соответствует пересечению границы потоком под прямым углом. Эти варианты нельзя выбирать только потому, что оба содержат ноль.

Обозначения и единицы

  • A — плоский магнитный потенциал, Вб/м; \Gamma — граница; \mathbf n — её единичная нормаль; \partial A/\partial n имеет единицу Тл.

Условия применения. Указанное направление потока относится к плоскому магнитному потенциалу; осесимметрию интерпретируют с её геометрией.

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

Если во всей связной области задана только нормальная производная потенциала, к решению можно прибавить произвольную постоянную. Поле при этом не изменится, но матрица имеет нулевую моду. Значение потенциала на подходящей границе или в опорной точке устраняет эту неопределённость. Для нескольких не связанных друг с другом областей проверяют каждую независимую компоненту. Периодическая связь равных потенциалов сама по себе не всегда устраняет общий постоянный сдвиг.

Простейшее однородное условие Робина

\frac{\partial A}{\partial n}+cA=0
(М.Н.4)
Нормальная производная и значение потенциала связаны линейно. Коэффициент c описывает выбранную модель внешней области; это не универсальное число для всех размеров устройства.

Обозначения и единицы

  • c — коэффициент, м⁻¹ при длинах в метрах; A — потенциал, Вб/м; \mathbf n — наружная единичная нормаль.

Условия применения. Однородная скалярная запись; более общий FEMM Mixed BC содержит отдельные коэффициенты и свободный член.

Кроме единственности нужна совместимость источников и потоков. Если все электрические границы изолированы, ненулевой суммарный объёмный заряд не согласуется с нулевым выходящим потоком D. Аналогично стационарное положительное тепловыделение требует пути отвода тепла. Искусственная фиксация одного узла при несовместимом балансе не превращает изолированное устройство в физически корректную модель: этот узел фактически становится неописанным стоком.

Регулярность магнитного потенциала на оси

\left.A_\theta\right|_{r=0}=0
(М.Н.5)
В осесимметричной магнитной задаче на оси действует специальное условие регулярности. Нулевой электрический потенциал на оси из него не следует.

Обозначения и единицы

  • r — радиальная координата, м; A_\theta — окружная компонента магнитного векторного потенциала, Вб/м.

Условия применения. Гладкое конечное магнитное поле вблизи оси. Электростатический потенциал V на r=0 может быть ненулевым.

Осесимметричная магнитная задача имеет особый случай: FEMM автоматически обеспечивает A_{\theta } = 0 на оси r = 0. Если часть границы действительно лежит на оси, это может обеспечить нужную опору и без отдельного свойства Дирихле. В электростатике ось не является заземлённым электродом: V на ней может быть ненулевым. Поэтому переносить магнитное правило A_{\theta } = 0 на электрический потенциал нельзя.

Периодическая и антипериодическая пара

u_2=u_1\quad\text{или}\quad u_2=-u_1
(М.Н.6)
Сопоставленные точки двух границ получают одинаковые либо противоположные значения потенциала. Одно свойство периодичности связывает одну пару соответствующих участков.

Обозначения и единицы

  • u — потенциал соответствующего модуля: магнитный A, Вб/м, или электрический V, В; индексы 1 и 2 обозначают парные точки.

Условия применения. Геометрическое соответствие пары и физическая симметрия источников обязательны.

В PDF равенство сформулировано словами; курс записывает его математически и сохраняет различие знаков.

Периодическое условие связывает значения на соответствующих точках двух сторон, антипериодическое меняет их знак. Такое условие обосновывается симметрией геометрии, материалов и источников вместе. Выбор половины или сектора только по внешнему виду рисунка недостаточен: встречные токи либо полюса могут менять требуемую связь.

-\nabla\cdot(a\nabla u)=s\quad\Longrightarrow\quad -\oint_{\partial\Omega}a\,\partial_nu\,dS=\int_\Omega s\,dV
(Р.2.1)
Условие совместимости чистой задачи Неймана для скалярного положительного коэффициента a. При нулевом потоке слева суммарный источник справа должен равняться нулю.

Проверьте на своей модели

  • Для изолированной области с ненулевым суммарным источником сначала исправьте физический баланс, затем выбирайте опорный потенциал.
  • В осесимметричном конденсаторе проверьте, что ось не получила V = 0 только по аналогии с магнитным расчётом.

Источник: руководство FEMM 5 целиком [32]. § 1.4 · § 1.4.1

Вариационный принцип и действительная роль линейного треугольника

Руководство объясняет происхождение элементов FEMM вариационным принципом. Для линейной скалярной задачи с положительным коэффициентом a можно построить функционал из энергии градиента и работы источника. При фиксированных существенных граничных значениях его стационарность даёт слабую форму уравнения. Для такого самосопряжённого случая энергетическое и галёркинское получение матрицы приводят к одному результату; это не означает, что любой комплексный или нелинейный режим буквально минимизирует положительную вещественную энергию.

На плоском линейном треугольнике неизвестный потенциал выражают через три узловых значения и три линейные функции формы. Их градиенты постоянны. Поэтому для постоянного коэффициента интеграл жёсткости элемента сводится к площади, умноженной на скалярное произведение градиентов. Общий узел обеспечивает непрерывность потенциала соседних элементов, но производные могут иметь скачок. Отсюда различие между точностью первичного потенциала и производного поля.

Осесимметричный интеграл имеет вес 2\pi r. Магнитная постановка дополнительно содержит геометрический член A_{\theta }/r в выражении B_z. В §7.1 поясняется, что FEMM использует для осесимметричной магнитной задачи подход, близкий к формулировке Henrotte; прежний вариант с изменённым потенциалом давал большие ошибки около оси. Поэтому вывод для обычного плоского линейного A нельзя механически объявить точным описанием осесимметричного магнитного элемента. На оси проверяют регулярность и известный аналитический предел поля.

После сборки получается разреженная система. Уменьшение допуска линейного решателя точнее решает уже собранную систему; оно не добавляет узлы и не исправляет дискретизацию кривых. Практическая проверка разделяет ошибку геометрии, конечных элементов, итерационного решения и исходных материалов. Линейный patch-тест проверяет воспроизведение аффинного потенциала; задача с неоднородным полем проверяет реальное уточнение сетки.

\Pi[u]=\frac12\int_\Omega a|\nabla u|^2\,d\Omega-\int_\Omega su\,d\Omega-\int_{\Gamma_N}gu\,d\Gamma,\qquad g=a\partial_nu
(Р.4.1)
Функционал линейной скалярной задачи -\nabla\cdot (a \nabla u) = s с заданными значениями на границе Дирихле. Граничный знак согласован с определением g.
\delta\Pi=0\ \Longrightarrow\ \int_\Omega a\nabla u\cdot\nabla v\,d\Omega=\int_\Omega sv\,d\Omega+\int_{\Gamma_N}gv\,d\Gamma
(Р.4.2)
Пробная вариация v равна нулю на границе Дирихле. Вариационный вывод объясняет естественное условие и слабую форму, уже используемую в занятии 2.6.
u_h=\sum_{i=1}^{3}N_i u_i,\qquad K_{ij}^{(e)}=a_e S_e\,\nabla N_i\cdot\nabla N_j
(Р.4.3)
Плоский линейный треугольник с постоянным a_{e} и площадью S_{e}. Для тензорного коэффициента используется \nabla N_{i} \cdot a_{e}\nabla N_{j}; для осесимметрии нужен соответствующий вес и оператор.

Проверьте на своей модели

  • На однородном прямоугольнике задайте линейный потенциал и подтвердите постоянный градиент на двух сетках.
  • Проверку около r = 0 выполняйте осесимметричным эталоном; не используйте прямое деление чисел на нулевой радиус.
  • Сеточную сходимость измеряйте по физической величине при фиксированном допуске решателя, затем отдельно проверьте чувствительность к этому допуску.

Источник: руководство FEMM 5 целиком [32]. § 1.5 · § 7 · § 7.1

Преобразование Кельвина: почему второй круг представляет бесконечность

Вывод приложения A.3.3 сначала относится к плоскопараллельному полю. Все источники и неоднородные материалы заключают в круг радиуса r_{0}. Во внешней однородной области без источников скалярный магнитный потенциал A_z удовлетворяет уравнению Лапласа. Замена радиуса R = r_{0}^{2}/r переводит внешность круга в его внутренность: граница r = r_{0} остаётся границей R = r_{0}, а бесконечность переходит в центр R = 0.

Уравнение внешней области без источников

\nabla^2 A=0
(М.A.12)
В плоской внешней области без токов и с постоянной проницаемостью магнитное уравнение сводится к Лапласу. Это исходное основание преобразования Кельвина. Существование поля во внешней области не требует локального источника: его создаёт устройство внутри охватывающей окружности.

Обозначения и единицы

  • A=A_z — скалярная компонента векторного потенциала, Вб/м.
  • \nabla^2 — двумерный скалярный лапласиан в плоскости.

Условия применения. Плоская геометрия, однородная изотропная внешняя среда, отсутствие токов в ней. Осесимметричное уравнение для A_{\theta } имеет другую геометрию и не заменяется этой записью.

Уравнение Лапласа в полярных координатах

\frac1r\frac{\partial}{\partial r}\left(r\frac{\partial A}{\partial r}\right)+\frac1{r^2}\frac{\partial^2 A}{\partial\theta^2}=0
(М.A.13)
Радиальный оператор содержит геометрический множитель r, а угловая производная масштабируется квадратом радиуса. Это описание той же плоской задачи, а не переход к осесимметричному магнитному уравнению. Полярные координаты выбраны потому, что внешняя граница для отображения — окружность.

Обозначения и единицы

  • r — расстояние от центра охватывающей окружности, м; \theta — полярный угол, рад.
  • A — Вб/м; оба слагаемых имеют единицу Вб/м³.

Условия применения. Однородная плоская внешняя область r>r_{0} без источников. Координата \theta описывает положение в плоскости, а не азимутальный поворот осесимметричной модели.

Радиальное преобразование Кельвина

R=\frac{r_0^2}{r}
(М.A.14)
Бесконечная внешняя область r\ge r_{0} отображается внутрь круга 0<R\le r_{0}. Общая граница остаётся на месте, а удаление к бесконечности превращается в приближение к центру второго круга. Преобразование обратимо при ненулевом R: r=r_{0}^{2}/R.

Обозначения и единицы

  • r_0 — радиус окружности раздела, м; r — физический радиус, м.
  • R — координата отображённой внешней области, м.

Условия применения. Все источники и неоднородности заключены внутри первого круга. Центр отображённого круга соответствует бесконечности, поэтому условие в нём должно соответствовать физически допустимому поведению далёкого поля.

После этой замены плоский оператор Лапласа сохраняет свой вид с точностью до ненулевого множителя. Поэтому внешний бесконечный воздух можно представить вторым конечным кругом с тем же уравнением. На совпадающих по углу точках окружностей связывают потенциалы периодическими условиями. Нормальные производные при переходе меняют знак, что соответствует встречным внешним нормалям двух сопрягаемых областей; непрерывность потока обеспечивается согласованной вариационной постановкой.

Цепное правило для радиальной производной

\frac{\partial}{\partial r}=\frac{\mathrm dR}{\mathrm dr}\frac{\partial}{\partial R}=-\left(\frac{R}{r_0}\right)^2\frac{\partial}{\partial R}
(М.A.15)
Увеличение физического радиуса уменьшает отображённый радиус, что даёт минус. При применении к A сначала вычисляется производная по R, затем она умножается на dR /dr. Коэффициент стоит перед оператором: иначе запись можно ошибочно прочитать как дифференцирование самого коэффициента.

Обозначения и единицы

  • \mathrm dR/\mathrm dr=-r_0^2/r^2=-(R/r_0)^2 — безразмерный множитель.
  • Оба дифференциальных оператора имеют размерность 1/м.

Условия применения. Производная по r при фиксированном \theta, R=r_{0}^{2}/r. При повторном дифференцировании коэффициент уже зависит от R и должен также дифференцироваться по правилу произведения.

В исходной типографике производная записана слева от dR /dr. Здесь применено однозначное операторное равенство: множитель расположен перед \partial /\partial R.

Связь радиальных производных на окружности сопряжения

\left.\frac{\partial A}{\partial r}\right|_{r=r_0}=-\left.\frac{\partial A}{\partial R}\right|_{R=r_0}
(М.A.16)
На общей окружности модуль коэффициента преобразования равен единице, а знак остаётся отрицательным. Это отражает противоположные направления роста двух радиальных координат. Значения A на соответствующих границах связывают периодическими парами, а сопряжение производных следует из корректной вариационной постановки.

Обозначения и единицы

  • r=R=r_0 — окружность раздела физической и отображённой областей.
  • \partial A/\partial r и \partial A/\partial R — Вб/м².

Условия применения. Одинаковая однородная среда по обе стороны сопрягаемой внешней области. Знак относится к радиальным координатам; нельзя объявить два значения нормальной производной одинаковыми без учёта ориентации нормалей.

Уравнение в отображённой внешней области

\frac1R\frac{\partial}{\partial R}\left(R\frac{\partial A}{\partial R}\right)+\frac1{R^2}\frac{\partial^2 A}{\partial\theta^2}=0
(М.A.17)
После преобразования и сокращения ненулевого масштабного множителя уравнение снова имеет форму плоского Лапласа. Поэтому бесконечную внешнюю область можно представить вторым ограниченным кругом с той же однородной средой и согласованной границей. Точность самого отображения не устраняет ошибку конечной сетки.

Обозначения и единицы

  • R — радиус во втором круге, м; \theta — сохранённый угол.
  • A — отображённый потенциал, Вб/м; R=0 соответствует бесконечности.

Условия применения. Плоская безисточниковая внешняя область при R>0. Условие в центре определяется асимптотикой: A\to 0 допустимо не для любой системы, например не для некомпенсированного бесконечного прямого тока с логарифмическим A_z.

Во втором круге центр соответствует бесконечности. Если выбранная открытая задача допускает условие A \to 0, в этом центре задают опорное A = 0. В примере руководства каждая окружность составлена из двух дуг и используются две отдельные периодические пары. Одно периодическое свойство должно связывать ровно две соответствующие геометрические сущности; присвоить одно имя всем четырём дугам недостаточно. Центр второго круга относится к его локальной системе координат, а не обязательно к началу общего чертежа.

Два круга: слева E-образный сердечник с областями J+ и J−, справа воздух и опорная точка A = 0; верхние и нижние дуги связаны отдельными периодическими условиями.

Рисунок М.A.9. Пример исходной геометрии

Левый круг содержит физическое устройство, правый — образ бесконечной внешней области после плоского преобразования Кельвина. Две пары дуг должны иметь отдельные периодические свойства. Центр правого круга соответствует бесконечности и служит опорой A = 0 при допустимом поведении поля на бесконечности.

Обозначения на рисунке

Periodic BC 1
Первое периодическое граничное условие
Periodic BC 2
Второе периодическое граничное условие
Reference point where A=0
Опорная точка с A = 0
air
Воздух
iron
Железо
J+
Положительное направление плотности тока
J-
Отрицательное направление плотности тока

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, руководство FEMM 5, рис. A.9, с. 183 [32]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Точность отображения в непрерывной математической постановке не отменяет сеточную ошибку, аппроксимацию окружностей дугами сетки и необходимость физически допустимого поведения на бесконечности. Например, для плоского бесконечного прямого проводника с ненулевым суммарным током A_z содержит логарифмический член; условие A \to 0 там не подходит без дополнительного рассмотрения возвратного тока и выбора постановки. Внешний круг не заменяет отсутствующий путь возврата тока.

Осесимметричная версия отличается. В §2.2.8 FEMM требуется задавать центр внешней области по z, радиус внешней и радиус внутренней сферической области, а метки преобразованной области помечать Block located in an external region. Проницаемость там должна пространственно изменяться, и FEMM выполняет это преобразование автоматически по указанным параметрам. Правило «нарисовать два обычных круга с воздухом» из плоского вывода нельзя без изменений переносить в осесимметрию.

Проверьте на своей модели

  • Проверьте три образа: r = r_{0} переходит в R = r_{0}, r = 2r_{0} — в R = r_{0}/2, r \to \infty — в R \to 0.
  • Убедитесь, что каждая периодическая пара связывает две соответствующие дуги, а опорная точка находится в центре преобразованного внешнего круга.
  • В осесимметрии отдельно проверьте параметры Exterior Region и флаг каждой метки внешней области.

Источник: руководство FEMM 5 целиком [32]. § a.3.3 · § 2.2.8

Разобранный численный пример

Два объёмных множителя

Дано. Прямоугольная область имеет площадь 200 \,\text{мм}^2. Planar-глубина d=20 \,\text{мм}. В Axisymmetric она расположена между r=20 и 30 \,\text{мм} и имеет высоту 20 \,\text{мм}.

  1. Плоское тело.

    V_\text{пл}=200\cdot20=4000\,\text{мм}^3=4\cdot10^{-6}\,\text{м}^3
    (4.6)
  2. Кольцевое тело вращения.

    V_\text{ос}=\pi(30^2-20^2)\cdot20=10000\pi\,\text{мм}^3\simeq3{,}1416\cdot10^{-5}\,\text{м}^3
    (4.7)

Ответ: V_{\text{пл}}=4\cdot 10^{-6} \,\text{м}^3; V_{\text{ос}}\approx 3{,}142\cdot 10^{-5} \,\text{м}^3.

Проверка: Отношение равно 2\pi R_{\text{ср}}/d\approx 7{,}854, где R_{\text{ср}}=25 \,\text{мм}. Совпадение площади 2D-сечения не означает совпадение объёмов.

Практикум в FEMM 5

Проверка глубины

Таблица 4.2. 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}, I_{2}=0 снимите B в середине левого стержня, \Psi_{1} и полную магнитную энергию.
  7. Сохраните копию с Depth=40 мм; прочие параметры не меняйте. Повторите расчёт и измерения. Для контраста измерьте объём воздушной осесимметричной катушки предыдущего занятия.

Ожидаемый результат. Для той же Planar-задачи локальное B сохраняется, \Psi и W_{\text{м}} приблизительно удваиваются. Объём Axisymmetric-катушки определяется вращением, а не произвольной глубиной.

Как проверить. Сравните отношения, укажите фактически выбранные области интеграла. Не вводите после FEMM ещё один множитель глубины.

Обработка и анализ результатов

Какие результаты меняет глубина плоской модели?

  1. Запишите локальное поле и интегральные величины при двух глубинах.
  2. Вычислите отношения величин до и после изменения; отдельно отметьте локальные и интегральные результаты.

С чем сравнить. Используйте объёмные множители и законы подобия, выведенные в занятии. Глубина плоской модели и радиальное интегрирование осесимметричной модели имеют разный смысл.

Итог работы. Таблица отношений с отдельным выводом для поля и объёмных интегралов.

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 4.3. 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 4.1. 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
Интерфейс FEMM 5: осесимметричная катушка, геометрические объекты, метки и воздушная область.
Рисунок 4.2. Интерфейс FEMM 5: осесимметричная катушка, геометрические объекты, метки и воздушная область. Открыть в полном размере
Постановка осесимметричной магнитостатической задачи: миллиметры, частота 0 Гц и точность.
Рисунок 4.3. Постановка осесимметричной магнитостатической задачи: миллиметры, частота 0 Гц и точность. Открыть в полном размере
Поле воздушной катушки: осесимметричный магнитостатический эталон FEMM 5.
Рисунок 4.4. Поле воздушной катушки: осесимметричный магнитостатический эталон FEMM 5. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Сравните две Planar-копии при глубинах 10 и 30 \,\text{мм}; отдельно вычислите объём осесимметричной катушки.

Критерий выполнения: B почти одинаково; отношения \Psi и W_{\text{м}} близки к 3; объём катушки равен \pi(0{,}030^{2}-0{,}020^{2})\cdot 0{,}200 \,\text{м}^3.

Литература

Полные библиографические описания

Пояснения и типичные ошибки
Почему цилиндрическая машина не всегда Axisymmetric?

Пазы, полюса и фазовые токи зависят от окружной координаты.

Нужно ли домножать энергию FEMM на Depth?

Нет, если Depth правильно задан: FEMM уже учёл его.

Какие токи представлены в Axisymmetric?

Азимутальные токи кольцевых витков.

На что обратить внимание

  • Дважды учитывать активную длину.
  • Строить отрицательные радиусы.
  • Выбирать осесимметрию для зубчатой вращающейся машины без окружного усреднения.