FEMM 5

Часть I · Интерфейс FEMM 5, геометрия, сетка и математические основы → § 5 · Обработка и представление результатов

Занятие 5.1

Наблюдаемые величины и обработка результатов

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. Выбрать способ измерения, соответствующий нужной величине.

Задачи

  • Различать локальное B, поток, \Psi и энергию.
  • Согласовать ориентацию контура и обмотки.
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 · Выбор наблюдаемых величин и проверка интегрального закона

Инженерный вопрос. Почему точка, профиль, контур и область дают разные результаты?

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

Лабораторная работа:

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Определите ориентацию контура или поверхности, охватываемые источники и геометрический множитель. Закон связывает измеряемую величину с независимым источником.

  2. Поток и потокосцепление. Проверьте знаки и единицы интегрального закона на разобранной геометрии.

  3. Четыре способа измерения. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Извлеките предусмотренные практикумом точечные, контурные и объёмные величины.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Приведите результаты к одинаковым единицам и ориентации; вычислите невязку независимых способов измерения.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Таблица величин, единиц и областей измерения без смешения плотности и интеграла.

Данные именно этого опыта. Извлеките предусмотренные практикумом точечные, контурные и объёмные величины.

Оформление наблюдений. Контур или область интегрирования, ориентация, точечные и интегральные величины раздельно, источник и невязка закона.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Каждая величина имеет единицу и определение области; для полной энергии не пропущен воздух.

Независимый контроль. Сопоставьте интеграл с источником или суммой потоков, а не с повторным чтением того же интеграла другим именем.

Критерий выполнения. Другой учащийся может воспроизвести измерения по таблице без угадывания выбранных областей.

Точность и расхождения. Нормируйте невязку на физический масштаб источника или потока, объявленный до сравнения. Для баланса около нуля приводите также абсолютную невязку в единицах закона.

Основание сравнения. Используйте интегральный закон и ориентацию контура из теории занятия. Плотность, интеграл по сечению и полный объёмный результат сравнивают после учёта геометрического множителя.

Вывод для устройства

Объясните, даёт ли выбранный интеграл полный параметр устройства или только локальную характеристику его сечения.

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

Дополнительный расчётный метод

Векторная алгебра и векторный магнитный потенциал

Провод с током даёт количественный эталон B(r), A(r), циркуляции и потока. Через него проверяют калибровку потенциала, локальные производные и допустимость скалярного магнитного потенциала.

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

Получаемые величины. B_r и B\tau прямого провода; разности A и поток на единицу длины; циркуляция H; ошибка численной производной и сеточной аппроксимации

  1. Различить скалярное и векторное поле и вычисляемые операции.
  2. Сопоставить аналитическое поле внутри и снаружи провода с точками и контурами FEMM.
  3. Изменить отсчёт A, сохранив B и разности потенциала.
  4. Проверить скачок скалярного магнитного потенциала вокруг тока и объяснить необходимость разреза области.

Страницы источника. PDF 1–31 полностью: 1–12 операции и потенциалы; 13–23 поле прямого провода; 24–28 поток, Биo–Савар, уравнения потенциала; 29–31 разностная схема.

Литература по методу

Теория и вывод формул

Переход от распределения поля к инженерным характеристикам требует выбора измеряемой величины и соответствующего интеграла. Значения в точках, интегралы по контуру и объёмные интегралы рассматриваются с учётом их физического смысла и единиц.

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. (5.1) · Поток через поверхность
  2. (5.2) · Потокосцепление и результаты цепи
  3. (5.3) · Интегралы по области
  4. (5.4) · Численный пример
  5. (5.5) · Численный пример

От поля к интегральным величинам

Зачем сворачивать поле в число

Решение полевой задачи — это функции E(r)\uE(\ur), B(r)\uB(\ur), J(r)\uJ(\ur), T(r)T(\ur): бесконечно много чисел. Инженеру же нужны несколько: ёмкость конденсатора, индуктивность катушки, сопротивление шины, потери, сила на якорь. Все эти величины — интегралы поля по некоторой области: кривой, поверхности или объёму. Переход «поле → интеграл → параметр» и есть мост между теорией поля и теорией цепей, где те же CC, LL, RR выступают уже как готовые элементы схемы.

Каждая интегральная величина требует четырёх уточнений, без которых её число лишено смысла: что интегрируется, по какой области, с какой ориентацией (нормали или обхода) и при каких допущениях результат не зависит от произвола выбора области. Этот урок — систематический каталог таких уточнений; предыдущие модули дали отдельные определения, здесь они собраны и сопоставлены.

Потоки, заряд, ток

Поток электрического смещения и заряд

Ψэ=∫SD⋅n dS  [Кл],Q=∫Vρ dV  [Кл].\Psi_{\mathrm э}=\int_S\uD\cdot\un\,\dS\ \ [\text{Кл}],\qquad Q=\int_V\rho\,\dV\ \ [\text{Кл}]. Для замкнутой поверхности SS с внешней нормалью теорема Гаусса даёт Ψэ=Q\Psi_{\mathrm э}=Q — свободный заряд внутри. Отсюда способ измерить заряд электрода по полю: охватить электрод любой замкнутой поверхностью, лежащей в диэлектрике, и проинтегрировать нормальную составляющую D\uD. Результат не зависит от выбора поверхности, пока она не захватывает других зарядов.

Магнитный поток и потокосцепление

Φ=∫SB⋅n dS  [Вб],Ψ=∑k=1NΦk  [Вб].\Phi=\int_S\uB\cdot\un\,\dS\ \ [\text{Вб}],\qquad \Psi=\sum_{k=1}^N\Phi_k\ \ [\text{Вб}]. Поверхность SS опирается на контур витка, нормаль согласована с положительным направлением тока в нём по правилу правого винта. Так как ∇⋅B=0\nabla\cdot \uB=0, поток не зависит от выбора натянутой поверхности — только от контура. Потокосцепление обмотки — сумма потоков всех витков; равенство Ψ=NΦ\Psi=N\Phi справедливо лишь при одинаковых потоках витков (см. поток и потокосцепление). Через векторный потенциал Φ=∮LA⋅dl\Phi=\oint_L\uA\cdot\dl.

Ток

I=∫SJ⋅n dS  [А].I=\int_S\uJ\cdot\un\,\dS\ \ [\text{А}]. Поверхность SS пересекает проводник; её ориентация задаёт знак тока. В стационарном режиме (∇⋅J=0\nabla\cdot \uJ=0) ток один и тот же через любое сечение одного проводника. При переменных полях это верно лишь в МКС-приближении, где ток смещения пренебрежим; иначе поверхности, охватывающие заряд, дают разные значения II.

Напряжение

Напряжение

UAB=∫ABE⋅dl  [В]U_{AB}=\int_A^B\uE\cdot\dl\ \ [\text{В}] — линейный интеграл вдоль ориентированного пути от AA к BB. В статическом поле ∇×E=0\nabla\times \uE=0, интеграл не зависит от пути и равен разности потенциалов φA−φB\varphi_A-\varphi_B. В переменном поле ∮E⋅dl=−dΦ/dt≠0\oint\uE\cdot\dl=-\dd\Phi/\dd t\ne0, и напряжение между двумя точками зависит от пути: два пути A→BA\to B отличаются на ЭДС контура, образованного ими. Поэтому «напряжение на зажимах» переменного устройства имеет смысл только вместе с указанием, как проложены измерительные провода, а в теории цепей — при допущении, что вне элементов переменный поток отсутствует.

Ёмкость

Ёмкость двухэлектродной системы

Для двух проводников с зарядами +Q+Q и −Q-Q в линейном диэлектрике C=QU  [Ф],C=\frac{Q}{U}\ \ [\text{Ф}], где UU — напряжение между ними. Линейность среды гарантирует, что отношение не зависит от UU. Через энергию: C=2Wэ/U2=Q2/(2Wэ)C=2W_{\mathrm э}/U^2=Q^2/(2W_{\mathrm э}).

При nn проводниках заряд каждого линейно зависит от всех потенциалов: Qi=∑jcijφjQ_i=\sum_j c_{ij}\varphi_j. Матрица коэффициентов cijc_{ij} симметрична (cij=cjic_{ij}=c_{ji} — следствие взаимности, доказываемой через теорему Грина), диагональные элементы положительны, внедиагональные отрицательны. Эквивалентно, систему описывают частичными ёмкостями между каждой парой проводников и между каждым проводником и землёй — именно они входят в схему замещения многопроводной линии. Единица везде — фарад.

Индуктивности

Собственная индуктивность

Для контура (обмотки) с током II в линейной среде L=ΨI  [Гн],эквивалентноL=2WмI2,L=\frac{\Psi}{I}\ \ [\text{Гн}],\qquad\text{эквивалентно}\qquad L=\frac{2W_{\mathrm м}}{I^2}, где Ψ\Psi — потокосцепление собственного поля, WмW_{\mathrm м} — энергия магнитного поля во всём пространстве. Два определения совпадают только в линейной системе; в нелинейной вводят секущую и дифференциальную индуктивности (см. следующий урок). Для тонких проводов определение через поток требует оговорки, где проходит контур внутри провода; определение через энергию её не требует и автоматически включает внутреннюю индуктивность.

Взаимная индуктивность

Потокосцепление контура 1, создаваемое током контура 2: M12=Ψ12I2  [Гн].M_{12}=\frac{\Psi_{12}}{I_2}\ \ [\text{Гн}]. Теорема взаимности: M12=M21M_{12}=M_{21}. Для тонких контуров в немагнитной среде это видно из формулы Неймана M12=μ04π∮L1∮L2dl1⋅dl2∣r1−r2∣,M_{12}=\frac{\mu_0}{4\pi}\oint_{L_1}\oint_{L_2}\frac{\dl_1\cdot\dl_2}{|\ur_1-\ur_2|}, симметричной относительно перестановки контуров [Калантаров]. Знак MM зависит от выбора положительных направлений обхода в обоих контурах.

Для nn обмоток Ψi=∑jLijIj\Psi_i=\sum_jL_{ij}I_j; матрица индуктивностей симметрична, Lii=LiL_{ii}=L_i, Lij=MijL_{ij}=M_{ij}. Энергия Wм=12∑i,jLijIiIjW_{\mathrm м}=\tfrac12\sum_{i,j}L_{ij}I_iI_j положительна при любых токах, откуда M122≤L1L2M_{12}^2\le L_1L_2 и коэффициент связи k=M12/L1L2≤1k=M_{12}/\sqrt{L_1L_2}\le1.

Сопротивление, мощность, импеданс

Сопротивление

R=UI=PI2  [Ом],G=1R  [См],R=\frac{U}{I}=\frac{P}{I^2}\ \ [\text{Ом}],\qquad G=\frac1R\ \ [\text{См}], где UU — напряжение между электродами проводника, II — ток через любое его сечение, P=∫VJ⋅E dVP=\int_V\uJ\cdot\uE\,\dV — мощность потерь Джоуля. Два определения совпадают при линейном законе Ома J=σE\uJ=\sigma\uE; определение через мощность удобнее в численных моделях, так как объёмный интеграл сходится быстрее линейного.

Мощность потерь

P=∫VJ⋅E dV=∫VσE2 dV  [Вт]P=\int_V\uJ\cdot\uE\,\dV=\int_V\sigma E^2\,\dV\ \ [\text{Вт}] — мгновенная мощность. Для гармонических полей с амплитудными фазорами средняя мощность P=12∫VRe⁡{J˙⋅E˙∗}dV=12∫V∣J˙∣2σdVP=\tfrac12\int_V\Re\{\cplx{\uJ}\cdot\cplx{\uE}^*\}\dV=\tfrac12\int_V\frac{|\cplx{\uJ}|^2}{\sigma}\dV (см. фазоры). Пропуск множителя 12\tfrac12 — ошибка вдвое.

Импеданс

Для гармонического режима отношение комплексных амплитуд напряжения и тока Z=U˙I˙=R+jX  [Ом].Z=\frac{\cplx U}{\cplx I}=R+\ii X\ \ [\text{Ом}]. Активная часть связана со средними потерями: R=2P/∣I˙∣2R=2P/|\cplx I|^2; реактивная — со средней запасённой энергией: для магнитной системы X=ωLX=\omega L, где L=4⟨Wм⟩/∣I˙∣2L=4\langle W_{\mathrm м}\rangle/|\cplx I|^2. Поскольку напряжение в переменном поле зависит от пути, ZZ привязан к определённому расположению зажимов. При скин-эффекте RR и LL зависят от частоты (вихревые токи).

Энергия и тепловой поток

Энергия поля (линейная среда)

Wэ=12∫VE⋅D dV,Wм=12∫VB⋅H dV  [Дж],W_{\mathrm э}=\tfrac12\int_V\uE\cdot\uD\,\dV,\qquad W_{\mathrm м}=\tfrac12\int_V\uB\cdot\uH\,\dV\ \ [\text{Дж}], интеграл — по всему пространству, где поле отлично от нуля. Множитель 12\tfrac12 справедлив лишь для линейных сред; общие выражения ∫H⋅dB\int\uH\cdot\dd\uB рассматриваются в уроке об энергии и коэнергии.

Тепловой поток

P=∫Sq⋅n dS  [Вт]P=\int_S\uq\cdot\un\,\dS\ \ [\text{Вт}] — мощность, уходящая через поверхность SS в направлении нормали. Для замкнутой поверхности в стационарном режиме равен суммарному тепловыделению внутри: ∮q⋅n dS=∫VqV dV\oint\uq\cdot\un\,\dS=\int_Vq_V\,\dV. Это тепловой аналог теоремы Гаусса и основа проверки энергетического баланса.

Силы и моменты — тоже интегральные величины: F=∫Vf dV\vec F=\int_V\vec f\,\dV (объёмная плотность силы) или поверхностный интеграл тензора натяжений по поверхности, охватывающей тело. Им посвящён следующий урок.

Сводная таблица

Величина Интеграл Область Ориентация Единица Допущение независимости
Ψэ\Psi_{\mathrm э}, QQ ∫D⋅n dS\int\uD\cdot\un\,\dS замкнутая поверхность внешняя нормаль Кл нет других зарядов внутри
Φ\Phi ∫B⋅n dS\int\uB\cdot\un\,\dS поверхность на контуре правый винт с обходом Вб ∇⋅B=0\nabla\cdot \uB=0 (всегда)
II ∫J⋅n dS\int\uJ\cdot\un\,\dS сечение проводника по выбору А ∇⋅J=0\nabla\cdot \uJ=0
UU ∫E⋅dl\int\uE\cdot\dl путь A→BA\to B от AA к BB В ∇×E=0\nabla\times \uE=0 (статика)
CC, LL, MM, RR отношения — согласование знаков MM Ф, Гн, Ом линейность
WW 12∫E⋅D dV\tfrac12\int\uE\cdot\uD\,\dV, 12∫B⋅H dV\tfrac12\int\uB\cdot\uH\,\dV всё пространство — Дж линейность
PP ∫J⋅E dV\int\uJ\cdot\uE\,\dV проводник — Вт —
PP (тепло) ∫q⋅n dS\int\uq\cdot\un\,\dS поверхность нормаль Вт стационарность для баланса

Плоские и осесимметричные модели

В плоской (двумерной) модели поле не зависит от координаты zz, и все объёмные и поверхностные интегралы вырождаются: ёмкость, индуктивность, сопротивление, энергия, потери получаются на единицу длины — C′C' [Ф/м], L′L' [Гн/м], R′R' [Ом/м], WℓW_\ell [Дж/м], P′P' [Вт/м] (штрих у энергии не используем: W′W' в курсе — коэнергия). Полные значения — умножением на глубину модели dd: C=C′dC=C'd, L=L′dL=L'd, W=WℓdW=W_\ell d, P=P′dP=P'd. С сопротивлением нужна осторожность: если ток течёт вдоль оси zz (плоская магнитная модель шины), модель даёт R′R' в Ом/м и R=R′dR=R'd; если же ток течёт в плоскости модели (плоская задача проводимости), результат имеет вид R′R' в Ом·м и R=R′/dR=R'/d — проводник тем шире, чем больше глубина. В осесимметричной модели элемент объёма dV=2πr dr dz\dV=2\pi r\,\dd r\,\dd z, элемент поверхности dS=2πr dl\dS=2\pi r\,\dd l, и множитель 2πr2\pi r появляется под знаком каждого интеграла. Подробно — в уроке о размерности моделей.

Разобранные примеры

Погонная индуктивность коаксиальной линии двумя способами

Внутренний проводник радиуса aa, внешний — радиуса bb, ток II течёт по внутреннему и возвращается по внешнему; между ними немагнитная среда, μ=μ0\mu=\mu_0. По закону полного тока при a<r<ba<r<b: H=I/(2πr)H=I/(2\pi r), B=μ0I/(2πr)B=\mu_0I/(2\pi r).

Через поток. Контур тока — это проводник и обратный проводник; натянем на него радиальную полоску длиной 1 м от r=ar=a до r=br=b. Поток через неё Φ′=∫abμ0I2πrdr=μ0I2πln⁡ba,L′=Φ′I=μ02πln⁡ba.\Phi'=\int_a^b\frac{\mu_0I}{2\pi r}\dd r=\frac{\mu_0I}{2\pi}\ln\frac ba,\qquad L'=\frac{\Phi'}{I}=\frac{\mu_0}{2\pi}\ln\frac ba . Через энергию. На единицу длины Wℓ=∫abB22μ02πr dr=μ0I24πln⁡baW_\ell=\int_a^b\frac{B^2}{2\mu_0}2\pi r\,\dd r=\frac{\mu_0I^2}{4\pi}\ln\frac ba, и L′=2Wℓ/I2=μ02πln⁡baL'=2W_\ell/I^2=\frac{\mu_0}{2\pi}\ln\frac ba — тот же результат. Оба способа игнорируют поле внутри проводников (внутреннюю индуктивность); при постоянном токе она добавляет μ0/(8π)\mu_0/(8\pi) от внутреннего провода, при сильном скин-эффекте исчезает.

Числа: a=1a=1 мм, b=3,5b=3{,}5 мм, ln⁡3,5=1,253\ln3{,}5=1{,}253: L′=2⋅10−7⋅1,253=2,51⋅10−7L'=2\cdot10^{-7}\cdot1{,}253=2{,}51\cdot10^{-7} Гн/м =0,25=0{,}25 мкГн/м.

Погонная ёмкость и проверка связи с индуктивностью

Та же линия с диэлектриком ε=εrε0\varepsilon=\varepsilon_r\varepsilon_0. Заряд τ\tau на единицу длины внутреннего проводника по теореме Гаусса даёт D=τ/(2πr)D=\tau/(2\pi r), E=τ/(2πεr)E=\tau/(2\pi\varepsilon r), напряжение U=∫abE dr=τ2πεln⁡baU=\int_a^bE\,\dd r=\frac{\tau}{2\pi\varepsilon}\ln\frac ba, откуда C′=τU=2πεln⁡(b/a).C'=\frac{\tau}{U}=\frac{2\pi\varepsilon}{\ln(b/a)} . Перемножим с L′L': L′C′=μ0εL'C'=\mu_0\varepsilon — логарифмы сократились. Это общее свойство линий с однородным заполнением: 1/L′C′=1/με1/\sqrt{L'C'}=1/\sqrt{\mu\varepsilon} — скорость распространения волны. Числа при εr=2,3\varepsilon_r=2{,}3 (полиэтилен): C′=2π⋅8,854⋅10−12⋅2,3/1,253=1,02⋅10−10C'=2\pi\cdot8{,}854\cdot10^{-12}\cdot2{,}3/1{,}253=1{,}02\cdot10^{-10} Ф/м =102=102 пФ/м; L′C′=2,51⋅10−7⋅1,02⋅10−10=2,56⋅10−17L'C'=2{,}51\cdot10^{-7}\cdot1{,}02\cdot10^{-10}=2{,}56\cdot10^{-17} с²/м², и μ0ε0εr=1,2566⋅10−6⋅8,854⋅10−12⋅2,3=2,56⋅10−17\mu_0\varepsilon_0\varepsilon_r=1{,}2566\cdot10^{-6}\cdot8{,}854\cdot10^{-12}\cdot2{,}3=2{,}56\cdot10^{-17} с²/м². Скорость 1/L′C′=1,98⋅1081/\sqrt{L'C'}=1{,}98\cdot10^8 м/с =c/2,3=c/\sqrt{2{,}3}.

Взаимная индуктивность двух соосных витков

Виток 1 радиуса aa с током I1I_1 создаёт на оси на расстоянии zz индукцию Bz=μ0I1a22(a2+z2)3/2B_z=\dfrac{\mu_0I_1a^2}{2(a^2+z^2)^{3/2}}. Если виток 2 радиуса b≪ab\ll a расположен соосно на этом расстоянии, поле по его площади почти однородно и Ψ21≈Bzπb2\Psi_{21}\approx B_z\pi b^2, откуда M=Ψ21I1=μ0πa2b22(a2+z2)3/2.M=\frac{\Psi_{21}}{I_1}=\frac{\mu_0\pi a^2b^2}{2(a^2+z^2)^{3/2}} . Вычислять MM «наоборот» — поток малого витка через большой — было бы гораздо труднее, но взаимность гарантирует тот же результат. Числа: a=10a=10 см, b=1b=1 см, z=0z=0 (витки в одной плоскости): M=1,2566⋅10−6⋅π⋅10−2⋅10−42⋅10−3=1,97⋅10−9M=\dfrac{1{,}2566\cdot10^{-6}\cdot\pi\cdot10^{-2}\cdot10^{-4}}{2\cdot10^{-3}}=1{,}97\cdot10^{-9} Гн ≈2\approx2 нГн. Точное выражение через эллиптические интегралы приведено в [Калантаров]; приближение малого витка годится при b≲0,2ab\lesssim0{,}2a.

Распространённые заблуждения

  • Поток через «какую-то» поверхность. Поток Φ\Phi определён для контура; поверхность — вспомогательна. Но для Ψэ\Psi_{\mathrm э} и теплового потока поверхность существенна, а для заряда она должна быть замкнутой.
  • Ψ=NΦ\Psi=N\Phi всегда. Нет: только при одинаковых потоках всех витков. В катушке с рассеянием крайние витки сцеплены с меньшим потоком.
  • Напряжение как разность потенциалов в переменном поле. ∫E⋅dl\int\uE\cdot\dl зависит от пути, если контур из двух путей охватывает переменный поток. Теория цепей обходит это, помещая весь поток внутрь индуктивностей.
  • L=Ψ/IL=\Psi/I в насыщенном сердечнике. Отношение зависит от II и не равно 2W/I22W/I^2; нужно уточнять, о какой индуктивности речь.
  • Забытая глубина модели. Плоская модель выдаёт погонные величины; CC, LL, WW умножаются на dd, а сопротивление — умножается или делится в зависимости от того, течёт ток вдоль оси zz или в плоскости. Пропущенный множитель даёт ошибку на порядки.
  • Энергия по части пространства. W=12∫B⋅H dVW=\tfrac12\int\uB\cdot\uH\,\dV — по всему полю; обрезание области расчёта искажает LL, особенно для открытых катушек без сердечника.

Вопросы и упражнения

  1. Коаксиальная линия: a=2a=2 мм, b=6b=6 мм, воздух. Найдите L′L' и C′C' и проверьте, что L′C′=μ0ε0L'C'=\mu_0\varepsilon_0.
  2. Для той же линии длиной 5 м найдите полные LL и CC. Как изменится CC, если заменить воздух на εr=4\varepsilon_r=4? А LL?
  3. Докажите, что для линейной системы Ψ/I=2W/I2\Psi/I=2W/I^2, исходя из W=∫0Ψi dΨW=\int_0^\Psi i\,\dd\Psi при Ψ=Li\Psi=Li. Почему доказательство не проходит при L=L(i)L=L(i)?
  4. В двухпроводной системе измерены коэффициенты c11c_{11}, c22c_{22}, c12c_{12}. Выразите через них ёмкость CC между проводниками при условии, что их заряды равны и противоположны (Q1=−Q2Q_1=-Q_2).
  5. Два соосных витка радиусов 10 см и 1 см раздвинуты по оси на z=10z=10 см. Во сколько раз уменьшится MM по сравнению со случаем z=0z=0?
  6. Плоская магнитная модель медной шины сечением 10×10010\times100 мм² (ток вдоль оси zz, ρэ=1,72⋅10−8\rho_{\mathrm э}=1{,}72\cdot10^{-8} Ом·м) дала R′=17,2R'=17{,}2 мкОм/м и L′=0,3L'=0{,}3 мкГн/м. Найдите RR и LL шины длиной 4 м. Какое из значений вы ожидаете более надёжным и почему (вспомните о концевых эффектах и о замыкании тока)?

Ответы к пунктам 1, 4 и 5

1. ln⁡3=1,099\ln3=1{,}099; L′=2⋅10−7⋅1,099=2,20⋅10−7L'=2\cdot10^{-7}\cdot1{,}099=2{,}20\cdot10^{-7} Гн/м; C′=2π⋅8,854⋅10−12/1,099=5,06⋅10−11C'=2\pi\cdot8{,}854\cdot10^{-12}/1{,}099=5{,}06\cdot10^{-11} Ф/м; L′C′=1,11⋅10−17L'C'=1{,}11\cdot10^{-17} с²/м² =μ0ε0=\mu_0\varepsilon_0 (1,2566⋅10−6⋅8,854⋅10−12=1,113⋅10−171{,}2566\cdot10^{-6}\cdot8{,}854\cdot10^{-12}=1{,}113\cdot10^{-17}).

4. Из Q1=c11φ1+c12φ2=−Q2=−(c12φ1+c22φ2)Q_1=c_{11}\varphi_1+c_{12}\varphi_2=-Q_2=-(c_{12}\varphi_1+c_{22}\varphi_2) выражаем φ2\varphi_2 через φ1\varphi_1, затем C=Q1/(φ1−φ2)=c11c22−c122c11+c22+2c12C=Q_1/(\varphi_1-\varphi_2)=\dfrac{c_{11}c_{22}-c_{12}^2}{c_{11}+c_{22}+2c_{12}}.

5. Множитель (a2+z2)3/2(a^2+z^2)^{3/2} вырастает от a3a^3 до (2a2)3/2=22 a3(2a^2)^{3/2}=2\sqrt2\,a^3: MM уменьшится в 2,832{,}83 раза.

Итоги

  • Каждая интегральная величина определяется четырьмя уточнениями: интегрируемое поле, область, ориентация, допущение независимости от выбора области.
  • Заряд и поток смещения — по замкнутой поверхности с внешней нормалью; магнитный поток — по поверхности, натянутой на контур, с нормалью по правому винту; ток — по сечению; напряжение — по пути, и в переменном поле оно зависит от пути.
  • C=Q/UC=Q/U, L=Ψ/I=2W/I2L=\Psi/I=2W/I^2, M12=M21M_{12}=M_{21}, R=U/I=P/I2R=U/I=P/I^2, Z=U˙/I˙Z=\cplx U/\cplx I — отношения, не зависящие от возбуждения только в линейных системах; для многопроводных систем — симметричные матрицы.
  • Энергия и мощность — объёмные интегралы по всему полю; с амплитудными фазорами средняя мощность содержит множитель 12\tfrac12.
  • Плоские модели дают погонные величины (CC, LL, WW умножаются на глубину; RR — умножается при токе вдоль оси zz и делится при токе в плоскости), осесимметричные — множитель 2πr2\pi r.

Далее — энергия, коэнергия, сила и момент: как из энергии поля получить силу на подвижную часть, в том числе при насыщении.

Уточнения постановки и расчётной методики FEMM 5

Наблюдаемая величина выбирается до расчёта

Для катушки нужен ответ о потокосцеплении, для изоляции — о напряжённости, для электромагнита — о силе. Карта поля помогает объяснить результат, но не заменяет значение выбранной физической величины. До запуска решателя следует указать контрольную точку, линию или область и физическую единицу. Тогда сеточная проверка будет оценивать именно полезную величину. Показатель «максимальная B» без координаты, способа сглаживания и материала не является достаточным описанием: максимум может относиться к искусственному острому углу.

Точечное поле и сглаживание

На линейном треугольном элементе потенциал интерполируется линейно, а его производные кусочно постоянны. Показанное B может быть дополнительно сглажено для удобства просмотра. Сглаживание не добавляет новых физических данных и иногда скрывает скачок около границы материала. Для количественного сравнения используется один режим обработки и фиксированная координата. В точке на самой границе следует уточнять, с какой стороны берётся значение; у идеального острого угла локальное поле может иметь сингулярный характер.

Поток через поверхность

В плоскопараллельной модели отрезок сечения, вытянутый вдоль Depth, образует поверхность. Поток через неё равен интегралу нормальной B по линии, умноженному на глубину. Знак задаётся нормалью, связанной с направлением обхода. Если окно обработки результатов уже учитывает Depth, повторно умножать результат не нужно. В осесимметрии поверхность образуется вращением линии и содержит вес 2\pi r. Интеграл через стержень измеряет поток этого стержня, но не автоматически потокосцепление всех витков.

\Phi=d\int_C\mathbf B\cdot\mathbf n\,\mathrm dl
(5.1)
Для плоской задачи d в м, \mathrm dl в м, B в Тл, итог \Phi в Вб; нормаль n единичная.

Потокосцепление и результаты цепи

Для тонких замкнутых витков \Psi=\sum_k\int_{S_k}\mathbf B\cdot\mathbf n_k\,\mathrm dS=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l. Контуры ориентированы по положительному току, а нормали — правилом правой руки. Это сумма интегралов отдельных витков; один произвольный контур по сердечнику не заменяет геометрию всей обмотки.

Потокосцепление суммирует потоки, сцепляющиеся с отдельными витками. В распределённой обмотке витки могут сцепляться с разными потоками; для неё полезен расчёт через потенциал и определённую схему намотки. В FEMM значение \Psi получают в Circuit Properties. Оно зависит от витков и их знаков, тогда как локальное поле при отключённой измерительной обмотке может быть неизменным. Поэтому ошибку \Psi часто нужно искать в соединении обмоток, а не в сетке железа.

\Psi=\sum_{q=1}^{N}\Phi_q=\sum_{q=1}^{N}\oint_{C_q}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l
(5.2)
Для тонких замкнутых витков \Phi_q — поток через поверхность с границей C_q; ориентация согласована с положительным током. Единица потокосцепления — Вб.

Интегралы по области

Для энергии выделяется вся область, где хранится учитываемое поле, включая воздух. Выделение только железа пропускает энергию рассеяния и зазора. Для силы по взвешенному тензору выделяется тело, на которое действует сила, а не весь магнитопровод без разбора. Для потерь выбирают материал с соответствующим механизмом и корректной частотой. Прежде чем сравнивать два интеграла, проверьте, относятся ли они к одному телу и одной глубине. Название интеграла не отменяет условий применимости его формулы.

W_\text{м}=\int_Vw_\text{м}\,\mathrm dV,\qquad w_\text{м}=\frac{B^2}{2\mu}
(5.3)
W_{\text{м}} в Дж; w_{\text{м}} в \text{Дж}/\text{м}^3; формула плотности ограничена линейной изотропной обратимой связью B=\mu H.

Минимальная таблица результата

В отчёт включаются параметры источника, частота, глубина или осесимметрия, число элементов и определения измерений. Для B указывают координату и компоненту, для потока — поверхность и знак, для \Psi — цепь и витки, для энергии — выбранные области. Можно добавить карту и профиль B вдоль линии, но они должны пояснять числовые ответы. Такой формат позволяет повторить измерение и отличить изменение физики от изменения визуальной шкалы. Для каждого вопроса укажите нужный тип измерения: точка, контур или интеграл по области.

Ориентация измерения сохраняется в таблице

Когда контур проводится слева направо, его нормаль выбирается правилом ориентации, и поток получает соответствующий знак. Разворот того же контура меняет знак, но не модуль интеграла. Аналогично, смена начала обмотки меняет знак её потокосцепления. Для сравнения двух методов нужно согласовать именно эти ориентации, иначе числа будут противоположными при физически одинаковом поле. Энергия не зависит от направления обхода контура, а знак компоненты силы определяется положительным направлением выбранной оси. В таблице результатов следует указывать не только значения, но и определения величин. Например: поток через поперечное сечение левого стержня, нормаль вверх; потокосцепление цепи первой обмотки с указанным началом; сила на отдельный якорь по оси y.

От локального поля к наблюдаемой величине

Каждая интегральная величина требует собственной поверхности, объёма или электрической цепи. Цветовая шкала индукции не является измерением потокосцепления.

  1. Для потока выберите ориентированную поверхность. В плоской постановке её элемент равен длине участка контура, умноженной на глубину; знак определяется выбранной нормалью.

  2. Для потокосцепления сложите потоки всех витков. У распределённой обмотки разные витки могут охватывать разные потоки, поэтому произведение одного локального потока на число витков требует обоснования.

  3. Для энергии интегрируйте плотность по всем областям поля, включая воздух. Уточните, является результат мгновенной статической энергией или величиной, определённой для гармонической задачи.

Таблица 5.1. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
BМагнитная индукцияТл
\PhiМагнитный поток через выбранную поверхностьВб
\PsiПотокосцепление обмоткиВб
dАктивная глубина плоской моделим
WМагнитная энергияДж

Границы применимости. При сравнении двух моделей должны совпадать область интегрирования, число витков, глубина и амплитудное соглашение. Максимум поля у идеального острого угла может не иметь конечного сеточного предела.

Пояснения к официальному руководству

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

Формулы и таблицы руководства к этому занятию

Сглаживание поля: что восстанавливается и что остаётся приближением

В плоской задаче линейный потенциал на треугольнике даёт постоянное по элементу производное поле. На общей вершине несколько соседних элементов поэтому предлагают разные значения B. Карта без сглаживания показывает этот кусочно-постоянный результат. Сглаживание создаёт узловое представление производного поля для интерполяции и отображения; исходные узловые значения потенциала и сама сетка от этого не становятся решениями более высокого порядка.

Общий метод восстановления по группе соседних элементов мог бы аппроксимировать значения поля в центрах треугольников плоскостью по наименьшим квадратам. Однако на нерегулярной сетке такая задача может оказаться плохо обусловленной. Для магнитного поля FEMM использует более простое среднее: вклад каждого соседнего элемента взвешивается обратно пропорционально расстоянию от его центра тяжести до рассматриваемого узла. Поэтому большие и маленькие элементы влияют не одинаково, а восстановление не является простым средним всех ближайших значений.

Взвешивание соседних элементов при сглаживании

\mathbf B_{\mathrm{node}}\approx\frac{\sum_e w_e\mathbf B_e}{\sum_e w_e},\qquad w_e=\frac1{\lVert\mathbf x_e-\mathbf x_{\mathrm{node}}\rVert}
(М.Н.22)
Каждому соседнему треугольнику приписывается вес, обратный расстоянию от его центра до рассматриваемого узла. Сглаживание делает поле непрерывнее на рисунке, но не создаёт новую сетку.

Обозначения и единицы

  • \mathbf B_e — индукция в центре элемента, Тл; \mathbf x_e и \mathbf x_{\mathrm{node}} — координаты центра и узла, м; w_e — вес, м⁻¹; восстановленная \mathbf B_{\mathrm{node}} имеет единицу Тл.

Условия применения. На интерфейсах действуют специальные правила; нельзя усреднять несовместимые предельные значения через физический разрыв.

В PDF правило задано словами «inversely proportional to the distance»; нормированная формула раскрывает это описание.

Для электростатики процедура другая: в окрестности узла аппроксимируют узловые напряжения плоскостью и используют её градиент для восстановления электрического поля и смещения с учётом материала. Специальные случаи на границах и поверхностях обрабатываются отдельно. Магнитную формулу усреднения B поэтому нельзя выдавать за точное описание любого поля любого модуля.

На границе материалов физически непрерывны определённые компоненты, а не весь вектор. Без поверхностного заряда непрерывна нормальная D; при разных \varepsilon нормальная E обычно разрывна. Аналогично для границы раздела магнитных сред без поверхностного тока непрерывны нормальная B и тангенциальная H. Сглаживание изображения не должно скрывать эти физически обусловленные скачки. Сравнивайте значения с одной выбранной стороны границы раздела и фиксируйте режим сглаживания.

У острых углов поле может иметь сингулярность. Сглаживание способно изменить показанный максимум, но не создать конечное физическое значение для идеальной острой кромки. Для оценки изоляции указывают реальный радиус скругления; для интегральных сил и энергии отдельно проверяют сходимость нужного интеграла. Сравнение сглаженного и несглаженного профиля полезно как диагностический опыт, но не является самостоятельной строгой оценкой погрешности.

B_{n,1}=B_{n,2},\quad H_{t,1}=H_{t,2};\qquad D_{n,1}=D_{n,2},\quad E_{t,1}=E_{t,2}
(Р.6.2)
Условия для обычного интерфейса без поверхностных тока и свободного заряда. Они не требуют равенства всех компонент каждого вектора.

Проверьте на своей модели

  • Сохраните один профиль поля при включённом и выключенном сглаживании на одной и той же сетке.
  • Для контакта двух диэлектриков сравните нормальную D и тангенциальную E по обе стороны, не требуя совпадения нормальной E.
  • Для максимума у кромки явно зафиксируйте радиус скругления и размер сетки; не объявляйте изменение сглаживания уточнением геометрии.

Источник: руководство FEMM 5 целиком [32]. § 7.3

Разобранный численный пример

Поток и потокосцепление

Дано. Однородная B=0{,}5 \,\text{Тл} нормально пересекает стержень шириной 10 \,\text{мм} и глубиной 20 \,\text{мм}. Все 100 витков сцепляются с этим потоком.

  1. Площадь и поток.

    \Phi=0{,}5\cdot0{,}010\cdot0{,}020=10^{-4}\,\text{Вб}
    (5.4)
  2. Суммирование по виткам.

    \Psi=100\Phi=0{,}010\,\text{Вб}
    (5.5)

Ответ: \Phi=0{,}1 мВб; \Psi=10 мВб.

Проверка: Поток и потокосцепление отличаются в 100 раз только при одинаковом сцеплении всех витков.

Практикум в FEMM 5

Четыре способа измерения

Таблица 5.2. 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. Проведите поперёк этого стержня контур и измерьте нормальный поток; подпишите направление контура.
  7. Из результатов цепи снимите \Psi_{1} и \Psi_{2}. Для энергии выделите всё железо, обмотки и воздух, а затем отдельно только железо; сравните значения.
  8. Постройте профиль B вдоль линии через окно и стержни. Сравните сглаженный и несглаженный вид, не меняя исходную модель.

Ожидаемый результат. Поток стержня и \Psi/N близки при небольшом рассеянии, но не обязаны совпадать точно. Полная энергия не меньше энергии только железа.

Как проверить. Каждая величина имеет единицу и определение области; для полной энергии не пропущен воздух.

Обработка и анализ результатов

Почему точка, профиль, контур и область дают разные результаты?

  1. Извлеките предусмотренные практикумом точечные, контурные и объёмные величины.
  2. Приведите результаты к одинаковым единицам и ориентации; вычислите невязку независимых способов измерения.

С чем сравнить. Используйте интегральный закон и ориентацию контура из теории занятия. Плотность, интеграл по сечению и полный объёмный результат сравнивают после учёта геометрического множителя.

Итог работы. Таблица величин, единиц и областей измерения без смешения плотности и интеграла.

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 5.3. 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 5.1. 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 5.2. Интерфейс FEMM 5: осесимметричная катушка, геометрические объекты, метки и воздушная область. Открыть в полном размере
Поле воздушной катушки: осесимметричный магнитостатический эталон FEMM 5.
Рисунок 5.3. Поле воздушной катушки: осесимметричный магнитостатический эталон FEMM 5. Открыть в полном размере
Результаты цепи Coil: заданный ток и рассчитанное потокосцепление.
Рисунок 5.4. Результаты цепи Coil: заданный ток и рассчитанное потокосцепление. Открыть в полном размере
Интегральная энергия всей магнитной системы; выделение включает катушку и окружающий воздух.
Рисунок 5.5. Интегральная энергия всей магнитной системы; выделение включает катушку и окружающий воздух. Открыть в полном размере
Измерение B и H в точке (−25; 15) мм внутри левого стержня.
Рисунок 5.6. 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 5.7. Ориентированный контур поперёк стержня и интеграл нормальной индукции. Открыть в полном размере
Профиль |B| через стержни и окно: сглаживание выключено. Контур от (−45; 15) до (45; 15) мм, 400 точек. Position — расстояние от начала контура в мм; |B| — магнитная индукция в Тл. Единицы восстановлены по модели и выбранной величине: само окно FEMM их не печатает.
Рисунок 5.8. Профиль |B| через стержни и окно: сглаживание выключено. Контур от (−45; 15) до (45; 15) мм, 400 точек. Position — расстояние от начала контура в мм; |B| — магнитная индукция в Тл. Единицы восстановлены по модели и выбранной величине: само окно FEMM их не печатает. Открыть в полном размере
Профиль |B| через стержни и окно: сглаживание включено. Контур от (−45; 15) до (45; 15) мм, 400 точек. Position — расстояние от начала контура в мм; |B| — магнитная индукция в Тл. Единицы восстановлены по модели и выбранной величине: само окно FEMM их не печатает.
Рисунок 5.9. Профиль |B| через стержни и окно: сглаживание включено. Контур от (−45; 15) до (45; 15) мм, 400 точек. Position — расстояние от начала контура в мм; |B| — магнитная индукция в Тл. Единицы восстановлены по модели и выбранной величине: само окно FEMM их не печатает. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Подготовьте таблицу B, \Phi, \Psi, W_{\text{м}} для одной модели с точным описанием всех измерений.

Критерий выполнения: Другой учащийся может воспроизвести измерения по таблице без угадывания выбранных областей.

Литература

Полные библиографические описания

Пояснения и типичные ошибки
Почему нельзя брать \Psi=B_{\text{ц}}SN без проверки?

Поле и потокосцепление разных витков могут быть неодинаковы.

Где хранится энергия воздушной катушки?

В поле внутри и вне обмотки, поэтому нужен окружающий воздух.

Добавляет ли сглаживание точность сетке?

Нет, оно только меняет представление производных.

На что обратить внимание

  • Интегрировать энергию только по железу.
  • Умножать поток на Depth второй раз.
  • Сравнивать сглаженный максимум с несглаженным.