Официальное руководство · учебные пояснения
От руководства к расчётной практике
Подробные русские пояснения к физическим моделям, настройкам, численным методам и автоматизации FEMM 5. Эти же материалы включены в соответствующие занятия.
Все 74 оригинальных рисунка встроены рядом с относящимися к ним пояснениями. Нажмите на изображение, чтобы рассмотреть детали; перевод значимых надписей приведён под ним. Префикс «М» сохраняет нумерацию рисунков руководства от 1 октября 2026 года. Все 77 нумерованных формул руководства, ненумерованные соотношения и таблицы набраны непосредственно в курсе с пояснениями обозначений и условий применения. Префикс «М» сохраняет исходный номер, «М.Н» обозначает элемент без номера в оригинале; дополнительные выводы курса сохраняют префикс «Р». Для каждого вызова сверяйте порядок аргументов, форму ответа, единицы и состояние выбранного документа.
Совпадений нет. Попробуйте другой термин.
1 · Четыре физических приближения и единицы источников
Одна и та же двумерная геометрия допускает несколько физических постановок. Магнитный модуль учитывает электромагнитную индукцию и токи проводимости, пренебрегая током смещения; электростатический модуль описывает поле неподвижных зарядов. Модуль протекания тока учитывает токи проводимости и смещения в приближении, исключающем существенное влияние магнитной индукции, а тепловой модуль решает задачу теплопроводности. В каждом случае выбирается плоскопараллельная или осесимметричная геометрия. Такой выбор не расширяет состав физических явлений: пространственное распределение общего вида, распространение электромагнитных волн и гидродинамика требуют других моделей.
Закон Ампера с током смещения
Обозначения и единицы
- \mathbf J — проводящий ток, А/м²; \dot{\mathbf D} — ток смещения, также А/м².
- \mathbf H — А/м; точка означает производную по времени.
Условия применения. Исходное уравнение Максвелла перед квазиэлектростатическим упрощением. Нельзя одновременно выкинуть ток смещения и ожидать ёмкостной составляющей тока.
Магнитный закон Гаусса в выводе токовой задачи
Обозначения и единицы
- \mathbf B — магнитная индукция, Тл.
Условия применения. Уравнение приведено как часть исходной системы Максвелла. Для оценки индуктивности и магнитного вытеснения тока нужен магнитный модуль, а не только Current Flow.
Индукционный член, проверяемый перед токовым приближением
Обозначения и единицы
- \mathbf E — В/м; \dot{\mathbf B} — Тл/с, эквивалентно В/м².
Условия применения. Пренебрежение правой частью обосновывают масштабами задачи; одно лишь название «низкая частота» не гарантирует малости индуктивного эффекта.
Свободный заряд в токовом выводе
Обозначения и единицы
- \mathbf D — Кл/м²; \rho — Кл/м³.
Условия применения. Сохраняется связь с локальным зарядом; это не предписание независимо назначать произвольную \rho в том же токовом решении, где она определяется потенциалом и свойствами.
Проводящий ток в Current Flow
Обозначения и единицы
- \sigma — См/м, \mathbf E — В/м, \mathbf J — А/м².
- В токовом диалоге \sigma _{x} и \sigma _{y} задаются в См/м, без множителя 10⁶ магнитного диалога.
Условия применения. Линейный локальный закон. В анизотропном материале \sigma является тензором; скалярное выражение применяют вдоль соответствующей главной оси.
Электрическое смещение в токовой задаче
Обозначения и единицы
- \varepsilon — абсолютная проницаемость, Ф/м; \mathbf D — Кл/м².
- Относительный параметр интерфейса переводят в абсолютный через \varepsilon_0.
Условия применения. Линейное материальное соотношение в выбранном частотном режиме; для потерь и анизотропии учитывают комплексные коэффициенты по направлениям.
Дивергенция закона полного тока
Обозначения и единицы
- \nabla\cdot\mathbf J и \nabla\cdot\dot{\mathbf D} имеют единицу А/м³.
- \mathbf J здесь не включает ток смещения.
Условия применения. Производные понимаются в обычном смысле внутри гладкой области и в слабом смысле на интерфейсах. Поверхностные источники требуют соответствующих условий скачка.
Сохранение суммы проводящего и ёмкостного токов
Обозначения и единицы
- \mathbf J+\dot{\mathbf D} — плотность полного тока, А/м².
- \rho — свободный заряд на единицу объёма, Кл/м³.
Условия применения. Токовый баланс включает обе составляющие. Только в постоянном режиме из него непосредственно следует \operatorname{div} J=0.
Потенциал квазиэлектростатического токового поля
Обозначения и единицы
- V — потенциал, В; \mathbf E — В/м. В гармонике V становится комплексной амплитудой.
Условия применения. Квазиэлектростатика: индукционный вклад -\partial A/\partial t достаточно мал. При выраженном скин-эффекте магнитного происхождения требуется иная постановка.
Дивергентное уравнение гармонического протекания тока
Обозначения и единицы
- \widehat V — комплексная пиковая амплитуда, В; \omega — рад/с.
- \sigma и \omega\varepsilon имеют единицу См/м; \varepsilon — абсолютная проницаемость, Ф/м.
Условия применения. Установившаяся квазиэлектростатика, \exp (j\omega t), без объёмного стороннего источника в рассматриваемой области. Для анизотропии коэффициент является тензором.
Шляпка у V добавлена для явного обозначения комплексной амплитуды; исходный математический оператор сохранён.
Локальное упрощение токового уравнения
Обозначения и единицы
- \sigma+j\omega\varepsilon — комплексный коэффициент, См/м.
- \widehat V — амплитуда потенциала, В.
Условия применения. Требуются локально постоянные скалярные \sigma и \varepsilon. При плавно меняющемся коэффициенте возникает дополнительный член с его градиентом; при анизотропии обычный скалярный лапласиан недостаточен.
В оригинале сказано «piece-wise continuous». Для указанного вынесения коэффициента этого недостаточно: здесь явно требуется его кусочное постоянство, а на интерфейсах используется дивергентная постановка.
Постоянный ток в однородном проводнике
Обозначения и единицы
- \sigma — постоянная проводимость, См/м; V — действительный потенциал, В.
- Для неоднородной среды сохраняют -\nabla\cdot(\sigma\nabla V)=0.
Условия применения. Постоянный режим, локально однородная изотропная область с \sigma >0. Идеальная область \sigma =0 при f=0 сама по себе не даёт уравнения для определения её потенциала через проводимость.
Калибровка Кулона
Обозначения и единицы
- \mathbf A — магнитный векторный потенциал, Вб/м; \nabla\cdot\mathbf A имеет единицу Вб/м².
Условия применения. Сама калибровка является выбором представления потенциала. Упрощение уравнения до постоянного коэффициента перед лапласианом дополнительно требует однородной \mu и согласованных граничных условий.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
В магнитостатике исходными соотношениями служат ротор H, равный плотности свободного тока, и нулевая дивергенция B. Запись B = \operatorname{rot} A автоматически выполняет второе соотношение. При нелинейном материале следует оставлять проницаемость внутри дифференциального оператора. Заменить его постоянным множителем перед лапласианом допустимо лишь в однородной линейной изотропной области. Постоянный магнит требует дополнительного источника в материальном законе, как разобрано в занятии 8.4.
Закон Ампера в магнитостатике
Обозначения и единицы
- \mathbf H — напряжённость магнитного поля, А/м.
- \mathbf J — объёмная плотность свободного тока, А/м²; ротор добавляет размерность 1/м.
Условия применения. Поля постоянны во времени. В этой записи ток смещения отсутствует; плотность тока нельзя подменять полным током обмотки без её сечения.
Отсутствие источников магнитного потока
Обозначения и единицы
- \mathbf B — магнитная индукция, Тл.
- \nabla\cdot\mathbf B — дивергенция, Тл/м.
Условия применения. Закон действует также при переменных полях; здесь он используется вместе с магнитостатическим законом Ампера.
Материальный закон изотропной магнитной среды
Обозначения и единицы
- \mu=\mu_0\mu_r — абсолютная проницаемость, Гн/м.
- \mu_r — безразмерная относительная проницаемость; \mathbf B измеряется в Тл, \mathbf H — в А/м.
Условия применения. Скалярная запись предполагает изотропию и отсутствие отдельного смещения характеристики постоянным магнитом. Для анизотропии нужен тензор, для магнита — согласованный источник коэрцитивной силы.
Секущая проницаемость нелинейной характеристики
Обозначения и единицы
- B и H(B) — согласованные скалярные значения одной ветви характеристики, Тл и А/м.
- \mu(B) имеет единицу Гн/м; это не относительная проницаемость.
Условия применения. Для однонаправленной изотропной характеристики. При H=0 используют соответствующий предел, если он существует; для постоянного магнита сначала учитывают смещение B–H-кривой.
Определение магнитного векторного потенциала
Обозначения и единицы
- \mathbf A — векторный потенциал, Вб/м.
- \mathbf B — индукция, Тл; r — радиальная координата осесимметрии, м.
Условия применения. Потенциал определяется с калибровочным произволом. Производные должны соответствовать координатам выбранной геометрии.
Уравнение магнитостатики в векторном потенциале
Обозначения и единицы
- \mathbf A — Вб/м; \mu(B) — Гн/м; \mathbf J — А/м².
- B в аргументе проницаемости обозначает величину индукции, по которой задана характеристика.
Условия применения. Изотропная магнитостатическая среда с однозначной используемой B–H-характеристикой. Источники постоянных магнитов и граничные условия должны быть включены согласованно с моделью материала.
Уравнение Пуассона для однородной магнитной среды
Обозначения и единицы
- \mu — постоянная абсолютная проницаемость, Гн/м.
- \nabla^2\mathbf A — векторный лапласиан; правая часть имеет единицу А/м².
Условия применения. Линейная, изотропная и пространственно однородная область; калибровка Кулона. В цилиндрических координатах векторный лапласиан нельзя заменять скалярным лапласианом A_{\theta }.
К условиям оригинала явно добавлена пространственная однородность \mu: одной линейности и изотропии недостаточно для вынесения коэффициента за оператор.
В магнитной гармонике используется временной множитель \exp (j\omega t). Проводящий ток складывается из вклада изменения векторного потенциала и вклада продольного электрического градиента потенциала. Последний обеспечивает ограничения полного тока в проводящих телах и цепях. Если оставить только слагаемое -j\omega \sigma A, можно получить неверный полный ток даже при визуально правдоподобном распределении вихревых токов. Отдельно заданную плотность возбуждения не следует второй раз включать в индуцированную составляющую.
Локальный закон Ома для проводящего тока
Обозначения и единицы
- \sigma — проводимость, См/м; \mathbf E — В/м; \mathbf J — А/м².
Условия применения. Линейная изотропная проводимость покоящегося материала. Поле \sigma в магнитном диалоге задано в МСм/м: для формулы значение умножают на 10⁶.
Закон электромагнитной индукции
Обозначения и единицы
- \mathbf E — В/м; \mathbf B — Тл; t — время, с.
- Обе части имеют единицу В/м².
Условия применения. Уравнение для неподвижного пространственного контура; движение проводника требует отдельного учёта электродвижущей силы движения.
Закон индукции после введения A
Обозначения и единицы
- \dot{\mathbf A}=\partial\mathbf A/\partial t — В/м.
- \nabla\times\dot{\mathbf A} — В/м².
Условия применения. Пространственная и временная производные переставляются для достаточно регулярных полей. Глобальное введение потенциала дополнительно учитывает связность области и ограничения цепей.
Индукционная и потенциальная части электрического поля
Обозначения и единицы
- V — электрический скалярный потенциал, В; обе части правой стороны — В/м.
- \mathbf A — Вб/м, точка означает производную по времени.
Условия применения. Покоящаяся проводящая область в принятой калибровке. В двумерной магнитной постановке продольный градиент задаётся ограничениями проводящих областей и цепей.
Плотность проводящего тока через потенциалы
Обозначения и единицы
- \mathbf J — проводящий ток на единицу площади, А/м².
- \sigma — См/м; \dot{\mathbf A} и \nabla V — В/м.
Условия применения. Изотропный закон Ома, без добавления стороннего объёмного источника тока в левую часть. Если Jsrc задаётся отдельно, он учитывается в следующем уравнении один раз.
Магнитное уравнение с проводящими и заданными токами
Обозначения и единицы
- \mathbf J_{\mathrm{src}} — заданная плотность источника, А/м².
- \sigma, \mu, \mathbf A, V выражаются в См/м, Гн/м, Вб/м и В.
Условия применения. Магнитоквазистатическое приближение и неподвижная среда. Ограничения полного тока обеспечиваются градиентом V; источник не должен дублироваться в проводящем слагаемом.
Амплитудное представление гармонического поля
Обозначения и единицы
- j^2=-1; \omega=2\pi f, рад/с; t — с.
- \mathbf a — комплексная пиковая амплитуда A, Вб/м. Для одной скалярной синусоиды действующее значение равно |a|/\sqrt2.
Условия применения. Одна частота и установившийся режим. Пиковую амплитуду нельзя без пересчёта подставлять в формулу мощности, записанную для действующих значений.
Уравнение магнитной гармоники
Обозначения и единицы
- \mathbf a, \widehat{\mathbf J}_{\mathrm{src}}, \widehat V — комплексные пиковые амплитуды, соответственно Вб/м, А/м² и В.
- \mu_{\mathrm{eff}} — абсолютная эффективная проницаемость, Гн/м; она может быть комплексной.
Условия применения. Магнитоквазистатика, временная конвенция \exp (j\omega t), заданная частота. Нелинейная гармоническая модель не равна нелинейному расчёту полного временного сигнала.
В оригинале V в гармоническом уравнении не отмечен шляпкой. Здесь она добавлена, чтобы явно отличать комплексную амплитуду от мгновенного потенциала.
Ротор градиента равен нулю
Обозначения и единицы
- \psi — достаточно гладкая скалярная функция; если \psi=V — электрический потенциал, В, то \nabla V имеет единицу В/м.
Условия применения. Обычные области гладкости; на разрывах нужно учитывать предельные значения и граничные условия.
В соседнем предложении PDF ошибочно назван закон Ампера. Здесь речь о статическом законе Фарадея, \operatorname{rot} E = 0.
В электростатике потенциальность E автоматически выполняет безвихревое условие Фарадея. В пояснении к (1.19) оригинал называет его законом Ампера; математически здесь используется именно \operatorname{rot} E = 0. Для кусочно неоднородной или анизотропной среды правильна дивергентная форма уравнения, а не одна глобальная постоянная \varepsilon перед лапласианом. В тепловом модуле величина G руководства равна -\operatorname{grad} T: это противоположность обычному математическому градиенту температуры. Плотность теплового потока F направлена от горячего к холодному.
Закон Гаусса для электрического смещения
Обозначения и единицы
- \mathbf D — электрическое смещение, Кл/м².
- \rho — плотность свободного объёмного заряда, Кл/м³.
Условия применения. Здесь используется электростатическая постановка. Поверхностный и точечный источники имеют другие размерности и не подставляются вместо \rho без соответствующего преобразования.
Безвихревое электрическое поле электростатики
Обозначения и единицы
- \mathbf E — напряжённость электрического поля, В/м.
- Нулевой ротор не означает нулевую напряжённость.
Условия применения. Электростатика в области, где отсутствует внешняя индукционная ЭДС; глобальный однозначный потенциал требует согласованной топологии задачи.
Линейный закон диэлектрика
Обозначения и единицы
- \varepsilon=\varepsilon_0\varepsilon_r — абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м.
- \mathbf E — В/м; \mathbf D — Кл/м².
Условия применения. Скалярный закон относится к линейному изотропному диэлектрику. Анизотропия требует тензора; электростатический модуль не решает произвольную нелинейную зависимость D(E).
Определение электрического потенциала
Обозначения и единицы
- V — потенциал, В; \nabla V — В/м.
- Добавление одной постоянной ко всем значениям V не меняет поле E.
Условия применения. Электростатика. Для единственного численного решения выбирают опорный потенциал или эквивалентное условие, устраняющее произвольную константу.
В пояснении оригинала ошибочно назван закон Ампера. Тождество \operatorname{rot} \operatorname{grad} V=0 обеспечивает именно статическое условие Фарадея \operatorname{rot} E=0.
Уравнение Пуассона электростатики
Обозначения и единицы
- \varepsilon — Ф/м; V — В; \rho — Кл/м³.
- Общая дивергентная форма: -\nabla\cdot(\varepsilon\nabla V)=\rho.
Условия применения. Вынесенная за лапласиан скалярная \varepsilon постоянна внутри рассматриваемой области. При переменных свойствах или анизотропии используют дивергентную форму с соответствующим коэффициентом.
Стационарный баланс тепла
Обозначения и единицы
- \mathbf F — плотность теплового потока, Вт/м².
- q — объёмная мощность тепловыделения, Вт/м³.
Условия применения. Теплопроводность без накопления энергии и переноса потоком вещества. Для переходного режима в балансе появляется объёмная теплоёмкость и производная температуры по времени.
Закон теплопроводности в обозначениях FEMM
Обозначения и единицы
- k — теплопроводность, Вт/(м·К); \mathbf G — К/м; \mathbf F — Вт/м².
Условия применения. Скалярная запись относится к изотропному материалу. При анизотропии используют тензор k; зависимость k(T) требует нелинейного решения.
Знак температурного градиента в руководстве
Обозначения и единицы
- T — температура, К; \mathbf G — К/м.
- Разность температур имеет одинаковое численное значение в кельвинах и градусах Цельсия, но абсолютные температурные законы требуют кельвинов.
Условия применения. Определение относится к обозначениям теплового модуля; оно не меняет математическое определение оператора \operatorname{grad}.
Уравнение стационарной теплопроводности
Обозначения и единицы
- k — Вт/(м·К), T — К, q — Вт/м³.
- При постоянной скалярной k левая часть упрощается до -k\nabla^2T.
Условия применения. Стационарная теплопроводность. Для шага по времени необходимо добавить накопление тепла; формула не описывает конвективный перенос внутри движущейся жидкости.
В формулах СИ плотность магнитного тока J имеет единицу А/м², объёмный электрический заряд \rho — Кл/м³, объёмное тепловыделение q — Вт/м³; это разные типы источников. Абсолютные коэффициенты \mu, \varepsilon, k и \sigma имеют единицы Гн/м, Ф/м, Вт/(м·К) и См/м. Поля интерфейса могут использовать кратные единицы, например МСм/м для проводимости магнитного материала; перед подстановкой в формулы их переводят в СИ. Электрический ток через вывод в амперах и объёмная плотность тока не взаимозаменяемы без площади и распределения.
Графическая оболочка femm_gui и движок femm_headless готовят и обрабатывают документы; fkn, belasolv, hsolv и csolv решают соответственно магнитные, электростатические, тепловые и токовые задачи. Генератор сетки tangle интегрирован в решатели. Поэтому отсутствие видимого окна само по себе не меняет физическую постановку, а успешный запуск оболочки ещё не подтверждает получение решения. Документ с исходными данными и файл результата должны соответствовать одной версии геометрии и свойств.
Проверьте на своей модели
- Для токовой задачи при частоте, стремящейся к нулю, ёмкостный член должен исчезнуть; для магнитной задачи с нулевой проводимостью исчезают вихревые токи.
- При переносе джоулевых потерь в тепловую модель передавайте Вт/м³ либо согласованную полную мощность, а не электрическую плотность тока.
- Перед расчётом укажите, какой отброшенный член уравнений мал именно для выбранного устройства и наблюдаемой величины.
Изучить в занятии: 8.1 · Полная система Максвелла и материальные уравнения; 8.3 · Магнитостатика и магнитоквазистатика: векторный и скалярный потенциалы; 7.1 · Гармоника, электростатика, токопроводимость и границы временной модели; 9.1 · Электростатика: потенциал, заряд и уравнение Пуассона; 10.1 · Закон Фурье, стационарная теплопроводность и тепловое сопротивление; 11.3 · Гармонический ток: проводимость, смещение, комплексная \(\varepsilon\) и нормировка
2 · 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
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
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.
Рисунок М.2.27. Диалог «Свойство узла»
Заданный потенциал может фиксировать электрическую опору, а точечный зарядовый источник — задавать сосредоточенное возбуждение. В плоском сечении подпись C/m относится к линейному источнику вдоль отсутствующего направления; её нельзя подменять объёмной плотностью Кл/м³ или полным зарядом электрода.
Обозначения на рисунке
- Specified Potential Property
- Заданный потенциал
- Point Charge Density Property
- Точечный зарядовый источник
- Specified Potential
- Заданное значение потенциала
- Point Charge Density, C/m
- Линейная плотность точечного зарядового источника, Кл/м
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
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
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
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.
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.
Изучить в занятии: 3.2 · Условия Дирихле, Неймана, Робина и открытая граница; 3.1 · Плоскопараллельная и осесимметричная постановки и объёмные множители; 5.1 · Уравнения Лапласа и Пуассона: градиент, дивергенция и единственность; 9.4 · Проводники с заданным потенциалом и зарядом; плавающий электрод
3 · Тепловые границы: знак потока и линеаризация излучения
Пусть n направлена из тела наружу. Тогда положительная нормальная плотность теплового потока означает отдачу тепла. При изотропной теплопроводности она равна -k\partial T/\partial n. Поэтому запись руководства k\partial T/\partial n + f = 0 задаёт выходящий поток f. Если горячее тело охлаждается средой с температурой T_{\infty}, конвективный поток положителен при T > T_{\infty}. Знак проверяют на простом стержне до использования сложной геометрии.
Заданный выходящий тепловой поток
Обозначения и единицы
- f=F_n — выходящая плотность теплового потока, Вт/м².
- k — Вт/(м·К); \partial T/\partial n — К/м; n направлена наружу.
Условия применения. Изотропная теплопроводность на границе. Полный поток в ваттах получают интегрированием f по площади, включая глубину плоской модели или поверхность вращения.
Условия фиксированной температуры, заданного потока, конвекции и излучения задают разные связи. Температурная граница представляет идеальный термостат; конвекция представляет ограниченную теплоотдачу с заданным коэффициентом h. Излучение требует абсолютных температур в кельвинах и коэффициента излучения \beta от 0 до 1. Для закона \beta \sigma_{\text{СБ}}(T^{4} - T_{\infty}^{4}) нельзя использовать температуру в градусах Цельсия. Сам FEMM не определяет коэффициент h из скорости обтекания и не решает течение охлаждающей среды.
Конвективное граничное условие
Обозначения и единицы
- h — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К).
- T, T_o — температура поверхности и среды, К; разность можно выражать в К или °C.
Условия применения. Нормаль наружу, заданная температура внешней среды. FEMM использует предоставленный коэффициент h и не вычисляет его из течения жидкости.
Тепловое излучение на границе
Обозначения и единицы
- \beta — коэффициент излучения, безразмерный, от 0 до 1.
- k_{\mathrm{sb}}\approx5{,}670374419\cdot10^{-8} Вт/(м²·К⁴) — постоянная Стефана–Больцмана.
- T и T_o — только абсолютные температуры в кельвинах.
Условия применения. Заданная модель излучения к окружению, внешняя нормаль, согласованный коэффициент излучения. Формула не выполняет автоматически расчёт угловых коэффициентов между произвольными взаимно облучающими поверхностями.
Нелинейное излучение на очередной итерации заменяется локальным линейным выражением по температуре. Получается условие Робина, но его коэффициенты обновляются вместе с решением. Поэтому успешная линейная итерация не равна сходимости нелинейного теплообмена. При большом перепаде температур замена излучения одним постоянным h без отдельного обоснования может заметно изменить тепловой баланс.
Периодическая тепловая граница подходит для повторяющихся частей с одинаковыми температурами. Формально доступная антипериодическая связь имеет вид T_{2} = -T_{1} и требует особой осторожности: для абсолютных положительных температур обычного нагретого устройства она не выражает привычную геометрическую симметрию. Антисимметрия отклонения \theta = T - T_{0} не тождественна антипериодичности абсолютной T. Подмена допустима только после согласованного преобразования источников, материалов и граничных законов; излучение и k(T) не сохраняют прежний вид автоматически.
Неназначенная тепловая граница адиабатична. При положительном источнике и полностью адиабатической оболочке конечной стационарной температуры не существует. Переходный расчёт такой системы, напротив, допустим: энергия накапливается в объёмной теплоёмкости. FEMM 5 поддерживает последовательные тепловые шаги от предыдущего решения; эта возможность разобрана в 10.6 и не означает наличия переходного магнитного решателя.
Проверьте на своей модели
- Проверьте, что при T = T_{\infty} конвективный и радиационный потоки равны нулю, а при T > T_{\infty} имеют положительный выходящий знак.
- Для полностью изолированного тела с постоянными q и c_{v} проверьте T(t) = T_{0} + qt /c_{v}; стационарное решение такого опыта не используйте.
Изучить в занятии: 10.1 · Закон Фурье, стационарная теплопроводность и тепловое сопротивление; 10.4 · Температура, поток, конвекция и излучение на границе; 10.6 · Переходная теплопроводность: теплоёмкость, начальное решение и шаг времени
4 · 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.
Рисунок М.1.1. Триангуляция штата Массачусетс
Географическая область служит наглядным примером дискретизации сложной границы. Синие линии задают контур, внутренние рёбра образуют конечную сетку. Это иллюстрация геометрического разбиения, а не модель электромагнитного поля штата: физические коэффициенты и источники нужно задать отдельно.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
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.
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.
Изучить в занятии: 5.2 · Слабая форма, линейный треугольник и независимые источники погрешности; 8.3 · Магнитостатика и магнитоквазистатика: векторный и скалярный потенциалы; 3.1 · Плоскопараллельная и осесимметричная постановки и объёмные множители
5 · Какие системы и алгоритмы действительно использует FEMM 5
В FEMM используются итерационные методы подпространств Крылова для разреженных систем. Для обычной вещественной положительно определённой системы применяется метод сопряжённых градиентов с предобусловливанием (PCG). Симметрия матрицы сама по себе не гарантирует положительную определённость. В частности, ограничение заданного потокосцепления или полного тока может добавить строку множителя Лагранжа и сделать симметричную систему неопределённой; тогда применяется метод квазиминимальных невязок (QMR).
Гармоническая задача даёт комплексно-симметричную матрицу: транспонирование её не меняет, но транспонирование с комплексным сопряжением обычно меняет. Обычный вещественный PCG или его эрмитов вариант к такой системе нельзя переносить автоматически. Руководство указывает комплексно-симметричный метод бисопряжённых градиентов (BCG). Для нелинейной гармоники над решением этих систем выполняется внешняя итерация Ньютона. Таким образом, внутренняя алгебраическая сходимость, нелинейная сходимость материала и согласование внешней электрической цепи — три разных проверки.
Комплексная симметрия и эрмитовость — разные свойства
Обозначения и единицы
- \mathbf K — комплексная матрица дискретной задачи; T — транспонирование; черта — комплексное сопряжение; \dagger — сопряжённое транспонирование. Размерность элементов определяется физической постановкой.
Условия применения. Последнее неравенство характеризует общий гармонический случай; отдельная матрица может обладать дополнительной симметрией.
Исходник использует A=A^{T} и A=A*; в курсе матрица обозначена K, а * раскрыта как сопряжённое транспонирование, чтобы не путать её с магнитным потенциалом.
Предобусловливатель текущей версии — неполное разложение LDL ^{T} с пороговым заполнением. L имеет единичную диагональ, D хранит величины и знаки диагональных элементов; квадратные корни не нужны. Для ограничения памяти сохраняется только ограниченное число достаточно значимых элементов. Разложение строится один раз для очередной сборки и используется на её итерациях. Для сравнения предобусловливателей рассмотрите SSOR и неполное разложение без дополнительного заполнения; основной алгоритм FEMM использует пороговое заполнение.
Неполная факторизация LDL ^{T}
Обозначения и единицы
- \mathbf L — нижнетреугольный множитель с единичной диагональю; \mathbf D — диагональный множитель. Масштабы множителей выбираются согласованно с матрицей \mathbf K.
Условия применения. Знак приближения существенен: факторизация неполная, с порогом и ограничением числа сохраняемых элементов.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
При сборке хранят диагональ и верхний треугольник разреженной матрицы, что удобно при присоединении уравнений цепей и объединении периодических узлов. Перед решением формируется полная копия в формате сжатых разреженных строк (CSR), используемая в умножении матрицы на вектор. Обратная нумерация Катхилла–Макки уменьшает разброс ненулевых элементов относительно диагонали; в описанной версии эту нумерацию выполняет генератор сетки, а не отдельная стадия решателя.
Решатели в этом руководстве намеренно однопоточные. Это свойство реализации объясняется стоимостью неполного разложения и последовательных треугольных проходов. Поэтому число логических процессоров не является ожидаемым коэффициентом ускорения одного расчёта. Упоминаемая автором побитовая повторяемость относится к одинаковому запуску в согласованном окружении; она не гарантирует тождество между другими версиями, платформами, сетками или библиотеками. В отчёте сохраняют версию, входные данные и параметры расчёта.
Проверьте на своей модели
- Не объясняйте отсутствие загрузки всех ядер неисправностью модели: сначала проверьте, какой решатель и версия используются.
- В нелинейной связанной задаче отдельно сохраняйте критерий полевого решателя, невязку внешней цепи и контроль мощности.
- Описание SSOR из материалов по старым версиям FEMM не подменяет описание LDL ^{T} текущего руководства.
Изучить в занятии: 5.2 · Слабая форма, линейный треугольник и независимые источники погрешности; 21.4 · Проверка полевой невязки и невязки уравнений электрической цепи; 13.3 · Автоматический контроль сетки и независимых параметров
6 · 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
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.
Рисунок М.2.36. При неоднозначности графики и интегралы рассчитываются с этой стороны контура
При совпадении пути с диэлектрическим интерфейсом нормаль показывает сторону чтения поля. Без свободного поверхностного заряда нормальная D непрерывна, но нормальная E при разных проницаемостях обычно различается. Разворот пути меняет сторону чтения; это не обязательно ошибка решателя.
Обозначения на рисунке
- direction of contour definition
- Направление задания контура
- direction of the normal to the contour
- Направление нормали к контуру
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
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.
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.
Изучить в занятии: 4.3 · Карты, векторы, профили и экспорт данных: количественное сравнение вариантов; 5.2 · Слабая форма, линейный треугольник и независимые источники погрешности; 4.1 · Наблюдаемые величины и обработка результатов; 3.3 · Независимое уточнение сетки, области и положения; 9.3 · Границы раздела диэлектриков, анизотропия и направление поля
7 · Как превратить размагничивающую кривую в данные FEMM
В модели приложения A.1 магнит рассматривается как ферромагнитный объём с эквивалентным возбуждением, которое можно представить тонким поверхностным токовым слоем. Это полезная эквивалентная картина, а не требование дополнительно рисовать реальную обмотку вокруг магнита. Если источник уже задан коэрцитивной силой и направлением намагничивания, отдельный эквивалентный ток создал бы двойное возбуждение.
Рисунок М.A.2. Магнит в представлении эквивалентного поверхностного токового слоя
Схема объясняет источник постоянного магнита через эквивалентный токовый слой. Это альтернативное физическое представление возбуждения: при уже заданном H_c не нужно добавлять вокруг магнита ещё одну обмотку с тем же эквивалентным током.
Обозначения на рисунке
- N
- Северный полюс
- S
- Южный полюс
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Сначала выбирают заявленную изготовителем кривую размагничивания B(H) при нужной температуре. Параметр H_c в Material Properties соответствует модулю поля, при котором B обращается в нуль на выбранной кривой. Для нелинейной модели эту кривую сдвигают вправо на H_c: координата H новой таблицы равна H исходной кривой плюс H_c, а B сохраняется. Тогда точка B = 0 попадает в начало координат. В таблицу вносится характеристика материала без постоянного смещения, а само смещение задаётся отдельным H_c.
Сдвиг размагничивающей кривой для ввода материала
Обозначения и единицы
- H_c — модуль коэрцитивного поля по B, А/м; H_{\mathrm{source}},H_{\mathrm{table}} — исходная и сдвинутая координаты, А/м; B — индукция, Тл.
Условия применения. Используется согласованная заявленная изготовителем характеристика при нужной температуре; сдвиг не заменяет модель истории размагничивания.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Рисунок М.A.1. Пример размагничивающей кривой Alnico 5
Пересечение с осью B даёт остаточную индукцию, а с осью H — коэрцитивное поле по индукции. Для ввода нелинейного магнита требуется согласованно выделить H_c и сдвинуть характеристику; исходную отрицательную ветвь нельзя без преобразования копировать в обычную таблицу материала.
Обозначения на рисунке
- Field Intensity, A/m
- Напряжённость магнитного поля H, А/м
- Flux density, Tesla
- Магнитная индукция B, Тл
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.A.3. Сдвиг кривой B–H постоянного магнита
К каждой исходной координате H прибавляют положительный модуль H_c, сохраняя B. Полученная таблица описывает материал без постоянного смещения, а само возбуждение задаётся отдельным параметром H_c. Сдвиг по H не означает произвольного изменения измеренных значений B.
Обозначения на рисунке
- Field Intensity, A/m
- Напряжённость H, А/м
- Flux density, Tesla
- Индукция B, Тл
- Demagnetization curve shifted to the right to meet the origin
- Размагничивающая кривая сдвинута вправо так, чтобы проходить через начало координат
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Для достаточно прямолинейной характеристики вместо полной таблицы используют её наклон. Относительная возвратная проницаемость равна наклону dB /dH, делённому на \mu _{0}; она не равна безразмерному отношению B/H без указания точки. Линейная модель согласует B_r, \mu_{\text{воз}} и H_c. Если взять B_r из одной температурной кривой, H_c — из другой, а \mu_{\text{воз}} оставить произвольной, модель перестанет соответствовать любой из исходных кривых.
Не смешивайте коэрцитивную силу по индукции H_{cB} с собственной коэрцитивной силой H_{cJ}, определяемой нулём магнитной поляризации J = B - \mu _{0}H. В FEMM источник линейной линии возврата согласуется с нулём B. Проверка необратимого размагничивания дополнительно требует колена соответствующей заявленной изготовителем характеристики, температуры и компоненты H против направления намагничивания. Один интегральный магнитный поток не показывает наихудшую локальную рабочую точку.
Для Alnico уход ниже колена может перевести магнит на другую линию возврата: после удаления размагничивающего воздействия прежняя индукция не восстановится. Одна однозначная B(H)-таблица FEMM не хранит эту историю. Редкоземельные магниты при обычной температуре часто допускают линейное описание рабочего участка, но это не отменяет температурной зависимости колена и возможности необратимого размагничивания при неблагоприятном режиме. Статический расчёт оценивает рабочие точки принятой характеристики, а не автоматически моделирует историю повреждения магнита.
Рисунок М.A.4. Линия возврата частично размагниченного Alnico 5
После сильного размагничивающего воздействия возврат проходит по другой линии: удаление внешнего воздействия не восстанавливает прежнюю индукцию. Однозначная таблица FEMM не хранит такую историю автоматически. Для проверки стойкости нужны заявленное изготовителем колено при заданной температуре и локальная рабочая точка.
Обозначения на рисунке
- recoil line
- Линия возврата
- Field Intensity, A/m
- Напряжённость H, А/м
- Flux density, Tesla
- Индукция B, Тл
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Возьмите точку исходной кривой H = -H_c, B = 0 и убедитесь, что после сдвига она стала (0, 0).
- В простой линейной проверке H = 0 должно давать B = B_r, а H = -H_c должно давать B = 0.
- Для оценки размагничивания сохраните температуру, источник заявленной изготовителем кривой и локальный минимум H вдоль намагничивания.
Изучить в занятии: 8.4 · Линейные и нелинейные материалы и параметры постоянного магнита; 25.4 · Материал магнитов, температура и проверка поля размагничивания; 31.4 · Оценка потерь и размагничивания в заданных условиях; 51.1 · Поляризованное реле и магнитная защёлка: удержание, освобождение и рабочая точка магнита
8 · Энергетическое произведение магнита: полезная оценка и её пределы
В приложении приведена оценка H_c через максимальное энергетическое произведение (BH)max, когда размагничивающая характеристика линейна и относительная проницаемость принята равной единице. Обозначение E в этой формуле руководства означает численное значение энергетического произведения в MGOe; это не напряжённость электрического поля и не полная энергия магнита.
Оценка коэрцитивной силы по энергетическому произведению
Обозначения и единицы
- E_{\mathrm{MGOe}} — численное значение (BH)_{\max} в MGOe, не полная энергия и не электрическое поле.
- 1\,\mathrm{MGOe}\approx7957{,}747 Дж/м³.
- H_c — модуль напряжённости при B=0, А/м; не внутренняя коэрцитивная сила H_{ci}.
Условия применения. Линейная размагничивающая характеристика, \mu_{\text{воз}}=1, отсутствие ограничения максимума коленом кривой. При иной возвратной проницаемости или заметном температурном изменении нужны согласованные заявленные изготовителем B–H-данные.
Индекс MGOe и единица результата добавлены, чтобы коэффициент применялся к численному значению в исходных единицах. Исходная E переобозначена для исключения путаницы с энергией в джоулях.
Для прямой B = B_r + \mu _{0}\mu_{\text{воз}}H максимум положительного произведения -BH во втором квадранте достигается при B = B_r/2 и H = -H_c/2. Этим объясняется связь между энергетическим произведением и H_c. Однако заявленный изготовителем максимум может быть ограничен коленом кривой, а возвратная проницаемость может отличаться от единицы. Тогда упрощённая формула перестаёт быть полноценной заменой заявленных изготовителем B(H)-данных.
Число 40 MGOe при \mu_{\text{воз}} = 1 даёт приблизительно H_c = 1{,}0066 МА/м и B_r = 1{,}2649 Тл. Это аналитический пример пересчёта, а не подтверждённый материал конкретного производителя. Для проектного расчёта предпочтительнее согласованные B_r, \mu_{\text{воз}} и температурная характеристика; упрощённая оценка полезна для проверки порядка величины и обнаружения ошибки единиц.
Проверьте на своей модели
- Повторите вычисление для 40 MGOe и проверьте, что результат порядка 10⁶ А/м, а не 40 А/м.
- Не вводите (BH)max в поле B_r или H_c без преобразования и проверки линейного допущения.
Изучить в занятии: 8.4 · Линейные и нелинейные материалы и параметры постоянного магнита; 25.4 · Материал магнитов, температура и проверка поля размагничивания
9 · Пакет листов как анизотропная среда: продольное и поперечное поле
Пакет электротехнической стали состоит из железа и межлистовой изоляции. В модели приложения A.2 отдельные листы не обязательно строить геометрически: их заменяют сплошной средой с эффективными свойствами. Коэффициент заполнения c означает долю железа по толщине пакета, а не коэффициент заполнения паза медью. Исходная проницаемость железа в выводе считается изотропной; основная трудность поперечного потока объясняется пересечением слабопроницаемой изоляции.
Для потока вдоль листов железо и изоляция работают как параллельные магнитные пути: напряжённость H вдоль пути общая, а потоки складываются по площадям. Поэтому эффективная проницаемость равна среднему с весами c и 1 - c. Для потока поперёк листов участки железа и изоляции соединены последовательно: нормальная B общая, а магнитные падения напряжения складываются. Здесь усредняется обратная проницаемость. Простое умножение \mu на c в обоих направлениях неверно.
Продольное сопротивление железной доли пакета
Обозначения и единицы
- L — длина магнитного пути, м; S=W d_z — полная площадь поперечного сечения, м².
- c — доля железа, \mu_r — его относительная проницаемость; \mathcal R — А/Вб=1/Гн.
Условия применения. Однородная изотропная проницаемость железа в локальной рабочей точке, плоские слои, 0<c<1. Нормаль к S направлена вдоль рассматриваемого магнитного пути.
В оригинале знаменатель содержит ширину W плоской схемы без явной глубины. Здесь использована площадь S=W\cdot d_z: d_z — физическая глубина пакета. Так магнитное сопротивление имеет единицу 1/Гн; исходная нормировка соответствует принятой единичной глубине.
Продольное сопротивление межлистовой изоляции
Обозначения и единицы
- (1-c)S — площадь немагнитной доли, м²; L — м.
- \mu_0 — Гн/м; \mathcal R_{\parallel,\mathrm{air}} — 1/Гн.
Условия применения. Изоляция принята магнитно эквивалентной воздуху, \mu _{r}\approx 1. При c\to 1 эта ветвь исчезает: её сопротивление стремится к бесконечности, а не к нулю.
Эквивалентное сопротивление вдоль листов
Обозначения и единицы
- \mathcal R_{\parallel} — 1/Гн; L — м; S — м².
- c и \mu_r — безразмерные параметры заполнения и железа.
Условия применения. Модель параллельных плоских слоёв без краевых полей. Площадь S относится ко всему пакету, включая изоляцию.
Точная продольная проницаемость в модели слоёв
Обозначения и единицы
- \mu_{\parallel} — абсолютная эффективная проницаемость, Гн/м.
- c — доля железа; \mu_r — относительная проницаемость железа.
Условия применения. Плоские слои, изотропное железо и немагнитная изоляция. При нелинейном железе коэффициент соответствует выбранной рабочей точке, а не постоянной для всех возбуждений.
Поперечное сопротивление железных слоёв
Обозначения и единицы
- cL — суммарная длина железных участков пути, м.
- S — общая площадь, нормальная поперечному потоку, м²; \mathcal R_{\perp,\mathrm{Fe}} — 1/Гн.
Условия применения. Последовательная модель плоских слоёв, общая нормальная индукция и изотропная проницаемость железа. Краевое выпучивание потока в этой локальной модели отсутствует.
Поперечное сопротивление межлистовых промежутков
Обозначения и единицы
- (1-c)L — суммарная длина немагнитных промежутков, м.
- \mu_0 — Гн/м; S — м²; \mathcal R_{\perp,\mathrm{air}} — 1/Гн.
Условия применения. Промежутки считаются немагнитными; контактные неровности и локальные замыкания не моделируются отдельно. Это магнитное сопротивление, не тепловое контактное сопротивление.
Эквивалентное поперечное сопротивление
Обозначения и единицы
- \mathcal R_{\perp} — 1/Гн; L — длина всего составного пути, м; S — м².
- c и 1-c — доли длины железа и изоляции.
Условия применения. Одна последовательная цепь потока через слои; не включает боковой обход промежутков. Для однородного железа при c=1 получается L/(\mu _{0}\mu _{r}S).
Поперечная эффективная проницаемость пакета
Обозначения и единицы
- \mu_{\perp} — абсолютная проницаемость, Гн/м; для относительной делят на \mu_0.
- c — доля железа; \mu_r — его относительная проницаемость.
Условия применения. Та же последовательная модель, что в сопротивлениях выше. При c\to 0 получается \mu _{0}, при c\to 1 — \mu _{0}\mu _{r}; ориентацию этого коэффициента согласуют с реальной нормалью к листам.
Рисунок М.A.5. Эквивалентная схема для потока в «лёгком» направлении
Вдоль листов металл и изоляция имеют одинаковое магнитное падение, а их потоки складываются. Поэтому эффективная проницаемость получается из параллельного соединения путей с долями c и 1 - c. В схеме руководства подразумевается единичная глубина; в формулах курса используется полная площадь сечения.
Обозначения на рисунке
- Flux traveling in the "easy" lamination direction
- Поток в «лёгком» направлении вдоль листов
- Lamination
- Пакет листов
- Equivalent Magnetic Circuit
- Эквивалентная магнитная цепь
- L
- Длина пути потока
- W
- Ширина пакета на рисунке
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.A.6. Эквивалентная схема для потока в «трудном» направлении
Поперечный поток последовательно пересекает металл и изоляцию. Нормальная B общая, а магнитные падения складываются; поэтому усредняется обратная проницаемость. Даже тонкая изоляция может определять основную часть поперечного магнитного сопротивления.
Обозначения на рисунке
- Flux traveling in the "hard" lamination direction
- Поток в «трудном» направлении поперёк листов
- Lamination
- Пакет листов
- Equivalent Magnetic Circuit
- Эквивалентная магнитная цепь
- L
- Длина пути потока
- W
- Ширина пакета на рисунке
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Для нелинейной процедуры FEMM использует упрощение продольной проницаемости \mu _{\parallel} \approx c\mu _{r}\mu _{0} при (1 - c) \ll c\mu _{r}. В учебном примере c = 0{,}9 и \mu _{r} = 1000 точная продольная относительная проницаемость равна 900,1, приближённая — 900, а поперечная — около 9,9108. Небольшой объём изоляции способен уменьшить поперечную проницаемость на два порядка относительно продольной. Само приближение не следует бездумно продолжать к почти пустому пакету или к состоянию, где \mu _{r} близка к единице.
Упрощённая продольная проницаемость
Обозначения и единицы
- \mu_{\parallel} — Гн/м; c и \mu_r — безразмерны.
- Критерий малости отброшенного вклада: (1-c)\ll c\mu_r.
Условия применения. Применять только при выполнении критерия. При c\to 0 приближение даёт нуль вместо \mu _{0} и теряет правильный предел; насыщение уменьшает \mu _{r} и может ухудшить точность.
Проверка приближения при 90% железа
Обозначения и единицы
- c — доля железа; \mu_r — относительная проницаемость металла; \mu_{\parallel,r} — эффективная относительная проницаемость вдоль листов. Эти величины безразмерны.
Условия применения. Линейная оценка в заданной рабочей точке; изоляция принята с \mu_r=1.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Если листы лежат в плоскости модели, весь двумерный поток идёт по лёгкому направлению и используется соответствующая эффективная характеристика. Если листы ориентированы параллельно x или y, двум направлениям назначаются разные проницаемости. Направление пакета необходимо согласовать с физической конструкцией и типом задачи. Проверка только названия материала без ориентации, толщины листа и коэффициента заполнения недостаточна.
Это магнитная эквивалентная модель. Тепловая анизотропия того же пакета имеет похожую геометрическую логику последовательных и параллельных слоёв, но требует собственных теплопроводностей и контактных сопротивлений. Магнитные \mu _{\parallel} и \mu _{\perp} нельзя переносить в тепловой модуль как численные коэффициенты k.
Проверьте на своей модели
- Для c = 0{,}9 и \mu _{r} = 1000 самостоятельно получите 900,1 и 9,9108; поясните, почему значения настолько различаются.
- До гармонического расчёта укажите направление листов, долю железа и толщину именно металлической части листа.
- При изменении коэффициента заполнения не меняйте одновременно исходную B(H)-кривую, иначе нельзя отделить эффект структуры от материала.
Изучить в занятии: 8.4 · Линейные и нелинейные материалы и параметры постоянного магнита; 19.5 · Нелинейность, баланс мощности и пределы гармоники; 34.1 · Магнитные потери, потери в проводниках и граница баланса мощности; 35.2 · Тепловая модель электрической машины: карта потерь, анизотропия и охлаждение
10 · Комплексная проницаемость листа и встроенный учёт вихревых токов
В тонком листе переменное магнитное поле неоднородно по толщине из-за вихревых токов. Если толщина мала по сравнению с остальными геометрическими размерами, этот одномерный внутренний процесс можно включить в частотно-зависимую эффективную проницаемость. Геометрическая сетка тогда описывает пакет как сплошную среду. Это не означает исчезновения потерь: они представлены комплексным материальным законом.
Для линейного железа формула (A.11) включает относительную проницаемость \mu _{r}, проводимость \sigma, толщину металлического листа d, угловую частоту \omega и гистерезисный угол отставания \varphi _{h}. В приведённой ниже компактной записи p безразмерно; d нужно выражать в метрах, \sigma в См/м и \omega в радианах в секунду. Угол в экспоненте задаётся в радианах, хотя поле интерфейса может ожидать градусы. Указание единиц геометрии в миллиметрах не отменяет перевод величин в СИ при ручной проверке формулы.
Частотная проницаемость проводящего листа с гистерезисным запаздыванием
Обозначения и единицы
- \mu_{\mathrm{fd}}, \mu_r — относительные, безразмерные проницаемости.
- d — толщина именно металла, м; \sigma — См/м; \omega — рад/с; \mu_0 — Гн/м.
- \varphi_h — угол отставания B от H, рад; j^2=-1.
Условия применения. Линейное железо, тонкий лист относительно его прочих размеров, одномерное распределение по толщине, \exp (j\omega t). При нулевом p используют предел, а не прямое деление 0/0. Затем \mu _{\mathrm{fd}} заменяет \mu _{r} в формулах пакетирования; долю железа учитывают отдельно.
Две фазовые экспоненты и знаменатель сверены визуально. \mu _{\mathrm{fd}} в оригинале относительная: добавление лишнего \mu _{0} к результату нарушило бы последующую подстановку в (A.6) и (A.10).
Полученная \mu _{\mathrm{fd}} является относительной комплексной проницаемостью. В формулах пакетирования она заменяет \mu _{r}; затем учитывается доля железа и направление слоёв. При малой толщине либо малой частоте влияние вихревых токов убывает. Если одновременно отсутствует гистерезисное отставание, предел равен исходной \mu _{r}. Если вихревые токи исчезают, но \varphi _{h} остаётся, сохраняется комплексный множитель \exp (-j\varphi _{h}).
Предельные случаи комплексной модели листа
Обозначения и единицы
- d — толщина металла, м; \sigma — проводимость, См/м; \omega — угловая частота, рад/с; \mu_0 — магнитная постоянная, Гн/м; \mu_r — относительная проницаемость.
- p — безразмерный параметр диффузии; \varphi_h — угол запаздывания, рад в экспоненте; \mu_{\mathrm{fd}} — эффективная относительная проницаемость.
Условия применения. Пределы выводятся из модели (A.11) при соглашении e^{j\omega t}; параметры должны быть согласованы с предположениями о листе и гармоническом режиме. Угол \varphi_h подставляется в экспоненту в радианах.
p_{179} прямо указывает множитель \exp (-j\varphi _{h}) для нештихтованного материала. Два предельных выражения раскрывают проверку номерной формулы (A.11), сама формула здесь не дублируется целиком.
При принятой временной зависимости \exp (j\omega t) положительное отставание B от H соответствует отрицательной мнимой части проницаемости. Оно даёт положительную среднюю магнитную потерю. Для массивного материала приближённый гистерезисный эффект также можно представить множителем \exp (-j\varphi _{h}), но проводимость и сетка массивного тела должны описывать его вихревые токи отдельно. Нельзя автоматически считать, что слой и массивный брусок с одинаковой сталью имеют одинаковые потери.
Для нелинейных листов постоянная \mu _{r} в этой формуле не заменяет процедуру приложения A.4: FEMM строит эффективную характеристику с решением внутренней одномерной нелинейной задачи. Потери, уже включённые выбранной моделью материала, нельзя повторно прибавлять к тому же объёму по внешней формуле. Дополнительная эмпирическая модель потерь должна явно представлять отсутствующий механизм либо служить независимым сравнением.
Проверьте на своей модели
- В ручной оценке последовательно уменьшайте d и f: при \varphi _{h} = 0 должна восстанавливаться вещественная \mu _{r}.
- Проверьте знак мнимой части и положительность потерь при принятой временной конвенции.
- В балансе отдельно перечислите, какие потери уже входят в комплексную проницаемость и какие добавлены внешней моделью.
Изучить в занятии: 19.5 · Нелинейность, баланс мощности и пределы гармоники; 34.1 · Магнитные потери, потери в проводниках и граница баланса мощности; 50.2 · Вихревые токи в электромагнитном аппарате: экранирование и предел гармонической модели; 35.1 · Потери в проводниках обмоток: скин-эффект, близость и гармоническая сетка
11 · Открытая область: удалённая граница и кольцевые слои IABC
У воздушной катушки нет естественной стенки, за которой поле строго равно нулю. Простейший расчёт заменяет бесконечное пространство большой конечной областью с условием A = 0 либо \partial A/\partial n = 0. Руководство приводит ориентир: радиус внешней границы не менее пяти характерных расстояний от выбранного центра до устройства. Это начальный выбор, а не доказательство заданной точности; необходимое удаление зависит от источников и требуемой величины.
Удалённая граница и правило пяти размеров
Обозначения и единицы
- A — магнитный потенциал, Вб/м; R_{\mathrm{outer}} — расстояние от выбранного центра до внешней границы, м; R_{\mathrm{object}} — расстояние от того же центра до внешних частей объекта, м.
Условия применения. Правило не является оценкой ошибки и не гарантирует нужной точности силы или индуктивности. Нельзя применять его к произвольным источникам без проверки поведения поля на бесконечности.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Проверку проводят, меняя только внешнюю область и сохраняя разрешение у источников, зазоров и интересующих кромок. В дальнем воздухе допустима более редкая сетка, поскольку локальные изменения обычно медленнее. Сравнивают именно целевой выход: поле в точке, потокосцепление, энергию, силу или момент. Относительная разность плохо подходит для величины около нуля; тогда назначают абсолютный масштаб.
Команда Open Boundary создаёт приближённое асимптотическое условие IABC из вложенных кольцевых слоёв со специально подобранными свойствами. В руководстве допускается от 1 до 12 слоёв; 7 предлагается как разумное исходное значение. Задаются радиус, центр и тип внешней кромки: Дирихле или Неймана. Предложенные по габаритам устройства параметры удобны для начала, но при необычной геометрии их необходимо проверить.
Рисунок М.A.7. IABC в двумерной плоскопараллельной задаче
Кольцевые области IABC приближают влияние внешнего неограниченного пространства. Они являются математической конструкцией, а не магнитными деталями устройства. При интегрировании по физическому телу выбирайте именно его области и проверяйте чувствительность результата к радиусу и числу оболочек.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.A.8. IABC в осесимметричной задаче
Горизонтальная координата здесь является радиусом r, а левая вертикальная линия — осью вращения. Полукруг представляет осесимметричную область, а не половину обычной плоской машины. При чтении объёмных интегралов используется вес 2\pi r.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Решатель и постпроцессор обрабатывают оболочки IABC как области конечных элементов с заданными свойствами. Они видны на карте и попадут в интеграл, если выделить всю модель. Поэтому для физического интеграла сначала выбирают соответствующие области устройства. Особенно опасно считать искусственные слои реальной массой, объёмом или материалом. Если нужна полная энергия, включая бесконечное внешнее пространство, эквивалентность выбранной процедуры интегрирования нужно обосновать отдельно; механическое суммирование всех искусственных областей такого обоснования не даёт.
Скриптовые команды mi_makeABC, ei_makeABC, hi_makeABC и ci_makeABC создают аналогичную конструкцию в соответствующем модуле. Наличие команды в тепловом модуле ещё не гарантирует физический смысл стационарного отвода заданной мощности «в бесконечность». Например, у бесконечно длинного двумерного источника с ненулевой суммарной мощностью и постоянной теплопроводностью температура зависит логарифмически от расстояния, и конечная заданная температура на бесконечности не получается. Открытую границу выбирают вместе с допустимой физической постановкой.
Проверьте на своей модели
- Сравните удалённое усечение и IABC по одной целевой величине при одинаковой сетке около устройства.
- Для IABC отдельно измените число слоёв и радиус; не смешивайте эти изменения с уточнением зазора.
- Перед блоковым интегралом проверьте выделение: искусственные слои не должны случайно стать частью физического тела.
Изучить в занятии: 3.2 · Условия Дирихле, Неймана, Робина и открытая граница; 3.3 · Независимое уточнение сетки, области и положения; 3.5 · Четыре окна постановки: единицы, глубина, частота, точность и библиотеки свойств
12 · 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
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
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
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
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
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
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.
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, [33]. 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.
Рисунок М.A.10. Результат решения задачи
Линии выходят из границы физического круга и продолжаются в образе внешнего пространства. Правый круг не является вторым физическим устройством. Обратное отображение позволяет восстановить положение во внешней области, но сеточную погрешность и исходные предположения всё равно нужно проверять.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
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.
Изучить в занятии: 3.2 · Условия Дирихле, Неймана, Робина и открытая граница; 3.1 · Плоскопараллельная и осесимметричная постановки и объёмные множители; 3.3 · Независимое уточнение сетки, области и положения
13 · Как строится эффективная B–H-кривая основной гармоники
Нелинейная система при синусоидальном возбуждении обычно отвечает несинусоидально. Поэтому выражение «нелинейный гармонический расчёт» в FEMM обозначает приближение: учитывается изменение амплитуды и фазы основной гармоники из-за насыщения и принятых потерь, а высшие гармоники не восстанавливаются. Даже идеально сошедшееся решение не даёт форму броска тока включения, остаточное состояние, спектр искажённой волны или временную историю размагничивания.
Приложение A.4 уточняет, какая величина принимается синусоидальной при построении эффективной характеристики: это H. Для каждого уровня амплитуды H по исходной статической кривой определяют B(t), затем выделяют первую гармонику B. В ходе этой процедуры между пользовательскими точками B(H) применяется линейная интерполяция. Новые точки имеют те же значения H, что исходный набор, но скорректированные значения амплитуды B. Это не простая подстановка DC-проницаемости B/H в комплексное уравнение.
Фундаментальная составляющая нелинейного отклика
Обозначения и единицы
- H_m — амплитуда напряжённости, А/м; B(H) — исходная характеристика с B в Тл; B_1 — амплитуда первой гармоники, Тл; \omega — рад/с; t — с; \theta — рад.
Условия применения. Запись раскрывает основную идею без отдельного гистерезисного фазового сдвига; для полного FEMM-материала он учитывается дополнительной моделью.
В PDF первая гармоника описана словами. Интегральная запись дана для обучения и не утверждает, что FEMM выполняет именно такое численное квадратурное вычисление.
Для симметричной однозначной кривой и косинусоидального H амплитуда основной гармоники B получается интегралом Фурье. На насыщенной кривой сама форма B(t) может быть близка к ограниченной волне; амплитуда её первой гармоники способна превышать максимальное мгновенное значение исходной волны. Поэтому эффективную амплитуду нельзя без проверки читать как физический пик истинного несинусоидального B(t). Выбор синусоидальной B вместо H дал бы другую эффективную характеристику; именно поэтому важно знать соглашение FEMM.
Далее применяется модель нелинейного гистерезисного отставания. Руководство описывает связь угла отставания с проницаемостью, обеспечивающую принятую зависимость потерь от квадрата амплитуды B. Это параметризованная модель, а не восстановление реальной петли по одной статической кривой. Произвольный закон Штейнмеца с фиксированным показателем, особенно в пределе малой индукции, не следует считать автоматически встроенным в эту процедуру.
Две разные зависимости потерь от амплитуды индукции
Обозначения и единицы
- p_h — плотность гистерезисных потерь, Вт/м³; B — амплитуда индукции, Тл. Знак пропорциональности подразумевает коэффициенты с соответствующими единицами.
Условия применения. Сравнение зависимостей при фиксированных остальных условиях. При B\to0 попытка получить закон |B|^{1.6} только настройкой фазового запаздывания становится проблемной.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Для нелинейного пакета с листами в плоскости выполняется ещё один этап: при каждом выбранном H решается одномерная нелинейная гармоническая задача по толщине листа. Вычисляется полный поток, затем он делится на толщину листа и учитывается коэффициент заполнения пакета. Так получается эффективная B(H)-характеристика, объединяющая насыщение, гистерезисную модель и вихревые токи листа. Общая двумерная сетка пакета не обязана геометрически разрешать каждый лист, но исходные толщина, проводимость, заполнение и данные B(H) остаются обязательными.
В учебном отчёте следует разделять три уровня: исходную статическую кривую производителя или учебного примера; эффективную характеристику, используемую одночастотной моделью; физическую временную волну, которую эта модель полностью не вычисляет. Сравнение с экспериментом либо переходным решателем должно использовать одинаково определённую основную гармонику и одинаковую нормировку амплитуд. Сравнение RMS всей искажённой волны только с RMS первой гармоники систематически теряет вклад высших гармоник.
Проверьте на своей модели
- Проверьте процедуру выделения гармоники на линейной B(H): результат должен совпасть с \mu H_{m}.
- В сравнении с измерением укажите, сопоставляется ли амплитуда первой гармоники, полный пик или полное действующее значение.
- Не называйте одну нелинейную AC-точку расчётом переходного пуска или полной петли гистерезиса.
Изучить в занятии: 7.1 · Гармоника, электростатика, токопроводимость и границы временной модели; 19.5 · Нелинейность, баланс мощности и пределы гармоники; 21.3 · Нелинейная нагрузка: метод Ньютона по действительным и мнимым составляющим; 34.1 · Магнитные потери, потери в проводниках и граница баланса мощности; 50.2 · Вихревые токи в электромагнитном аппарате: экранирование и предел гармонической модели
14 · Как пользоваться списком литературы руководства
Список на страницах 171–172 содержит 24 позиции. Карта ниже связывает источники с физическими моделями и численными методами. При воспроизведении расчёта сверяйте параметры интерфейса и реализацию решателя с руководством выбранной версии FEMM; статья по методу помогает понять его математическое основание.
Общую физическую основу автор связывает с книгами Plonus [1], Hoole [2] и Jackson [3]. Для теплопроводности указаны White [4] и Haberman [5]. Они помогают различать уравнения Максвелла, приближения низкой частоты и тепловую аналогию, но не дают права смешивать физические единицы аналогичных величин. Документация MicroPython [9] относится к языковой среде встроенных сценариев; особенности FEMM и доступных модулей всё равно сверяют с главой 3 текущего руководства.
Вариационное построение конечных элементов связано с Allaire [10] и Silvester [11], а осесимметричная магнитная формулировка — с работой Henrotte и соавторов [12]. Эти источники отвечают на разные вопросы: откуда возникает матрица элемента и почему специальная формулировка ведёт себя лучше у оси. Техники вычисления сил имеют отдельную основу: объёмный взвешенный интеграл связывается с McFee, Webb и Lowther [7], а метод тонкой оболочки — с Henrotte, Deliege и Hameyer [8]. Их нельзя сводить к утверждению, что всякий силовой интеграл одинаково точен на любой сетке.
Freund [14] объясняет итерационные методы для комплексно-симметричных систем; D’Azevedo, Forsyth и Tang [15] — влияние нумерации неизвестных на сходимость. Fletcher [13] объясняет предобусловливание SSOR. В §7.2 текущего руководства главным предобусловливателем является неполное LDL ^{T} с пороговым заполнением. Zienkiewicz и Zhu [16] представляют восстановление поля по соседним элементам; FEMM использует упрощённое взвешивание для магнитного поля, поэтому ссылка на общий метод не означает дословной реализации всех его шагов.
Для открытой области Chen и Konrad [17] дают обзор подходов. Работы Meeker [18, 19] объясняют IABC для магнитных и электростатических задач. Работы Freeman, Lowther и Forghani [20–22] относятся к отображению внешней области и его плоской, осесимметричной и пространственной постановкам. В учебном расчёте полезно сначала определить, используется ли простое усечение, IABC или преобразование Кельвина, а затем обращаться к соответствующему источнику; эти методы не являются разными названиями одного и того же граничного условия.
Вихревые токи и частотную проницаемость тонких листов руководство связывает со Stoll [6]. Нелинейную гармоническую характеристику — с Jack и Mecrow [23], а модель нелинейного гистерезисного отставания — с O’Kelly [24]. Для статьи или отчёта следует сослаться одновременно на выбранную модель материала и на фактическую реализацию FEMM. Одного названия марки стали недостаточно для воспроизводимого утверждения о потерях.
Проверьте на своей модели
- В отчёте о численном методе разделите ссылку на текущую реализацию FEMM и ссылку на исходный метод.
- Если статья из списка не изучалась непосредственно, укажите, что её назначение установлено по руководству FEMM; не приписывайте ей независимо проверенные выводы.
Изучить в занятии: 5.2 · Слабая форма, линейный треугольник и независимые источники погрешности; 40.2 · Сила по тензору напряжений Максвелла, взвешенному интегралу и коэнергии; 3.2 · Условия Дирихле, Неймана, Робина и открытая граница; 19.5 · Нелинейность, баланс мощности и пределы гармоники; 36.2 · Независимое сравнение и воспроизводимый отчёт
15 · Режим выбора определяет действие клавиши и мыши
Пять режимов препроцессора выбирают тип объектов: узлы, отрезки, дуги, метки областей и группы. Сначала переключите режим, затем выделяйте и редактируйте. Правый щелчок переключает выделение ближайшего объекта: повторный щелчок снимает его. Правый двойной щелчок сообщает свойства и одновременно меняет состояние выделения; после проверки свойств снова посмотрите, что осталось выделенным.
Сначала найдите текущий режим построения, затем нужную клавишу. Одна клавиша редактирует разные типы объектов в разных режимах; отдельно выделены общие команды размера конечных элементов и управления видом.
| Режим | Клавиша | Действие |
|---|---|---|
| Узлы | Space | Изменить свойства выбранных узлов |
| Узлы | Tab | Численно задать координаты нового узла |
| Узлы | Escape | Снять выделение всех узлов |
| Узлы | Delete | Удалить выбранные узлы |
| Отрезки и дуги | Space | Изменить свойства выбранных отрезков или дуг |
| Отрезки и дуги | Escape | Снять выделение и отменить выбранную начальную точку линии |
| Отрезки и дуги | Delete | Удалить выбранные отрезки или дуги |
| Метки областей | Space | Изменить свойства выбранных меток |
| Метки областей | Tab | Численно задать координаты новой метки |
| Метки областей | Escape | Снять выделение всех меток |
| Метки областей | Delete | Удалить выбранные метки |
| Группы | Space | Изменить номер группы выбранных объектов |
| Группы | Escape | Снять всё выделение |
| Группы | Delete | Удаление в режиме групп; см. примечание о формулировке источника |
| Любой режим: размер сетки | F3 | Уменьшить размер конечных элементов на каждой метке вдвое |
| Любой режим: размер сетки | F4 | Увеличить размер конечных элементов на каждой метке вдвое |
| Управление видом | ← | Сдвинуть вид влево |
| Управление видом | → | Сдвинуть вид вправо |
| Управление видом | ↑ | Сдвинуть вид вверх |
| Управление видом | ↓ | Сдвинуть вид вниз |
| Управление видом | Page Up | Приблизить |
| Управление видом | Page Down | Отдалить |
| Управление видом | Home | Показать естественные границы всей геометрии |
- В строке Delete режима Group исходник буквально пишет «Delete selected block label(s)», хотя режим работает с группами объектов. Это редакционно неоднозначная строка: перед удалением проверяйте фактическое выделение; в курсе она не превращена в обещание удалить только метки.
- F3/F4 меняют заданный размер конечных элементов, а не шаг координатной сетки.
Рисунок М.2.1. Кнопки панели режимов построения
Слева направо выбираются узлы, отрезки, дуги, метки областей и группы. Сначала выберите тип объекта, затем выделяйте его и открывайте свойства: одинаковая клавиша действует на объекты текущего режима.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
В режиме Group правый щелчок выбирает группу ближайшего объекта. Группа 0 означает отсутствие группы и таким способом не выбирается. Поэтому ротору, обмотке или электродному узлу заранее назначают ненулевой номер всем его узлам, рёбрам и меткам. Правый щелчок также отменяет недостроенный отрезок или дугу.
Первые четыре режима используют три действия мыши: создать или соединить, переключить выделение, прочитать свойства. В групповом режиме правый щелчок действует на группу ближайшего объекта.
| Режим | Действие мышью | Результат |
|---|---|---|
| Узлы | Левый щелчок | Создать узел под указателем |
| Узлы | Правый щелчок | Выделить ближайший узел или снять выделение |
| Узлы | Двойной правый щелчок | Показать координаты, узловое свойство и группу ближайшего узла |
| Отрезки | Левый щелчок | Выбрать ближайший узел; второй щелчок завершает отрезок |
| Отрезки | Правый щелчок | Выделить ближайший отрезок или снять выделение |
| Отрезки | Двойной правый щелчок | Показать длину и свойства ближайшего отрезка |
| Дуги | Левый щелчок | Как для отрезка; после второго щелчка открыть диалог параметров дуги |
| Дуги | Правый щелчок | Выделить ближайшую дугу или снять выделение |
| Дуги | Двойной правый щелчок | Показать угол, радиус, центр и свойства ближайшей дуги |
| Метки областей | Левый щелчок | Создать метку под указателем |
| Метки областей | Правый щелчок | Выделить ближайшую метку или снять выделение |
| Метки областей | Двойной правый щелчок | Показать материал, цепь, размер сетки и группу ближайшей метки |
| Группы | Правый щелчок | Выделить группу ближайшего объекта или снять выделение группы |
- Двойной щелчок правой кнопкой также влияет на состояние выделения; после просмотра свойств перепроверьте выбранные объекты. Дополнительные общие действия с колесом и панорамированием описаны в абзацах занятия.
Таблицы ниже передают назначение таблиц 2.1 и 2.2 руководства. Удаление испытывают на рабочей копии: в строке Group/Delete оригинал называет именно метки областей, поэтому нельзя учить удалять произвольную сборку одной этой клавишей без проверки реально выделенных объектов.
Проверьте на своей модели
- Создайте два узла точным вводом Tab, соедините их, выделите отрезок и откройте свойства клавишей Space.
- Назначьте сборке группу 1 и убедитесь, что второй правый щелчок снимает выделение; отдельно сравните объект группы 0.
Изучить в занятии: 1.2 · Рабочее пространство FEMM 5: документы, меню, панели и консоль; 2.1 · Узлы, отрезки и дуги: точные координаты и замкнутая топология
16 · Координатная сетка, точный ввод и масштаб вида
Координатная сетка рисования и конечные элементы выполняют разные задачи. Show Grid показывает точки с выбранным шагом, Snap to Grid округляет положение указателя к ближайшей точке. Видимая сетка не означает включённую привязку. В Grid Properties задают шаг и Cartesian либо Polar: для плоской задачи это x,y; для осесимметричной — r,z; полярный ввод задаёт радиус и угол относительно начала координат.
Рисунок М.2.3. Кнопки панели управления координатной сеткой
Показ сетки, привязка к ней и настройка шага — отдельные операции. Видимые точки не подтверждают включённую привязку и не являются узлами конечных элементов.
Обозначения на рисунке
- grid size
- Шаг координатной сетки
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.4. Диалог «Свойства координатной сетки»
Grid Size задаёт расстояние между точками координатной сетки в текущих единицах модели. Cartesian означает обычные координаты x,y либо r,z; переключение на Polar меняет способ координатного ввода, а не физический тип задачи.
Обозначения на рисунке
- Grid Size
- Шаг сетки
- Coordinates
- Система координат
- Cartesian
- Декартовы координаты
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Для точной геометрии используйте числовой ввод узлов и меток через Tab. Масштаб окна не меняет координаты модели. Рамка увеличения лишь приближает выбранный прямоугольник; Zoom/Keyboard позволяет задать углы окна числами. Home возвращает вид всей геометрии.
Рисунок М.2.2. Кнопки панели управления видом
Лупы увеличивают, уменьшают или подбирают вид, стрелки перемещают видимую область. Эти команды изменяют только окно просмотра; размеры проводника и координаты узлов остаются прежними.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.17. Кнопки панели управления видом
В постпроцессоре увеличение и перенос вида помогают рассмотреть зазор и контур интегрирования. Изменение масштаба не уточняет решение: для этого требуется новая сетка и повторный расчёт.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Строка состояния показывает координаты указателя; при проверке размеров её удобно оставить видимой. Панель инструментов можно скрыть или сделать плавающей, команды сохраняются в меню. В постпроцессоре привязка влияет и на точку чтения поля: при включённом Snap to Grid щелчок читает ближайший узел координатной сетки, а не произвольную видимую позицию.
Рисунок М.2.18. Кнопки панели управления координатной сеткой
Привязка действует и при выборе точек результата. Если требуется поле в заранее заданной координате, используйте точный числовой ввод и проверьте Snap to Grid: иначе выбранная точка может сместиться к ближайшей отметке координатной сетки.
Обозначения на рисунке
- grid size
- Шаг координатной сетки
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- При шаге 1 мм сравните ввод координаты 0,3 мм через Tab и щелчок с привязкой; проверьте координаты созданного узла.
- Измените масштаб вида и подтвердите неизменность контрольного размера модели.
Изучить в занятии: 1.2 · Рабочее пространство FEMM 5: документы, меню, панели и консоль; 2.1 · Узлы, отрезки и дуги: точные координаты и замкнутая топология
17 · DXF: допуск слияния узлов и перенос свойств
Импорт FEMM ориентирован на двумерный DXF revision 13 и извлекает линии, окружности и дуги. Неизвестные записи пропускаются. Поэтому наличие объекта в CAD не доказывает его появления в расчётной геометрии: после File/Import DXF сравните число замкнутых областей и характерные размеры с исходным чертежом.
Запрошенный при импорте tolerance — максимальное расстояние, при котором две точки считаются одной. Слишком малое значение оставляет щели и дубли; слишком большое сливает реальные тонкие зазоры. Выбирайте допуск существенно меньше минимального физического зазора и повторяйте проверку топологии. Большой чертёж может импортироваться медленно из-за проверки согласованности, а не из-за зависания.
Рамочное выделение Select Group включает только объекты текущего типа, полностью попавшие внутрь рамки. Чтобы перенести деталь с материалом, захватите также её метки и связанные границы либо заранее используйте ненулевую группу. Undo отменяет последнее добавление или удаление геометрии; для серии преобразований сохраняйте отдельный вариант. Export DXF передаёт геометрию обратно в CAD, после повторного импорта физические свойства восстанавливают и проверяют.
Проверьте на своей модели
- Импортируйте образец с известным зазором дважды с различными допусками; сохраните значение, при котором зазор и замкнутость сохранены.
- После копирования проверьте, что новые области имеют собственные метки и нужные граничные свойства.
Изучить в занятии: 2.4 · Импорт DXF: масштаб, слои, дуги и восстановление расчётных областей; 2.3 · Копирование, перенос, поворот и отражение геометрии без потери свойств
18 · Точность решателя, минимальный угол и Smart Mesh
Length Units выбирает дюймы, миллиметры, сантиметры, метры, mils или микрометры. Depth доступна в Planar и измеряется в выбранных единицах длины. В Axisymmetric интегральный объём учитывает вращение сечения; постоянная глубина к нему не добавляется. Frequency имеется у магнитной и токовой задач: нулевая частота задаёт статический режим.
Рисунок М.2.5. Диалог «Постановка задачи»
Показан магнитостатический пример: Frequency = 0. Depth = 76 относится к выбранным миллиметрам и влияет на объёмные результаты. Поля AC Solver и Prev. Solution предназначены для других режимов; наличие этих полей не делает текущий расчёт переходным.
Обозначения на рисунке
- Frequency (Hz)
- Частота, Гц
- Length Units
- Единицы длины
- Problem Type
- Тип геометрии задачи
- Planar
- Плоскопараллельная постановка
- Precision
- Допуск решателя
- Depth
- Глубина плоскопараллельной модели
- Min Angle (deg)
- Минимальный угол треугольника, градусы
- Smart Mesh
- Автоматическое уточнение сетки
- AC Solver
- Алгоритм нелинейной гармонической задачи
- Prev. Solution
- Предыдущее решение
- Prev. Type
- Способ использования предыдущего решения
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.25. Диалог «Постановка задачи»
Электростатическая задача не требует частоты: она описывает установившееся поле зарядов. Depth = 100 в выбранных сантиметрах относится к физической глубине плоской модели и влияет на полный заряд и энергию, но не заменяет размеры сечения.
Обозначения на рисунке
- Length Units
- Единицы длины
- Problem Type
- Тип геометрии задачи
- Planar
- Плоскопараллельная постановка
- Precision
- Допуск решателя
- Depth
- Глубина плоскопараллельной модели
- Min Angle (deg)
- Минимальный угол треугольника, градусы
- Smart Mesh
- Автоматическое уточнение сетки
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.38. Диалог «Постановка задачи»
На рисунке показаны общие параметры тепловой модели. Глубина 20 относится к выбранным метрам, поэтому пример нельзя переносить в миллиметровую деталь без пересмотра масштаба. Этот диалог не задаёт коэффициент теплоотдачи: охлаждение назначается отдельно граничными свойствами.
Обозначения на рисунке
- Length Units
- Единицы длины
- Problem Type
- Тип геометрии задачи
- Planar
- Плоскопараллельная постановка
- Precision
- Допуск решателя
- Depth
- Глубина плоскопараллельной модели
- Min Angle (deg)
- Минимальный угол треугольника, градусы
- Smart Mesh
- Автоматическое уточнение сетки
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.52. Диалог «Постановка задачи»
В токовом модуле ненулевая частота добавляет ёмкостную составляющую полного тока. Она не включает магнитный скин-эффект: для индукционного вытеснения тока нужна магнитная постановка. Depth = 1 относится к миллиметрам и участвует в полном токе и мощности плоской модели.
Обозначения на рисунке
- Frequency (Hz)
- Частота, Гц
- Length Units
- Единицы длины
- Problem Type
- Тип геометрии задачи
- Planar
- Плоскопараллельная постановка
- Precision
- Допуск решателя
- Depth
- Глубина плоскопараллельной модели
- Min Angle (deg)
- Минимальный угол треугольника, градусы
- Smart Mesh
- Автоматическое уточнение сетки
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Precision — порог относительной невязки линейной системы, обычно 10⁻⁸. Это не относительная ошибка силы, температуры или ёмкости: пространственную погрешность оценивают отдельным уточнением сетки. Min Angle задаёт желаемое качество треугольников и принимает 1–33{,}8^\circ. Теоретическое завершение при угле до 20{,}7^\circ относится к идеальной арифметике; на тонких деталях реальная конечная точность может потребовать меньшего ограничения.
Линейная система и относительная невязка
Обозначения и единицы
- \mathbf M — квадратная матрица; \mathbf x — искомый вектор; \mathbf b — правая часть. Их единицы задаёт физическая дискретизация; \eta и \varepsilon_{\mathrm{solver}} — безразмерные относительная невязка и заданный допуск.
Условия применения. Приведённое отношение определено при \lVert\mathbf b\rVert\ne0. Для нулевой правой части нужен внутренний критерий решателя, которого эта формула не устанавливает.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Smart Mesh On выводит характерный размер из средней длины прямых отрезков и уточняет сетку возле их концов. Узлы, принадлежащие только дугам, не получают такое уточнение просто из-за кривизны. При Off остаются размеры в метках и ограничения на рёбрах; гладкий зазор поэтому проверяют локально, а не полагаются на переключатель.
Решатель актуализирует сетку перед анализом, но предварительный просмотр позволяет заметить непомеченные области и недостаточное разрешение. Mesh/Purge Mesh освобождает загруженную сетку из памяти; это не удаление геометрии. Abort прекращает решение, после него нельзя выдавать прежний открытый результат за новый. В Problem Info записывают тип, частоту, глубину, единицы и числа узлов/элементов.
Проверьте на своей модели
- Выполните три расчёта с неизменной физикой и разным ограничением размера; сравните целевую величину, а не только невязку.
- Проверьте сетку на гладкой дуге и в углу при обоих состояниях Smart Mesh.
Изучить в занятии: 3.5 · Четыре окна постановки: единицы, глубина, частота, точность и библиотеки свойств; 3.4 · Управление сеткой: размер области и ребра, дуги, минимальный угол и Smart Mesh
19 · AC Solver и использование предыдущего магнитного решения
AC Solver выбирает Successive Approximation или Newton для нелинейной гармонической задачи. Newton может уменьшать число внешних итераций ценой большей работы на одну итерацию. Для линейной задачи и магнитостатики этот выбор не меняет алгоритм, поэтому его нельзя использовать как универсальную настройку точности.
Prev. Solution указывает уже рассчитанный файл .ans. Пустое поле принудительно означает Prev. Type=None. Incremental использует решение как рабочую точку и линеаризует малое возмущение через дифференциальную проницаемость; Frozen фиксирует достигнутую проницаемость. Это разные физические постановки, а не два ускорителя повторного полного нелинейного расчёта.
Для оценки малого сигнала сначала сохраните нелинейное исходное состояние и его ток. Затем в отдельной модели задайте малое возмущение, выберите Incremental и запишите файл рабочей точки. Frozen применяют к задаче с намеренно закреплёнными свойствами; её результат не объявляют новым самосогласованным насыщенным состоянием.
Проверьте на своей модели
- Объясните различие секущей и дифференциальной индуктивности до выбора Prev. Type.
- В Comment укажите рабочую точку, её файл и характер возмущения.
Изучить в занятии: 3.5 · Четыре окна постановки: единицы, глубина, частота, точность и библиотеки свойств; 8.7 · Одна катушка и потокосцепление без смешения с потоком
20 · Свойство нужно создать и назначить; точечные источники
Properties открывает менеджер выбранного типа: Materials, Boundary, Point и Circuits либо Conductors. Add создаёт описание, Modify или двойной щелчок меняет выбранное описание, Delete удаляет его. Созданное имя ещё не воздействует на модель: материал назначают метке области, границу — отрезку или дуге, точечное свойство — узлу. После назначения снова откройте свойства геометрического объекта.
Рисунок М.2.6. Диалог «Материалы»
Это список описаний материалов текущей магнитной модели. Добавление записи ещё не назначает её геометрической области: затем материал выбирают в свойствах соответствующей метки.
Обозначения на рисунке
- Add
- Добавить
- Delete
- Удалить
- Modify
- Изменить
- Air
- Воздух
- iron
- Железо
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Точечное свойство задаёт либо потенциал, либо источник. В магнитном модуле это A или точечный ток; в электростатике — V или зарядовый источник; в теплопроводности — T или сосредоточенный источник тепла; в токовом модуле — V или токовый источник. Переключатель делает варианты взаимоисключающими. Сосредоточенный источник не заменяет реальный электрод конечного размера там, где требуется достоверный локальный максимум поля.
Рисунок М.2.7. Диалог «Свойство узла»
Переключатель выбирает один способ воздействия на узел: заданный A либо сосредоточенный ток. На рисунке активен потенциал, поэтому неактивное число в поле тока не является вторым одновременно заданным условием.
Обозначения на рисунке
- Specified Potential Property
- Заданный потенциал
- Point Current Property
- Точечный ток
- Specified Vector Potential, Wb/m
- Заданный векторный потенциал, Вб/м
- Point Current, Amps
- Точечный ток, А
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
В магнитостатике действительное значение вводят в реальную часть, мнимую часть оставляют нулевой. При гармонике комплексная запись должна соответствовать одной временной конвенции. Опорное A в одном узле может устранять произвол потенциала при производных условиях на границе; это не повод бездумно закреплять произвольный узел внутри устройства.
Переход комплексного задания к постоянному режиму
Обозначения и единицы
- a=a_{\mathrm{re}}+ja_{\mathrm{im}} — комплексная амплитуда заданной величины.
- \omega — рад/с; t — с; обе части a имеют единицы той величины, которую задаёт поле интерфейса.
Условия применения. Конвенция \exp (j\omega t), предел при фиксированном t. Это пояснение формата ввода; оно не утверждает совпадение всех режимов физической системы при пределе частоты и при статическом возбуждении.
Проверьте на своей модели
- Создайте свойство с заметным именем, назначьте его правильному типу объекта и проверьте через повторное выделение.
- Назовите, какая величина задана, а какая вычисляется, прежде чем выбирать тип точечного свойства.
Изучить в занятии: 2.2 · Метки областей, группы и назначение свойств во всех четырёх модулях
21 · Магнитные границы: какие параметры реально участвуют
Prescribed A задаёт A_{0}, A_{1}, A_{2} и фазу \varphi: линейное по координатам значение A на границе. Постоянное A на плоской границе означает нулевой нормальный B, а не отсутствие магнитного поля вообще. В осесимметрии координаты формы — r,z; интерпретацию потока ведут с учётом 2\pi rA.
Предписанный A на плоской границе
Обозначения и единицы
- A здесь — компонента A_z, Вб/м; A_0 имеет ту же единицу.
- При x,y в метрах коэффициенты A_1,A_2 имеют единицу Вб/м².
- \varphi — общая фаза: в экспоненте радианы, поле интерфейса использует градусы.
Условия применения. Плоская магнитная модель. При ручной проверке коэффициентов согласуйте единицы координат с единицами задания; для постоянного режима используют вещественное значение.
Предписанный A в осесимметрии
Обозначения и единицы
- r,z — радиальная и осевая координаты; A=A_\theta — Вб/м.
- A_0 — Вб/м; при r,z в метрах A_1,A_2 — Вб/м².
- \varphi в интерфейсе задаётся в градусах; в e^{j\varphi} — в радианах.
Условия применения. Осесимметричная геометрия, r\ge 0 и регулярное поле на оси. Проверка магнитного потока должна включать цилиндрический геометрический множитель.
Рисунок М.2.8. Диалог «Граничное условие»
Выбранный тип определяет активную строку параметров. Здесь задаётся координатная зависимость A; поля малого скин-слоя, смешанного условия и воздушного зазора не участвуют. Постоянный A в плоской задаче запрещает нормальный магнитный поток через границу, но не обнуляет всё поле.
Обозначения на рисунке
- Type
- Тип условия
- Prescribed A
- Заданный векторный потенциал A
- Skin Depth
- Малый скин-слой
- Mixed BC
- Смешанное граничное условие
- Air Gap
- Воздушный зазор
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Small Skin Depth заменяет проводящее тело поверхностным приближением, когда глубина проникновения мала относительно характерных размеров. Вводятся относительная проницаемость и проводимость материала. При нулевой частоте это условие вырождается в нулевую нормальную производную и уже не описывает малый скин-слой. Mixed использует c_{0},c_{1}: при c_{0}=0 задаётся производная, при c_{1}=0 подходящий c_{0} позволяет приблизить открытую границу.
Поверхностное условие малого скин-слоя
Обозначения и единицы
- n — внешняя нормаль расчётной области; A — комплексный потенциал, Вб/м.
- \delta — глубина проникновения, м; оба слагаемых имеют единицу Вб/м².
Условия применения. Гармоника \exp (j\omega t); скин-глубина мала относительно толщины проводника, радиусов кривизны и масштаба изменения поля вдоль поверхности. При f\to 0 формально получается \partial A/\partial n=0, но физическое приближение тонкого слоя тогда неприменимо.
Глубина проникновения поля в проводник
Обозначения и единицы
- \omega=2\pi f — рад/с, \sigma — См/м, \mu_r — относительная проницаемость.
- \mu_0 — Гн/м; результат \delta — м. Значение \sigma в МСм/м сначала умножают на 10⁶.
Условия применения. Линейная изотропная проводящая среда с вещественными положительными \mu и \sigma, магнитоквазистатическое приближение. Для нелинейной или существенно комплексной проницаемости это простое выражение требует дополнительного обоснования.
Смешанное магнитное граничное условие
Обозначения и единицы
- c_0 имеет единицу 1/Гн, c_1 — А/м при A в Вб/м и координатах в метрах.
- n — внешняя нормаль, \mu_r\mu_0 — абсолютная проницаемость у границы.
Условия применения. Запись для скалярного магнитного потенциала используемой постановки. При c_{0}=0 выполняется (1/\mu )\partial A/\partial n=-c_{1}; знак касательного H дополнительно зависит от согласованного направления касательной.
Periodic связывает одинаковые значения, Antiperiodic — противоположные. Одно имя периодического свойства назначают только паре соответствующих отрезков либо паре дуг; составную границу разбивают на отдельные пары. Strategic Dual Image усредняет решения с однородными условиями Дирихле и Неймана на внешней окружности плоской области; это специальный приём с ограниченной областью применимости, особенно для моделей без железа.
Periodic Air Gap и Anti-Periodic Air Gap связывают две концентрические дуги воздушного кольца без обычной сетки в самом кольце. Inner и Outer задают относительные углы в градусах. Смена Inner позволяет менять положение ротора без перестройки сетки прилегающих частей. Выбор периодического либо антипериодического варианта определяется повторением поля сектора, а не только рисунком зубцов.
Проверьте на своей модели
- Для каждой периодической связи покажите ровно две согласованные стороны и объясните знак.
- Перед Small Skin Depth сравните расчётную глубину проникновения с толщиной и радиусом кривизны детали.
Изучить в занятии: 3.2 · Условия Дирихле, Неймана, Робина и открытая граница; 2.2 · Метки областей, группы и назначение свойств во всех четырёх модулях
22 · B–H: порядок точек, интерполяция и выход за диапазон
Nonlinear B-H curve переключает набор активных полей. В линейной модели задают \mu _{x}, \mu _{y} и углы гистерезисного запаздывания \varphi _{\mathrm{hx}}, \varphi _{\mathrm{hy}}. В нелинейной модели эти поля отключены, а Edit B-H Curve открывает табличные данные. Нельзя считать неактивные числа параллельно действующим материальным законом.
Рисунок М.2.9. Диалог «Свойства материала»
На рисунке выбран сплошной линейный материал: Nonlinear B-H curve выключен, поэтому поле редактирования таблицы неактивно. При выборе нелинейной кривой меняется набор действующих параметров. Обязательно различайте H_c в А/м, J в МА/м² и проводимость в МСм/м.
Обозначения на рисунке
- Relative \mu
- Относительная магнитная проницаемость
- Material Type
- Тип материала
- Not laminated
- Сплошной материал, без шихтовки
- Lam. thickness (mm)
- Толщина металлического листа, мм
- Fill factor
- Коэффициент заполнения
- Nonlinear B-H curve
- Нелинейная кривая B–H
- Edit B-H Curve
- Редактировать кривую B–H
- Strands
- Число жил
- Dia (mm)
- Диаметр или размер провода, мм
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Вводите пары B,H в порядке строго возрастающего B: повторная или уменьшающаяся B отбрасывается. Нужно не менее трёх точек, для разумного описания обычно больше, особенно около колена насыщения. Import from file читает по два числа на строке, сначала B, затем H, разделённые пробелом, табуляцией или запятой; строки с начальным # или % служат комментариями.
Рисунок М.2.10. Диалог ввода данных B–H
Каждая строка должна образовывать согласованную пару B,H; данные вводятся по возрастающему B. Не меняйте порядок столбцов при импорте. Более плотные точки около колена помогают интерполяции передать насыщение без искусственного сглаживания исходной характеристики.
Обозначения на рисунке
- B (Tesla)
- Магнитная индукция B, Тл
- H (A/m)
- Напряжённость магнитного поля H, А/м
- Import from file...
- Импорт из файла
- Plot B-H Curve
- Построить график B–H
- Log Plot B-H Curve
- Построить график B–H в логарифмическом масштабе
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Plot B-H Curve показывает точки и кубическую интерполяцию. Если редкая таблица вызывает немонотонную зависимость, программа сглаживает данные трёхточечным средним; итоговая кривая может заметно отклониться от данных изготовителя. Поэтому исправляйте недостаток исходных данных, а не принимайте отсутствие сообщения об ошибке за проверку материала. Логарифмический график исключает точку H=0 по математической причине.
Рисунок М.2.11. Пример графика кривой B–H
Маркеры показывают введённые данные, линия — их интерполяцию. Смотрите не только на рост B, но и на изменение наклона: в насыщении большой прирост H даёт малый прирост B. График позволяет заметить слишком редкие точки и не является самостоятельным подтверждением данных изготовителя.
Обозначения на рисунке
- H, Amp/Meter
- Напряжённость H, А/м
- B, Tesla
- Индукция B, Тл
- Export...
- Экспорт графика или данных
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
За последней точкой FEMM линейно продолжает кривую. При глубоком насыщении это может завышать проницаемость: после решения сравните достигнутый диапазон B с таблицей. Для нелинейной гармоники поле \varphi _{h} задаёт максимальное гистерезисное запаздывание; это параметр модели, который обосновывают измерениями, а не произвольно подбирают для получения желаемого распределения поля.
Зависимость гистерезисного угла от рабочей точки
Обозначения и единицы
- \mu_{\mathrm{eff}}(B) и \mu_{\mathrm{eff,max}} — значения одной амплитудной характеристики до задания фазового запаздывания; их отношение безразмерно.
- \varphi_h и \varphi_{h\max} должны выражаться в одинаковых угловых единицах.
Условия применения. Нелинейная одночастотная магнитная постановка с выбранной моделью гистерезисных потерь. Для фазовых экспонент угол переводят из градусов интерфейса в радианы.
Проверьте на своей модели
- Импортируйте таблицу с одной намеренно повторённой B в копии материала и объясните исчезновение точки.
- Сопоставьте линейный и логарифмический графики; запишите максимальное допустимое B исходных данных.
Изучить в занятии: 8.4 · Линейные и нелинейные материалы и параметры постоянного магнита; 2.2 · Метки областей, группы и назначение свойств во всех четырёх модулях
23 · Шихтованный пакет и обмотка как составной материал
Material Type меняет физическую модель материала. Not laminated означает сплошное тело. Laminated in-plane, x-direction и y-direction задают ориентацию листов относительно сечения; направление выбирают по рисунку 2.12 и реальному пакету, а не по удобству сетки. Lam. thickness вводится в миллиметрах для самого металла без изоляции, Fill factor — доля металла в пакете.
Коэффициент заполнения пакета
Обозначения и единицы
- t_{\mathrm{Fe}} — толщина металла; t_{\mathrm{ins}} — толщина изоляции в тех же единицах; c — безразмерная доля железа. Числа 12,8 и 1,2 в примере источника заданы в mil (тысячных долях дюйма).
Условия применения. Обе толщины должны быть выражены в одинаковых единицах. В поле Lam. thickness вводится только металлическая часть, в мм.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Рисунок М.2.12. Варианты ориентации листов шихтованного материала
Ориентация определяет, проходит ли поток вдоль металла или поперёк чередующихся металла и изоляции. Средний рисунок соответствует листам, параллельным Y, правый — параллельным X. Название x-direction относится к направлению листов, а не автоматически к направлению наименьшей проницаемости.
Обозначения на рисунке
- Laminated in plane
- Листы в плоскости модели
- Laminated parallel to Y
- Листы параллельны оси Y
- Laminated parallel to X
- Листы параллельны оси X
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Magnet wire, Plain stranded wire, Litz wire, Square wire, 10% CCA и 15% CCA описывают усреднённую обмотку. У одножильного и квадратного провода Strands фиксируется равным 1; Dia задаёт диаметр либо ширину. Для многожильного провода вводят число одинаковых жил и диаметр одной жилы. Разные калибры внутри одного такого материала не поддерживаются. CCA означает омеднённый алюминий с указанной долей меди; проводимость задают для провода в целом.
Переключение на тип провода сбрасывает \mu, H_c, J и B–H, поскольку эффективные свойства выводятся из конструкции и заполнения. Для шихтованных и проводных типов H_c отключается и принудительно равна нулю: постоянный магнит таким типом не задают. В DC учитывается заполнение, в AC — также усреднённые эффекты вытеснения и близости через комплексные свойства. Поэтому сначала выберите тип, затем заново проверьте все активные поля.
В магнитном диалоге источник J вводится в МА/м², проводимость — в МСм/м, H_c — в А/м. Например, 58 МСм/м равно 58·10⁶ См/м; токовый модуль использует См/м. При ненулевой частоте суммарная плотность тока может отличаться от заданного источника из-за вихревых токов. Заданный полный ток области надёжнее выражать через Circuit Properties.
Проверьте на своей модели
- Рассчитайте Fill factor из толщин металла и изоляции; проверьте, что поле толщины содержит только металл.
- Сопоставьте единицы \sigma в магнитном и токовом окнах перед переносом чисел.
Изучить в занятии: 8.4 · Линейные и нелинейные материалы и параметры постоянного магнита; 35.1 · Потери в проводниках обмоток: скин-эффект, близость и гармоническая сетка
24 · Личная библиотека материалов и безопасное обновление
Material Library обменивает материалы текущей модели и библиотеки перетаскиванием. Двойной щелчок редактирует материал; контекстное меню корневой папки Library или Model содержит Import Materials для чтения другого файла библиотеки либо модели. Копия материала в расчётном документе должна иметь проверенное происхождение и диапазон применимости.
Рисунок М.2.13. Диалог «Библиотека материалов»
Перенос записи из Library Materials в Model Materials создаёт материал модели. Это не автоматическая замена уже назначенной марки во всех проектах. Перед изменением личной библиотеки сохраняйте её копию; перед расчётом проверяйте свойства материала именно внутри документа.
Обозначения на рисунке
- Library Materials
- Материалы библиотеки
- Model Materials
- Материалы текущей модели
- Hard Magnetic Materials
- Магнитотвёрдые материалы
- Soft Magnetic Materials
- Магнитомягкие материалы
- Solid Non-Magnetic Conductors
- Сплошные немагнитные проводники
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
FEMM 5 поставляет библиотеки рядом с программой, но после сохранения диалога создаёт личную копию: в Windows это %APPDATA%\FEMM, в macOS — ~/Library/Application Support/FEMM/, в Linux/FreeBSD — ~/.local/share/FEMM/. Имена четырёх библиотек: matlib.dat, statlib.dat, heatlib.dat, condlib.dat. Для сохранности пользовательских материалов важна именно личная копия.
Новая версия программы не подмешивает новые материалы в изменённую библиотеку автоматически: при изменении поставляемой версии диалог предлагает заменить личную библиотеку. Перед согласием сохраните её копию; для выборочного обновления используйте импорт. Файл .seed отмечает исходную версию и не является резервной копией. Старые фразы в скалярных разделах руководства о единственном расположении рядом с исполняемым файлом следует читать вместе с уточнением на с.36–37.
Проверьте на своей модели
- Найдите файл личной библиотеки без удаления; сопоставьте один материал библиотеки и его копию в модели.
- Опишите, что сохранится при выборочном импорте и что может замениться при принятии новой поставляемой библиотеки.
Изучить в занятии: 3.5 · Четыре окна постановки: единицы, глубина, частота, точность и библиотеки свойств; 2.2 · Метки областей, группы и назначение свойств во всех четырёх модулях
25 · Последовательная цепь, параллельная связь и изолированные проводники
Series задаёт один ток цепи каждой связанной области; Turns в метке умножает его на число витков и задаёт направление знаком. Все многовитковые проводники должны иметь последовательную цепь. Parallel распределяет общий ток между сплошными областями по их импедансам при одинаковом падении напряжения; число витков здесь не используется и соответствующее поле отключено.
Рисунок М.2.14. Диалог «Свойства цепи»
Series задаёт ток цепи, а число витков и знак задаются в метках обмоточных областей. Parallel задаёт общий ток для распределения между связанными сплошными областями. Один и тот же введённый ток поэтому нужно интерпретировать вместе с типом цепи и назначениями меток.
Обозначения на рисунке
- Current (A)
- Ток, А
- Series
- Последовательная цепь
- Parallel
- Параллельное соединение
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
В вихретоковой задаче электрически не связанные тела нельзя оставлять с неявно общей связностью. По руководству без ограничений токи могут замыкаться через другие области условно «на бесконечности». Отдельная параллельная цепь с суммарным током 0 для каждого физически изолированного тела запрещает такой искусственный перенос. Это ограничение полного тока; локальные встречные вихревые токи внутри тела при нём возможны.
В окне Circuit Properties постпроцессора выберите имя цепи и прочитайте ток, напряжение и потокосцепление. Их смысл зависит от принятой геометрии и соединения. Для гармоники сохраняйте комплексные значения и амплитудную нормировку; отношение потокосцепления к току не объявляют дифференциальной индуктивностью нелинейной рабочей точки.
Рисунок М.2.24. Диалог результатов цепи
Flux Linkage — потокосцепление всей назначенной цепи, а не поток одной произвольной площадки. В показанном примере ток равен 1 А, поэтому численные значения потокосцепления и отношения Flux/Current совпадают. Для нелинейной системы это отношение не является дифференциальной индуктивностью.
Обозначения на рисунке
- Total Current
- Полный ток цепи
- Voltage Drop
- Падение напряжения
- Flux Linkage
- Потокосцепление
- Flux/Current
- Отношение потокосцепления к току
- Volt/Current
- Отношение напряжения к току
- Power
- Мощность
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Сравните две области +N и -N одной последовательной цепи: полный охваченный ток должен иметь ожидаемый знак.
- Для пары изолированных вихретоковых деталей покажите отдельные нулевые ограничения суммарного тока.
Изучить в занятии: 8.5 · Источники тока, витки, знаки и связи между токами и напряжениями на выводах; 8.7 · Одна катушка и потокосцепление без смешения с потоком
26 · Внешняя осесимметричная область и файл результата
External Region задаёт центр внешнего преобразованного объёма по оси z, его радиус и радиус внутреннего объёма с устройством. Для осесимметричного преобразования Кельвина эффективные свойства внешней области меняются по положению; одних двух окружностей недостаточно. Метки внешней области должны иметь флажок Block located in an external region.
Параметры преобразования, парные связи границ и отметка внешних блоков работают совместно. Проверьте отсутствие источников и конструктивных деталей в области, которая служит математическим образом бесконечности. Сравнение с увеличением обычной воздушной области помогает обнаружить неправильное назначение внешней метки.
Три действия на панели — сетка, анализ, просмотр решения — сохраняют разный смысл во всех модулях. Файлы результатов различаются: .ans для магнитного поля, .res для электростатики, .anh для теплопроводности, .anc для токовой задачи. Открытая ранее карта не обновляется от изменения исходного документа: сохраните модель, завершите новый анализ и откройте соответствующий результат.
Рисунок М.2.15. Кнопки панели запуска расчётных операций
Слева направо показаны построение и просмотр сетки, запуск анализа и открытие результата. Перед последним действием убедитесь, что завершён расчёт актуального документа: ранее открытый результат не меняется автоматически после редактирования геометрии.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Покажите три параметра External Region и все отмеченные внешние метки.
- По расширению, Problem Info и имени файла установите, какой расчёт сейчас открыт.
Изучить в занятии: 3.2 · Условия Дирихле, Неймана, Робина и открытая граница; 3.5 · Четыре окна постановки: единицы, глубина, частота, точность и библиотеки свойств
27 · Точка, контур и область в постпроцессоре
Point Values читает локальную величину; Tab позволяет задать точку числами. Contour Mode создаёт ориентированный путь для профиля и линейных интегралов. Block Mode выбирает область для площадных и объёмных интегралов. Один и тот же значок интеграла открывает разные списки в зависимости от режима.
Рисунок М.2.16. Кнопки панели режимов анализа
Первый режим предназначен для локального поля, второй — для профиля и линейного интеграла, третий — для интеграла по выбранной области. Режим определяет и способ выделения, и список доступных интегральных величин.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
В режиме контура левый щелчок выбирает ближайший геометрический узел, правый добавляет положение указателя. Tab задаёт точку точно, Delete удаляет последнюю точку, Escape очищает контур, Shift преобразует его последний прямой участок в дугу с заданными параметрами. Перед интегралом проверьте последовательность точек и замыкание, если оно требуется физическим смыслом.
Описание магнитного Block Mode на с.41 руководства строит замкнутый зелёный контур по рёбрам исходной геометрии; скалярные разделы описывают выбор области левым щелчком внутри неё. Не переносите жест механически между модулями: проверяйте зелёную подсветку фактически выбранных элементов. В электростатике для взвешенного тензора напряжений проводник из линий и точек можно выбрать правым щелчком; он подсвечивается красным.
Перед новым интегралом сбросьте прежний выбор и заново выделите нужное тело. Интеграл по нескольким областям суммирует их вклад. Попавший в выбор воздух изменяет энергию или усреднение, даже если визуально интересует только центральная деталь.
Проверьте на своей модели
- В одном решении получите значение в точке, профиль и интеграл по области и объясните разницу единиц.
- Сохраните изображение выбранной области и список её материалов вместе с числом интеграла.
Изучить в занятии: 4.2 · Точки, контуры и выделенные области: знак и размерность интеграла
28 · Изолинии, цвет, векторы и сглаживание
Магнитные линии уровня относятся к A в плоской задаче и к 2\pi rA в осесимметричной. В гармонике действительная и мнимая части дают разные картины; это не два независимых магнитных поля. Изолинии V в электрических модулях и T в тепловом не являются траекториями потоков. При анизотропии вектор потока может не совпадать с направлением отрицательного градиента.
Density Plot выбирает величину и пределы цветовой шкалы: B/H/J в магнитном модуле, V/E/D в электростатике, T/градиент/тепловой поток в тепловом, V/E/J в токовом. Для комплексной величины уточните, показан модуль или действительная/мнимая часть. Автоматические пределы подходят для поиска структуры, но сравнение вариантов требует одинаковой шкалы. Vector Plot показывает направление стрелкой, величину — её длиной.
Рисунок М.2.19. Кнопки панели графических режимов
Показ сетки, изолиний, цветовой карты и векторов отвечает на разные вопросы. Для сравнения вариантов фиксируйте выбранную величину и границы цветовой шкалы; одинаковый цвет при автоматическом масштабе не гарантирует одинаковое B.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Smoothing интерполирует производные поля между соседними элементами. Внутри линейного треугольного элемента потенциал изменяется линейно, а вычисленные по его производным компоненты поля постоянны. Сглаживание делает изображение непрерывным, но не подтверждает сеточную сходимость и не устраняет физические скачки на границах сред. Show Mesh, Show Points и Show Block Names помогают проверить, что именно показано; для публикации лишние отметки можно скрыть после проверки.
View/Density Plot и View/Contour Plot переключают показ, а соответствующие кнопки панели открывают настройки. Edit/Preferences задаёт начальное поведение вновь открытых решений. Problem Info сообщает параметры расчёта; Plot B-H Curves помогает сверить назначенные нелинейные материалы. Show stress tensor mask показывает пути последнего интеграла WST, а не линии реального магнитного потока.
Проверьте на своей модели
- Сравните два варианта с общей шкалой и подпишите величину, единицу, компоненту и состояние сглаживания.
- Отдельно покажите поле и маску WST, объяснив различие линий.
Изучить в занятии: 4.3 · Карты, векторы, профили и экспорт данных: количественное сравнение вариантов
29 · Профиль на границе: сторона отсчёта и число точек
X-Y Plot выбирает величину и количество точек вдоль уже построенного контура. Первая координата графика — расстояние вдоль него, а не обязательно x. Увеличение числа выборок делает профиль подробнее, но не уточняет исходную конечную сетку. Export в окне графика сохраняет CSV с заголовками: положение вдоль контура и по одному столбцу для каждой кривой.
Рисунок М.2.21. Диалог «График X–Y»
Горизонтальная координата будущего графика — расстояние вдоль построенного пути. Здесь отображается модуль индукции; он не показывает знак нормальной или касательной компоненты. Увеличение 1500 отсчётов уточняет выборку по существующему решению, но не сетку.
Обозначения на рисунке
- Quantity
- Величина
- Number of points
- Число точек профиля
- |B| (Magnitude of flux density)
- Модуль магнитной индукции B
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Касательная направлена по порядку точек. Нормаль направлена влево от касательной; поэтому обход тела по часовой стрелке даёт внешнюю нормаль. Если путь совпадает с материальным интерфейсом, FEMM читает поле с малым смещением в сторону этой нормали. Разворот контура меняет сторону чтения и знаки нормальной/касательной компонент; модули поля следует сравнивать отдельно от знаков.
Рисунок М.2.22. При неоднозначности графики и интегралы рассчитываются с этой стороны контура
На материальном интерфейсе одно геометрическое положение может иметь разные предельные значения поля с двух сторон. Рисунок показывает сторону малого смещения, используемую при чтении: влево от касательной. При развороте контура меняются и знаки компонент, и сторона чтения.
Обозначения на рисунке
- direction of contour definition
- Направление задания контура
- direction of the normal to the contour
- Направление нормали к контуру
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Примеры текста руководства на с.44,62,75 содержат неточные названия разрывных компонент. На магнитном интерфейсе без поверхностного тока непрерывен Ht, а Bn непрерывен всегда; при смене \mu Bt и Hn могут изменяться скачком. В электростатике непрерывен Et, а D_n имеет скачок только при свободном поверхностном заряде; при смене \varepsilon обычно меняется En. В тепловой задаче с идеальным контактом непрерывны T и нормальный тепловой поток, но нормальный градиент меняется с k. Курс использует эти физические условия, а не буквальную ошибочную фразу.
Среднеквадратичная нормальная индукция вдоль контура
Обозначения и единицы
- C — контур длиной \ell, м; \mathbf n — единичная нормаль; \mathbf B — индукция, Тл; B_{n,\mathrm{rms}} — пространственное среднеквадратичное значение, Тл.
Условия применения. Формула дана для действительного пространственного распределения. Она не подменяет временное RMS комплексного фазора.
В PDF дано ядро (B.n)² и его назначение; нормированная RMS-запись раскрыта в курсе.
Не все интегралы используют тот же алгоритм, что график. Руководство отдельно указывает вычисление ряда потенциальных разностей из концов пути, длины из геометрии и численную выборку для напряжений Максвелла. Слово «точно» в описании алгоритма относится к представленному решению, а не к точному полю реального устройства. При сомнении проверяйте закон сохранения и сеточную сходимость.
Рисунок М.2.20. Кнопки панели профиля, интегрирования и результатов цепи
Профиль показывает изменение величины вдоль контура, интеграл суммирует соответствующее ядро, а результаты цепи дают ток, напряжение и потокосцепление именованной обмотки. Эти три операции используют разные объекты и не заменяют друг друга.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Постройте контур по стыку в обоих направлениях и сравните модули, ориентированные компоненты и точки со смещением в каждый материал.
- Увеличьте число выборок без пересчёта, затем уточните сетку: объясните, какие изменения имеют вычислительный смысл.
Изучить в занятии: 4.2 · Точки, контуры и выделенные области: знак и размерность интеграла; 4.3 · Карты, векторы, профили и экспорт данных: количественное сравнение вариантов
30 · Выбор магнитного интеграла по инженерному вопросу
Линейные интегралы B\cdot n и H\cdot t отвечают на вопросы о потоке и МДС; Contour Length возвращает метры. Force/Torque from stress tensor оценивают силу и момент вокруг начала координат. B\cdot n^{2} полезен для среднеквадратичной характеристики распределения, но сам по себе не равен ни потоку, ни силе.
Переход от интеграла R^{2} к моменту инерции
Обозначения и единицы
- \rho_k — массовая плотность, кг/м³; r_\perp — расстояние до оси, м; V_k — область материала; I_{\mathrm{mass}} — массовый момент инерции, кг·м².
Условия применения. В плоской задаче ось проходит через x=y=0; в осесимметричной — через r=0. Массовая плотность должна соответствовать физической конструкции.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Средняя объёмная плотность потерь
Обозначения и единицы
- P_{\mathrm{loss}} — потери, Вт; V_{\mathrm{selected}} — физический объём выделения, м³; \overline p_{\mathrm{loss}} — средняя объёмная плотность потерь, Вт/м³.
Условия применения. Объём должен быть ненулевым и учитывать Depth или осесимметричный вес.
Блоковые интегралы охватывают A\cdot J, A, энергию, коэнергию, гистерезисные/шихтовочные/проксимити-потери, резистивные потери, полные потери, площадь, объём, ток, интеграл B, силу и момент Лоренца, WST, а также R^{2}. Для R^{2} массовый момент инерции получают умножением на плотность; если материалы различны, суммируют отдельные вклады. Total Loss Density — полные потери выбранных блоков, делённые на их общий объём, в Вт/м³; это не температура и не локальный максимум.
Собственная индуктивность через интеграл A\cdot J
Обозначения и единицы
- L_{\mathrm{self}} — Гн; i — ток обмотки, А.
- \mathbf A — Вб/м; \mathbf J — А/м²; \mathrm dV — м³, поэтому интеграл имеет единицу Дж.
Условия применения. Вещественные магнитостатические поля, линейная система без фонового возбуждения постоянными магнитами или другими токами. Насыщение, смещение и комплексные гармонические поля требуют определения нужной индуктивности и отдельной обработки. Объём включает Depth или вращение сечения.
Взаимная индуктивность через поле первой обмотки
Обозначения и единицы
- \mathbf A_1 — потенциал от первой обмотки, Вб/м; \mathbf J_2 — пробная плотность во второй, А/м².
- i_1,i_2 — токи, А; V_2 — объём второй обмотки; результат — Гн.
Условия применения. Линейная взаимная магнитная система, согласованные направления токов и полный возвратный путь обмоток. Фоновый потенциал от иных источников не должен попадать в A_{1}.
Взаимная индуктивность плоских ветвей обмотки
Обозначения и единицы
- n_2 — число витков; a_2 — площадь сечения одной ветви, м²; i_1 — А.
- V_{2+},V_{2-} — объёмы ветвей с положительным и отрицательным направлением тока; A_1=A_{1z} — Вб/м.
Условия применения. Плоская линейная модель и одинаковая равномерная плотность по модулю в двух ветвях. При разных площадях коэффициенты учитывают отдельно; в осесимметрии нельзя механически добавлять фиктивную обратную ветвь.
В исходной формуле стоит разность. Последующее слово «Add» в тексте следует понимать как сложение с учётом знака ветви; здесь явно сохранён минус.
Энергия линейной индуктивности
Обозначения и единицы
- E — запасённая магнитная энергия, Дж; это не напряжённость электрического поля.
- L — Гн; i — мгновенный или постоянный ток, А.
Условия применения. Линейная индуктивность без фонового магнитного смещения, с характеристикой потокосцепления через начало координат. При насыщении или нескольких возбуждённых обмотках одна скалярная L не заменяет энергетическую характеристику.
Магнитная энергия нелинейного материала
Обозначения и единицы
- W — Дж; B,B^{\prime} — Тл; H — А/м; внутренний интеграл — Дж/м³.
- B^{\prime} — переменная интегрирования, не пространственная производная.
Условия применения. Скалярная однозначная безгистерезисная характеристика и согласованный нулевой уровень энергии. Для анизотропной векторной среды нужен путь интегрирования H\cdot dB; постоянные магниты и гистерезис требуют учёта их модели и истории.
Магнитная коэнергия
Обозначения и единицы
- W_c — коэнергия, Дж; H^{\prime} — переменная интегрирования, А/м.
- B\,\mathrm dH имеет единицу Дж/м³.
Условия применения. Однозначная материальная характеристика с согласованным энергетическим нулём. Значение коэнергии не является независимым запасом энергии, который можно прибавить к W.
Ампер-витки и плотность тока второй катушки
Обозначения и единицы
- N_2 — число витков; I_2 — ток витка, А; J_2 — усреднённая плотность тока, А/м²; a_2 — площадь сечения, м².
Условия применения. Равномерная заданная плотность тока в соответствующей стороне катушки; знак направления учитывают отдельно.
Для силы на немагнитных проводниках с \mu _{r}=1 подходит интеграл J\times B. WST выбирает семейство путей через дополнительную задачу для весовой функции; выбранное тело должно быть окружено воздухом и/или примыкать к внешней границе. При контакте с иной материальной областью применимость WST нарушается; силу можно проверять изменением коэнергии при постоянных токах.
Сила из изменения коэнергии при постоянном токе
Обозначения и единицы
- p,\Delta p — положение и смещение, м; F_p — Н; W_c — Дж.
- \mathbf i=\mathrm{const} означает фиксированные токи всех источников. Для углового p в радианах результатом становится момент, Н·м.
Условия применения. Квазистатическое перемещение и энергетически согласованная модель. При заданном напряжении токи обычно меняются, поэтому ту же разность нельзя безоговорочно считать производной при постоянных токах.
В оригинале конечная разность написана со знаком равенства. Для конечного \Delta p это приближение производной; знак заменён на ≈ и явно указана фиксация токов.
Сила Лоренца на ток в объёме
Обозначения и единицы
- \mathbf J — А/м²; \mathbf B — Тл; \mathbf J\times\mathbf B — Н/м³.
- \mathbf F — Н; объём содержит глубину плоской модели или осесимметричное вращение.
Условия применения. Статические либо мгновенные поля; для непосредственной оценки силы тела — немагнитный проводник. Для пиковых комплексных амплитуд средняя сила равна \tfrac12 \operatorname{Re} \int \widehat{J}\times \widehat{B}* dV, а не интегралу модулей.
Момент силы Лоренца
Обозначения и единицы
- \mathbf r — радиус-вектор от оси момента, м; \mathbf J — плотность тока, А/м²; \mathbf B — индукция, Тл; \boldsymbol\tau_{\mathrm L} — момент, Н·м.
Условия применения. Применение к проводникам с \mu_r=1; для гармонических амплитуд постоянную и 2\omega-составляющие разделяют, а мгновенные вещественные поля не заменяют произведением модулей.
Источник даёт название «Lorentz torque (rxJxB)» и словесное определение. Скобки восстановлены как r\times (J\times B), а не (r\times J)\times B.
Для линейного тензора Максвелла контур замыкают в однородном воздухе на расстоянии хотя бы двух слоёв элементов от интерфейсов и обходят по часовой стрелке. Рисунок 2.23 показывает именно этот отступ вокруг верхнего стального блока; внешние дуги относятся к открытой границе, а не к магнитопроводу. Для результата нужна сходимость по сетке и проверка на нескольких допустимых контурах.
Элементарная сила магнитного тензора Максвелла
Обозначения и единицы
- \mathbf n — единичная внешняя нормаль охватывающей поверхности.
- \mathbf H — А/м; \mathbf B — Тл; выражение до dS — Н/м²; \mathrm dS — м²; \mathrm d\mathbf F — Н.
Условия применения. Магнитостатические поля на поверхности в однородной линейной среде, обычно воздухе. В плоской модели площадь полосы равна глубине, умноженной на длину контура; гармоническое усреднение требует комплексного сопряжения и амплитудных множителей.
В (2.16) оригинала у правой части отсутствует dS, хотя левая названа дифференциальной силой. Здесь dS восстановлено; без него правая часть имеет размерность напряжения, Н/м², а не силы.
Рисунок М.2.23. Правильно заданный контур для интегрирования тензора напряжений Максвелла
Силу определяют по замкнутому контуру вокруг верхнего тела, проходящему в воздухе с отступом от интерфейсов. Обход по часовой стрелке задаёт внешнюю нормаль. Контур не проводят по поверхности стали, а окружающие дуги не принимают за части магнитопровода. Результат проверяют на нескольких допустимых контурах и сетках.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Произведение двух гармоник содержит постоянную и удвоенную частоту; средняя сила не получается подстановкой модулей B и J в статическую формулу. Для пиковых амплитуд в силе Лоренца используют \tfrac12\operatorname{Re}(\widehat{\mathbf J}\times\widehat{\mathbf B}^{*}). Компоненты силы 0 и 2\omega следует подписывать отдельно. При сочетании постоянного поля и малого переменного сигнала дополнительно возникает составляющая \omega; её нельзя смешивать с обычной средней силой чистой гармоники.
Проверьте на своей модели
- По имени интеграла предскажите его размерность; отдельно различите полные потери и объёмную плотность потерь.
- Перед WST покажите окружающий воздух; перед линейным тензором — замыкание, направление и отступ контура.
Изучить в занятии: 4.2 · Точки, контуры и выделенные области: знак и размерность интеграла; 40.2 · Сила по тензору напряжений Максвелла, взвешенному интегралу и коэнергии
31 · Электростатические свойства и выключенные поля проводника
В Material Properties задают относительные \varepsilon _{x}, \varepsilon _{y} и объёмную плотность свободного заряда \rho в Кл/м³. Смена единицы геометрии не меняет эту единицу источника. Анизотропные направления связаны с координатами задачи; ориентацию материала проверяют до интерпретации наклона векторов.
Рисунок М.2.26. Диалог «Материалы»
Список содержит свойства материалов документа. Название air само по себе не задаёт область воздуха: соответствующую запись нужно назначить её метке. При добавлении диэлектрика проверяют относительную проницаемость и наличие объёмного заряда.
Обозначения на рисунке
- Add
- Добавить
- Delete
- Удалить
- Modify
- Изменить
- air
- Воздух
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.29. Диалог «Свойства материала»
Два значения проницаемости задают анизотропию по координатным направлениям. Charge density — объёмный свободный заряд в Кл/м³; он отличается от линейного источника узла и от полного заряда проводника. Единицы геометрии не меняют размерность этого поля ввода.
Обозначения на рисунке
- Relative permittivity, x
- Относительная диэлектрическая проницаемость по x
- Relative permittivity, y
- Относительная диэлектрическая проницаемость по y
- Charge density (C/m^3)
- Объёмная плотность заряда, Кл/м³
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.30. Диалог «Библиотека электростатических материалов»
Перенесите нужный материал в модель и проверьте его параметры, прежде чем назначать область. Библиотечное название не сообщает автоматически температуру, частотный диапазон или происхождение данных конкретного изделия; для электростатики особенно важно не перепутать относительную и абсолютную проницаемости.
Обозначения на рисунке
- Library Materials
- Материалы библиотеки
- Model Materials
- Материалы текущей модели
- Air
- Воздух
- Transformer Oil
- Трансформаторное масло
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Boundary поддерживает Fixed Voltage, Mixed, Surface Charge Density, Periodic и Antiperiodic. Поверхностный заряд может назначаться внутреннему интерфейсу либо отдельному сегменту; это исключение из обычного использования условий на внешней границе. Для периодичности каждая связь соединяет только одну пару согласованных рёбер.
Смешанное электростатическое граничное условие
Обозначения и единицы
- V — В; \varepsilon_r\varepsilon_0 — Ф/м; n — внешняя нормаль.
- c_0 — Ф/м²; c_1 — Кл/м²; все слагаемые имеют единицу Кл/м².
Условия применения. Скалярная \varepsilon на внешней границе изотропной области. Нормальный D на внешней границе не следует смешивать со скачком D_n, создаваемым свободным зарядом на внутреннем интерфейсе.
Рисунок М.2.28. Диалог «Свойства границы»
Fixed Voltage задаёт потенциал непосредственно на выбранном ребре или дуге. Если нужно объединить раздельные поверхности в один электрод и получить его суммарный заряд, удобнее использовать именованное свойство Conductor.
Обозначения на рисунке
- Type
- Тип условия
- Fixed Voltage
- Заданный потенциал
- Fixed Voltage (V)
- Значение потенциала, В
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
В Conductor Properties выбирают Prescribed charge либо Prescribed voltage. Поле второй величины неактивно, потому что её найдёт решатель. Один проводник может объединять геометрически раздельные поверхности: их потенциал общий, заряд суммируется. Поэтому заданный V как проводник удобнее простого Fixed Voltage, когда нужно автоматически получить общий Q. Нейтральный плавающий электрод задают суммарным Q=0 при наличии опоры потенциала в остальной задаче.
Рисунок М.2.31. Диалог «Свойства проводника»
При заданном полном заряде решатель находит общий потенциал проводника. Значение Q = 0 может описывать нейтральный плавающий электрод, если опора потенциала обеспечена в остальной задаче. Неактивное поле напряжения не является одновременно наложенным V = 0.
Обозначения на рисунке
- Prescribed charge
- Заданный полный заряд
- Voltage (V)
- Потенциал, В
- Charge (C)
- Полный заряд, Кл
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Переключите тип проводника в копии модели и объясните, какое число стало входным, а какое результатом.
- Не превращайте внутренний стык диэлектриков в электрод; отдельно задавайте заряд только при его физическом наличии.
Изучить в занятии: 9.3 · Границы раздела диэлектриков, анизотропия и направление поля; 9.4 · Проводники с заданным потенциалом и зарядом; плавающий электрод
32 · Электростатические результаты: заряд, энергия и сила
Профили допускают V, модуль и нормальную/касательную компоненты D и E. Линейный E\cdot t даёт падение потенциала вдоль пути; D\cdot n через замкнутую поверхность соответствует охваченному свободному заряду. Контур в плоском сечении разворачивается на заданную глубину, в осесимметрии — вращением; поэтому результат D\cdot n имеет смысл полного заряда, а не заряда на метр без учёта постановки.
Рисунок М.2.32. Кнопки панели запуска расчётных операций
Для электростатики последовательность остаётся прежней: проверить сетку, выполнить решение и открыть актуальный файл .res. Совпадение значков с магнитным модулем не означает совпадения уравнений и единиц результатов.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.33. Кнопки панели графических режимов
Изолинии здесь соединяют точки одинакового потенциала V, а не являются линиями электрического потока. Для физической интерпретации отдельно выбирают E или D и учитывают, что в анизотропном диэлектрике эти векторы могут быть непараллельны.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.34. Кнопки панели профиля, интегрирования и результатов проводника
По профилю проверяют распределение V, E или D; интеграл D по охватывающей поверхности даёт заряд; результаты проводника сразу сообщают его общий Q и потенциал. Сопоставление этих способов помогает проверить выбранный электрод и ориентацию контура.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.35. Диалог «График X–Y»
Профиль V вдоль заданного пути позволяет проверить граничные потенциалы и плавность решения. Для оценки электрической напряжённости выбирайте E либо его нужную компоненту: малая разность соседних значений V сама по себе не заменяет производную с учётом расстояния.
Обозначения на рисунке
- Quantity
- Величина
- Number of points
- Число точек профиля
- V (voltage)
- Электрический потенциал V
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Блоковые результаты: энергия, площадь сечения, объём, средние D и E, сила и момент через WST. Среднее E — векторное усреднение; встречные направления могут взаимно сократиться при ненулевом среднем модуле. Для силы WST выделяют тело или проводник, проверяют окружение воздухом и уточняют сетку. Линейный тензор не ведут по самому скачку свойств или острой кромке.
Элементарная сила электрического тензора Максвелла
Обозначения и единицы
- \mathbf D — Кл/м²; \mathbf E — В/м; их произведение — Дж/м³=Н/м².
- \mathbf n — внешняя единичная нормаль; \mathrm dS — м²; \mathrm d\mathbf F — Н.
Условия применения. Электростатика и замкнутая поверхность в однородном линейном окружении, обычно воздухе. Для силы внутри деформируемого диэлектрика с электрострикцией нужна более полная механическая модель.
В оригинале у (2.18), как у магнитного аналога, отсутствует dS. Здесь он явно восстановлен для размерностно правильной дифференциальной силы.
Плотность электростатической энергии
Обозначения и единицы
- \mathbf D — электрическое смещение, Кл/м²; \mathbf E — поле, В/м; w_{\mathrm e} — плотность энергии, Дж/м³; W_{\mathrm e} — энергия, Дж.
Условия применения. Линейный обратимый диэлектрик; в плоской модели учитывается глубина, в осесимметричной — объём вращения.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Conductor Properties показывает V и общий Q выбранного имени. Для линейного двухэлектродного эталона сравните ёмкость через Q/U с 2W/U^{2} по энергии всего электрического поля. В многоэлектродной системе учитывайте все возбуждённые проводники: одна пара чисел Q,U не заменяет матрицу ёмкостей. При энергетическом расчёте силы различайте фиксированный заряд и фиксированное напряжение с работой источника.
Рисунок М.2.37. Диалог результатов проводника
Здесь показан полный заряд именованного электрода. Отношение Q/U даёт ёмкость только при согласованной двухэлектродной постановке и выбранной разности потенциалов; число 100 В относительно опоры не всегда является напряжением между произвольной парой электродов.
Обозначения на рисунке
- Voltage
- Потенциал
- Charge
- Полный заряд
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Сопоставьте заряд электрода с потоком D через замкнутый контур и укажите выбранную нормаль.
- Проверьте, что энергетический интеграл включает весь нужный диэлектрик, а не только одну произвольно выбранную часть.
Изучить в занятии: 9.5 · Матрица ёмкостей, взаимность и энергия системы электродов; 9.6 · Электростатическая сила, коэнергия и острые кромки
33 · Тепловые поля ввода, кривая T–k и суммарный поток проводника
Boundary задаёт Fixed Temperature, Heat Flux, Convection, Radiation, Periodic или Anti-Periodic. Перед выбором отличите температуру в К, поверхностную плотность теплового потока в Вт/м², коэффициент конвекции в Вт/(м²·К) и безразмерную излучательную способность. Излучение использует абсолютную температуру, поэтому градусы Цельсия напрямую в соответствующие поля не подставляют.
Рисунок М.2.40. Диалог «Свойство узла»
В плоскопараллельной постановке точка с источником представляет линию тепловыделения вдоль глубины модели, поэтому на рисунке указаны Вт/м. Это отличается от объёмного источника в Вт/м³. Закрепление температуры в узле также не тождественно физическому охлаждению всей поверхности.
Обозначения на рисунке
- Specified Temperature Property
- Заданная температура
- Point Heat Generation Property
- Точечный источник тепла
- Specified Temperature
- Значение температуры
- Heat Generation, W/m
- Линейная мощность источника, Вт/м
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.41. Диалог «Свойства границы»
Условие Fixed Temperature задаёт идеальный температурный резервуар на границе. На рисунке стоит шаблонное значение 0 К; оно не является разумной исходной температурой обычного устройства. Для ограниченного теплоотвода выбирают конвекцию или излучение с физическими параметрами среды.
Обозначения на рисунке
- Fixed Temperature
- Заданная температура
- Fixed temperature (K)
- Температура границы, К
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Constant Thermal Conductivity активирует kx,ky в Вт/(м·К). Thermal Conductivity Depends on Temperature отключает эти поля и открывает Edit T-k Curve: табличный k(T) изотропен. Точки сортируются по температуре, между ними применяется линейная интерполяция, вне диапазона удерживается ближайшее крайнее значение. Это правило экстраполяции программы не подтверждает материал за пределами эксперимента.
Рисунок М.2.39. Диалог «Материалы»
Brick — имя материала в текущем документе, а не тепловое граничное условие. Чтобы область стала кирпичом, её метке назначают эту запись и проверяют теплопроводность, тепловыделение и при необходимости объёмную теплоёмкость.
Обозначения на рисунке
- Add
- Добавить
- Delete
- Удалить
- Modify
- Изменить
- Brick
- Кирпич
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.42. Диалог «Свойства материала»
Показан режим постоянной теплопроводности, поэтому таблица T–k неактивна. Тепловыделение задаётся в Вт/м³, а объёмная теплоёмкость — в МДж/(м³·К): массовую теплоёмкость в Дж/(кг·К) нельзя вводить сюда без умножения на плотность и пересчёта масштаба.
Обозначения на рисунке
- Constant Thermal Conductivity
- Постоянная теплопроводность
- Thermal conductivity, x (W/m-K)
- Теплопроводность по x, Вт/(м·К)
- Thermal conductivity, y (W/m-K)
- Теплопроводность по y, Вт/(м·К)
- Edit T-k Curve...
- Редактировать зависимость k(T)
- Volume heat generation (W/m^3)
- Объёмное тепловыделение, Вт/м³
- Volumetric heat capacity (MJ/(m^3*K))
- Объёмная теплоёмкость, МДж/(м³·К)
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.44. Диалог «Библиотека тепловых материалов»
На самом изображении показана библиотека теплопроводности. В печатной подписи оригинала ошибочно указана Electrostatics Material Library; русская подпись исправлена по заголовку окна и контексту теплового раздела. Перенос из библиотеки создаёт запись материала, после чего её параметры и назначение области проверяют в модели.
Обозначения на рисунке
- Library Materials
- Материалы библиотеки
- Model Materials
- Материалы текущей модели
- Heat Flow Material Library
- Библиотека тепловых материалов
- Metallic Solids
- Твёрдые металлы
- Nonmetallic Solids
- Твёрдые неметаллические материалы
- Liquid Metals
- Жидкие металлы
- Saturated Liquids
- Насыщенные жидкости
- Gases at 1 atm
- Газы при давлении 1 атм
Исправлена явная ошибка подписи оригинала: на рисунке тепловая библиотека, а не электростатическая.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Import from file для T–k отдельно спрашивает порядок столбцов и единицы; температура в °C, °F или {}^\circR и проводимость в Btu/(ft·hr·F) либо kcal/(m·hr·K) преобразуются в К и Вт/(м·К). После импорта откройте Plot T-k Curve и проверьте хотя бы одну исходную пару вручную. Volume heat generation вводится в Вт/м³; Volumetric heat capacity — в МДж/(м³·К) и действует только в переходном расчёте с предыдущим решением и шагом времени.
Рисунок М.2.43. Диалог кривой теплопроводности
Каждая строка связывает одну температуру с соответствующей теплопроводностью. В показанном примере чистой меди k убывает с температурой; это свойство конкретного набора данных, а не универсальный закон для всех материалов. После импорта проверьте порядок столбцов и единицы хотя бы одной пары.
Обозначения на рисунке
- Copper, Pure
- Чистая медь
- T (K)
- Температура, К
- k (W/(m*K))
- Теплопроводность, Вт/(м·К)
- Import from file...
- Импорт из файла
- Plot T-k Curve
- Построить график k(T)
- Log Plot T-k Curve
- Построить график k(T) в логарифмическом масштабе
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Тепловой Conductor объединяет изотермические поверхности. Prescribed temperature задаёт общую T и вычисляет суммарный поток; Prescribed heat flux в этом диалоге означает заданный полный тепловой поток в Вт, в отличие от плотности потока на обычной границе. Вторая величина неактивна и вычисляется. Одинаковое имя на раздельных поверхностях связывает их одной изотермической идеализацией.
Рисунок М.2.45. Диалог «Свойства проводника»
Именованный тепловой проводник объединяет изотермические поверхности: задаётся одна тепловая характеристика, другая вычисляется. На исходном скриншоте поле подписано W/m, тогда как текст руководства описывает полный поток, а окно результатов на рис. М.2.51 выводит W. Это расхождение обозначений источника: не переносите единицу этого поля на итоговый интеграл; проверяйте постановку, Depth и баланс полной мощности. Обычная граничная плотность теплового потока в Вт/м² — другая величина.
Обозначения на рисунке
- Prescribed heat flux
- Заданный тепловой поток
- Temperature (K)
- Температура, К
- Heat flux (W/m)
- Тепловой поток: на исходном изображении указаны Вт/м
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Импортируйте T–k с одной температурой 20 °C и убедитесь, что она стала 293,15 К.
- Сравните единицы Heat Flux в Boundary и Prescribed heat flux в Conductor; подтвердите полный поток через площадь.
- Укажите, почему ненулевая теплоёмкость сама по себе не превращает стационарный расчёт в переходный.
Изучить в занятии: 10.4 · Температура, поток, конвекция и излучение на границе; 10.5 · Анизотропная теплопроводность, зависимости \(k(T)\) и контакт слоёв
34 · Тепловой постпроцессор: плотность потока и полный баланс
В тепловых результатах T — температура, F — плотность теплового потока, G — используемое FEMM поле отрицательного температурного градиента. Поэтому F=kG для изотропного материала, а в анизотропном материале умножение покомпонентное. Изолинии T показывают одинаковую температуру, стрелки F — перенос тепла.
Рисунок М.2.47. Кнопки панели графических режимов
Изотермы соединяют одинаковые температуры, а стрелки F показывают теплоперенос. В анизотропном материале направление потока может отличаться от направления отрицательного градиента температуры; выбор T или F нужно указывать вместе с рисунком.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Профиль показывает T, модуль и компоненты F/G. Линейные интегралы дают разность температур, полный тепловой поток, длину и площадь развёрнутого контура, среднюю температуру линии. Блоковые — среднюю T по объёму, площадь сечения, объём, средние F и G. Средняя температура по линии и по объёму — разные величины и обычно не равны Tmax.
Рисунок М.2.48. Кнопки панели профиля, интегрирования и результатов проводника
Профиль температуры, полный поток через контур и средняя температура объёма — разные результаты. Кнопка интеграла показывает набор операций текущего режима, поэтому перед нажатием проверьте, выбран контур или область.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.49. Диалог «График X–Y»
График показывает температуру вдоль пути. Чтобы исследовать перенос тепла, отдельно выберите нормальную компоненту F. Число точек на графике не равно числу элементов и не доказывает сходимость максимальной температуры.
Обозначения на рисунке
- Quantity
- Величина
- Number of points
- Число точек профиля
- Temperature
- Температура
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Conductor Properties возвращает температуру и полный поток для выбранного имени. Для стационарной задачи сопоставьте сумму потоков с одной принятой внешней нормалью и интеграл объёмного тепловыделения. В переходном процессе добавляется накопление внутренней энергии: стационарный баланс без накопления тогда неприменим. Цветовой максимум проверяют в численных точках и уточнением сетки.
Рисунок М.2.46. Кнопки панели запуска расчётных операций
После изменения источника или теплоотдачи заново запустите анализ и откройте соответствующий .anh. Температурная карта прежнего решения не является результатом новых граничных условий, даже если геометрия не менялась.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.50. При неоднозначности графики и интегралы рассчитываются с этой стороны контура
При обходе замкнутого тела по часовой стрелке такая нормаль направлена наружу. Тогда положительный F\cdot n означает отвод тепла. На идеальном контакте материалов нормальный поток непрерывен, но температурный градиент меняется вместе с теплопроводностью.
Обозначения на рисунке
- direction of contour definition
- Направление задания контура
- direction of the normal to the contour
- Направление нормали к контуру
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.51. Диалог результатов проводника
Результат именованного теплового проводника содержит его общую температуру и поток в ваттах. Для проверки стационарной модели сопоставьте этот полный поток с интегралом тепловыделения, учитывая знак нормали. Среднюю температуру проводника не принимайте за максимум температуры всего устройства.
Обозначения на рисунке
- Temperature
- Температура
- Heat Flux
- Полный тепловой поток
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Для пластины вычислите полный поток из F\cdot S и сравните с интегралом FEMM.
- В отчёте отдельно запишите максимум, среднюю по линии и среднюю по объёму.
Изучить в занятии: 10.1 · Закон Фурье, стационарная теплопроводность и тепловое сопротивление; 10.3 · Объёмные источники, температурный максимум и тепловой баланс
35 · Токовый материал: единицы проводимости и смысл loss tangent
В Current Flow частота задаёт статический или установившийся гармонический режим. Материал содержит \sigma _{x},\sigma _{y} в См/м, относительные \varepsilon _{x},\varepsilon _{y} и отдельные Loss Tangent по направлениям. Эти \sigma отличаются единицей от магнитного диалога, где используется МСм/м. При f=0 ёмкостная составляющая исчезает.
Рисунок М.2.53. Диалог «Материалы»
Материал проводящего диэлектрика описывается проводимостью, диэлектрической проницаемостью и тангенсом потерь. Имя Ceramic не определяет эти величины; откройте свойства и проверьте данные для нужной температуры и частоты.
Обозначения на рисунке
- Add
- Добавить
- Delete
- Удалить
- Modify
- Изменить
- Air
- Воздух
- Ceramic
- Керамика
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.57. Диалог «Библиотека материалов для протекания тока»
Библиотека токового модуля хранит собственные свойства материалов. Перенос названия Copper из другой физической библиотеки не гарантирует правильные единицы \sigma: перед расчётом проверьте численное значение и его температурную применимость.
Обозначения на рисунке
- Library Materials
- Материалы библиотеки
- Model Materials
- Материалы текущей модели
- Copper
- Медь
- Aluminum
- Алюминий
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Для диэлектрика с потерями руководство трактует введённую \varepsilon как модуль комплексной проницаемости. Loss Tangent — \tan \delta, безразмерное число, а не угол \delta в градусах. Угол получают как \arctan (\tan \delta ). Если в документации изготовителя указана действительная часть \varepsilon ', модуль нужно предварительно восстановить: |\varepsilon |=\varepsilon '√(1+\tan ^{2}\delta ). При малых потерях разница мала, но переносить такую приближённую замену на большой \tan \delta нельзя.
Комплексная проницаемость диэлектрика с потерями
Обозначения и единицы
- \widetilde\varepsilon=\varepsilon^{\prime}-j\varepsilon^{\prime\prime}; для пассивного материала \varepsilon^{\prime\prime}\ge0.
- \varphi — угол запаздывания; в тригонометрических функциях радианы.
- Абсолютная \varepsilon измеряется в Ф/м; относительная \varepsilon _{r} безразмерна. Одна и та же фазовая запись применима к обеим при согласованной нормировке.
Условия применения. Линейный диэлектрик на заданной частоте, конвенция \exp (j\omega t). Индекс направления опущен; при анизотропии каждое направление имеет свой модуль и угол.
Тильда введена как признак комплексной величины. Звёздочка не используется: в формулах мощности она означает комплексное сопряжение.
Тангенс угла диэлектрических потерь
Обозначения и единицы
- \tan\varphi=\varepsilon^{\prime\prime}/\varepsilon^{\prime} — безразмерный коэффициент потерь.
- Обозначение \delta в полях \tan \delta x, \tan \delta y означает тот же угол потерь, который в формуле руководства назван \varphi.
Условия применения. Для обычного пассивного диэлектрика с положительной \varepsilon ' выбирают ветвь 0\le \varphi <\pi /2. Проводимость \sigma учитывается отдельно: повторное включение тех же потерь в \sigma и \tan \varphi приводит к двойному счёту.
Рисунок М.2.56. Диалог «Свойства материала»
В отличие от магнитного диалога проводимость здесь вводят в См/м. Поля Loss Tangent содержат тангенс угла, а не градусы; для материала с потерями указанная относительная \varepsilon трактуется руководством как модуль комплексной проницаемости. Раздельные поля позволяют описать различия двух направлений.
Обозначения на рисунке
- Conductivity, \sigma _{x} (S/m)
- Проводимость по x, См/м
- Conductivity, \sigma _{y} (S/m)
- Проводимость по y, См/м
- Rel. Permittivity, \varepsilon _{x}
- Относительная диэлектрическая проницаемость по x
- Rel. Permittivity, \varepsilon _{y}
- Относительная диэлектрическая проницаемость по y
- Loss Tangent, \tan \delta x
- Тангенс угла потерь по x
- Loss Tangent, \tan \delta y
- Тангенс угла потерь по y
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Для каждого направления комплексная проводимость складывается из обычной \sigma и диэлектрического вклада. Не добавляйте повторно эквивалентные диэлектрические потери в \sigma, если они уже учтены \tan \delta. Такой токовый модуль не включает индуктивное магнитное вытеснение тока; увеличение частоты не заменяет вихретоковую магнитную постановку.
Комплексная эффективная проводимость по двум направлениям
Обозначения и единицы
- \sigma_x,\sigma_y,\sigma_{x,\mathrm{eff}},\sigma_{y,\mathrm{eff}} — См/м.
- |\varepsilon_{r,x}|,|\varepsilon_{r,y}| — безразмерные вводимые модули; \varepsilon_0 — Ф/м; \omega — рад/с.
- \varphi_i=\arctan(t_i), где t_i — введённый Loss Tangent по направлению i.
Условия применения. Линейная квазиэлектростатическая гармоника с диагональными материальными коэффициентами в координатах модели. Не включает индуктивный скин-эффект; одни и те же диэлектрические потери учитываются только один раз.
Сохранены обе строки исходного номера (2.21). Модули относительных \varepsilon и отдельные углы \varphi _{x}, \varphi _{y} обозначены явно, поскольку интерфейс задаёт их независимо; это устраняет неоднозначность общего \varphi в оригинале.
Boundary поддерживает Fixed Voltage, Mixed BC, Surface Current Density, Periodic и Anti-Periodic. Conductor Properties задаёт либо полный ток вывода, либо его напряжение, а вторую величину вычисляет. Раздельные поверхности с одним именем образуют общий эквипотенциальный вывод с суммарным током; геометрический разрыв сам по себе не означает электрической независимости.
Рисунок М.2.54. Диалог «Свойство узла»
В плоской постановке сосредоточенный в сечении источник имеет линейную нормировку вдоль глубины: на рисунке указаны А/м. Это не плотность объёмного тока А/м² и не автоматически полный ток именованного вывода. Выбор источника и выбор фиксированного потенциала взаимоисключающие.
Обозначения на рисунке
- Specified Voltage Property
- Заданный потенциал
- Point Current Density Property
- Точечный токовый источник
- Specified Voltage
- Значение потенциала
- Current Density, A/m
- Линейная плотность токового источника, А/м
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.55. Диалог «Свойства границы»
Действительная и мнимая части задают одну комплексную амплитуду напряжения при общей частоте. По ним восстанавливаются модуль и фаза одного гармонического потенциала. Для DC оставляют действительное значение; для AC сохраняют принятую амплитудную нормировку.
Обозначения на рисунке
- Fixed Voltage
- Заданный потенциал
- Voltage (\operatorname{Re} )
- Действительная часть потенциала
- Voltage (\operatorname{Im} )
- Мнимая часть потенциала
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.58. Диалог «Свойства проводника»
Здесь задаётся полный ток именованного вывода, а его потенциал вычисляется. Несколько поверхностей с одним именем имеют общий потенциал и суммарное ограничение тока. Неактивное поле напряжения не закрепляет вывод на нуле.
Обозначения на рисунке
- Prescribed Current
- Заданный полный ток
- Voltage (V)
- Потенциал, В
- Current (A)
- Полный ток, А
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- При заданных \varepsilon ' и \tan \delta вычислите величину для поля permittivity; отдельно покажите, что \tan \delta не является углом.
- Сверьте полный ток через проводник и через контрольное сечение; для AC сравнивайте комплексные числа.
Изучить в занятии: 11.1 · Постоянный ток: потенциал, закон Ома и сохранение заряда; 11.3 · Гармонический ток: проводимость, смещение, комплексная \(\varepsilon\) и нормировка; 11.2 · Границы раздела проводящих сред, сужение тока и эквивалентный контактный слой
36 · Токовые результаты: J, J_c, J_d и мощность
X-Y Plot различает V; модуль, нормальную и касательную компоненты полного тока J; аналогичные компоненты E; отдельно ток проводимости J_c и ток смещения J_d. Для проверки закона сохранения используйте полный комплексный J. Суммирование модулей J_c и J_d не равно модулю их комплексной суммы.
Рисунок М.2.60. Кнопки панели графических режимов
Показывайте вместе с изображением имя выбранной величины: потенциал V, поле E или плотность тока J. В комплексном режиме модуль скрывает фазу; по одной цветовой карте нельзя восстановить активную и ёмкостную части тока.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.62. Диалог «График X–Y»
На самом скриншоте выбран потенциал V, хотя меню также позволяет исследовать полный ток J и его проводящую и диэлектрическую составляющие. При сравнении компонент складывайте комплексные значения; сумма модулей J_c и J_d обычно не равна модулю полного J.
Обозначения на рисунке
- Quantity
- Величина
- Number of points
- Число точек профиля
- V (voltage)
- Электрический потенциал V
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Линейные интегралы дают разность напряжений E\cdot t, полный ток J\cdot n, длину/площадь контура и среднее напряжение линии. Блоковые результаты включают Real Power, Reactive Power, Apparent Power, Time-Average Stored Energy, площадь и объём. Это разные показатели: активная мощность характеризует средние потери, реактивная — обмен энергией, полная — сочетание активной и реактивной составляющих.
Рисунок М.2.61. Кнопки панели профиля, интегрирования и результатов проводника
Полный ток через сечение и ток именованного проводника должны быть согласованы с ориентацией и законом сохранения. Объёмные интегралы мощности проверяют отдельно: токовый профиль показывает распределение, но сам по себе не равен потере мощности.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Conductor Properties показывает напряжение и ток выбранного вывода. Для проверки мощности определите положительное направление тока, сравните баланс выводов с объёмными потерями и сохраните нормировку комплексных величин. При пиковых амплитудах средняя активная мощность содержит 1/2; при действующих значениях этот множитель отсутствует. В DC используйте обычное произведение U\cdot I, не перенося коэффициент 1/2 из гармоники.
Рисунок М.2.59. Кнопки панели запуска расчётных операций
После изменения проводимости, частоты или тока вывода запускают новый расчёт и открывают его .anc. Только затем сопоставляют ток сечения, ток вывода и мощность; сохранённая карта предыдущего режима не подтверждает новый баланс.
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Рисунок М.2.63. Диалог результатов проводника
Показанный ток имеет положительную мнимую часть, а отношение напряжения к току — отрицательную: это ёмкостный отклик при \exp (j\omega t). Чисто реактивный ток не создаёт активную мощность UI по произведению модулей; для амплитудных фазоров используют половину действительной части U\cdot I*.
Обозначения на рисунке
- Voltage
- Потенциал
- Current
- Полный комплексный ток
- Volt/Curr
- Импеданс U/I, Ом
- Curr/Volt
- Комплексная проводимость I/U, См
Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.
Проверьте на своей модели
- Сравните комплексный полный ток с суммой составляющих, а не сумму их модулей.
- Для чисто резистивного эталона проверьте положительную активную мощность и нулевую реактивную в пределах численной погрешности.
Изучить в занятии: 11.4 · Джоулевы потери, баланс выводов и перенос источников в тепловую модель; 11.3 · Гармонический ток: проводимость, смещение, комплексная \(\varepsilon\) и нормировка
37 · Изображение результата и исходные числа экспортируются отдельно
Edit/Copy as Bitmap копирует текущий вид в буфер как растровое изображение. Команды семейства savebitmap записывают такой вид в файл; воспроизводимый рисунок требует заранее задать окно, шкалу, отображаемую величину и подписи. Это изображение области модели, а не полный снимок нативного окна с панелями.
FEMM 5 не создаёт векторный экспорт. Старые команды savemetafile сохранены только для совместимости и не выполняют сохранение; отсутствие ошибки после их вызова не подтверждает появление файла. Перед включением рисунка в отчёт проверьте существование, размеры и читаемость реально полученного изображения.
Численные данные профиля сохраняют кнопкой Export в окне X-Y Plot в CSV с заголовками. Для отчёта полезны оба файла: рисунок показывает тенденцию, CSV сохраняет исходные отсчёты. Укажите единицы, длину контура, количество точек, сторону чтения на интерфейсе и состояние сглаживания. Наличие CSV не означает, что вычислительная модель или её сетка прошли проверку.
Проверьте на своей модели
- Сохраните один график и его CSV, откройте оба и сопоставьте крайние значения.
- Не включайте пустой или отсутствующий metafile в пакет; для воспроизводимого рисунка используйте реально поддерживаемый растровый экспорт.
Изучить в занятии: 4.3 · Карты, векторы, профили и экспорт данных: количественное сравнение вариантов; 15.1 · Графики и численные массивы встроенного Python: данные, сетка и ограничения пакетов
38 · Режим запуска, аргументы и завершение расчёта
Для серии расчётов сначала выберите жизненный цикл процесса. Запуск GUI с путём модели или сценария оставляет окно открытым. Ключ -run запускает сценарий и завершает процесс после него. У headless запуск с одним сценарием без -run после исполнения продолжает обслуживание TCP; это иной режим, даже если вычисления в сценариях одинаковы.
Все параметры FEMM ставятся до имени сценария. После него начинаются аргументы самого сценария: sys.argv[0] содержит его путь, остальные строки нужно самостоятельно преобразовать в числа. Например, --port после sweep.py не перенастраивает FEMM, а поступает в sweep.py. При необходимости разбор именованных параметров выполняет встроенный argparse.
Версия входит в протокол расчёта. femm_headless --version печатает версию и дату сборки без запуска Python и открытия порта; в GUI эти сведения доступны через Help → About. Код возврата процесса и наличие ожидаемого решения проверяются отдельно: файл от прошлого запуска не подтверждает успех нового.
femm-lua предназначен для старых Lua 4 сценариев. Его -h/--headless выбирает headless, тогда как -h у femm_headless означает помощь. Параллельным Lua-клиентам нужны разные порты через -p; аргументы сценария находятся в таблице arg. Новые практикумы курса используют встроенный Python.
| Запуск / код | Документированное действие |
|---|---|
| femm_gui [--port N] [file] | Открыть задачу/решение или исполнить .py; оставить окно |
| femm_gui -run script.py [args...] | Исполнить и завершить: 0 успех, 1 ошибка сценария |
| femm_headless [--port N] [script.py] | После сценария обслуживать TCP; порт по умолчанию 48015 |
| femm_headless -run script.py [args...] | Пакетный запуск: 0 успех; 1 ошибка; 130 Ctrl+C |
| femm_headless -i [script.py] | Интерактивный REPL; при наличии сначала исполнить сценарий |
| femm_headless без аргументов в терминале | Войти в REPL |
| femm_headless --version / --help | Напечатать версию / помощь и выйти |
| Неизвестный параметр femm_headless | Ошибка с кодом 2, параметр не считается сценарием |
| femm-lua -h -p 48016 script.lua | Совместимый Lua-клиент с отдельным портом |
femm_headless --port 48020 -run sweep.py --port 5
# FEMM слушает 48020; сценарий получает строки "--port", "5".
# Внутри sweep.py: import sys; print(sys.argv)
Проверьте на своей модели
- Объясните разницу между femm_headless model.py и femm_headless -run model.py.
- Укажите, кому достанется второй --port в примере ниже; проверьте преобразование числовых sys.argv.
- Зафиксируйте версию, код завершения и новый путь решения; не считайте старый .ans успешным новым результатом.
Изучить в занятии: 16.1 · Воспроизводимый запуск четырёх модулей: файлы, ошибки и библиотека проверок; 12.2 · Встроенная консоль и команды подготовки модели и обработки решения; 12.4 · Повтор ручного расчёта, рабочие копии, таблицы и обработка ошибок
39 · MicroPython, поиск модулей и библиотечные ограничения
Встроенный интерпретатор FEMM 5 основан на MicroPython. Совпадение имени numpy или scipy с пакетом настольного Python не гарантирует совпадения всего API. Сценарий может использовать числовые и комплексные данные, строки %, str.format и f-строки; FEMM дополнительно разрешает форматировать комплексное число через %g, %e и %f.
Поиск пользовательского модуля начинается с текущего каталога, затем проходит python рядом с исполняемыми файлами и личный каталог FEMM/python. Рабочий каталог автоматически меняется при открытии сценария через интерфейс. Собственные модули храните в личном каталоге с неповторяющимися именами: каталог установки заменяется при обновлении. Переносимые дополнения для встроенного интерпретатора должны быть совместимым чистым Python; расширение CPython на C туда просто скопировать нельзя.
Выберите строку своей операционной системы и создайте личный каталог для собственных модулей. Это третье место в порядке поиска; путь рядом с установленной программой принадлежит поставке FEMM.
| Система | Каталог |
|---|---|
| Windows | %APPDATA%/FEMM/python |
| macOS | ~/Library/Application Support/FEMM/python |
| Linux, FreeBSD | ~/.local/share/FEMM/python; при заданном XDG_DATA_HOME — $XDG_DATA_HOME/FEMM/python |
- Обратные косые черты Windows здесь заменены прямыми для переносимых строк Python. Личный каталог пользователь создаёт сам.
- Общий порядок поиска: текущий рабочий каталог → python рядом с программой → личный python. Не храните свои модули в каталоге поставки: обновление заменяет его содержимое.
Случайные числа в начале работы получают начальное состояние по часам. При сравнении параметрических серий задавайте random.seed. Для времени различайте локальные localtime/mktime и UTC gmtime; time.time использует эпоху 1970 и дробные секунды. time.sleep оставляет интерфейс отзывчивым.
Регулярные выражения в актуальном перечне руководства включают split, findall, finditer, sub, subn, fullmatch и escape, но не поддерживают флаги re.IGNORECASE и подобные, просмотр вперёд/назад и именованные группы. datetime не содержит базы часовых поясов; применяйте фиксированное смещение и strftime. Формат даты внутри f-строки и локализованные названия месяцев/дней не гарантируются.
В PDF сохранены противоречивые старые абзацы: стр.92 описывает csv и re.split, а стр.94–95 отрицает их наличие. Проверка установленной сборки 16.10.2026 подтвердила csv.reader(["a,b"]) и re.split(",", "a,b"). Это малая проверка этих вызовов, а не полная проверка библиотек; для другой поставки сохраните собственный результат вместе с версией.
| Платформа | Личный каталог модулей |
|---|---|
| Windows | %APPDATA%/FEMM/python |
| macOS | ~/Library/Application Support/FEMM/python |
| Linux, FreeBSD | ~/.local/share/FEMM/python; при заданном XDG_DATA_HOME — $XDG_DATA_HOME/FEMM/python |
| Документированные группы модулей | Что проверять при использовании |
|---|---|
| numpy, scipy (ulab); math, cmath | Массивы, линейная алгебра, действительная и комплексная математика |
| os, os.path, sys, time, datetime | Пути, окружение сценария, время и ограничения календарных форматов |
| json, re, csv | Сериализация и синтаксис; учитывать отмеченное противоречие PDF |
| random, binascii, hashlib, base64 | Воспроизводимость seed, кодирование, SHA-256 |
| glob, shutil, tempfile | Поиск и операции с файлами; glob возвращает несортированный список |
| itertools, functools, operator, copy | Группировки, ключи сортировки, независимые копии параметров |
| contextlib, traceback, types, logging, textwrap | Контекстные менеджеры, диагностика и оформление сообщений |
| pathlib, stat, string, pprint, bisect, heapq, pickle, abc, inspect, argparse | Библиотечные подмножества; в string нет Template и Formatter |
| collections, struct, array, io, errno, gc | Контейнеры, двоичные структуры, потоки, ошибки и память |
| matplotlib, xlsxwriter, zipfile, pandas | Перенаправляются во внешний CPython; требуют подходящего внешнего окружения |
Проверьте на своей модели
- Найдите личный каталог модулей на своей платформе и проверьте фактический os.getcwd().
- Сравните два запуска случайной выборки с одинаковым seed.
- Проверьте ровно тот режим csv/re, который нужен заданию; не переносите ограничения всей MicroPython-библиотеки на FEMM без проверки.
Изучить в занятии: 12.1 · Переменные, списки, словари, циклы и функции на задачах FEMM; 12.3 · Комплексные числа и численные вычисления во встроенном Python; 16.1 · Воспроизводимый запуск четырёх модулей: файлы, ошибки и библиотека проверок
40 · Файлы, таблицы, память и протокол серии
Имя open имеет два назначения. Единственный аргумент с расширением .fem/.fee/.feh/.fec открывает документ FEMM; файловое чтение/запись определяется иными аргументами. Для ясности открытия модели используйте opendocument, а для результатов — with open(path, "w", newline="") as f. Контекстный менеджер закрывает файл до следующего шага серии; ожидание конца сценария при множестве открытых файлов может исчерпать дескрипторы.
Пути с кириллицей поддерживаются; обратная косая черта нормализуется, а возвращаемые пути используют прямую. В строке Python обратную черту нужно экранировать либо использовать прямые разделители. Текстовый режим преобразует перевод строки платформы; rb/wb сохраняет точные байты. Ошибки файловых операций вызывают OSError и должны фиксироваться, а не превращаться в строку якобы успешного расчёта.
Для числового массива np.savetxt поддерживает delimiter и header, пишет заголовок с # и пятнадцать знаков после точки, но не параметр fmt. Общий CSV со строками, кавычками, запятыми внутри поля или переводом строки требует CSV-парсера. Ручной split(",") допустим лишь для заранее ограниченного формата собственных числовых файлов. По актуальному описанию csv.writer/reader используют newline="", иначе на Windows возможны лишние пустые строки.
print в FEMM по умолчанию разделяет аргументы табуляцией. Для машинного журнала задавайте sep/end явно; сообщения об ошибках можно направлять в sys.stderr. Внешний TCP-клиент не получает этот вывод через строку результата команды.
FEMM не задаёт отдельный фиксированный предел кучи сценария: объём массивов ограничен доступной памятью системы. gc.mem_free сообщает свободное место внутри уже удерживаемой памяти, а не запас всей машины. gc.threshold принимается, но игнорируется. gc.collect принудительно запускает сборку; несколько вызовов могут потребоваться для возврата большой области ОС. Это не повод хранить крупную сетку списком отдельных Python-чисел.
| Функция / группа | Контракт, важный для практикума |
|---|---|
| os.getcwd, os.chdir; getcwd, setcurrentdirectory | Чтение и установка текущего каталога |
| os.listdir([path]) | Список имён; сортируйте явно, если порядок серии существенен |
| os.mkdir, os.makedirs | Один каталог либо также отсутствующие родители |
| os.remove/unlink, os.rmdir, os.rename | Файл, каталог и смена имени/пути — разные операции |
| os.stat(path) | 10 полей: mode,inode,device,links,uid,gid,size,atime,mtime,ctime; size находится в [6] |
| os.path.exists/isdir/isfile/getsize | Проверка назначения и размера пути |
| os.path.abspath/join/split/splitext/dirname/basename | Построение абсолютных путей и разбор компонентов |
Проверьте на своей модели
- Сохраните и прочитайте CSV с кириллической строкой и запятой в поле, проверьте число строк.
- Проверьте, что пути модели, решения и таблицы уникальны для параметра серии.
- Не интерпретируйте gc.mem_free как объём свободной ОЗУ компьютера.
Изучить в занятии: 16.1 · Воспроизводимый запуск четырёх модулей: файлы, ошибки и библиотека проверок; 12.4 · Повтор ручного расчёта, рабочие копии, таблицы и обработка ошибок; 15.1 · Графики и численные массивы встроенного Python: данные, сетка и ограничения пакетов
41 · Встроенные константы и безопасный пересчёт единиц
Предопределённые имена разрешены и в сценарии, и в числовых полях интерфейса, которые вычисляются Python. Их значение — числовой множитель, переводящий указанную единицу в СИ соответствующей величины. Это не система автоматического контроля размерностей: выражение с правильным синтаксисом может задавать физически неверную единицу аргумента.
Встроенные электромагнитные константы FEMM
Обозначения и единицы
- uo, muo — имена \mu_0, Гн/м; eo — имя \varepsilon_0, Ф/м; pi, Pi, PI — безразмерное число \pi.
Условия применения. Используются внутренние константы рассматриваемой версии FEMM; точность измеренных свойств материала определяется отдельно.
Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.
Особенно важно отделить длину в метрах от координат документа. mm равен 0.001 метра. При units="millimeters" координата узла 10 задаёт 10 мм, а 10mm передаст числовое значение 0.01 и задаст только 0.01 мм. Для геометрии в миллиметрах используйте x_{\mathrm{mm}}; для геометрии в метрах — x_{\mathrm{mm}}mm. Названия единиц в probdef и множители единиц в выражениях решают разные задачи.
Пример преобразования эрстедов
Обозначения и единицы
- Oe — эрстед; H — напряжённость поля, А/м в системе СИ.
Условия применения. Имя единицы является числовым множителем в SI-нормировке ожидаемого поля.
Руководство приводит численное равенство 1000*Oersted = 79577.47; промежуточный коэффициент раскрыт для проверки.
Названия единиц допускают заглавную букву и множественное число; пример руководства — inch, inches, Inch, Inches. Для учебного сценария лучше выбрать одно стабильное написание. AWG(n) возвращает диаметр в миллиметрах; результат нужно перевести, если геометрия задана в другой единице.
Числа \mu _{0} и \varepsilon _{0} в таблице — именно значения предопределённых имён документации FEMM, а не заявление о метрологической точности фундаментальных констант. Не заменяйте числовые свойства магнитного материала этими константами: mu_x/mu_y задают относительную проницаемость.
| Имена | Множитель / единица результата |
|---|---|
| pi, Pi, PI | \pi |
| uo, muo | 4\pi \cdot 10^{-7} Гн/м |
| eo | 8,854·10⁻¹² Ф/м |
| meter, inch, cm, mm, um (micron), mil | 1; 0.0254; 0.01; 0.001; 10⁻⁶; 25.4·10⁻⁶ м |
| Tesla, mTesla, Gauss, kGauss | 1; 10⁻³; 10⁻⁴; 0.1 Тл |
| AmpMeter, kAmpMeter, Oersted, kOersted | 1; 1000; 1000/(4\pi ); 10^{6}/(4\pi ) А/м |
| AWG(n) | Диаметр провода, мм |
Проверьте на своей модели
- Вычислите координату 10 мм для документов в millimeters и meters и сравните реальные размеры.
- Пересчитайте 1000 Oersted в А/м и 1 kGauss в Тл.
- Подпишите, в каких единицах возвращается AWG и вводится WireD.
Изучить в занятии: 12.1 · Переменные, списки, словари, циклы и функции на задачах FEMM; 12.3 · Комплексные числа и численные вычисления во встроенном Python
42 · Состояние документа, выбор объектов и свойства
Семейство команды определяет физику и стадию: mi/mo — магнитное поле, ei/eo — электростатика, hi/ho — тепло, ci/co — токопроводимость; i относится к исходной модели, o — к решению. newdocument/create используют номера 0,1,2,3 соответственно. Названия команд содержат только одно подчёркивание после префикса: старые расширенные написания с дополнительными подчёркиваниями не поддерживаются.
Первый выбор скрипта определяет физический модуль нового документа. После него используйте согласованную пару префиксов mi/mo, ei/eo, hi/ho или ci/co.
| doctype | Физический модуль |
|---|---|
| 0 | Магнитное поле |
| 1 | Электростатика |
| 2 | Теплопроводность |
| 3 | Протекание тока |
При нескольких документах контролируйте setfocus и gettitle. После изменения исходной модели старое окно решения само по себе не доказывает актуальности результатов: сохраните модель, выполните analyze, затем loadsolution. createmesh возвращает число элементов; analyze умеет обновлять сетку без отдельного предварительного createmesh.
addsegment/addarc связывают ближайшие уже существующие узлы, а drawline/drawarc/drawrectangle создают нужные узлы. Поэтому одинаковые координаты аргументов не делают эти две группы взаимозаменяемыми. Метка области должна лежать в нужной замкнутой области и получить уже определённое свойство материала.
Один и тот же набор кодов используется в перемещении, копировании, масштабировании и отражении для четырёх препроцессоров. Передаваемый editaction делает выбор типа объектов явным; при его отсутствии используется текущий режим.
| editaction | Объекты |
|---|---|
| 0 | Узлы |
| 1 | Отрезки |
| 2 | Метки областей |
| 3 | Дуги |
| 4 | Группы |
- Круглые скобки вокруг необязательного editaction в PDF обозначают необязательность аргумента, а не буквальный синтаксис вызова Python.
Выбор объектов — часть состояния модели. selectgroup очищает прежний выбор и переводит редактор в режим группы. selectcircle/selectrectangle без editmode используют текущий режим; в этих функциях число 4 означает все классы. В преобразованиях editaction=4 означает групповое редактирование. После команд выбора проверяйте, какие объекты будут сдвинуты, скопированы или удалены.
В setblockprop направление намагничивания допускает строковую формулу. theta — полярный угол центра элемента в градусах, R — расстояние от начала координат; координаты обозначаются x/y в плоской и r/z в осесимметричной модели. Число витков имеет знак. automesh для области, elementsize ребра и maxsegdeg дуги управляют разными ограничениями сетки.
Глобальный smartmesh(0/1) переопределяет настройки документов на время сессии; smartmesh(-1) возвращает управление документным mi/ei/hi/ci_smartmesh. У makeABC все недостающие параметры могут выбираться автоматически. Для исследования сходимости и границы явно фиксируйте значения, чтобы изменение геометрии незаметно не изменило внешнюю область.
Проверьте на своей модели
- Перед преобразованием проверьте setfocus/gettitle, выбранную группу и editaction.
- Сравните результат addsegment без узлов и drawline на отдельной учебной копии.
- Запишите параметры Smart Mesh, внешний радиус и число оболочек вместе с числом элементов.
Изучить в занятии: 12.2 · Встроенная консоль и команды подготовки модели и обработки решения; 13.1 · Параметрическая геометрия и обмотки; 14.1 · Встроенный Python для электростатики: ei/eo и матрица ёмкостей; 14.2 · Встроенный Python для теплопроводности: hi/ho и цепочка временных решений; 14.3 · Встроенный Python для токовой задачи: ci/co, комплексные выводы и потери
43 · Коды свойств и физические единицы API
Число propnum выбирает поле конкретного типа свойства. Один и тот же номер в mi_modifymaterial и hi_modifyboundprop относится к разным физическим величинам. В справочнике приведены отдельные таблицы для материалов, границ, точек, магнитных цепей и проводников четырёх модулей; используйте таблицу выбранной команды, а не общий список номеров.
Вызов mi_modifymaterial(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BlockName | Имя материала |
| 1 | \mu _{x} | Относительная магнитная проницаемость по x или r; безразмерная |
| 2 | \mu _{y} | Относительная магнитная проницаемость по y или z; безразмерная |
| 3 | H_c | Коэрцитивная сила, А/м |
| 4 | Jr | Заданная плотность тока, МА/м² |
| 5 | \sigma | Удельная электрическая проводимость, МСм/м |
| 6 | dlam | Толщина металлического листа, мм |
| 7 | \varphi _{\mathrm{hmax}} | Максимальное гистерезисное запаздывание нелинейного материала, градусы |
| 8 | LamFill | Доля железа в пакете; безразмерная |
| 9 | LamType | 0 — без шихтовки / в плоскости; 1 — параллельно x; 2 — параллельно y |
| 10 | \varphi _{\mathrm{hx}} | Гистерезисное запаздывание по x линейного материала, градусы |
| 11 | \varphi _{\mathrm{hy}} | Гистерезисное запаздывание по y линейного материала, градусы |
| 12 | NStrands | Число жил |
| 13 | WireD | Диаметр жилы, мм |
- В этой таблице PDF строка LamType перечисляет 0–2. Расширенные типы провода перечислены при mi_addmaterial; они приведены отдельной таблицей курса. Поле Jr — имя символа исходной таблицы, а не указание на радиальную компоненту источника в двумерной магнитной задаче.
Вызов mi_modifyboundprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BdryName | Имя граничного свойства |
| 1 | A_{0} | Постоянный коэффициент заданного A |
| 2 | A_{1} | Коэффициент при x или r в заданном A |
| 3 | A_{2} | Коэффициент при y или z в заданном A |
| 4 | \varphi | Фаза заданного A, градусы |
| 5 | \mu | Относительная магнитная проницаемость для малого скин-слоя |
| 6 | \sigma | Проводимость для малого скин-слоя, МСм/м |
| 7 | c_{0} | Коэффициент при A смешанного условия |
| 8 | c_{1} | Свободный член смешанного условия |
| 9 | BdryFormat | 0 — заданный A; 1 — малый скин-слой; 2 — смешанное; 3 — Strategic Dual Image; 4 — периодическое; 5 — антипериодическое; 6 — периодический воздушный зазор; 7 — антипериодический воздушный зазор |
| 10 | ia | Угол внутренней стороны элемента воздушного зазора, градусы |
| 11 | oa | Угол внешней стороны элемента воздушного зазора, градусы |
- Единицы A_{0}/A_{1}/A_{2} согласуются с A и координатами выбранной геометрии; используйте явное выражение заданного потенциала в курсе. Не переносите коэффициенты между метрами и миллиметрами без пересчёта.
Вызов mi_modifypointprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | PointName | Имя точечного свойства |
| 1 | A | Узловой векторный потенциал, Вб/м |
| 2 | J | Сосредоточенный ток, А |
Вызов mi_modifycircprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | CircName | Имя цепи |
| 1 | i | Полный ток цепи, А |
| 2 | CircType | 0 — Parallel; 1 — Series |
Вызов ei_modifymaterial(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BlockName | Имя материала |
| 1 | ex | Относительная диэлектрическая проницаемость по x или r; 1 |
| 2 | ey | Относительная диэлектрическая проницаемость по y или z; 1 |
| 3 | qs | Объёмная плотность свободного заряда, Кл/м³ |
Вызов ei_modifyboundprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BdryName | Имя граничного свойства |
| 1 | Vs | Заданный потенциал, В |
| 2 | qs | Поверхностная плотность заряда, Кл/м² |
| 3 | c_{0} | Коэффициент при V смешанного условия |
| 4 | c_{1} | Свободный член смешанного условия |
| 5 | BdryFormat | 0 — заданный V; 1 — смешанное; 2 — поверхностный заряд; 3 — периодическое; 4 — антипериодическое |
Вызов ei_modifypointprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | PointName | Имя точечного свойства |
| 1 | Vp | Заданный потенциал узла, В |
| 2 | qp | Линейная плотность точечного зарядового источника, Кл/м |
Вызов ei_modifyconductorprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | ConductorName | Имя проводника |
| 1 | Vc | Потенциал проводника, В |
| 2 | qc | Полный заряд проводника, Кл |
| 3 | ConductorType | 0 — заданный заряд; 1 — заданный потенциал |
Вызов hi_modifymaterial(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BlockName | Имя материала |
| 1 | kx | Теплопроводность по x или r, Вт/(м·К) |
| 2 | ky | Теплопроводность по y или z, Вт/(м·К) |
| 3 | qs | Объёмное тепловыделение, Вт/м³ |
| 4 | kt | Объёмная теплоёмкость, МДж/(м³·К) |
- В modify-таблице объёмный источник назван qs; аргумент hi_addmaterial того же физического смысла называется q_v. Это не поверхностный тепловой поток qs из граничного свойства.
Вызов hi_modifyboundprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BdryName | Имя граничного свойства |
| 1 | BdryFormat | 0 — заданная температура; 1 — тепловой поток; 2 — конвекция; 3 — излучение; 4 — периодическое; 5 — антипериодическое |
| 2 | Tset | Заданная температура, К |
| 3 | qs | Поверхностная плотность теплового потока, Вт/м² |
| 4 | Tinf | Температура среды для конвекции, К |
| 5 | h | Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К) |
| 6 | beta | Степень черноты (эмиссивность), 1 |
| 7 | TinfRad | Температура окружения для излучения, К |
- Код 2 также учитывает заданный qs. Код 3 может одновременно учитывать излучение, конвекцию и qs. Если TinfRad при добавлении условия опущен, используется Tinf.
Вызов hi_modifypointprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | PointName | Имя точечного свойства |
| 1 | Tp | Заданная температура узла, К |
| 2 | qp | Линейная мощность точечного источника, Вт/м |
Вызов hi_modifyconductorprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | ConductorName | Имя проводника |
| 1 | Tc | Температура проводника, К |
| 2 | qc | Полный тепловой поток, Вт |
| 3 | ConductorType | 0 — заданный полный тепловой поток; 1 — заданная температура |
Вызов ci_modifymaterial(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BlockName | Имя материала |
| 1 | ox | Проводимость по x или r, См/м |
| 2 | oy | Проводимость по y или z, См/м |
| 3 | ex | Относительная диэлектрическая проницаемость по x или r; 1 |
| 4 | ey | Относительная диэлектрическая проницаемость по y или z; 1 |
| 5 | ltx | Тангенс диэлектрических потерь по x или r; 1 |
| 6 | lty | Тангенс диэлектрических потерь по y или z; 1 |
Вызов ci_modifyboundprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | BdryName | Имя граничного свойства |
| 1 | Vs | Заданный потенциал, В |
| 2 | qs | Поверхностная плотность тока, А/м² |
| 3 | c_{0} | Коэффициент при V смешанного условия |
| 4 | c_{1} | Свободный член смешанного условия |
| 5 | BdryFormat | 0 — заданный V; 1 — смешанное; 2 — поверхностный ток; 3 — периодическое; 4 — антипериодическое |
Вызов ci_modifypointprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | PointName | Имя точечного свойства |
| 1 | Vp | Заданный потенциал узла, В |
| 2 | qp | Линейная плотность точечного токового источника, А/м |
Вызов ci_modifyconductorprop(name, propnum, value) меняет одно поле существующего свойства. Строка 0 переименовывает запись; остальные строки задают числовой параметр. Номер поля не является кодом типа границы.
| propnum | Поле | Смысл и единицы |
|---|---|---|
| 0 | ConductorName | Имя проводника |
| 1 | Vc | Потенциал проводника, В |
| 2 | qc | Полный ток проводника, А |
| 3 | ConductorType | 0 — заданный полный ток; 1 — заданный потенциал |
Неиспользуемые коэффициенты конкретного типа границы задаются нулём. В mi_addboundprop код BdryFormat=6/7 означает периодический/антипериодический воздушный зазор, а ia/oa — углы его внутренней и внешней сторон. У тепловой границы свои коды: температура, поток, конвекция, излучение, периодичность и антипериодичность. Если TinfRad опущен, используется Tinf.
Магнитные материалы используют МСм/м для проводимости и МА/м² для заданной плотности тока. Токовый модуль использует См/м и А/м². Ошибка в приставке даёт множитель миллион даже при безошибочном выполнении Python. Тепловая объёмная теплоёмкость kt задаётся в МДж/(м³·К), а источник q_v — в Вт/м³.
Магнитные единицы проводимости и плотности тока
Обозначения и единицы
- S — сименс (См); MA — мегаампер; mm — миллиметр.
Условия применения. Это пересчёт единиц ввода, а не доказательство нормировки всех возвращаемых полей API.
Равенство проводимости дано в тексте p_{34}; эквивалентность А/мм² и МА/м² раскрывает две записи J в p_{102} и p_{104}.
Точечный источник и терминальный проводник различны: qp электрического/теплового/токового точечного свойства задан на единицу длины, а qc проводника — полный заряд, мощность или ток. Магнитный точечный ток j в mi_addpointprop задаётся в амперах. Суммарные результаты модели дополнительно зависят от глубины плоской постановки или осесимметричного объёма.
Изменение материала через modifymaterial не заменяет проверку его физической модели. Для mi_addmaterial руководство допускает опускать хвост аргументов; важные \mu, H_c, \sigma, шихтовку и параметры провода задавайте явно. Числовой код LamType не означает, что измеренные потери уже подтверждены этой эквивалентной моделью.
LamType выбирает конструктивную модель материала. Это полный перечень 0–8 из описания mi_addmaterial, дополняющий короткую строку 0–2 в таблице mi_modifymaterial.
| LamType | Конструкция |
|---|---|
| 0 | Сплошной материал или шихтовка в плоскости модели |
| 1 | Листы параллельны x или r |
| 2 | Листы параллельны y или z |
| 3 | Magnet wire: обмоточный провод |
| 4 | Plain stranded wire: обычный многожильный провод |
| 5 | Litz wire: литцендрат |
| 6 | Square wire: квадратный провод |
| 7 | CCA: алюминий, плакированный медью; 10% меди |
| 8 | CCA: алюминий, плакированный медью; 15% меди |
- Для Magnet wire и Square wire NStrands должен равняться 1. WireD и Lam_d вводятся в миллиметрах независимо от единицы геометрии.
| Параметры | Единицы и смысл |
|---|---|
| mi_addmaterial: J, Cduct | МА/м²; МСм/м |
| mi_addmaterial: Lam_d, WireD | мм независимо от единицы координат |
| mi_addmaterial: H_c | А/м |
| ci_addmaterial: ox,oy | См/м |
| hi_addmaterial: kt | МДж/(м³·К) |
| ei/hi/ci_addpointprop: qp | Кл/м; Вт/м; А/м соответственно |
| ei/hi/ci_addconductorprop: qc | Кл; Вт; А соответственно |
| getprobleminfo: depth, length unit | Обе длины возвращаются в метрах |
| getelement: координаты, площадь | Единицы геометрии; квадрат единицы геометрии |
Проверьте на своей модели
- До запуска укажите единицы каждого источника и проводимости; отдельно проверьте приставки М и отсутствие приставки.
- По таблице конкретной modify-команды найдите propnum и проверьте обновлённое свойство.
- Сопоставьте ток на выводе или тепловой поток с интегральным балансом модели.
Изучить в занятии: 13.1 · Параметрическая геометрия и обмотки; 14.1 · Встроенный Python для электростатики: ei/eo и матрица ёмкостей; 14.2 · Встроенный Python для теплопроводности: hi/ho и цепочка временных решений; 14.3 · Встроенный Python для токовой задачи: ci/co, комплексные выводы и потери
44 · Узлы, элементы и пакетное чтение поля
У сетки есть два разных числа строк: Nn узлов и Ne треугольников. Вводные абзацы PDF описывают готовые numpy-массивы внутри FEMM и плоскую передачу через IPC с восстановлением формы обёрткой. Нативная проверка 16.10.2026 подтвердила массивы координат и полей, но обнаружила важное отличие getallelements: вместо документированной Ne×7 матрицы текущая сборка возвращает кортеж из четырёх массивов. Поэтому сначала проверяйте фактический контейнер, а не назначайте ему форму по краткой таблице.
На четырёх сохранённых решениях магнитного, электростатического, теплового и токового модулей получено: connectivity — Ne×3 int32, centroids — Ne×2 float64, areas — Ne float64, groups — Ne int32. Это четыре члена tuple в таком порядке. Первая тройка connectivity совпала с первыми полями getelement(1), а координаты getallnodes()[0] — с getnode(1). Передать np.int32 аргументом getallelements нельзя: в проверенной сборке команда принимает ноль аргументов. Эта проверка внутреннего Python не устанавливает форму ответа внешнего IPC.
Нумерация узлов API начинается с 1, а индексация массива Python и matplotlib — с 0. В элементной строке первые три поля являются номерами узлов; следующие два — координатами центра, затем идут площадь и группа. При переводе в matplotlib вычитайте 1 только из номеров узлов. Храните индексы как int32: int16 переполняется после 32767 и может превратить корректную сетку в набор отрицательных индексов.
Индексы FEMM и массивов Python
Обозначения и единицы
- N_n — число узлов; i_{\mathrm{FEMM}} — номер API от 1; i_{\mathrm{Python}} — индекс массива от 0. Все три величины целочисленные и безразмерные.
Условия применения. Для связности используйте int32. Знаковый int16 ограничен диапазоном −32768…32767 и может молча переполниться.
Формула выделяет математический смысл вычитания 1 из трёх индексов в примере matplotlib. Контейнер getallelements в проверенной сборке отличается от описания PDF; это отдельно разобрано в разделе.
Потенциалы V в электростатике и токопроводимости, а также T в теплопроводности возвращаются по узлам. Их производные D, J, F возвращаются по элементам и не сглаживаются. Магнитный mo_getalla согласно стр.115 выдаёт A в центрах элементов; это принципиальное исключение, которое нельзя соединить с массивом узлов как равнодлинные данные.
Для узлового графика A пример руководства получает координаты mo_getnode(k), затем A через mo_getpointvalues(x,y)[0]. Для крупной серии заранее выделяйте массивы и заполняйте их, а не накапливайте списки Python-чисел. Сроки выполнения примера в руководстве относятся к его модели и компьютеру; их нельзя обещать для произвольной сетки.
Сравнение показывает, почему массивы нужно выделять заранее и читать крупными блоками. Числа относятся к одному измерению автора: переносить их на свой компьютер как норматив скорости нельзя.
| Хранение данных узлов | Время цикла для 20 000 элементов |
|---|---|
| numpy array | 1,9 мс |
| Python list | 69,7 мс |
- Это конкретное измерение автора руководства, не гарантированный benchmark курса. Контекст: модель около 73 000 узлов и 146 000 элементов; сравнивается цикл с различным хранением узловых данных.
- Массив уменьшает количество отдельных объектов и нагрузку сборщика памяти; перенос больших массивов выполняйте одной операцией.
В гармонической магнитной и токовой постановке фазовые величины могут быть комплексными. Перед построением рисунка выберите \operatorname{Re}, \operatorname{Im}, модуль или фазу как отдельный шаг обработки. Смешение узлового потенциала, элементного поля и сглаженного точечного запроса может создать ошибку анализа даже при внешне одинаковом изображении.
| Запрос | Форма и расположение |
|---|---|
| *_getallnodes | Nn×2: координаты всех узлов |
| *_getallelements в PDF | Ne×7: n_{1},n_{2},n_{3},xc,yc,area,group |
| *_getallelements в проверенной сборке | tuple: connectivity Ne×3; centroids Ne×2; areas Ne; groups Ne |
| mo_getallb / mo_getalla | Ne×2: B; Ne: A в центрах элементов |
| eo_getalld / eo_getallv | Ne×2: D; Nn: узловой V |
| ho_getallf / ho_getallt | Ne×2: F; Nn: узловой T |
| co_getallj / co_getallv | Ne×2: J; Nn: узловой V |
| mo_getallgapb / mo_getallgapa | npts×2: B_r,B_{\theta }; npts: A; по умолчанию npts=360 |
| mo_getallgapharmonics | Nh×6: acc,acs,brc,brs,btc,bts для каждой гармоники |
Проверьте на своей модели
- Проверьте размеры всех массивов по numnodes/numelements, прежде чем объединять столбцы.
- Подтвердите, что каждая тройка индексов после вычитания 1 лежит в диапазоне 0…Nn−1.
- Для mo_getalla укажите расположение значений по элементам; для ho_getallt — по узлам.
Изучить в занятии: 15.1 · Графики и численные массивы встроенного Python: данные, сетка и ограничения пакетов; 14.1 · Встроенный Python для электростатики: ei/eo и матрица ёмкостей; 14.2 · Встроенный Python для теплопроводности: hi/ho и цепочка временных решений; 14.3 · Встроенный Python для токовой задачи: ci/co, комплексные выводы и потери
45 · Возвраты интегралов, гармоники зазора и ориентация контура
Перед интегралом очищайте старый контур или выбор областей и создавайте новый явно. Числовой type выбирает физическую операцию в конкретном модуле: одинаковое число не переносится из mo в eo/ho/co. Например, код 2 у mo_blockintegral означает энергию, у eo/ho_blockintegral — объём, а у co_blockintegral — полную мощность.
Перед вызовом mo_blockintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Очистите прежнее выделение, выберите области интегрирования и затем запишите код вместе с результатом и единицей.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Интеграл A\cdot J | Единицы зависят от определения A и источника; см. формулу индуктивности |
| 1 | Интеграл A | Интеграл потенциала по объёму |
| 2 | Энергия магнитного поля | Дж |
| 3 | Гистерезисные и/или вихревые потери в шихтовке | Вт |
| 4 | Омические потери | Вт |
| 5 | Площадь поперечного сечения | м² |
| 6 | Суммарные потери | Вт |
| 7 | Полный ток | А |
| 8 | Интеграл B_x или B_r по объёму | Тл·м³ |
| 9 | Интеграл B_y или B_z по объёму | Тл·м³ |
| 10 | Объём | м³ |
| 11 | F_x /r силы Лоренца, постоянная составляющая | Н |
| 12 | F_y /z силы Лоренца, постоянная составляющая | Н |
| 13 | F_x /r силы Лоренца, 2\omega | Н |
| 14 | F_y /z силы Лоренца, 2\omega | Н |
| 15 | Момент Лоренца, постоянная составляющая | Н·м |
| 16 | Момент Лоренца, 2\omega | Н·м |
| 17 | Коэнергия магнитного поля | Дж |
| 18 | F_x /r взвешенного тензора напряжений, постоянная составляющая | Н |
| 19 | F_y /z взвешенного тензора напряжений, постоянная составляющая | Н |
| 20 | F_x /r взвешенного тензора напряжений, 2\omega | Н |
| 21 | F_y /z взвешенного тензора напряжений, 2\omega | Н |
| 22 | Момент взвешенного тензора напряжений, постоянная составляющая | Н·м |
| 23 | Момент взвешенного тензора напряжений, 2\omega | Н·м |
| 24 | Интеграл R^{2}: момент инерции / плотность | м⁵ при объёмном интегрировании |
| 25 | F_x /r взвешенного тензора напряжений, 1\omega | Н |
| 26 | F_y /z взвешенного тензора напряжений, 1\omega | Н |
| 27 | Момент взвешенного тензора напряжений, 1\omega | Н·м |
| 28 | F_x /r силы Лоренца, 1\omega | Н |
| 29 | F_y /z силы Лоренца, 1\omega | Н |
| 30 | Момент Лоренца, 1\omega | Н·м |
- Все коды 0–30 сохранены. Члены 1\omega описывают взаимодействие постоянного решения с малым переменным полем в режиме дифференциальной проницаемости; это не обычная гармоническая сила 2\omega.
- У кода 24 для получения момента инерции результат умножают на массовую плотность, кг/м³. В плоской задаче ось проходит через x=y=0, в осесимметричной — через r=0.
Перед вызовом mo_getpointvalues выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Здесь приведён порядок всех возвращаемых полей; физическую точку и единицы координат задают до запроса. Позиции таблицы начинаются с 1, индексы Python — с 0.
| Позиция | Символ | Величина | Единица / нормировка |
|---|---|---|---|
| 1 | A | Векторный потенциал A либо поток \varphi в осесимметрии | Вб/м либо Вб; учитывайте тип постановки |
| 2 | B_{1} | B_x в плоской задаче или B_r в осесимметричной | Тл |
| 3 | B_{2} | B_y или B_z | Тл |
| 4 | Sig | Удельная электрическая проводимость \sigma | Единица возврата в этой таблице PDF не указана |
| 5 | E | Плотность запасённой энергии | Дж/м³ |
| 6 | H_{1} | Hx или Hr | А/м |
| 7 | H_{2} | Hy или Hz | А/м |
| 8 | Je | Вихревая плотность тока | Масштаб А/м² или МА/м² таблицей не уточнён |
| 9 | J_s | Заданная плотность тока | Масштаб А/м² или МА/м² таблицей не уточнён |
| 10 | Mu1 | Относительная \mu _{x} или \mu _{r} | 1 |
| 11 | Mu2 | Относительная \mu _{y} или \mu _{z} | 1 |
| 12 | Pe | Плотность омических потерь | Вт/м³ |
| 13 | Ph | Плотность гистерезисных потерь | Вт/м³ |
| 14 | ff | Коэффициент заполнения шихтованного материала | 1 |
- Позиции здесь записаны от 1 как в порядке выдачи; индекс Python равен позиции минус 1. Все 14 результатов следует распаковывать в этом порядке.
- В магнитостатике мнимые части равны нулю. Не подставляйте единицы ввода mi_addmaterial в вывод Sig/Je/J_s без проверки конкретной сборки на однородном эталоне: исходная таблица их не объявляет.
Перед вызовом mo_makeplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Сначала постройте контур; PlotType выбирает величину вдоль него. Координата X графика — расстояние по пути, число отсчётов не уточняет сетку.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Потенциал A или \varphi | Вб/м или Вб |
| 1 | |B| | Тл |
| 2 | B·n | Тл |
| 3 | B·t | Тл |
| 4 | |H| | А/м |
| 5 | H\cdot n | А/м |
| 6 | H\cdot t | А/м |
| 7 | Вихревая плотность тока Jeddy | Нормировку возврата сверить с заголовком экспорта |
| 8 | Полная плотность тока Jsource + Jeddy | Нормировку возврата сверить с заголовком экспорта |
- NumPoints задаёт число отсчётов на имеющемся решении, а не размер сетки. При Filename данные сохраняются как CSV; четвёртый FileFormat принят для совместимости и игнорируется.
Перед вызовом eo_lineintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Заново задайте контур и его направление: таблица связывает числовой type с физической величиной, а не с номером строки меню другого модуля.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Интеграл E\cdot t | В |
| 1 | Поток D\cdot n | Полный заряд, Кл; средняя D_n, Кл/м² |
| 2 | Геометрия контура | Длина, м; площадь поверхности, м² |
| 3 | Сила тензора напряжений | Компоненты силы, Н |
| 4 | Момент тензора напряжений | Н·м |
- В зависимости от кода возвращается одна или две величины. Нормаль и касательная определяются направлением контура.
Перед вызовом eo_blockintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Очистите прежнее выделение, выберите области интегрирования и затем запишите код вместе с результатом и единицей.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Запасённая энергия | Дж |
| 1 | Площадь поперечного сечения | м² |
| 2 | Объём | м³ |
| 3 | Средний вектор D | Кл/м²; две компоненты |
| 4 | Средний вектор E | В/м; две компоненты |
| 5 | Сила взвешенного тензора напряжений | Н; две компоненты |
| 6 | Момент взвешенного тензора напряжений | Н·м |
- В примере PDF F_x,F_y = eo_blockintegral(4) допущена ошибка: по таблице сила имеет код 5, а код 4 возвращает среднее поле E. Курс сохраняет коды таблицы и явно исправляет пример.
Перед вызовом eo_getpointvalues выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Здесь приведён порядок всех возвращаемых полей; физическую точку и единицы координат задают до запроса. Позиции таблицы начинаются с 1, индексы Python — с 0.
| Позиция | Символ | Величина | Единица / нормировка |
|---|---|---|---|
| 1 | V | Потенциал | В |
| 2 | Dx | Компонента D по x или r | Кл/м² |
| 3 | Dy | Компонента D по y или z | Кл/м² |
| 4 | Ex | Компонента E по x или r | В/м |
| 5 | Ey | Компонента E по y или z | В/м |
| 6 | ex | Проницаемость по x или r | Таблица не уточняет абсолютную/относительную нормировку |
| 7 | ey | Проницаемость по y или z | Таблица не уточняет абсолютную/относительную нормировку |
| 8 | nrg | Плотность энергии поля | Дж/м³ |
- Позиция 1 соответствует Python-индексу 0. Не путайте параметр ex/ey материала (относительная \varepsilon) с неподтверждённой нормировкой одноимённого возврата.
Перед вызовом eo_makeplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Сначала постройте контур; PlotType выбирает величину вдоль него. Координата X графика — расстояние по пути, число отсчётов не уточняет сетку.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | V | В |
| 1 | |D| | Кл/м² |
| 2 | D·n | Кл/м² |
| 3 | D·t | Кл/м² |
| 4 | |E| | В/м |
| 5 | E\cdot n | В/м |
| 6 | E\cdot t | В/м |
- D — электрическое смещение, не магнитная индукция. Файл результата makeplot — CSV; FileFormat игнорируется.
Перед вызовом ho_lineintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Заново задайте контур и его направление: таблица связывает числовой type с физической величиной, а не с номером строки меню другого модуля.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Разность температур: интеграл G\cdot t | К; знак зависит от направления и соглашения о G |
| 1 | Тепловой поток через контур F\cdot n | Полный поток, Вт; средняя плотность, Вт/м² |
| 2 | Геометрия контура | Длина, м; площадь поверхности, м² |
| 3 | Средняя температура контура | К |
- В примере PDF F_{\mathrm{tot}},F_{\mathrm{avg}} = ho_lineintegral(2) ошибочен код: тепловой поток имеет код 1, код 2 относится к геометрии.
- В теоретическом разделе PDF G = -\nabla T, но нативный тепловой слой курса показал другое соглашение о знаке G. При обработке результата сверяйте знак на линейном температурном эталоне.
Перед вызовом ho_blockintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Очистите прежнее выделение, выберите области интегрирования и затем запишите код вместе с результатом и единицей.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Средняя температура T | К |
| 1 | Площадь поперечного сечения | м² |
| 2 | Объём | м³ |
| 3 | Средний вектор теплового потока F | Вт/м²; две компоненты |
| 4 | Средний температурный градиент G | К/м; две компоненты, соглашение о знаке см. примечание |
- Вектор G следует интерпретировать вместе с нативным соглашением о знаке, проверенным на эталоне; не извлекайте направление переноса тепла только из названия gradient.
Перед вызовом ho_getpointvalues выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Здесь приведён порядок всех возвращаемых полей; физическую точку и единицы координат задают до запроса. Позиции таблицы начинаются с 1, индексы Python — с 0.
| Позиция | Символ | Величина | Единица |
|---|---|---|---|
| 1 | T (в таблице PDF: V) | Температура | К |
| 2 | F_x | Тепловой поток по x или r | Вт/м² |
| 3 | F_y | Тепловой поток по y или z | Вт/м² |
| 4 | G_x | Температурный градиент по x или r | К/м |
| 5 | Gy | Температурный градиент по y или z | К/м |
| 6 | kx | Теплопроводность по x или r | Вт/(м·К) |
| 7 | ky | Теплопроводность по y или z | Вт/(м·К) |
- Символ V в первой строке исходной таблицы — остаток копирования: соседний пример распаковывает T, и модуль выдаёт температуру.
- Позиции 1–7 соответствуют Python-индексам 0–6. Знак G проверяется отдельно; он не меняет порядок результатов.
Перед вызовом ho_makeplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Сначала постройте контур; PlotType выбирает величину вдоль него. Координата X графика — расстояние по пути, число отсчётов не уточняет сетку.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | T | К |
| 1 | |F| | Вт/м² |
| 2 | F\cdot n | Вт/м² |
| 3 | F\cdot t | Вт/м² |
| 4 | |G| | К/м |
| 5 | G\cdot n | К/м |
| 6 | G\cdot t | К/м |
- В исходной таблице скопированы V/D/E и даже слова field intensity. Здесь физические обозначения исправлены на T/F/G без изменения кодов 0–6.
- Знак G нельзя устанавливать по скопированному тексту; сверяйте с принятой в курсе проверкой теплового эталона.
Перед вызовом co_lineintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Заново задайте контур и его направление: таблица связывает числовой type с физической величиной, а не с номером строки меню другого модуля.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Интеграл E\cdot t | В |
| 1 | Поток J\cdot n | Полный ток, А; средняя нормальная плотность, А/м² |
| 2 | Геометрия контура | Длина, м; площадь поверхности, м² |
| 3 | Средний потенциал на контуре | В |
| 4 | Сила тензора напряжений | Н; компоненты силы |
| 5 | Момент тензора напряжений | Н·м |
- J — полный ток проводимости и смещения. При гармонической постановке возвращаемые величины могут быть комплексными.
Перед вызовом co_blockintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Очистите прежнее выделение, выберите области интегрирования и затем запишите код вместе с результатом и единицей.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Активная мощность | Вт |
| 1 | Реактивная мощность | вар |
| 2 | Полная мощность (Apparent Power) | ВА; интерпретацию комплексного результата проверяйте по контракту сборки |
| 3 | Средняя за период запасённая энергия | Дж |
| 4 | Площадь поперечного сечения | м² |
| 5 | Объём | м³ |
| 6 | F_x /r взвешенного тензора напряжений, постоянная составляющая | Н |
| 7 | F_y /z взвешенного тензора напряжений, постоянная составляющая | Н |
| 8 | F_x /r взвешенного тензора напряжений, 2\omega | Н |
| 9 | F_y /z взвешенного тензора напряжений, 2\omega | Н |
| 10 | Момент взвешенного тензора напряжений, постоянная составляющая | Н·м |
| 11 | Момент взвешенного тензора напряжений, 2\omega | Н·м |
- В PDF сказано, что возвращаемое значение может быть комплексным. Не заменяйте код 2 автоматически произведением модулей U и I: сохраняйте исходный комплексный результат и его принятую фазорную нормировку.
Перед вызовом co_getpointvalues выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Здесь приведён порядок всех возвращаемых полей; физическую точку и единицы координат задают до запроса. Позиции таблицы начинаются с 1, индексы Python — с 0.
| Позиция | Символ | Величина | Единица / нормировка |
|---|---|---|---|
| 1 | V | Потенциал | В |
| 2 | Jx | Полная плотность тока по x или r | А/м² |
| 3 | Jy | Полная плотность тока по y или z | А/м² |
| 4 | Kx | Комплексная эффективная проводимость по x или r | См/м |
| 5 | Ky | Комплексная эффективная проводимость по y или z | См/м |
| 6 | Ex | Электрическое поле по x или r | В/м |
| 7 | Ey | Электрическое поле по y или z | В/м |
| 8 | ex | Диэлектрическая проницаемость по x или r | Абсолютная/относительная нормировка таблицей не уточнена |
| 9 | ey | Диэлектрическая проницаемость по y или z | Абсолютная/относительная нормировка таблицей не уточнена |
| 10 | Jdx | Плотность тока смещения по x или r | А/м² |
| 11 | Jdy | Плотность тока смещения по y или z | А/м² |
| 12 | ox | Проводимость по x или r; в исходнике ошибочно permittivity | См/м; семантика поля требует проверки на эталоне |
| 13 | oy | Проводимость по y или z; в исходнике ошибочно permittivity | См/м; семантика поля требует проверки на эталоне |
| 14 | Jcx | Плотность тока проводимости по x или r | А/м² |
| 15 | Jcy | Плотность тока проводимости по y или z | А/м² |
- Порядок всех 15 полей сохранён. Позиция 1 соответствует Python-индексу 0.
- Описание ox/oy в PDF повторяет permittivity; обозначения материала ci_addmaterial и разделение J_c/J_d указывают на проводимость. Курс отмечает исправление явно; отдельная нативная проверка всех этих 15 полей ранее не заявлялась.
Перед вызовом co_makeplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Сначала постройте контур; PlotType выбирает величину вдоль него. Координата X графика — расстояние по пути, число отсчётов не уточняет сетку.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | V | В |
| 1 | |J| | А/м² |
| 2 | J\cdot n | А/м² |
| 3 | J\cdot t | А/м² |
| 4 | |E| | В/м |
| 5 | E\cdot n | В/м |
| 6 | E\cdot t | В/м |
| 7 | |J_c| | А/м² |
| 8 | J_c\cdot n | А/м² |
| 9 | J_c\cdot t | А/м² |
| 10 | |J_d| | А/м² |
| 11 | J_d\cdot n | А/м² |
| 12 | J_d\cdot t | А/м² |
- J_c и J_d — ток проводимости и ток смещения. Комплексные компоненты складываются до взятия модуля: сумма модулей обычно не равна модулю полного тока.
Перед вызовом co_showdensityplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает смысл цветовой шкалы. При сравнении вариантов фиксируйте одинаковую величину и границы шкалы.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | |V| | В |
| 1 | |Re(V)| | В |
| 2 | |Im(V)| | В |
| 3 | |J| | А/м² |
| 4 | |Re(J)| | А/м² |
| 5 | |Im(J)| | А/м² |
| 6 | |E| | В/м |
| 7 | |Re(E)| | В/м |
| 8 | |Im(E)| | В/м |
- Вертикальные черты в исходнике сохранены: речь о модуле выбранной действительной или мнимой составляющей. Эта цветовая карта сама по себе не показывает её знак.
Перед вызовом co_showvectorplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает физический вектор и его комплексную составляющую; масштаб стрелок задаётся отдельно и не меняет решение.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Векторы выключены | — |
| 1 | Re(J) | А/м² |
| 2 | Re(E) | В/м |
| 3 | Im(J) | А/м² |
| 4 | Im(E) | В/м |
| 5 | Re(J) и Im(J) | А/м² |
| 6 | Re(E) и Im(E) | В/м |
- scalefactor задаёт только длину стрелок на экране. При 1 максимальная величина соответствует длине стрелки, равной шагу координатной сетки; это не физическое изменение поля.
Перед вызовом mo_showvectorplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает физический вектор и его комплексную составляющую; масштаб стрелок задаётся отдельно и не меняет решение.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Выключено | — |
| 1 | Re(B) | Тл |
| 2 | Re(H) | А/м |
| 3 | Im(B) | Тл |
| 4 | Im(H) | А/м |
| 5 | Re(B) и Im(B) | Тл |
| 6 | Re(H) и Im(H) | А/м |
Перед вызовом eo_showdensityplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает смысл цветовой шкалы. При сравнении вариантов фиксируйте одинаковую величину и границы шкалы.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | V | В |
| 1 | |D| | Кл/м² |
| 2 | |E| | В/м |
Перед вызовом eo_showvectorplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает физический вектор и его комплексную составляющую; масштаб стрелок задаётся отдельно и не меняет решение.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Выключено | — |
| 1 | D | Кл/м² |
| 2 | E | В/м |
Перед вызовом ho_showdensityplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает смысл цветовой шкалы. При сравнении вариантов фиксируйте одинаковую величину и границы шкалы.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | T | К |
| 1 | |F| | Вт/м² |
| 2 | |G| | К/м |
Перед вызовом ho_showvectorplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает физический вектор и его комплексную составляющую; масштаб стрелок задаётся отдельно и не меняет решение.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Выключено | — |
| 1 | F | Вт/м² |
| 2 | G | К/м |
Перед вызовом mo_showdensityplot выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Код выбирает смысл цветовой шкалы. При сравнении вариантов фиксируйте одинаковую величину и границы шкалы.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| bmag | |B| | Тл |
| breal | Действительная составляющая B | Тл |
| bimag | Мнимая составляющая B | Тл |
| logb | Логарифмический модуль B | Логарифмическая шкала |
| hmag | |H| | А/м |
| hreal | Действительная составляющая H | А/м |
| himag | Мнимая составляющая H | А/м |
| jmag | |J| | Нормировку сверить с легендой |
| jreal | Действительная составляющая J | Нормировку сверить с легендой |
| jimag | Мнимая составляющая J | Нормировку сверить с легендой |
- Имена — строки Python. При legend = −1 остальные параметры игнорируются и используются настройки по умолчанию.
Различайте количество физических величин и конкретный тип Python-контейнера. Документация часто пишет «один результат», не устанавливая скаляр или одноэлементный кортеж. Ранее выполненный нативный эталон курса подтвердил кортеж для eo_blockintegral(0) в своём режиме; это не проверка всех других кодов. Перед массовой выгрузкой исследуйте repr/type нужного ответа на малой модели.
Обе команды возвращают четыре величины в одинаковом порядке. Используйте глубину и масштаб единицы в метрах, чтобы связать координаты модели с физическими интегралами; частоту нельзя принимать за геометрическую глубину.
| Позиция | Величина | Значение / единица |
|---|---|---|
| 1 | Тип задачи | 0 — плоская; 1 — осесимметричная |
| 2 | Частота | Гц |
| 3 | Глубина плоской задачи | м |
| 4 | Масштаб единицы длины геометрии | м на одну единицу координат |
- Таблицы на обеих страницах совпадают по порядку четырёх результатов. Позиция 1 в Python имеет индекс 0. Для eo/ho возвращаются только три значения: тип, глубина в метрах, масштаб единицы в метрах (без частоты).
mo_lineintegral может возвращать среднее и полный интеграл, либо компоненты постоянной и удвоенной по частоте силы. Члены 2\omega имеют смысл при ненулевой частоте. Текст упоминает взаимодействие постоянного и малого переменного поля в режиме дифференциальной проницаемости, но таблица не задаёт дополнительные индексы 1\omega: не добавляйте их в распаковку по предположению.
Перед вызовом mo_lineintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Заново задайте контур и его направление: таблица связывает числовой type с физической величиной, а не с номером строки меню другого модуля.
| type | Операция | Результат 1 | Результат 2 | Результат 3 | Результат 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | Поток B\cdot n | Полный поток | Средняя нормальная B | — | — |
| 1 | Циркуляция H\cdot t | Полный интеграл | Средняя касательная H | — | — |
| 2 | Геометрия контура | Длина | Площадь поверхности | — | — |
| 3 | Сила тензора напряжений | F_x /r, постоянная | F_y /z, постоянная | F_x /r, 2\omega | F_y /z, 2\omega |
| 4 | Момент тензора напряжений | Постоянный момент | Момент 2\omega | — | — |
| 5 | Квадрат B\cdot n | Полный интеграл (B\cdot n)^{2} | Среднее (B\cdot n)^{2} | — | — |
- В исходной строке 2 колонки сдвинуты. Восстановлена пара «длина, площадь поверхности» по §2.3.10 и нативной проверке курса.
- Физические единицы: поток — Вб, B — Тл, циркуляция H — А, H — А/м, длина — м, площадь — м², сила — Н, момент — Н·м. Для интеграла квадрата используйте определение и фактическую нормировку операции; это не поток и не сила.
- В AC постоянная составляющая означает среднюю за период. Члены 2\omega относятся к ненулевой частоте. Текст PDF упоминает 1\omega-взаимодействие, но не добавляет в эту таблицу новые возвращаемые позиции.
Контурный bendcontour требует не менее двух точек, угла от -180^\circ до +180{}^\circ и положительного anglestep. При менее чем двух точках операция игнорируется. Ориентация n/t задаётся направлением обхода; при смене направления отдельно проверяются знаки потока, напряжения и температурной разности.
У mo_gapintegral коды 0/2/3/5 возвращают одну величину момента или энергии, а 1/4/6 — две компоненты силы F_x,F_y. mo_getgapharmonics без n сообщает максимальный доступный порядок; с n даёт шесть коэффициентов. Угол в API задаётся в градусах, тогда как math.cos/math.sin принимают радианы.
Восстановление одной гармоники в воздушном зазоре
Обозначения и единицы
- n — безразмерный порядок пространственной гармоники в mo_getgapharmonics(BdryName,n); \theta — угол реконструкции, рад. \theta_{\mathrm{deg}} — та же выбранная точка в градусах: такой угловой аргумент принимают mo_getgapa и mo_getgapb, но не mo_getgapharmonics.
- a_{cc},a_{cs} — коэффициенты потенциала, Вб/м; b_{rc},b_{rs},b_{tc},b_{ts} — коэффициенты индукции, Тл. Порядок этих шести коэффициентов совпадает с порядком возврата API.
Условия применения. Воздушный зазор рассматривается в плоской магнитной задаче. При использовании math.sin/\cos переводите градусы в радианы. Сумма по нескольким n нужна для полного поля, если присутствуют другие гармоники.
В PDF записаны три строки без номера, а ниже сказано «angle is specified in degrees». В курсе явно добавлен перевод градусов в радианы, чтобы не передавать градусы напрямую в math.sin/\cos.
Перед вызовом mo_gapintegral выберите нужный документ результата и найдите код именно этой команды. Интегрирование относится к именованному элементу воздушного зазора. Таблица также показывает, надо ожидать один физический результат или две компоненты силы.
| Код | Величина | Единица / смысл |
|---|---|---|
| 0 | Постоянный / средний момент | Н·м; один результат |
| 1 | Постоянная / средняя сила | Н; два результата F_x,F_y |
| 2 | Запасённая энергия | Дж; один результат |
| 3 | Момент 2\omega | Н·м; один результат |
| 4 | Сила 2\omega | Н; два результата F_x,F_y |
| 5 | Момент взаимодействия | Н·м; один результат |
| 6 | Сила взаимодействия | Н; два результата F_x,F_y |
- BdryName — имя элемента воздушного зазора. Коды 5/6 относятся к взаимодействию опорного и малого переменного решения; их не следует принимать за самостоятельный полный момент произвольного AC-режима.
Проверьте на своей модели
- Выберите один контур и проверьте смысл изменения знака при его обходе в другую сторону.
- Прочитайте фактический контейнер нужного integral перед распаковкой; сохраните версию FEMM.
- Восстановите B_r по коэффициентам одной гармоники и сравните с прямым getgapb в согласованных углах.
Изучить в занятии: 4.2 · Точки, контуры и выделенные области: знак и размерность интеграла; 15.1 · Графики и численные массивы встроенного Python: данные, сетка и ограничения пакетов; 14.1 · Встроенный Python для электростатики: ei/eo и матрица ёмкостей; 14.2 · Встроенный Python для теплопроводности: hi/ho и цепочка временных решений; 14.3 · Встроенный Python для токовой задачи: ci/co, комплексные выводы и потери
46 · Числовой график, карта поля и экспорт
makeplot строит зависимость выбранной величины вдоль текущего контура. NumPoints задаёт выборку графика, а не число конечных элементов. Если передать Filename, FEMM 5 записывает CSV с заголовком; старый четвёртый FileFormat принимается, но игнорируется. Изменение расширения имени файла не превращает CSV в изображение.
Встроенный plot принимает массив x и до семи массивов y с необязательными подписями и работает без внешнего CPython. Для сложного оформления, подграфиков, логарифмических осей, аннотаций и векторного файла можно подключить matplotlib. savebitmap сохраняет вид FEMM; savemetafile в Qt оставлен как совместимое имя и ничего не делает.
У showdensityplot порядок параметров различается: магнитная команда размещает type после верхней/нижней границ, а остальные модули — перед ними. У магнитной карты type строковый (bmag, breal, bimag, logb, hmag/hreal/himag, jmag/jreal/jimag), у других модулей он числовой. Вызов с −1 для настроек по умолчанию документирован у mo_showdensityplot; не переносите его на другие карты без проверки.
У всех showcontourplot число линий −1 означает использование настроек по умолчанию и позволяет сокращённый вызов с одним аргументом. Для обычного числа линий задавайте пределы. У mo/co дополнительный type выбирает real, imag или both; у стационарных eo/ho такого выбора нет. В тепловом описании lower_V/upper_V — сохранённые имена аргументов, но физическая величина изолиний — температура.
При сравнении режимов фиксируйте пределы карты, размер стрелок, состояние smoothing, положение контура и компоненту комплексной величины. Выбор реальной части зависит от фазы возбуждения, а модуль не сохраняет знак. Изображение и исходная числовая таблица должны сопровождать друг друга.
| Карта | Порядок аргументов |
|---|---|
| mo_showdensityplot | legend,gscale,upper_B,lower_B,type |
| eo_showdensityplot | legend,gscale,type,upper_D,lower_D |
| ho/co_showdensityplot | legend,gscale,type,upper,lower |
| mo_showcontourplot | numcontours,lower_A,upper_A,type |
| eo/ho_showcontourplot | numcontours,lower_V,upper_V |
| co_showcontourplot | numcontours,lower_V,upper_V,type; скобка исправлена по описанию PDF |
Проверьте на своей модели
- Экспортируйте makeplot в CSV и убедитесь, что количество строк соответствует выбранной выборке.
- Постройте два режима на одной шкале и отдельно подпишите выбранную комплексную компоненту.
- Не применяйте параметры магнитной карты к тепловой по памяти.
Изучить в занятии: 15.1 · Графики и численные массивы встроенного Python: данные, сетка и ограничения пакетов; 4.3 · Карты, векторы, профили и экспорт данных: количественное сравнение вариантов; 4.2 · Точки, контуры и выделенные области: знак и размерность интеграла
47 · Внешний CPython и граница передачи объектов
При импорте matplotlib, xlsxwriter, zipfile или pandas FEMM обращается к отдельному CPython-процессу на этой же машине. FEMM не устанавливает эти библиотеки автоматически. Для интерактивного графика руководство задаёт CPython не ниже 3.9, matplotlib и оконный backend; Tk достаточен, Qt через PyQt6/PySide6 необязателен. Без графического backend неграфические библиотеки моста могут работать.
Интерпретатор выбирается автоматически либо задаётся через Edit → Scripting Preferences и pybridge.set_interpreter; эта настройка сохраняется. FEMMQT_PYTHON задаёт выбор на один запуск. Ошибка BridgeError перечисляет проверенные интерпретаторы, поэтому устанавливать пакет нужно именно в выбранное окружение, а не в произвольный Python из PATH. pybridge.info позволяет включить версии и backend в описание условий построения рисунка.
Числа, строки, массивы и контейнеры этих значений могут передаваться по значению; сложные объекты остаются во внешнем процессе и доступны через proxy. put отправляет массив целиком, fetch возвращает значение в FEMM. DataFrame и его столбец могут оставаться удалёнными; для локального массива используется fetch(column.to_numpy()). Передача массива целиком обычно экономнее тысячи обращений к отдельным элементам.
Открытый файл принадлежит своему процессу: библиотеке внешнего CPython передайте путь либо файл, открытый через pybridge.open. Встроенную Python-функцию нельзя передать внешнему оптимизатору или обработчику графического события как callback. Определите функцию через pybridge.exec на внешней стороне либо оставьте управляющий цикл и вызовы FEMM во встроенном интерпретаторе.
Пространство eval/exec сохраняется между вызовами. restart/shutdown и отмена зависшего вызова клавишей Esc уничтожают внешний процесс и его рисунки; при следующем обращении он может стартовать заново, но прежние переменные и proxy нужно восстановить. Рисунки находятся в отдельных окнах и не встраиваются в окно FEMM. Одновременно допускается один вызов моста.
| Вход в pybridge | Назначение |
|---|---|
| import_module(name) | Получить удалённый модуль |
| eval(expr), exec(statements) | Вычислить выражение или исполнить код во внешнем пространстве |
| put(name,value), fetch(obj) | Передать по имени во внешний процесс / получить значение в FEMM |
| open(path,mode,...) | Открыть файл во внешнем процессе; newline="" показан для CSV |
| set_interpreter(path), info() | Выбрать CPython / прочитать сведения окружения |
| restart(), shutdown() | Сбросить или завершить вспомогательный процесс и его окна |
Проверьте на своей модели
- Сохраните pybridge.info перед экспортом рисунка.
- Передавайте данные таблицы через write_row/write_column или массив, а не вызовом на каждую ячейку.
- Объясните, почему путь файла пересылается, а локальный FileIO или функция FEMM — нет.
Изучить в занятии: 15.1 · Графики и численные массивы встроенного Python: данные, сетка и ограничения пакетов; 12.3 · Комплексные числа и численные вычисления во встроенном Python
48 · Какие NumPy и SciPy выполняют вычисления
import numpy и import scipy внутри FEMM выбирают локальную ulab-библиотеку. Это позволяет выполнять численную обработку без передачи каждого вектора между процессами. Руководство перечисляет комплексную линейную алгебру, FFT, полиномы, линейную интерполяцию, свёртку, trapz и ввод/вывод таблиц. Наличие отдельного имени в перечне не гарантирует весь набор аргументов соответствующего CPython API.
Более широкие методы вызываются явно через pybridge.import_module или exec. В пространстве pybridge.eval имя np означает уже внешний NumPy; одинаковая краткая переменная в двух пространствах не указывает на один объект. Сначала закончите локальный расчёт массива, затем передайте его для одной крупной внешней операции.
Когда один шаг оптимизации должен запустить FEMM, удобно оставить цикл во встроенном scipy.optimize.fmin/newton и вызывать решатель из локальной целевой функции. Внешний least_squares не сможет вызвать функцию, определённую внутри FEMM, через мост. Перенос функции во внешний процесс помогает лишь тогда, когда её вычисления могут происходить там без такого обратного вызова.
| Документировано локально | Для расширенного варианта нужен внешний CPython |
|---|---|
| linalg: solve,inv,det,eig,qr,svd,pinv,cond,rank,cholesky,norm; комплексные матрицы | Проверяйте совместимость сигнатур конкретного метода |
| polyfit/polyval; interp | curve_fit/least_squares и сплайны |
| fft, convolve; signal.sosfilt | Проектирование фильтров, welch, periodogram |
| integrate.quad; optimize.bisect/newton/fmin | odeint, solve_ivp и другие дополнительные алгоритмы |
| Массивы и доступные элементарные операции | scipy.stats |
Проверьте на своей модели
- Для выбранного алгоритма отметьте процесс исполнения и число передач массивов.
- Проверьте поддержку нужных аргументов локальной функции на малом массиве.
- Не передавайте встроенную целевую функцию как callback внешнему SciPy.
Изучить в занятии: 12.3 · Комплексные числа и численные вычисления во встроенном Python; 15.1 · Графики и численные массивы встроенного Python: данные, сетка и ограничения пакетов; 16.1 · Воспроизводимый запуск четырёх модулей: файлы, ошибки и библиотека проверок
49 · Mathematica: подключение и владение процессом
MathFEMM использует TCP, а не прежний MathLink. Пакет загружается Get["mathfemm.m"], после чего OpenFEMM[] подключается к порту 48015 и при необходимости запускает GUI. OpenFEMM[1] выбирает headless при новом запуске; OpenFEMM[bHide,port] позволяет задать оба параметра.
Если на порту уже есть FEMM, пакет подключается к нему и bHide не изменяет его видимость. Поэтому повторный запуск notebook после прерывания не обязательно создаёт новый процесс. Однако одновременно процесс обслуживает только одного подключённого клиента: второе подключение не становится очередью вычислений.
Обёртки используют синтаксис Mathematica: например, MIAddNode[x,y] и MIAddSegment[x_{1},y_{1},x_{2},y_{2}]. Ответ преобразуется в число, строку или список языка, а не остаётся необработанной TCP-строкой. Завершение CloseFEMM[] закрывает соединение; по общему контракту TCP отключение клиента завершает FEMM. Для оставления окна на осмотр держите соединение открытым.
Проверьте на своей модели
- До подключения выберите свободный порт и проверьте, к новому или существующему процессу подключается notebook.
- Не приписывайте bHide эффект при подключении к уже запущенному GUI.
- Сохраните результаты перед CloseFEMM; отрабатывайте этот дополнительный интерфейс отдельно от обязательного внутреннего Python.
Изучить в занятии: 16.1 · Воспроизводимый запуск четырёх модулей: файлы, ошибки и библиотека проверок
50 · TCP-протокол: строки ответа и жизненный цикл
GUI и headless предоставляют один и тот же интерфейс встроенного Python по TCP; порт по умолчанию 48015. Один процесс принимает одного клиента. Второй одновременно подключающийся клиент получает отказ. При разрыве соединения клиентом FEMM завершается, поэтому логика reconnect должна учитывать возможное отсутствие прежнего документа и процесса.
Один запрос состоит из одной строки Python, завершённой переводом строки; ответ также ровно одна строка с завершающим переводом. Пустая строка является корректным подтверждением инструкции без значения. Запрос следующей команды должен следовать после чтения полного ответа предыдущей: TCP сам по себе не сохраняет границы отдельных отправок.
Представление ответа специально предназначено для протокола: комплексное число имеет вид a+I*b, логические значения — true/false, строки передаются без кавычек, элементы кортежа разделяются табуляцией. Поэтому eval(raw_reply) как обычного Python не является корректным универсальным разбором. Лучше использовать готовую обёртку своего языка и её обработку типов и ошибок.
Ошибка начинается с error:. Обычный print и подробный traceback уходят в собственный вывод FEMM, а не в ответ сокета. Нельзя ожидать, что print(csv_row) вернёт CSV клиенту. Для программного результата запрашивайте выражение, сохраняйте файл или используйте специальный механизм обёртки; диагностический вывод процесса собирайте отдельно.
OctaveFEMM, MathFEMM, pyfemm и пакеты Julia, Scilab, Lua являются обёртками этого протокола. Старый ActiveX/COM не является архитектурой FEMM 5. Параллельная серия требует отдельных процессов и портов, а также отдельных файлов результатов, чтобы модель и соединение одного опыта не изменяли другой.
| Тип результата | Строка на уровне протокола |
|---|---|
| Выражение с действительным числом | Число в полной точности |
| Комплексное число | a+I*b |
| Кортеж | Элементы, разделённые TAB |
| Булев результат | true либо false |
| Строка | Без обрамляющих кавычек |
| Инструкция без значения | Пустая строка |
| Исключение | error: и текст сообщения; traceback отдельно |
Проверьте на своей модели
- Различите пустую успешную строку и error:; не считайте отсутствие чисел ошибкой инструкции.
- Проверьте разбор комплексного числа и табулированного кортежа через выбранную обёртку.
- Покажите, где сохраняется stderr/traceback и что происходит при отключении клиента.
Изучить в занятии: 16.1 · Воспроизводимый запуск четырёх модулей: файлы, ошибки и библиотека проверок
51 · Аргументы и формы ответа команд FEMM 5
Для каждого вызова сверяйте имя, порядок аргументов, числовые коды опций и форму ответа. Сначала выполните небольшой контрольный расчёт с известной величиной; затем используйте команду в серии.
Справочник содержит 556 нативных имён команд. Выбирайте команду по физическому модулю и стадии расчёта; для интегралов заранее задайте нужные области или ориентированный контур. Сопоставляйте размерность и форму ответа с выбранной операцией.
eo_blockintegral(0) возвращает одноэлементный кортеж; извлеките его компоненту перед скалярными вычислениями. Для тепловой задачи проверяйте знак G по профилю температуры и закону Фурье. У getall-вызовов проверяйте форму массивов и индексацию связности. Для работы с CSV и регулярными выражениями используйте csv и re.split. mo_lineintegral(2) возвращает длину контура и площадь соответствующей поверхности.
| Команда и страницы руководства | Правило применения |
|---|---|
| csv, re.split; стр.92–95 | Используйте csv для табличных данных и re.split для разделения строк по регулярному выражению. |
| getallelements, стр.114–115/128/142/157 | getallelements возвращает кортеж из четырёх массивов; связность использует индексы узлов, начинающиеся с 1. |
| mi_probdef, стр.99; moverotate | Передавайте аргументы внутри скобок; editaction задавайте отдельным аргументом. |
| mo_lineintegral(2), стр.107 | Результат содержит пару: длина контура и площадь соответствующей поверхности. |
| eo_blockintegral, стр.124 | Для силы используйте код 5; код 4 не является этой операцией. |
| ho_lineintegral, стр.137 | Для теплового потока используйте код 1; код 2 относится к геометрии контура. |
| ho_makeplot, стр.138 | Выбирайте тепловые величины T/F/G: температуру, поток и компоненты температурного градиента. |
| ho_selectconductor, стр.139 | Выбирается тепловой проводник; ho_blockintegral не вычисляет механическую силу. |
| ho_showcontourplot, стр.141 | Изолинии относятся к температуре T; имена аргументов границ диапазона — lower_V и upper_V. |
| co_getpointvalues, стр.152 | Смысл и единицы ox/oy сверяйте с материальными параметрами и контрольной токовой задачей; не подставляйте их как магнитную проницаемость. |
| co_showcontourplot, стр.155 | Передавайте type внутри списка аргументов co_showcontourplot. |
Проверьте на своей модели
- Укажите команду, её аргументы, ожидаемую форму результата и единицы.
- Проверьте каждый используемый код интеграла на подходящем контрольном примере.
- Сопоставьте численный результат с физическим эталоном, а не только с отсутствием ошибки выполнения.
Изучить в занятии: 16.1 · Воспроизводимый запуск четырёх модулей: файлы, ошибки и библиотека проверок; 14.1 · Встроенный Python для электростатики: ei/eo и матрица ёмкостей; 14.2 · Встроенный Python для теплопроводности: hi/ho и цепочка временных решений; 14.3 · Встроенный Python для токовой задачи: ci/co, комплексные выводы и потери