Массивный AC-электромагнит: частота, воздушный зазор, потери и средняя сила
Получить комплексное потокосцепление, вносимое сопротивление, эквивалентную индуктивность и среднюю тягу при вихревых токах непосредственно в стали.
1. Массивный AC-электромагнит: частота, воздушный зазор, потери и средняя сила1 — Массивная проводящая сталь · 2 — Обмотка без потерьСохранённое решение FEMM 5. Потоковая функция ψ = 2πrAφ; интерполяция FEMM 5. Действительная компонента фазора при фазе 0. Показаны потенциал и его уровни, а не модуль B. b и h — размеры выделенной геометрии между крайними поверхностями по координатам; пропорции сечения сохранены.Открыть SVG целикомРезультат отдельноИсходная учебная модель2. Массивный AC-электромагнит: частота, воздушный зазор, потери и средняя сила1 — Массивная проводящая сталь · 2 — Обмотка без потерьСохранённое решение FEMM 5. Потоковая функция ψ = 2πrAφ; интерполяция FEMM 5. Действительная компонента фазора при фазе 0. Показаны потенциал и его уровни, а не модуль B. b и h — размеры выделенной геометрии между крайними поверхностями по координатам; пропорции сечения сохранены.Открыть SVG целикомРезультат отдельноИсходная учебная модельДругие модели этой постановки · всего 33. Массивный AC-электромагнит: частота, воздушный зазор, потери и средняя сила1 — Массивная проводящая сталь · 2 — Обмотка без потерьСохранённое решение FEMM 5. Потоковая функция ψ = 2πrAφ; интерполяция FEMM 5. Действительная компонента фазора при фазе 0. Показаны потенциал и его уровни, а не модуль B. b и h — размеры выделенной геометрии между крайними поверхностями по координатам; пропорции сечения сохранены.Открыть SVG целикомРезультат отдельноИсходная учебная модельТеорияРасчётРезультатыУчебные файлыСамостоятельная работа
Плотность 2 А/мм² усреднена по окну 10×25 мм² и принята амплитудной. Поэтому NI =500 А и I=500/140 А. Проводимость назначена стальному корпусу и якорю; отдельного замкнутого кольца в этой модели нет.
Обмотка в поле идеализирована без потерь. Её сопротивление меди прибавляют отдельно по длине среднего витка, числу витков и заполнению окна 0,5. Поэтому действительная часть полевого импеданса соответствует вносимым вихревым потерям в стали.
Шапка обозначает комплексную амплитуду. Rполное=Rмеди+Rвнес. Встроенный интеграл джоулевых потерь уже усреднён за период.
Поверхностный эффект и средняя сила
С ростом частоты поле вытесняется из проводящей стали. Даже при постоянной \mu _{r} отношение \Psi /I становится комплексным и зависит от частоты; его нельзя заменить DC-индуктивностью.
Сила в таблице — средняя осевая сила на неподвижном якоре. При нулевой проводимости и одинаковой численной амплитуде тока её значение должно составить половину DC-силы; этот опыт проверяет нормировку независимо от вихревых потерь.
Скин-глубину не смешивают с механическим зазором. Сила притяжения направлена в сторону уменьшения z.
Исходные данные и последовательность расчёта
Исходные данные
Величина
Значение
Единица
Броневой аппарат
радиус 30; высота чашки 40; толщина дна 8; якорь 8
мм
Стержень / наружная стенка
радиус 8 / r=22…30
мм
Окно обмотки
r=10…20; z=10…35
мм
Обмотка
N=140; Jокна=2 А/мм²; Iамп=3,57143 А
Сталь
μr=100; σ=1 МСм/м
Частоты
10; 50; 200; 500; 1000
Гц
Оба торцевых зазора
2; 6; 10
мм
Зафиксируйте осесимметричную геометрию и два зазора между торцами чашки z=40 мм и нижней поверхностью якоря z=40+\delta.
Рассчитайте ток из плотности и площади окна. Примите ток амплитудой и заранее запишите коэффициент 1/2 в средней мощности.
Выполните полную сетку 5 частот × 3 зазора. Для каждой точки сохраните комплексные U и \Psi, потери и среднюю силу.
Вычислите Rвнес, Lэкв и полное сопротивление с отдельно рассчитанной медью. Сопоставьте мощность цепи с интегралом потерь в стали.
Проверьте сетку и внешнюю область в режиме 1000 Гц, \delta =2 мм; сетка стали должна разрешать минимальную скин-глубину. При 200 Гц постройте зависимость от зазора.
Выполните контроли \sigma =0, AC/DC и удвоения тока. Сформулируйте вывод о частотном ослаблении тяги при заданном амплитудном токе.
Характеристики и обработка результатов
Характеристики по сохранённым решениям FEMM 5. Все точки взяты из численной серии; линии соединяют рассчитанные состояния. Открыть в полном размере
Частотные и тяговые характеристики
δ, мм
f, Гц
Re Ψ, Вб
Im Ψ, Вб
Rвнес, Ом
Lэкв, мГн
Pст, Вт
Fср,z, Н
2
10
0,01294
-363 × 10⁻⁶
0,006386
3,622
0,04073
-1,837
2
50
0,01248
-0,001666
0,1465
3,495
0,9344
-1,737
2
200
0,00975
-0,003326
1,17
2,73
7,463
-1,146
2
500
0,007446
-0,003302
2,905
2,085
18,53
-0,6907
2
1000
0,005901
-0,003029
5,328
1,652
33,98
-0,4368
6
10
0,009726
-198,3 × 10⁻⁶
0,00349
2,723
0,02226
-0,2694
6
50
0,009504
-925,7 × 10⁻⁶
0,08143
2,661
0,5193
-0,2592
6
200
0,008015
-0,002064
0,7261
2,244
4,631
-0,1919
6
500
0,006529
-0,002277
2,003
1,828
12,78
-0,1302
6
1000
0,005407
-0,002261
3,978
1,514
25,37
-0,09046
10
10
0,009045
-169,5 × 10⁻⁶
0,002982
2,533
0,01902
-0,08686
10
50
0,008861
-794,1 × 10⁻⁶
0,06985
2,481
0,4455
-0,0838
10
200
0,007593
-0,001814
0,6383
2,126
4,071
-0,06312
10
500
0,006278
-0,002053
1,806
1,758
11,52
-0,04385
10
1000
0,005257
-0,002077
3,654
1,472
23,31
-0,03113
При 200 Гц и зазорах по 6 мм получены Rвнес=0,726098 Ом, Lэкв=2,24418 мГн, потери стали 4,6308 Вт и средняя сила -0,191852 Н. Сопротивление меди 0,254794 Ом добавляется отдельно.
Проверены сохранение и повторное открытие расчётных копий с русскими свойствами, сетка, границы области, а также указанные в методике независимые контроли. Критерии относятся к приведённым параметрам; при изменении модели проверки выполняют заново.
Воспроизведение во встроенном Python FEMM 5
Сохраните программу в отдельной папке и выполните её. Она построит полную серию в новом каталоге calculated-NN. Опорные модель и решение ниже показывают один режим; остальные состояния создаются программой. Значения полного JSON сохранены без округления.
Для \delta =6 мм сравните питание заданным током и линейный пересчёт к одинаковому напряжению 10 В амплитуды: I=U/|Rмеди+Zполя|. Используйте квадратичное масштабирование силы и потерь; назовите условие постоянной \mu.
Критерий выполнения. Баланс мощности и контроль AC/DC — до 1%; уточнение L — до 1%, силы и потерь — до 3%. Представить комплексные значения с указанной амплитудной нормировкой.
Область применимости
Линейная сталь без гистерезиса, неподвижный якорь, одна гармоника. Медь учитывается сосредоточенным DC-сопротивлением без вытеснения. Пульсации 2f, переходные процессы и движение не восстанавливаются.
Вопросы для самопроверки
Почему рост частоты меняет L при постоянной \mu _{r}?
Вихревые токи меняют пространственное распределение комплексного поля и потокосцепление. Постоянство локальной проницаемости не обеспечивает постоянства индуктивности всей системы.
Нужно ли ещё раз делить встроенные джоулевы потери на два?
Нет. FEMM возвращает их среднее значение. Множитель 1/2 нужен при самостоятельном вычислении мощности из комплексных амплитуд U и I.
Источники и происхождение методики
Методика опытов адаптирована по переданным материалам курса «Расчёт электромагнитных полей». Лекции с указанным авторством: Е. П. Курбатова; «Электромагнитный подвес. Расчёт сил энергетическим методом» — П. А. Курбатов. Геометрии, программы и графики данного дополнения выполнены для FEMM 5 на основе учебного комплекта нашего курса. Оригиналы сохраняются в авторской библиотеке.