FEMM 5

Плунжер: потокосцепление, тяговая характеристика и работа силы

Связать \Psi (x), L(x) и F(x) с работой на заданном ходе и проверить её по разности коэнергий.

Плунжер: потокосцепление, тяговая характеристика и работа силы. Сохранённое решение FEMM 5. Потоковая функция ψ = 2πrAφ; интерполяция FEMM 5. Показаны потенциал и его уровни, а не модуль B. b и h — размеры выделенной геометрии между крайними поверхностями по координатам; пропорции сечения сохранены.
1. Плунжер: потокосцепление, тяговая характеристика и работа силы1 — Обмотка без потерь · 2 — Сталь линейная учебнаяСохранённое решение FEMM 5. Потоковая функция ψ = 2πrAφ; интерполяция FEMM 5. 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 модель
Плунжер: потокосцепление, тяговая характеристика и работа силы. Сохранённое решение FEMM 5. Потоковая функция ψ = 2πrAφ; интерполяция FEMM 5. Показаны потенциал и его уровни, а не модуль B. b и h — размеры выделенной геометрии между крайними поверхностями по координатам; пропорции сечения сохранены.
2. Плунжер: потокосцепление, тяговая характеристика и работа силы1 — Обмотка без потерь · 2 — Сталь линейная учебнаяСохранённое решение FEMM 5. Потоковая функция ψ = 2πrAφ; интерполяция FEMM 5. 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 модель

Физическая постановка и метод

Работа силы и условие постоянства тока

Координата x — положение центра плунжера по оси z. Положительная сила увеличивает x. На выбранном ходе плунжер удаляется от центра катушки, поэтому электромагнитная сила и её работа отрицательны.

Интеграл силы сравнивается с разностью коэнергий при одном и том же токе 2 А. При питании напряжением ток мог бы изменяться, и это сравнение потребовало бы иной траектории состояния.

A_{1\to2}=\int_{x_1}^{x_2}F_x\,\mathrm dx=W^{\prime}(I,x_2)-W^{\prime}(I,x_1),\qquad F_x=\left.\frac{\partial W^{\prime}}{\partial x}\right|_I
(МП-plunger-work.1)
Координату перед интегрированием и дифференцированием переводят из мм в м; работа получается в Дж.

Исходные данные и последовательность расчёта

Исходные данные
ВеличинаЗначениеЕдиница
Катушка: радиусы / длина10–16 / 20мм
Обмотка200 витков; 2 А
Плунжер: радиус / длина8 / 16мм
Координата центра плунжера4…20 с шагом 1мм
Проницаемость учебной стали10001
  1. Используйте отдельную учебную копию существующего плунжерного электромагнита. Тело нигде не касается обмотки.
  2. Выполните ряд положений 4…20 мм с шагом 1 мм. Из \Psi /I получите L(x), а из интеграла взвешенного тензора — F(x).
  3. Интегрируйте силу методом трапеций сначала с шагом 2 мм, затем 1 мм. Сравните обе работы и разность коэнергий в концах хода.
  4. При x=12 мм определите производную коэнергии по отдельным расчётам с шагами 0,5 и 0,25 мм на уточнённой сетке.
  5. Сравните производную с силой по полю. Проверьте сетку и внешнюю область; меньший шаг перемещения сам по себе не устраняет сеточный шум.
  6. Объясните знак работы и укажите, куда направлена внешняя сила при медленном удерживаемом перемещении в этом линейном опыте.

Характеристики и обработка результатов

Плунжер: потокосцепление, тяговая характеристика и работа силы: рассчитанные характеристики
Характеристики по сохранённым решениям FEMM 5. Все точки взяты из численной серии; линии соединяют рассчитанные состояния. Открыть в полном размере
Характеристики плунжера при 2 А
x, ммΨ, ВбL, мГнFz, НW′, Дж
40,0024181,209-0,061180,002417
50,0023511,176-0,071960,002351
60,0022761,138-0,079060,002276
70,0021951,097-0,083620,002195
80,002111,055-0,085780,00211
90,0020241,012-0,085670,002024
100,001940,9701-0,083580,00194
110,0018580,9292-0,079550,001858
120,0017820,8908-0,074050,001782
130,0017110,8554-0,067530,001711
140,0016470,8236-0,060150,001647
150,0015910,7955-0,0520,001591
160,0015430,7714-0,044140,001543
170,0015030,7514-0,036360,001503
180,001470,735-0,029310,00147
190,0014440,7219-0,023390,001444
200,0014230,7115-0,018360,001423
Работа на ходе 4→20 мм
СпособРабота, мДж
Интеграл силы, шаг 1 мм-0,9959
Интеграл силы, шаг 2 мм-0,9916
Разность коэнергий-0,9945

Работа поля на ходе 4→20 мм равна -0,995907 мДж. Отрицательный знак означает перемещение против электромагнитной силы при постоянном токе, а не отрицательные потери.

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.

Самостоятельная работа

Повторите ход при токе 1 А. Проверьте изменение силы и работы в четыре раза; объясните, почему это масштабирование требует линейной стали.

Критерий выполнения. Изменение работы при уменьшении шага — до 1%; работа и разность коэнергий — до 3%; два метода силы — до 5%. На каждом графике указать направление координаты.

Область применимости

Последовательность независимых магнитостатических положений. Скорость, масса, трение, вихретоковая память и переходный ток не вычисляются.

Вопросы для самопроверки

Почему работа электромагнитной силы здесь отрицательна?

Плунжер движется в сторону увеличения z, тогда как поле тянет его к центру катушки. Знак определяется произведением силы на перемещение, а не знаком её модуля.

Доказывает ли таблица F(x), что плунжер пройдёт этот ход за заданное время?

Нет. Для времени нужны уравнение движения, масса, нагрузка и согласованная электрическая цепь. Статическая карта является только частью такой модели.

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.

Все программы, расчётные таблицы и графики этого исследования подготовлены для данного курса.