Основы моделирования электрических машин в FEMM 5НИУ «МЭИ» · Кафедра ЭМЭЭА

Численная проверка · 15 октября 2026 года

Сеточная сходимость момента восьми роторов

Каждый уровень сетки и каждое угловое положение заново рассчитаны установленным FEMM 5.0, сборка 06Oct2026. Сравниваются взвешенный интеграл напряжений Максвелла, три круговых контура в воздухе и производная коэнергии при фиксированных токах.

Как читать результаты

До серии заданы учебные критерии: две последовательные перемены ненулевого момента не более 1%, согласие методов с ориентиром 2%; для почти нулевых моментов — абсолютный допуск 0,0001 Н·м. Проверяются несколько угловых шагов. Эти критерии относятся к наблюдаемой численной согласованности одной рабочей точки и не являются строгой оценкой погрешности реальной машины.

Контурные методы используют то же конечно-элементное поле, что и взвешенный интеграл. Для несглаженного поля отдельно устранена ошибка квадратуры: каждое пересечение окружности с ребром треугольника учтено, вклад постоянного поля элемента интегрирован аналитически. Суммарное угловое покрытие равно 2π. Неудачные сетки и угловые шаги сохранены в численных данных.

Для почти нулевых моментов отдельные контуры остаются чувствительными к локальным ошибкам поля. В таких случаях выбор сетки опирается на согласие двух объёмных методов — WST и радиального усреднения по кольцу (Арккио) — с производной коэнергии. Непрохождение отдельными контурами исходного допуска указано явно; допуск для принятия объёмных методов не ослаблялся.

Номинальная геометрия материалов, свойства, токи, граничные условия и длина 80 мм сохранены. Сгущались блоки, сегменты и дуги; при добавлении концентрических линий в воздухе это явно указано. Исходные 11 этапов и их снимки остаются базовым учебным примером. Рекомендуемые уточнённые модели и решения вынесены в собственный раздел каждого примера.

Вывод формул и правила выбора сетки · Предшествующий пересчёт всех 41 примера

Машина с поверхностными постоянными магнитами

Момент на выбранной сетке: −1,152 Н·м. Число элементов: 2 810 173.

Размеры всех блоков уменьшены в 8 раз. В зазоре задано 0,04375 мм; дуги ограничены по соответствующей длине хорды, прямые сегменты также сгущены. Первая строка серии уже содержит более подробное разбиение дуг, чем исходные 11 этапов.

Критерии: две последние перемены взвешенного интеграла не более 1%; расхождения контурных оценок и производной коэнергии с ним не более 2%. Дополнительно проверяется устойчивость производной на соседних угловых шагах. Нижний абсолютный допуск — 0,00001 Н·м.

Сеточная серия
СеткаРазмер блока в зазоре, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WST
Сетка 10,3596 651-1,149043—
Сетка 20,175261 086-1,1531020,352%
Сетка 30,0875816 231-1,1515070,139%
Сетка 4 · выбрана0,043752 810 173-1,1515580,00442%
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)-1,152Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Контуры без сглаживания-1,147 … -1,14Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием-1,156 … -1,148Три радиуса; 46080 точек на каждой окружности
Производная коэнергии-1,153 … -1,145Шаги: 1, 2°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
1-1,1530,101%Принят
2-1,1450,527%Принят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Машина со встроенными постоянными магнитами

Момент на выбранной сетке: −0,005569 Н·м. Число элементов: 2 334 964.

Размеры всех блоков уменьшены в 8 раз. В зазоре задано 0,04375 мм; дуги ограничены по соответствующей длине хорды, прямые сегменты также сгущены. Первая строка серии уже содержит более подробное разбиение дуг, чем исходные 11 этапов.

Критерии: две последние перемены взвешенного интеграла не более 1%; расхождения контурных оценок и производной коэнергии с ним не более 2%. Дополнительно проверяется устойчивость производной на соседних угловых шагах. Нижний абсолютный допуск — 0,00001 Н·м.

Сеточная серия
СеткаРазмер блока в зазоре, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WST
Сетка 10,3589 636-0,005630365—
Сетка 20,175232 314-0,0055999970,542%
Сетка 30,0875698 576-0,0055776970,4%
Сетка 4 · выбрана0,043752 334 964-0,005568830,159%
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)-0,005569Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Контуры без сглаживания-0,005584 … -0,005533Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием-0,005574 … -0,005571Три радиуса; 46080 точек на каждой окружности
Производная коэнергии-0,005632 … -0,005586Шаги: 1, 2°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
1-0,0055860,308%Принят
2-0,0056321,13%Принят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Синхронная машина с неявнополюсным ротором

Момент на выбранной сетке: −0,04951 Н·м. Число элементов: 2 054 171.

Линейные размеры блоков уменьшены в 8 раз: в зазоре 0,04375 мм. Разбиение прямых сегментов уточнено; дуги в области зазора дополнительно ограничены по длине хорды, в остальных областях — по угловому шагу 0,5°.

Критерии: две последние перемены взвешенного интеграла не более 1%; расхождения контурных оценок и производной коэнергии с ним не более 2%. Дополнительно проверяется устойчивость производной на соседних угловых шагах. Нижний абсолютный допуск — 0,00001 Н·м.

Сеточная серия
СеткаРазмер блока в зазоре, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WST
Сетка 10,175147 652-0,04944059—
Сетка 20,0875539 437-0,049479370,0784%
Сетка 3 · выбрана0,043752 054 171-0,049510420,0627%
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)-0,04951Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Контуры без сглаживания-0,04984 … -0,04932Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием-0,04948 … -0,04944Три радиуса; 11520 точек на каждой окружности
Производная коэнергии-0,04954 … -0,0494Шаги: 1, 2°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
0,25-0,052135,29%Не принят
0,5-0,048192,66%Не принят
1-0,049540,0675%Принят
2-0,04940,217%Принят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Синхронная машина с явнополюсным ротором

Момент на выбранной сетке: −0,04962 Н·м. Число элементов: 4 714 854.

Линейные размеры блоков уменьшены в 8 раз: в зазоре 0,04375 мм. Разбиение прямых сегментов уточнено; дуги в области зазора дополнительно ограничены по длине хорды, в остальных областях — по угловому шагу 0,5°.

Критерии: две последние перемены взвешенного интеграла не более 1%; расхождения контурных оценок и производной коэнергии с ним не более 2%. Дополнительно проверяется устойчивость производной на соседних угловых шагах. Нижний абсолютный допуск — 0,00001 Н·м.

Сеточная серия
СеткаРазмер блока в зазоре, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WST
Сетка 10,175317 142-0,04945637—
Сетка 20,08751 208 578-0,049556680,202%
Сетка 3 · выбрана0,043754 714 854-0,049620290,128%
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)-0,04962Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Контуры без сглаживания-0,04973 … −0,0493007Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием−0,0497177 … -0,04954Три радиуса; 11520 точек на каждой окружности
Производная коэнергии-0,05021 … -0,04981Шаги: 0,25, 0,5, 1°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
0,25-0,049820,403%Принят
0,5-0,049810,379%Принят
1-0,050211,18%Принят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Синхронная реактивная машина

Малый ненулевой момент SynRM составляет около −0,00020 Н·м. Выбрано 1 092 896 элементов; контрольная сетка содержит 2 995 028 элементов. Две последние перемены WST меньше 0,00001 Н·м, то есть около 5% этого малого момента. Это наблюдаемая устойчивость, а не подтверждение точности 1%.

Зазор разделён на 32 концентрические воздушные полосы с радиальным шагом 0,0625 мм. Дополнительные линии имеют одинаковый воздух с обеих сторон, группу 0 и не задают граничных условий. Максимальный угловой шаг дуг — 0,05968°. Размер блока во внутренних полосах равен их ширине, в двух крайних — 0,5 мм; дуги ограничивают их разбиение по окружности. Контрольная сетка использует 64 полосы с шагом 0,03125 мм.

Критерий: абсолютная перемена момента и расхождения методов не более 10^{-4}\,\text{Н}\cdot\text{м}. Для такого малого момента этот допуск не следует переводить в обещание относительной точности 1%. Единичные контуры исходный допуск не прошли. Выбор сетки подтверждают стабилизация WST, объёмное усреднение по кольцу и производная коэнергии; значения контуров показаны для сравнения. При усреднении Арккио исключается по одной крайней воздушной полосе: с уменьшением их ширины кольцо расширяется к поверхностям ротора и статора. Поэтому его серия одновременно уточняет сетку и область усреднения; границы каждого кольца приведены в JSON.

Сеточная серия
СеткаРадиальный шаг полос, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WSTАрккио, Н·м
Сетка 10,582 16935,20231 × 10⁻⁶—65,40356 × 10⁻⁶
Сетка 20,25188 366-286,2035 × 10⁻⁶321,4058 × 10⁻⁶ Н·м-216,0698 × 10⁻⁶
Сетка 30,125440 836-192,7563 × 10⁻⁶93,44721 × 10⁻⁶ Н·м-222,5531 × 10⁻⁶
Сетка 4 · выбрана0,06251 092 896-202,681 × 10⁻⁶9,924691 × 10⁻⁶ Н·м-205,8732 × 10⁻⁶
Сетка 5 · контроль0,031252 995 028-193,8658 × 10⁻⁶8,815152 × 10⁻⁶ Н·м-193,3583 × 10⁻⁶
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)-202,7 × 10⁻⁶Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Объёмное усреднение по кольцу (Арккио)-205,9 × 10⁻⁶Кольцо 58,062–59,938 мм; воздух; проверены 3- и 7-точечные квадратуры
Контуры без сглаживания-391,7 × 10⁻⁶ … −0,000308115Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием-228,4 × 10⁻⁶ … −0,00012231Три радиуса; 11520 точек на каждой окружности
Производная коэнергии−0,000206809 … -194,1 × 10⁻⁶Шаги: 0,25, 0,5°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
0,25-206,8 × 10⁻⁶4,128 × 10⁻⁶ Н·мПринят
0,5-194,1 × 10⁻⁶8,597 × 10⁻⁶ Н·мПринят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Вентильно-индукторная машина: исходное положение

В этом согласованном положении SRM точный момент равен нулю по симметрии геометрии и возбуждения. На выбранной сетке из 1 993 660 элементов WST оставляет численный остаток −0,0000201 Н·м. Контрольная сетка из 5 522 025 элементов даёт +0,00000463 Н·м. Объёмные методы и производная коэнергии согласуются с нулём в исходном абсолютном допуске 0,0001 Н·м; усиленный критерий перемены 0,00001 Н·м на последнем сгущении не пройден.

Зазор разделён на 32 концентрические воздушные полосы с радиальным шагом 0,03125 мм. Дополнительные линии имеют одинаковый воздух с обеих сторон, группу 0 и не задают граничных условий. Максимальный угловой шаг дуг — 0,02984°. Размер блока во внутренних полосах равен их ширине, в двух крайних — 0,5 мм; дуги ограничивают их разбиение по окружности. Контрольная сетка использует 64 полосы с шагом 0,015625 мм.

Критерий: абсолютная перемена момента и расхождения методов не более 10^{-4}\,\text{Н}\cdot\text{м}. Для такого малого момента этот допуск не следует переводить в обещание относительной точности 1%. Единичные контуры исходный допуск не прошли. Выбор сетки подтверждают стабилизация WST, объёмное усреднение по кольцу и производная коэнергии; значения контуров показаны для сравнения. У метода Арккио переход с третьей на четвёртую сетку ещё немного превышает допуск; только последний переход укладывается в него. На трёх последних сетках сами оценки Арккио меньше допуска по модулю и согласуются с физическим нулём. Две последовательные стабилизации Арккио здесь не заявлены. При усреднении Арккио исключается по одной крайней воздушной полосе: с уменьшением их ширины кольцо расширяется к поверхностям ротора и статора. Поэтому его серия одновременно уточняет сетку и область усреднения; границы каждого кольца приведены в JSON.

Сеточная серия
СеткаРадиальный шаг полос, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WSTАрккио, Н·м
Сетка 10,25205 129-0,003016019—-0,001566833
Сетка 20,125384 358-329,9794 × 10⁻⁶0,00268604 Н·м-167,8546 × 10⁻⁶
Сетка 30,0625824 501-28,3163 × 10⁻⁶301,6631 × 10⁻⁶ Н·м-60,5563 × 10⁻⁶
Сетка 4 · выбрана0,031251 993 660-20,1113 × 10⁻⁶8,205004 × 10⁻⁶ Н·м46,94681 × 10⁻⁶
Сетка 5 · контроль0,0156255 522 0254,626873 × 10⁻⁶24,73817 × 10⁻⁶ Н·м-20,22037 × 10⁻⁶
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)-20,11 × 10⁻⁶Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Объёмное усреднение по кольцу (Арккио)46,95 × 10⁻⁶Кольцо 59,031–59,969 мм; воздух; проверены 3- и 7-точечные квадратуры
Контуры без сглаживания-0,002437 … 135,5 × 10⁻⁶Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием-425,3 × 10⁻⁶ … 805,5 × 10⁻⁶Три радиуса; 11520 точек на каждой окружности
Производная коэнергии-16,91 × 10⁻⁶ … 10,75 × 10⁻⁶Шаги: 0,25, 0,5°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
0,25-16,91 × 10⁻⁶3,202 × 10⁻⁶ Н·мПринят
0,510,75 × 10⁻⁶30,86 × 10⁻⁶ Н·мПринят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Вентильно-индукторная машина: смещённый ротор

Момент на выбранной сетке: 0,439 Н·м. Число элементов: 3 260 726.

Размеры блоков составляют 35% исходных; в зазоре задано 0,0875 мм. Максимальная длина разбиения прямых сегментов — 0,125 мм, угловой шаг дуг — 0,125°. Точность решателя — 10⁻¹⁰. Положение ротора 15° и исходные токи сохранены.

Критерии: две последние перемены взвешенного интеграла не более 1%; расхождения контурных оценок и производной коэнергии с ним не более 2%. Дополнительно проверяется устойчивость производной на соседних угловых шагах. Нижний абсолютный допуск — 0,00001 Н·м.

Сеточная серия
СеткаРазмер блока в зазоре, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WST
Сетка 10,1875722 6230,4397108—
Сетка 20,1251 602 4880,43949130,0499%
Сетка 3 · выбрана0,08753 260 7260,43902170,107%
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)0,439Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Контуры без сглаживания0,437148 … 0,4396Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием0,4383 … 0,4391Три радиуса; 5760 точек на каждой окружности
Производная коэнергии0,4382 … 0,4399Шаги: 0,1, 0,25, 0,5°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
0,10,43930,0595%Принят
0,250,43990,2%Принят
0,50,43820,182%Принят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Машина постоянного тока

Момент на выбранной сетке: −0,07309 Н·м. Число элементов: 1 538 638.

Размеры блоков составляют 35% исходных; в зазоре задано 0,105 мм. Максимальная длина разбиения прямых сегментов — 0,125 мм, угловой шаг дуг — 0,125°. Точность решателя — 10⁻¹⁰. Исходные размеры, токи якоря и возбуждения сохранены.

Критерии: две последние перемены взвешенного интеграла не более 1%; расхождения контурных оценок и производной коэнергии с ним не более 2%. Дополнительно проверяется устойчивость производной на соседних угловых шагах. Нижний абсолютный допуск — 0,00001 Н·м.

Сеточная серия
СеткаРазмер блока в зазоре, ммЭлементовWST, Н·мПеремена WST
Сетка 10,225342 810-0,07289547—
Сетка 20,15755 124-0,073026540,179%
Сетка 3 · выбрана0,1051 538 638-0,073088850,0853%
Сравнение методов
МетодМомент, Н·мУсловия
Взвешенный интеграл Максвелла (WST)-0,07309Интеграл 22; все области ротора, группа 2
Контуры без сглаживания-0,07312 … -0,07294Точное интегрирование кусочно-постоянного поля на трёх окружностях
Контуры со сглаживанием-0,07312 … -0,07306Три радиуса; 5760 точек на каждой окружности
Производная коэнергии-0,07321 … -0,07317Шаги: 0,1, 0,25, 0,5°
Все угловые шаги выбранной сетки
Шаг, град.Производная, Н·мРасхождениеПроверка
0,1-0,073210,165%Принят
0,25-0,073170,108%Принят
0,5-0,073180,119%Принят

Для каждого положительного и отрицательного угла выполнен отдельный полевой расчёт при неизменных токах. В знаменателе центральной разности использован механический угол в радианах. В таблице сохранены все проверенные шаги на выбранной сетке; слишком малый шаг может усиливать ошибку разности коэнергий.

Проверено указанное положение ротора и заданные токи. Согласие методов относится к этой двумерной линейной модели; оно не оценивает влияние насыщения, концевых эффектов и отклонений реальной машины. Выведенные дополнительные цифры нужны для повторения расчёта.

Модель, решение, программа и график сходимости →

Первоисточники метода

Правила выбора контуров и сгущения зазора: FEMM FAQ, пункты о силе и моменте. Устройство взвешенного интеграла: Weighted Stress Tensor. Числа этой страницы получены собственным пересчётом приложенных моделей.