Пример 2. Расчёт активного сопротивления катушки

Пусть дана катушка без сердечника из Примера 1. Необходимо посчитать её активное сопротивление.
Определить активное сопротивление можно через электрические (омические) потери.


Теория

Активное сопротивление любого проводника определяется:
где ρ = 1,7∙10-8 Ом∙м – удельная проводимость материала (в данном случае - меди), l – длина проводника, м, S – площадь поперечного сечения проводника, м2.

Определим длину проводника. Для этого рассчитаем длину витка и умножим её на число витков. При этом длина витка будет равна длине окружности:
Определим площадь поперечного сечения проводника. В реальности проводник имеет круглое сечение, Maxwell же рассчитывает потери для всей области занятой катушкой, т.е. предполагается, что проводники полностью заполняют область. В случае, если необходим точный расчёт для катушек, намотанных проводом круглого сечения, каждый проводник катушки должен быть прорисован отдельным объектом.
Исходя из вышесказанного, будем условно считать, что катушка намотана проводником прямоугольного сечения. В этом случае площадь поперечного сечения проводника будет определяться:
Определим сопротивление обмотки:

Модель

Построим геометрию модели из Примера 1 в 3D. Для этого нажимаем ПКМ на проекте модели 2D примера 1 и выбираем Create 3D Design. После чего модель будет автоматически преобразована в 3D.

1. Создадим сечение для задания возбуждения катушки.

Для этого выделим объект катушки и применим к нему операцию "сечение" (меню Modeler > Surface > Section, выбираем плоскость сечения YZ). Получим объект, состоящий из двух сечений. Для задания возбуждения необходимо одно сечение, поэтому разделим получившийся объект (меню Modeler > Boolean > Separate Bodyes). Второе сечение не нужно, и его можно удалить.
Последнему сечению назначим величину тока, равную 10 ампер-виткам (ПКМ по сечению > Assign Excitation > Current > Value), тип обмотки – распределённая (Stranded).

2. Задание граничных условий.

В 3D постановке задачи в Maxwell по умолчанию действует условие обнуления поля на границах модели. В отличии от 2D постановки задачи открытых границ (условие Balloon) в 3D нет. Поэтому расчётную область иногда приходится увеличивать до тех пор, пока результат расчёта модели не перестанет ощутимо изменяться.
Создадим область для расчёта: Create Region (Создание региона), в открывшемся окне выберем Pad Individual Direction и по каждой оси отступим 40% от объектов модели:


Граничные условия для модели не задаём, т.к. действует граничное условие по умолчанию (присваивается нулевая величина поля на границе расчётной модели).

3. Создание сетки элементов и задания на расчёт.

Далее – создаём сетку конечных элементов, предварительно выделив все объекты модели (Assign Mesh Operation > Inside Selection > Length Based… )
Создаём новое задание на расчёт с параметрами по умолчанию (ПКМ на Analysis > Add Solution Setup)

Запускаем задачу на расчёт.

Рисунок П.2.1 – 3D модель рассчитываемой катушки

4. Расчёт омических потерь катушки.

Запустим калькулятор поля (ПКМ на Field Overlays > Calculator…)

В калькуляторе поля (Рисунок П.2.2), необходимо задать следующее выражение:


Рисунок П.2.2 – Калькулятор поля Maxwell


где V – объём, в котором рассчитываются потери (обмотка);
- вектор плотности тока в обмотке;
σ = 1/ρ = 58∙106 См/м – удельная проводимость материала (в данном случае - меди).

Запишем искомое выражение в калькуляторе поля, набрав следующую последовательность команд:

Quantity > JВыбираем вектор плотности тока
PushДублируем
Number > Scalar > Value 58000000Вводим величину удельной проводимости меди
/Делим плотность тока на проводимость
DotПеремножаем
Geometry > Volume > CoilВыбираем объём катушки (вместо Coil выбрать название катушки)
Интегрируем выражение по объёму.

В строке выражений получится:

Scl : Integrate(Volume(Coil), Dot(<Jx,Jy,Jz>, /(<Jx,Jy,Jz>, 58000000)))

Получившееся выражение сохраняем в качестве переменной (Named Expression): PowerLoss (кнопка Add..)

Разделим получившиеся потери на квадрат тока ( I = 1 А ) в проводнике (выбираем PowerLoss в списке переменных > Copy to Stack > Eval > Number > Scalar > 1 > / (операция деления).

Получим результат: R = 0,022687 Ом.

Сравним с теоретическим результатом: R = 0,02244 Ом, погрешность составила: 0,1%.

Примечание: Нельзя забывать, что сечение электропроводящего материала в катушках, намотанных проводником круглого сечения, не будет соответствовать реальному сечению катушки. Поэтому нельзя в модели строить сечение катушек по реальным данным, т.к. это приведёт к уменьшению активного сопротивление катушки. В модели сечение катушки должно совпадать с сечением электропроводящего материала (медь, алюминий). Это сечение можно рассчитать, перемножив сечение провода на число витков в катушке.

Автор материалов: Drakon (С) 2014. Редактор: Админ