Для расчета магнитных систем, в которых действует постоянная или переменная во времени намагничивающая сила, широко используется метод участков, позволяющий учитывать потоки рассеяния и насыщение стали магнитопровода. По вычислительной процедуре этот метод представляет собой одну из модификаций метода численного интегрирования дифференциальных уравнений, описывающих распределение магнитного потока и магнитного потенциала в исследуемой системе. Тем более что типовое математическое обеспечение ЭВМ включает стандартные подпрограммы для решения таких систем уравнений. Прямое решение исходной системы уравнений позволяет снять допущение о неизменности магнитного потока в пределах участка, что повышает точность расчета. Ниже на примере П –образных систем излагается универсальный алгоритм расчета, основанный на этом подходе.
Известно, что, если расположить начало отсчета координаты y в поперечном сечении 0m, а координаты x в поперечном сечении z (рис.10.9), то
Рис.10.9. Эскиз электромагнита П-образного типа и расчетная топология
магнитного поля
распределение комплексов действующих значений магнитного потока и магнитного напряжения между стержнями
вдоль координаты y и между якорем и стержнями вдоль координаты z описывается системой дифференциальных уравнений:
(1)
где определяются величиной модуля магнитного потока в стержнях магнитопровода
;
определяется потоком в якоре
Практическая постановка задачи расчета магнитной системы определяет граничные условия для системы (1). Например, если задан комплекс действующего значения магнитного потока , то значения магнитных напряжений
между стержнями и между якорем и стержнем
вычисляется по выражению:
где учитывает наличие во втором зазоре короткозамкнутого витка, охватывающего часть стержня магнитопровода,
определяется потоком в якоре, равным
,
определяются потоком в стержнях
.
В основании магнитопровода должно выполняться граничное условие: где
зависит от магнитного потока в основании. Считая, что через торцы якоря проходят одинаковые потоки
, определяем граничные условия для магнитных напряжений на торцах якоря:
Допущение о равенстве потоков на торцах якоря не вносит заметной погрешности в расчет, поскольку эти потоки много меньше потока и практически не влияют на изменение значений магнитного сопротивления якоря вдоль координаты z. Значения величин
и координат расположения сечений om и om1 определяются по рекомендациям.
Такая формулировка задачи расчета дает возможность воспользоваться библиотечными программами. Например, возможно решение системы (1) методом Рунге-Кутта. Вместе с тем, следует отметить, что для большинства ЭВМ стандартная процедура решения системы приводится только для вещественных переменных. В связи с этим преобразуем первое и второе уравнения системы (1), выделив вещественную и мнимую составляющие комплексов:
(2)
где индекс R относится к активной составляющей комплекса, а индекс X - к реактивной. Третье и четвертое уравнения системы (1) преобразуются аналогичным образом. Составляющие комплекса удельного магнитного сопротивления стали магнитопровода определяются по заданным характеристикам материалов:
рассчитывается по формуле:
В процессе расчета осуществляется уточнение f по методу простой итерации. Например, если считать, что магнитный поток в якоре не изменяется по координате z, рис.10.9, то начальное приближение
Последнее допущение правомерно для оптимальных по массе или потребляемой мощности электромагнитов, имеющих ненасыщенный якорь.
Затем решается система уравнений (2) и находится первое приближение для удельной намагничивающей силы
В последнем выражении для вычисления значений интегралов можно использовать библиотечные подпрограммы. Итерационный процесс считается закончившимся, если выполняется условие
Если условие не выполняется, то вычисляется следующее приближение по формуле
где k – номер итерации; рекомендуется d д= 0,5. Поперечные сечения участков магнитопровода:
Cопоставление результатов расчета по приведенному алгоритму и методом участков показало, что при достаточном числе участков разбиения (свыше 10) оба метода обеспечивают одинаковую точность. Вместе с тем предложенный алгоритм обладает универсальностью – применим для магнитных систем как переменного, так и постоянного тока. В последнем случае при численной реализации достаточно положить равным нулю удельное реактивное сопротивление стали магнитопровода.