Работа с программой FEMM

В этой главе даются общие сведения о компьютерной программе FEMM, описываются особенности работы с ней. Приводится последовательность действий пользователя при создании новой модели. Анализируются расчеты с использованием FEMM полей и МС электрических аппаратов: расчет удельной проводимости вихревого магнитного поля, моделирование плоскопараллельных полей МС с одним зазором и разомкнутых МС. Проводится исследование влияния формы внешней границы модели броневого электромагнита и условий на ней на параметры электромагнита. Определяется индуктивность и взаимоиндуктивность осесимметричных обмоток.

Общие сведения о программе FEMM и особенности работы с ней

Среди конечноэлементных программ расчета МС мы выбрали для описания в настоящем учебном пособии программу FEMM по нескольким причинам, главная из которых— ее общедоступность.

Программа Finite Element Method Magnetics (Магнитные расчеты методом конечных элементов) (далее FEMM, или femm) по состоянию на май 2013 г. (версия 4.0) позволяет на персональном компьютере в операционной системе Windows 98/NT/ 2000/Ме/ХР/Vista/7 создать модель для расчета плоско параллельного или плоскомеридианного (осесимметричного) стационарного и квазистационарного магнитного и стационарного электростатического полей, построить их картины и определить полевые и цепные параметры.

Задачи расчета магнитных полей могут быть как линейные, так и нелинейные; электростатических полей — только линейные. Возможности расчета магнитных и электростатических полей объединены в одной программе с версии 4.0. До этого отдельно существовала программа FEMM для расчета магнитных полей и программа BELA для расчета электростатических. Далее будем говорить только о магнитных расчетах с помощью программы FEMM 4.0. В Приложении ПЗ будут описаны также примеры расчета, имеющиеся не только в FEMM 4.0 157, но и в FEMM 3.3.

Изначально FEMM была создана для интерактивных расчетов. Начиная с версии 3.3 в ней добавились возможности пакетного режима работы. Для создания рабочих программ, исполняемых в пакетном режиме, используется общедоступный алгоритмический язык программирования Lua. Преимущество пакетного режима перед интерактивным состоит в возможности использования переменных, недостаток — в необходимости изучения языка программирования.

В FEMM 4.0 этот недостаток можно обойти, если использовать возможности интерактивной работы FEMM с программой Mathematica с использованием связи Math Link.

Для работы с программой FEMM необходимо изучить подразд. 5.1 и 5.2 гг Приложения ПЗ—П5 настоящего учебного пособия. Полный текст руководства пользователя (на английском языке) можно найти, выполнив Пуск -" Программы -> femm 4.0 Manual.

В этой же папке (femm 4.0) в Tutorial-Magnetic (Учебник по магнитным расчетам) имеется описание (опятьтаки на английском языке) процесса создания в FEMM модели осесимметричной обмотки постоянного тока без магнитопровода. Как руководство, так и учебник доступны только при наличии на компьютере программы Adobe Reader чтения pdfфайлов.

Часть программы FEMM, которая выполняет магнитные расчеты, состоит из нескольких основных программ: препроцессора; решателя, или процессора (fkern.exe с дополнительной программой triangle. exe), и постпроцессора (femmview.exe с дополнительной программой femmplot. exe). Все они. начиная с версии 4.0, управляются одним исполняемым файлом femm.exe.

Работа с FEMM по созданию новой модели начинается путем запуска препроцессора, в котором вводятся геометрические размеры модели и присваиваются свойства ее отдельным частям— блокам. Препроцессор позволяет сохранить модель под нужным именем в нужной папке. Полное имя файла может содержать русские слова как в именах папок, гак и в корне имени файла. Файлу с параметрами модели автоматически присваивается расширение fern (расширение в явном виде можно не вводить). Файл с расширением fern— самый важный файл пакета программ FEMM. Данные модели надо записать в этот файл под нужным именем хотя бы один раз до перехода к решателю.

Переход к работе процессора, рассчитывающего параметры модели, осуществляется при щелчке кнопки с пиктограммой в виде зубчатого колеса ручным приводом. Работа процессора на экране видна только по появлению в нижней строке Windows прямоугольников, сначала triangle, потом fkern и, наконец, прямоугольника с именем решаемой задачи, соединенным тире с именем решателя (fkern). Одновременно с последним прямоугольником в центре экрана возникает окно с таким же названием, временной диаграммой и информацией о расчете. После их исчезновения можно считать работу процессора законченной.

Следует иметь в виду, что в FEMM версий до 3.3 включительно при этом в текущую директорию автоматически записываются файлы с расширениями ans, pbc, node, poly, edge, ele. Последние пять файлов для дальнейшей работы пользователя не нужны, и в конце работы с моделью их можно с диска удалить. Эти файлы записываются при работе программ fkern и triangle создания сетки конечных элементов; файлы edge, ele, node имеют объемы, значительно большие, чем файл сданными модели (с расширением fern). Последний автоматически перезаписывается в момент перехода от препроцессора к решателю. Все файлы, кроме файлов с расширением fern и ans, автоматически удаляются с диска.

После окончания работы решателя можно запустить постпроцессор, например, щелчком кнопки с пиктограммой в виде очков. Постпроцессор для своих построений пользуется файлом с расширением ans, который обычно имеет самый большой объем из всех файлов, записываемых FEMM на диск по умолчанию. В конце работы с моделью его тоже можно с диска удалить. Однако, если после удаления ansфайла придется снова обратиться к модели для ее анализа в постпроцессоре, то предварительно необходимо будет опять запускать решатель.

Постпроцессор не может записать в файл зонную картину поля: при щелчке кнопки с изображением очков для стационарного магнитного поля всегда строится картина поля линий магнитного потока, а для квазистационарного — картина поля линий действительного значения векторного магнитного потенциала.

Дополнительная программа femmplot постпроцессора позволяет записать в файлы с расширением emf кривые изменения различных параметров вдоль задаваемой пользователем линии.

Как уже было сказано, в момент перехода к решателю FEMM автоматически записывает в существующий файл с расширением fern все, что было введено в модель во время ее редактирования. Если вы хотите сохранить под старым именем старую модель, на базе которой собираетесь создать новую, то прежде чем вводить что-либо, запишите старую модель под новым именем (через меню File -> Save As). Тогда псе дальнейшие изменения будут фиксироваться в файле модели с новым именем. Особенно будьте осторожны с примерами работы программы FEMM, входящими в ее комплект, так как использование примера для создания другого файла на его базе без предварительной записи примера на диск под другим именем лишит вас возможности вновь запустить этот пример на исполнение в прежнем виде.

Ранее созданные файлы моделей (с расширением fern), файлы результатов расчета (с расширением ans) и созданные в профаммс femmplot графические файлы (с расширением emf) запускаются на исполнение двойным шелчком их имени в Проводнике, а программы femm. FEMMVIEW и FEMMPLOT прописаны в диалоге Открыть е помощью системы Windows 98 или Выбор программы Windows 2000. Открыть файл модели для дальнейшей работы с ним можно также после загрузки femm по команде Пуск -> -> Программы -> femm 4.0 -> FEMM 4.0 непосредственно в самом окне femm через File -> Open… или щелкнув кнопку Открыть. Возникнет стандартный для Windows диалог Открыть, в котором надо указать путь, имя файла и шелкпуть кнопку Открыть.