Устройство для моделирования нестационарных полей

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскиз. Социалистических. Республик

« i 3 005093 (6!) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 130781 )2!) 3314б30/18-24

Р М К з

G Об G 7/48 с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 150383.Бюллетень Но10

Дата опубликования описания (53) УДК б81. 333 (088.8) (72) Авто изобрет (7! ) Заявитель

Тольяттинский политехнический институт (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПОЛЕЙ

Изобретение относится к электрическому моделированию физических процессов и предназначается, в частности, для моделирования импульсных электромагнитных полей в индукционно-динамическом преобразователе энергии (ИДП).

ИДП представляет собой систему с двумя магнитосвязанными контурами, а именно: первичным (накопитель энергии — обмотка возбуждения) и вторич. ным (короткозамкнутый виток). Для усиления магнитной связи и сосредо- . точения магнитного поля в определенной области пространства ИДП могут, содержать ферромагнитные материалы.

В дальнейшем рассматриваем только

ИДП, у которых обмотка возбуждения располагается в пазу цилиндрического ферромагнитного индуктора, а якорь- цилиндрический ферромагнитный.

ИДП такого типа обладают осевой симметрией. Наиболее существенной с точки зрения электромеханического преобразования энергии является область, занятая обмоткой возбуждения и короткозамкнутым витком.

В названных устройствах протекает переходный электромагнитный процесс, их электромагнитные поля явля ются импульсными (нестационарными) .

Между обмоткой и витком существует электромагнитная связь. Ток в обмотке возбуждения задан и равномерно распределен по сечению обмотки. Поле в области обмотки возбуждения описывается уравнением Пуассона, а в области короткозамкнутого витка — уравнением диффузии (уравнением Фурье) для векторного магнитного потенциала..

Нормальная производная к границе исследуемой области (области занятой обмоткой возбуждения и витком со сталью равна нулю.

Известно устройство для электрического моделирования нестационарных полей на моделях на электропроводной бумаге на конденсаторном слое. Проводящую бумагу с нанесенным на нее граничным электродом накладывают на конденсаторный слой, состоящий из диэлектрика и электрода. Таким образом, между слоем бумаги и электродом создается распределенная электрическая емкость. Подключением источника переменного напряжения между электро рами создается ток, распределенный по поверхности бумаги. Этот ток моделирует производную по времени в уравнении Фурье. Граничные условия

1005093 задаются с помощью граничного элект- рода..Граничные значения электрического потенциала соответствуют граничным значениям моделируемой величины оригинала (натуры) (1 )

Но не всегда удается задать граничные условия такого рода. В ИДП на границе обмотка возбуждения — короткозамкнутый виток при известном токе в обмотке возбуждения не удается задать ни значения векторного 10 магнитного потенциала, ни значения магнитной напр юкенности. Таким образом, данное устройство обладает недостаточными функциональными возможностями для моделирования нестацио - 15 нарных двухмерных электромагнитных полей в ИДП.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования нестационарных полей. На этом 2О моделирующем устройстве осуществляется дискретизация производной по времени s.уравнении Фурье. Устройст во содержит резистивную,сетку, в каждый узел которой присси динен резис- 75 тор, активное сопротивление .которо- го выбрано пропорционально шагу изменения процесса во времени $2 J.

Для проведения моделирования на. таком устройстве необходимо знать граничные значения моделируемой величины. В ИДП, даже при заданном токе в обмотке возбуждения, не удается задать на границе .виток — обмотка возбуждения эначенйя векторного потенциала или вектора напряженности магнитного поля. Следовательно, . известное устройство обладает недостаточными функциональными воэможностями для решения поставленной задачи, т.е, для моделирования двумер- 4О ных нестационарных электромагнитных пЬлей в системе с магиитносвязанными контурами. цель изобретения — расширение, 45 функциональных возможностей устройства.

Цель достигается тем, что в устройство для нестационарных полей, содержащее первую модель индуктивно связанных контуров, выполненную в виде резистивной сетки, каждый узел которой через соответствующий масштабирующий резистор соединеН со средним выводом соответствующего регулируемого резистора, крайние выводы всех регулируемых резисторов подключены параллельно друг другу и соединены с выводами источника постоянного напряжения, дополнительно введена вторая модель индуктивно связанных контуров, выполненная в виде двухмерной резистивной сетки, дополнительные масштабирующие и регулируемый резисторы, причем основная и дополнительная разистивные сетки 65 имеют общую границу в соответствии с геометрией поперечного сечения короткозамкнутого витка и обмотки возбуждения, а каждый узел дополнительной резистивной сетки через соответствующий дополнительный масштабирующий резистор соединен со средним выводом дополнительного регулируемого резистора, крайние выводы кото- . рого соответственно подключены к выводам источника постоянного напряжения. A модель индуктивно связанных . контуров выполнена в виде плоских фигур из электропроводного материала в соответствии с геометрией поперечного сечения короткозамкнутого витка и обмотки возбуждения, причем каждая из фигур из электропроводного материала разбита на ячейки, в цент-, рах тяжести которых расположены контакты, соответствующие узлам двухмерных резистивных сеток.

Число узлов сеток выбирается в зависимости от требуемой точности моделирования. Чем больше .узлов, тем точнее устройство для моделирования. В пределе при бесконечном увеличении числа узлов сетки (числа элементарных ячеек) получим непрерывную электропроводную среду-(сет- ка — дискретная электропроводная среда). Таким образом, устройство для моделирования имеет два варианта исполнения: первый — электропровадные среды, выполненные в виде сеток, второй — электропроводные среды выполнены в виде плоских непрерывных сред, например, из электропроводной бумаги. Во втором вариан- . те из листа вырезаны фигуры, подобные фигурам сечения моделируемой области. Вырезанные фигуры разбиты на ячейки, например, прямоугольники, к центрам тяжести которых присоединены источники поля или стоки. Иначе говоря, в центры тяжести вбиты игольчатые электроды, к которым подключены резисторы. В свою очередь, резисторы подключены к источникам напряжений. Первая и вторая среды соединены таким образом, что образуют общую среду,-геометрически подобную сечению обмотки возбуждения и витка.

Граница между средами модели совпа-, дает с границами ячеек, а ее длина пропорциональна рабочему зазору-натуры (длине границы между обмоткой возбуждения и витка) .

На фиг. 1 и 2 представлено устройство для моделирования на,основе непрерывной и дискрЕтной электропроводной среды.

Устройство содержит модель короткозамкнутого витка, выполненную-в виде двухмерной резистивной сетки 1, модель обмотки возбуждения, выполненную в виде дополнительной двухt

-1005093

10 ровании источников напряжения и измерении электрических потенциалов относительно общей шины (oTHocHTQJlbHQ отрицательного полюса источника 3).

Вначале, регулируя источники лоля, задают токи, пропорциональные плотности- тока в обмотке возбуждения натуры для момента времени t, рав ного at (дс -. шаг по времени). Регу.лируя источники напряжений стоков, устанавливают нулевые значения потенциала на нижних выводах резисторов 4-6 стоков (верхние. выводы резисторов подключены к сетке). Измеряют потенциалы во всех.:узлах сеток. Затем, регулируя источники поля задают новые значения токов, пропорциональных плотности тока"в обмотке возбуждения натуры для момента времени равного 2b,t Регулируя источники напряжеЗ0 ний стоков, устанавливают на нижних выводах резисторов 4-6 значения потенциалов, измеренных в соответствующих узлах сетки, к которым присоединены резисторы стоков. Далее процесс повто35 ряют . значения потенциалов на верхних выводах резисторов 4-6 стоков соответствуют значениям моделируемой функции

-для текущего момента времени, а значения потенциалов на нижних выводах ре40 зисторов стоков соответствуют значениям моделируемой функции для прошлого момента времени. Напряжения на .резисторах 4-6 стоков соответствуют шагу моделируемой функции (прираще45 нию моделируемой функции за время дt) .

Таким образом, предлагаемое устм ройство позволяет моделировать нестационарные двумерные электромагнитные

50 поля,.следовательно, расширяет возможности метода аналогового моделирования до воэможностей методов численного исследования электромагнитных переходных процессов на ЦВМ. Уст55 ройство отличается простотой конст-рукции, доступностью и,низкой стоимос. тью элементов.

Формула изобретения

65 мерной резистивной сетки 2, источ ник постоянного напряжения 3, масштабирующие резисторы 4-6, переменные резисторы 7-18, дополнительные масштабирующие резисторы 19-21, дополнительный переменный резистор 22. устройство может также содержать мсщели короткозамкнутого витка и обмотки возбуждения, выполненные в виде фигур 23 и 24, выполненных из электропроводного материала и разбитых на ячейки 25 и 26;

- В первом варианте моделирующее устройство содержит две двухмерные реэистивные сетки (фиг. 1). Сопро тивления резисторов, образующих внутренние ячейки сеток, равны 100 Ом

Сопротивления резисторов, включенных между двумя граничными, узлами (эти узлы соответствУют границе моделируемой области с магнитопрово дом), равны 200, Ом.

Сопротивления резисторов 4 стоков. подключенных к внутренним узлам сетки, 10,0 Ом, к узлам, соответствующих границе моделируемой области со сталью, но не к угловым, подключены резисторы 5, имеющие сопротивления 20,0 Ом, а к угловым — резисторы 6 с сопротивлением 40, Ом. К об щим для двух сеток узлам, исключая узел А, подключен резистор 5 сдока с сопротивлением 20,0 Ом. К Уз-., лу A подключен резистор б стока с сопротивлением 40,0 Ом,, а к узлу В резистор 5 стока с сопротивлением 20,0 .Ом.

Данные значения-сопротивлений соответствуют шагу по времени Qt

0,125..10 с натуры. Сопротивления

-Э резисторов 19, подключенных к внутренним узлам, равны 1,1 МОм.

Для узлов, соответствующих границе моделируемой области со сталью, но не угловых, сопротивления реэис жров 20 равны 2,2 МОм, а для угловых. узлов сопротивления резисторов 21

4,4 Мом.. К общим для двух сеток уз, лам, исключая узел В, подключены резисторы 20 с сопротивлениями 2,2 NO

К узлу A подключен резистор 20 с сопротивлением 2,2 МОм, а к узлу Врезистор,21 с .сопротивлением 4,4 МОм.

Вторые выводы резисторов 19, 20 и 21 подключены к одному делителю напряжения. Вторые выводы резисто, ров 4,5 и 6 стоков подключены к де» лителям напряжения, которые выполнены в виде переменных резисторов ти-па СП с номинальным сопротивлением

220 Ом. Все делители напряжения под-. ключены к одному источнику 3. Напряжение постоянное 300 В.

Во втором варианте (фиг. 2 ) моде» лирующее устройство содержит две плоские электропроводные среды— два прямоугольника, вырезанные,из электропроводной бумаги. Сопротивление квадрата бумаги 15 кОм. Первый прямоугольник геометрически подобен поперечному сечению короткозамкнутого витка натуры (ИДП), второй, дополнительный,, прямоугольник — поперечному сечению обмотки возбуждения натуры (ИДП). Прямоугольники соединены друг с другом в соответствии с геометрией моделируемой области .

Исследование на устройстве для моделирования заключается в регули1. Устройство для моделирования нестационарных полей, содержащее первую модель индуктивно связанных контуров, выполненную в виде двухмерной резистивной сетки, каждый

1005093 узел которой через соответствующий масштабирующий резистор соединен со средним выводом соответствующего регулируемого резистора, крайние выводы всех регулируемых резисторов подключены параллельно друг другу и соедийены с выводами источника постоянного напряжения, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функционал ных возможностей за счет обеспечения возможности воспроизведения электромагнитного поля магнитно связанных контуров, в него дополнительно введена вторая модель индуктивно связанных контуров, выполненная в виде двумерной резистивной сетки, дополнительные масштабирующие и регулируемый резисторы, причем основная и дополнительная резистивные сетки имеют общую границу в соответствии с геометрией поперечного сечения короткозамкнутого витка и обмотки возбуждения, а каждый узел дополнительной резистивной сетки через соответствующий дополнительный масштабирующий резистор соединен со средним выводом дополнительного peryлируемого резистора, крайние выводй которого соответственно подключены к выводам источника постоянного напряжения.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что модель индуктивно связанных контуров выполнена в виде плоских фигур из электропроводного материала в соответствии с геометрией поперечного сечения

10 короткозамкнутого витка и обмотки возбуждения, причем каждая из фигур из электропроводного материала разбита на ячейки, в центрах тяжести которых расположены контакты,соответству)5 щие узлам двумерных резистивных сеток.

Источники информации, принятые во вниманимае при экспертизе

1. Сухоруков В.В. Математическое моделирование электромагнитных полей в проводящих средах. M., "Энергия", с. 57.

2. Карплюс У. Моделирование устройства для решения задач теории поля.

М., Изд-во иностр.литературы, 1962, раздел 7,10 (прототип).

1005093

Составитель И.Лебедев

ТекредТ.Фанта Корректор Ю.Макаренко

Редактор К. Волощук

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 1903/бб Тираж 704 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий. 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5