Устройство для моделирования нестационарных полей

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советскиз(22) Заявлено 130781 21) 3314 б 30/18-24 РМ К з О Об С 7/48 с присоединением заявки М Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий) Автозо брет 1) Заявитель Тольяттинский политехнический институт 4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПОЛЕЙ10 тека- проИзобретение относится к электрическому моделированию физических про.цессов и предназначается, в частности, для моделирования импульсныхэлектромагнитных полей в индукционно-динамическом преобразователе знер.гии (ИДП),ИДП представляет собой систему сдвумя магнитосвязанными контурами,а именно: первичным (накопитель энергии - обмотка возбуждения) и вторичным (короткозамкнутый виток). Дляусиления магнитной связи и сосредо- .точения магнитного поля в определенной области пространства ИДП могут,содержать ферромагнитные материалы.В дальнейшем рассматриваем толькоИДП, у которых обмотка возбуждениярасполагается в пазу цилиндрическогоферромагнитного индуктора, а якорь-цилиндрический ферромагнитный.ИДП такого типа обладают осевойсимметрией. Наиболее существенной сточки зрения электромеханическогопреобразования энергии является область, занятая обмоткой возбужденияи короткозамкнутым витком.В названных устройствах проет переходный электромагнитныйцесс, их электромагнитные поля 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 иэ 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 условиязадаются с помощьюграничного элект- родаГраничные значения электрического потенциала соответствуют гранич. ным 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 векторного10 магнитного потенциала, ни значения магнитной напряженности. Таким образом, данное устройство обладает недостаточными функциональными возможностями для моделирования нестацио нарных двухмерных электромагнитных полей в ИДП.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования нестационарных полей. На этом 2 О моделирующем устройстве осуществляется дискретизация производной по времени в.уравнении Фурье. Устройство содержит резистивную,сетку, в каж. дый узел которой присоединен резистор, активное сопротивление .которо- го выбрано пропорционально шагу изменения процесса во времени 2 .Для проведения моделирования на таком устройстве необходимо знать граничные значения моделируемойвеличины. В ИДП, даже при заданном токе в обмотке возбуждения, не удается задать на границе .виток - обмот. ка 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 О 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 связан ных 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 дополнительныймасштабирующий резистор соединен со средним выводом дополнительного регулируемого резистора, крайние выводы которого соответственно подключены к выводам источника постоянного напряжения. А 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 - электропроводные среды, выполненные в виде сеток, второй - электропроводные среды выполнены в виде плоских непрерывных сред, например, из электро- проводной бумаги. Во втором вариан- . те из листа вырезаны фигуры, подобные фигурам сечения моделируемой области, Вырезанные фигуры разбитына 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 подключенык 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 корот. козамкнутого витка, выполненную в виде двухмерной резистивной сетки 1, модель обмотки возбуждения, выполненную в виде дополнительной двух1005093 510 ровании источников напряжения. и измерении электрических потенциалов относительно общей шины (относительноотрицательного полюса источника 3),Вначале, регулируя источники лоля, задают токи, пропорциональныеплотности. тока в обмотке возбуждениянатуры для момента времени с, рав- ного д ( 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), ИзмеряютпотенциалыВо Всех узлах сетОк Затем, регулируя источники поля задаютновые значения токов, пропорциональных плотности тока"в обмотке возбуждения натуры для момента времени равного 2 дй. Регулируя источники напряжеЗ 0 ний. стоков, устанавливают на нижнихвыводах резисторов 4-6 значения потенциалов, измеренных в соответствующихузлах сетки, к которым присоединенырезисторы стоков. Далее процесс повто 35 ряют. значения потенциалов на верхнихвыводах резисторов 4-6 стоков соответ.ствуют значениям моделируемой функции-для текущего момента времени, а значения потенциалов на нижних выводах ре 40 зисторов стоков соответствуют значениям моделируемой функции для прошлого момента времени. Напряжения на,резисторах 4-6 стоков соответствуютшагу моделируемой функции (прираще 45 нию моделируемой функции за время д),Таким образом, предлагаемое устм ройство позволяет моделировать нестационарные двумерные электромагнитные50 поля, следовательно, расширяет возможности метода аналогового моделирования до воэможностей методов численного исследования электромагнитных переходных процессов на ЦВМ. Уст.55 ройство отличается простотой конструкции, доступностью и,низкой стоимостью элементов. Формула изобретения 65 мерной резистивной сетки 2, источ..ник постоянного напряжения 3, масштабирующие резисторы 4-6, переменные резисторы 7-18, дополнительныемасштабирующие резисторы 19-21, дополнительный переменный резистор 22.устройство может также содержатьмсщели короткозамкнутого витка иобмотки возбуждения, выполненные в -виде фигур 23 и 24, выполненных изэлектропроводного материала и разбитых на ячейки 25 и 26;. В первом варианте моделирующееустройство содержит две двухмерныереэистивные сетки (фиг. 1). Сопро тивления резисторов, образующихвнутренние ячейки сеток, равны 100 ОмСопротивления резисторов, включенных между двумя граничными, узлами(эти узлы соответствУют границе моделируемой области с магнитопроводом), равны 200, Ом.Сопротивления резисторов 4 стоков.подключенных к внутренним узлам сетки, 10,0 Ом, к узлам, соответствующих границе моделируемой областисо сталью, но не к угловым, подключены резисторы 5, имеющие сопротивления 20,0 Ом, а к угловым - резисторы б с сопротивлением 40, Ом. К общим для двух сетокузлам, исключаяузел А, подключен резистор 5 стока с сопротивлением 20,0 Ом, К Уз-;,лу А подключен резистор б стока ссопротивлением 40,0 Ом а к узлу В резистор 5 стока с сопротивлением 20,0 Ом.Данные значения сопротивлений соответствуют шагу по времени дй0,125. 10 с натуры. Сопротивления-Эрезисторов 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 214,4 Мом,. К общим для двух сеток уз, лам, исключая узел В, подключены резисторы 20 с сопротивлениями 2,2 МО К узлу А подключен резистор 20 ссопротивлением 2,2 МОм, а к узлу Врезистор,21 с .сопротивлением 4,4 МОм.Вторые выводы резисторов 19, 20и 21 подключены к одному делителю напряжения. Вторые выводы резисто, ров 4,5 и б стоков подключены к де лителям напряжения, которые выполнены в виде переменных резисторов типа СП с номинальным сопротивлением220 Ом. Все делители напряжения под-.ключены к одному источнику 3. Напряжение постоянное 300 В.Во втором варианте ( фиг. 2 ) моде лирующее устройство содержит двеплоские электропроводные среды - два прямоугольника, вырезанные,изэлектропроводной 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 регули 1. Устройство для моделирования нестационарных полей, содержащее первую модель индуктивно связанных контуров, выполненную в виде двухмерной резистивной сетки, каждыйузел которой через соответствующиймасштабирующий резистор соединен сосредним 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 расширенияфункционал ных возможностей за счетобеспечения возможности воспроизведе.ния электромагнитного поля магнитносвязанных контуров, в него дополнительно введена вторая модель индуктивно связанных контуров, выполненная в виде двумерной резистивнойсетки, дополнительные масштабирующиеи регулируемый резисторы, причем основная и дополнительная резистивныесетки имеют общую границу в соответствии с геометрией поперечного сечения короткозамкнутого витка и обмотки возбуждения, а каждый узел дополнительной резистивной сетки черезсоответствующий дополнительный масштабирующий резистор соединен сосредним выводом дополнительного регулируемого резистора, крайние выводйкоторого соответственно подключенык выводам источника постоянного напряжения.2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что модельиндуктивно связанных контуров выполнена в виде плоских фигур из электропроводного материала в соответствии с геометрией поперечного сечения 10 короткозамкнутого витка и обмоткивозбуждения, причем каждая из фигуриз электропроводного материала разбита на ячейки, в центрах тяжести которых расположены контакты,соответству щие узлам двумерных резистивных сеток. Источники информации,принятые во вниманимае при экспертизе1. Сухоруков В.В. Математическоемоделирование электромагнитных полейв проводящих средах. М "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.ЛебедевТекред Т, Фанта Корре едактор К.Воло.Макаренк аказ 1903 Филиал ППП "Патентф, г.ужгород, ул.Проектная бб Тираж 704 ВНИИПИ Государственного комитпо делам изобретений и отк 113035, Москва, Ж, Раушска Подписноа СССРтийнаб., д. 4/5