Разработка математической модели и программного обеспечения для оптимального проектирования электромагнитов броневого типа
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. В современном мире разработка эффективных систем электромагнитной защиты становится все более важной задачей. Особый интерес представляет проектирование электромагнитов броневого типа, которые могут обеспечивать надежную защиту от электромагнитных воздействий на объекты, такие как технические системы, информационные системы и даже человек. Электромагниты броневого типа находят широкое и разнообразное применение в различных областях. Они используются в бытовой технике, такой как электрозвонки, замки, фиксаторы и другие устройства. Также они находят применение в средствах связи, включая телефоны и радио, а также в компьютерной технике, например, в дисководах и принтерах. Электромагниты играют важную роль в электрических машинах и аппаратах. Силовые электромагниты большой мощности применяются в устройствах для подъема и удержания, а также для создания сверхсильных магнитных полей в ускорителях элементарных частиц.
Электромагниты броневого типа с
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ 11
1.1 Описание объекта исследования 11
1.2 Постановка задач 13
2. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 15
2.1 Выбор метода моделирования 15
2.2 Метод конечных элементов 17
3. ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ 19
4. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ 27
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТА БРОНЕВОГО ТИПА НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ МАГНИТОСТАТИКИ 36
5.1 Математическая модель 36
5.2 Алгоритм решения обратных задач для проектирования броневого электромагнита 39
5.3 Результаты экспериментальных исследований 39
6. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 45
6.1 Описание программного пакета FEMM 45
6.2 Описание среды разработки Octave 46
6.3 Разработка программ для проектирования электромагнита броневого типа 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 52
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 55
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 57
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 59
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 60
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 62
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кадыков В.К. Моделирование и проектирование клапанных электромагнитов постоянного тока с различной формой полюсных наконечников [Текст]: дисс. канд. тенхн. наук : 05.09.01 / В. К. Кадыков. - Чебоксары, 2016. – 204 с.
Большенко И.А. Обзор и анализ конструкций электромеханических приводов клапанов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания // Изв.вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2013. №6, с.66–73.
Earnshaw // Transact. Cambridge Phil. Soc. 1842. V. 7. P. 97-112.
Балабан А.Л. Оценка погрешности метода оптимального проектирования, основанного на преобразовании ограничений в целевые функции // Изв. вузов. Электромеханика. – 2018. - № 2. – С. 53-58.
Свинцов Г.П. Моделирование и оптимизация электромагнитных приводов электрических аппаратов. Дисс. на соиск. уч.степ.д-р.техн. наук. - Чебоксары - Москва, 2001, – 700 с.
Кадыков В.К. Обобщённые экспериментальные зависимости потокораспределения, потокосцепления и магнитодвижущей силы в клапанных электромагнитных системах постоянного тока с круглыми полюсными наконечниками / В.К. Кадыков, Н.В. Руссова, Г.П. Свинцов, А.В. Сизов // Электротехника. - 2007. - №4. - С.41-47.
Langer U., Steinbach Î. Coupled Finite and Boundary Element Domain Decomposition Methods, Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics, n. 29, 2006. p. 61 - 96.
Бахвалов Ю.А. Методы оптимального проектирования: учеб. пособие для вузов / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). / Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014. – 87 с.
Бахвалов Ю.А., Горбатенко Н.И., Гречихин В.В. Обратные задачи электротехники. Новочеркасск: Изд-во журнала «Известия вузов. Электромеханика», 2014, – 211 с.
Бахвалов Ю.А., Горбатенко Н.И., Гречихин В.В. Метод решения обратных задач магнитных измерений // Измерительная техника, 2015. № 3. С. 58-60.
Борухов В.Т., Гайшун И.В., Тимошпольский В.И. Структурные свойства динамических систем и обратные задачи математической физики. – Минск: Бел.наука, 2009. – 174 с.
При численном решении обратных задач непрерывные операторы (уравнения) заменяются их дискретными аналогами. Однако свойства дискретных аналогов могут отличаться от свойств непрерывных уравнений, и это может приводить к не единственным или даже отсутствующим решениям.
Большинство обратных задач в электротехнике являются некорректными, что означает, что они не имеют однозначного решения. Для решения таких задач применяются специальные методы, известные как методы регуляризации, которые помогают получить устойчивые и адекватные результаты.
Еще одной особенностью обратных задач является то, что они часто имеют не единственный минимум целевой функции.
В контексте электромагнитных полей можно рассмотреть несколько характерных обратных задач. Например, в электростатике часто требуется найти форму электродов, при которой поле в определенной области пространства будет однородным или будет соответствовать зада