The Specific Features of Modeling the Electrical and Magnetic Skin Effects from Alternating Electromagnetic Fields Using the FEMM Computer Program
Keywords:
alternating electromagnetic field, electric and magnetic skin effect, conductor, computer modeling
Abstract
The electromagnetic field theory still remains among of the most difficult sections of electrical engineering that are studied by the students of relevant universities. Computer modeling is a modern tool that helps master this section in a more efficient way. This is especially important in view of the trend toward increasing the role of independent work assigned to students in the modern educational programs. However, even quite advanced computer modeling tools still contain some hidden features. The article addresses the problem of overcoming the difficulties encountered in using the FEMM computer program for modeling alternating electromagnetic fields. It has been found that the way in which the FEMM computer
program models the influence of the electrical skin effect in alternating current conductors is incorrect. At the same time, the FEMM computer program models the influence of the magnetic skin effect in billets free from extraneous currents placed in the magnetic field of an inductor at a specified frequency is a correct way. Examples of field models for the considered cases are given.
References
1. Бутырин П.А., Дубицкий С.Д., Коровкин Н.В. Использование компьютерного моделирования в преподавании теории электромагнитного поля. — Электричество, № 10, 2014, с. 66—71.
2. Сборник задач по теоретическим основам электротехники/Под ред. П.А. Бутырина. Т. 2. Электрические цепи с распределенными параметрами. Электромагнитное поле. М.: Издат. дом МЭИ, 2012, 571 с.
3. Meeker D. Finite Element Method Magneties. FEMM. Инструкция пользователя [Электрон. ресурс] http://www.femm.info/Archives/doc/manual.pdf. (дата обращения 14.01.2020).
4 Байда Е.И. Расчет электромагнитных и тепловых полей с помощью программы FEMM: Учебно-методическое пос. для студентов и аспирантов электротехнических специальностей, изд. 2-е. Харьков: Национальный технический университет «ХПИ», 2015, 147 с.; приложение к учебному пос. (на русск. яз.) – НТУ «ХПИ», 2015, 156 с.
5. Солнышкин Н.И. Теоретические основы электротехники. Моделирование электромагнитных полей: Методические указания по выполнению расчетных и лабораторных работ (для студентов, обучающихся по направлению «электроэнергетика и электротехника», квалификация «бакалавр»). Псков: Изд-во Псковского технического университета, 2013, 64 с.
6. Миронов В.Г., Казанцев Ю.А., Кузовкин В.А. Переменные электромагнитные поля/Под ред. Е.Ф. Зимина. М.: Изд-во МЭИ, 1995, 128 с.
7. Бутырин П.А., Дубицкий С.Д., Коровкин Н.В. Численное моделирование электромагнитных полей: мультифизические задачи, инструментарий и обучение. – Электричество, 2019, № 6, с. 51–58.
8. VanHese J., Sercu J., Pissoort D., Lee H!S. State of the Art in EM Software for Microwave Engineers. Agilent Technologies Application Note 5990-3225EN, February 2009.
9. Аполлонский С.М. Моделирование и расчёт электромагнитных полей в технических устройствах. Том III. Расчёты электромагнитных полей в научных и инженерно-технических задачах: Учебник. – М.: Русайнс, 2020, 392 с.
10. Башарин С.А., Фёдоров В.В. Теоретические основы электротехники: Теория электрических цепей и электромагнитного поля: Учебное пос. М.: Академия, 2007, 304 с.
#
1. Butyrin P.A., Dubitskiy S.D., Korovkin N.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), No. 10, 2014, pp. 66—71.
2. Sbornik zadach po teoreticheskim osnovam elektrotekhniki/Pod red. P.A. Butyrina. Vol. 2. Elektricheskiye tsepi s raspredelennymi parametrami. Elektromagnitnoye pole (A collection of tasks on the theoretical foundations of electrical engineering/Ed. P.A. Butyrin. Vol. 2. Electric circuits with distributed parameters. Electromagnetic field). M.: Izdat. dom MEI, 2012, 571 p.
3. Meeker D. Finite Element Method Magneties. FEMM. (Finite Element Method Magneties. FEMM. User Manual) [Elektron. Resourse] http://www.femm.info/Archives/doc/manual.pdf. (Data of appeal 14.01.2020).
4 Bayda Ye.I. Raschet elektromagnitnykh i teplovykh poley s pomoshch’yu programmy FEMM: Uchebno-metodicheskoye pos. dlya studentov i aspirantov elektrotekhnicheskikh spetsial’nostey, izd. 2-ye. Khar’kov: Natsional’nyy tekhnicheskiy universitet «KHPI», 2015, 147 s.; prilozheniye k uchebnomu pos. (na russk. yaz.) (Calculation of electromagnetic and thermal fields using the FEMM program: Educational methodical pos. for undergraduate and postgraduate students in electrical engineering, ed. 2nd. Kharkov: National Technical University «KhPI», 2015, 147 p.; appendix to the educational pos. (in Russian). NTU «KHPI», 2015, 156 p.
5. Solnyshkin N.I. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki. Modelirovaniye elektromagnitnykh poley: Metodicheskiye ukazaniya po vypolneniyu raschetnykh i laboratornykh rabot (dlya studentov, obuchayushchikhsya po napravleniyu «elektroenergetika i elektrotekhnika», kvalifikatsiya «bakalavr») (Theoretical foundations of electrical engineering. Modeling of electromagnetic fields: Guidelines for the implementation of computational and laboratory work (for students studying in the field of «electric power and electrical engineering», qualification «Bachelor»). Pskov: Izdvo Pskovskogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, 64 р.
6. Mironov V.G., Kazantsev YU.A., Kuzovkin V.A. Peremennyye elektromagnitnyye polya/Pod red. Ye.F. Zimina (Variable Electromagnetic Fields/Ed. E.F. Zimin). M.: Izd vo MEI, 1995, 128 р.
7. Butyrin P.A., Dubitskiy S.D., Korovkin N.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, № 6, pp. 51–58.
8. VanHese J., Sercu J., Pissoort D., Lee H-S. State of the Art in EM Software for Microwave Engineers. – Agilent Technologies Application Note 5990 3225EN, February 2009.
9. Apollonskiy S.M. Modelirovaniye i raschot elektromagnitnykh poley v tekhnicheskikh ustroystvakh. Tom III. Raschoty elektromagnitnykh poley v nauchnykh i inzhenerno-tekhnicheskikh zadachakh. Uchebnik (Modeling and calculation of electromagnetic fields in technical devices. Vol. III. Calculations of electromagnetic fields in scientific and engineering problems. Textbook). M.: Rusayns, 2020, 392 p.
10. Basharin S.A., Fodorov V.V. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki: Teoriya elektricheskikh tsepey i elektromagnitnogo polya: uchebnoye pos. (Theoretical foundations of electrical engineering: The theory of electrical circuits and electromagnetic fields: a tutorial). M.: Akademiya, 2007, 304 p.
2. Сборник задач по теоретическим основам электротехники/Под ред. П.А. Бутырина. Т. 2. Электрические цепи с распределенными параметрами. Электромагнитное поле. М.: Издат. дом МЭИ, 2012, 571 с.
3. Meeker D. Finite Element Method Magneties. FEMM. Инструкция пользователя [Электрон. ресурс] http://www.femm.info/Archives/doc/manual.pdf. (дата обращения 14.01.2020).
4 Байда Е.И. Расчет электромагнитных и тепловых полей с помощью программы FEMM: Учебно-методическое пос. для студентов и аспирантов электротехнических специальностей, изд. 2-е. Харьков: Национальный технический университет «ХПИ», 2015, 147 с.; приложение к учебному пос. (на русск. яз.) – НТУ «ХПИ», 2015, 156 с.
5. Солнышкин Н.И. Теоретические основы электротехники. Моделирование электромагнитных полей: Методические указания по выполнению расчетных и лабораторных работ (для студентов, обучающихся по направлению «электроэнергетика и электротехника», квалификация «бакалавр»). Псков: Изд-во Псковского технического университета, 2013, 64 с.
6. Миронов В.Г., Казанцев Ю.А., Кузовкин В.А. Переменные электромагнитные поля/Под ред. Е.Ф. Зимина. М.: Изд-во МЭИ, 1995, 128 с.
7. Бутырин П.А., Дубицкий С.Д., Коровкин Н.В. Численное моделирование электромагнитных полей: мультифизические задачи, инструментарий и обучение. – Электричество, 2019, № 6, с. 51–58.
8. VanHese J., Sercu J., Pissoort D., Lee H!S. State of the Art in EM Software for Microwave Engineers. Agilent Technologies Application Note 5990-3225EN, February 2009.
9. Аполлонский С.М. Моделирование и расчёт электромагнитных полей в технических устройствах. Том III. Расчёты электромагнитных полей в научных и инженерно-технических задачах: Учебник. – М.: Русайнс, 2020, 392 с.
10. Башарин С.А., Фёдоров В.В. Теоретические основы электротехники: Теория электрических цепей и электромагнитного поля: Учебное пос. М.: Академия, 2007, 304 с.
#
1. Butyrin P.A., Dubitskiy S.D., Korovkin N.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), No. 10, 2014, pp. 66—71.
2. Sbornik zadach po teoreticheskim osnovam elektrotekhniki/Pod red. P.A. Butyrina. Vol. 2. Elektricheskiye tsepi s raspredelennymi parametrami. Elektromagnitnoye pole (A collection of tasks on the theoretical foundations of electrical engineering/Ed. P.A. Butyrin. Vol. 2. Electric circuits with distributed parameters. Electromagnetic field). M.: Izdat. dom MEI, 2012, 571 p.
3. Meeker D. Finite Element Method Magneties. FEMM. (Finite Element Method Magneties. FEMM. User Manual) [Elektron. Resourse] http://www.femm.info/Archives/doc/manual.pdf. (Data of appeal 14.01.2020).
4 Bayda Ye.I. Raschet elektromagnitnykh i teplovykh poley s pomoshch’yu programmy FEMM: Uchebno-metodicheskoye pos. dlya studentov i aspirantov elektrotekhnicheskikh spetsial’nostey, izd. 2-ye. Khar’kov: Natsional’nyy tekhnicheskiy universitet «KHPI», 2015, 147 s.; prilozheniye k uchebnomu pos. (na russk. yaz.) (Calculation of electromagnetic and thermal fields using the FEMM program: Educational methodical pos. for undergraduate and postgraduate students in electrical engineering, ed. 2nd. Kharkov: National Technical University «KhPI», 2015, 147 p.; appendix to the educational pos. (in Russian). NTU «KHPI», 2015, 156 p.
5. Solnyshkin N.I. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki. Modelirovaniye elektromagnitnykh poley: Metodicheskiye ukazaniya po vypolneniyu raschetnykh i laboratornykh rabot (dlya studentov, obuchayushchikhsya po napravleniyu «elektroenergetika i elektrotekhnika», kvalifikatsiya «bakalavr») (Theoretical foundations of electrical engineering. Modeling of electromagnetic fields: Guidelines for the implementation of computational and laboratory work (for students studying in the field of «electric power and electrical engineering», qualification «Bachelor»). Pskov: Izdvo Pskovskogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, 64 р.
6. Mironov V.G., Kazantsev YU.A., Kuzovkin V.A. Peremennyye elektromagnitnyye polya/Pod red. Ye.F. Zimina (Variable Electromagnetic Fields/Ed. E.F. Zimin). M.: Izd vo MEI, 1995, 128 р.
7. Butyrin P.A., Dubitskiy S.D., Korovkin N.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, № 6, pp. 51–58.
8. VanHese J., Sercu J., Pissoort D., Lee H-S. State of the Art in EM Software for Microwave Engineers. – Agilent Technologies Application Note 5990 3225EN, February 2009.
9. Apollonskiy S.M. Modelirovaniye i raschot elektromagnitnykh poley v tekhnicheskikh ustroystvakh. Tom III. Raschoty elektromagnitnykh poley v nauchnykh i inzhenerno-tekhnicheskikh zadachakh. Uchebnik (Modeling and calculation of electromagnetic fields in technical devices. Vol. III. Calculations of electromagnetic fields in scientific and engineering problems. Textbook). M.: Rusayns, 2020, 392 p.
10. Basharin S.A., Fodorov V.V. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki: Teoriya elektricheskikh tsepey i elektromagnitnogo polya: uchebnoye pos. (Theoretical foundations of electrical engineering: The theory of electrical circuits and electromagnetic fields: a tutorial). M.: Akademiya, 2007, 304 p.
