平行双线的电场仿真 修复的.docx
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平行双线的电场仿真修复的
一、题目概述
1.1内容
1.1.1设计目的
电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算繁杂,将Maxwell软件引入教学中,通过对典型电磁产品的仿真设计,并模拟电磁场的特性,将理论与实践有效结合,强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用,提高教学质量
1.1.2设计作用
电磁场与电磁波主要介绍电磁场与电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方法以及在现实生活中的应用,内容包括电磁场与电磁波理论建立的历史意义、静电场与恒流电场、电磁场的边值问题、静磁场、时变场和麦克斯韦方程组、准静态场、平面电磁波的传播、导行电磁波以及谐振器原理等。
全书沿着电磁场与电磁波理论和实践发展的历史脉络,将历史发展的趣味性与理论叙述和推导有机结合,同时介绍了电磁场与电磁波在日常生活、经济社会以及科学研究中的广泛应用。
书中的大量例题强调了基本概念并说明分析和解决典型问题的方法;每章末的思考题用于测验学生对本章内容的记忆和理解程度;每章的习题可增强学生对于公式中不同物理量的相互关系的理解,同时也可培养学生应用公式分析和解决问题的能力。
1.1.3设计任务及要求
平行双线的电场仿真,如图1.1所示,两长直导线相距400mm,导线半径20mm,其材料(material)是铁(iron),场域中介质是空气(air)(
)。
其中:
一支导线电势为
1000V,另一支导线电势为-500V;求:
计算平行双线周围的电场分布,并计算单位长电容。
图1.1
1.2所用Maxwell软件环境介绍
1.2.1Maxwell软件环境:
AnsoftMaxwell是低频电磁场有限元仿真软件,在工程电磁领域有广泛的应用。
它基于麦克斯韦微分方程,采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解,使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业,为各领域的科学研究和工程应用作出了巨大的贡献.
二、功能分析
2.1电磁场公式分析
设导线表面单位长度带电+λ,-λ,则
两线间任意点P的场强:
E=
式(2.1)
U=
式(2.2)
单位长度电容:
式(2.3)
2.2设计指标
已知两长直导线相距400mm,导线半径20mm,其材料属性是铁,场域中介质是空气(
)。
其中:
一支导线电势为1000V,另一支导线电势为-500V。
参数设置完成后,利用Maxwell软件,观察在其绘制出的电压变化曲线图、电场强度变化曲线图、电位移密度变化曲线图和能量变化曲线图,分别分析各个图谱中电压V、场强E、电位移密度和能量W的变化趋势。
三、设计与仿真
3.1总体设计
Project>InsertMaxwell2DDesign
File>Saveas>wds(工程命名为“wds”),见图3.1
图3.1
选择求解器类型:
Maxwell>SolutionType>Electric>Electrostatic
见图3.2
图3.2
创建左导线
Draw>Circle
左导线起点:
(X,Y,Z)=(0,0,0)
坐标偏置:
(dX,dY,dY)=(20,20,0),见图3.3
图3.3
AssignMaterial>铁(iron),见图3.4
图3.4
创建右导线
Draw>Circle
右导线起点:
(X,Y,Z)=(400,0,0)
坐标偏置:
(dX,dY,dZ)=(20,20,0),见图3.5
图3.5
AssignMaterial>铁(iron),见图3.6
图3.6
创建场域中介质
Draw>Rectangle
场域起点:
(X,Y,Z)=(400,100,0)
坐标偏置:
(dX,dY,dZ)=(-400,-100,0),见图3.7
图3.7
AssignMaterial>空气(air)(
)。
见图3.8
图3.8
3.2参数的设置与改变
选中左导线
Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>1000V
见图3.9
图3.9
选中右导线
Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>-500V
见图3.10
图3.10
四、设计与仿真
4.1参数的设置
4.1.1设置计算参数:
Maxwell2D>Parameters>Assign>Matrix>Voltage1,
Voltage2
见图4.1
图4.1
4.1.2设置自适应计算参数:
Maxwell2D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup
最大迭代次数:
Maximumnumberofpasses>10
误差要求:
PercentError>1%
每次迭代加密剖分单元比例:
RefinementperPass>30%
见图4.2和图4.3
图4.2
图4.3
4.2检查并运行
Maxwell2D>AnalyzeAll,然后计算机就开始进行计算。
见图4.4
图4.4
4.3软件仿真结果
4.3.1Voltage,E,D及Energy的分布
检查完毕后,Maxwell2D>Fields>Fields,分别选择Voltage,E,D,还
有Other>Energy.
见图4.5
图4.5
4.3.2双导线中心连线的电场分析
绘制双导线中心连线,Draw>Line,以左边导线的中心为起点,右边导线中心为中点绘制中心连线。
见图4.6
图4.6
Maxwell2D>Results>CreateFieldsReport>Rectangular
Plot,Geometry>Polyine1,再分别选择Voltage,E,D,Energy。
图4.7
由上面电压变化曲线图4.7可知:
从左边导线中心到28mm时候,电压保持在1000V,没有发生改变;从372mm处到400mm之间,电压保持在-500V不变;而在28mm到372mm之间,电压随距离的变化呈线性递减。
图4.8
图4.9
图4.10
图4.8,图4.9,图4.10分别为场强,电位移密度,能量变化图。
有以上图可以明显的看出:
在从左边导线中心到28mm之间,以上三值均为0;从372mm处到400mm之间,以上三值也均为0;而从28mm到372mm之间,三条曲线均保持同一个变化规律:
先递减,中间有一段平衡距离,随后递增。
4.3.3计算单位长电容
Maxwell2D>Fields>Calcalator,Input>Quantity>
Energy,Geoemtry>AllOblects,Scalar的积分号,Output>
Eval.见图4.11
图4.11
由图可知,能量为0.00006429J,计算出电容值为C=5.7055pF。
五、设计总结和体会
通过这次课程设计,使我对电磁场电磁波这门课又重新的认识,其并不仅仅是书本上的死知识,而是与生活紧密相连,就好比一个简单地平行直导线,电压,电位移分布并不仅仅是看上去那么简单。
经过这次课程设计后,使我懂得:
理论与实际相结合的重要性,只有这样,才能使得我们更好的掌握和运用所学的知识,从而提高学习兴趣。
六、参考文献:
[1]苏东林,陈爱新,谢树果.电磁场与电磁波.北京:
高等教育出版社,2009
[2]谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京:
高等教育出版社,2006
1.1内容……………………………………………………………………………………..1
1.1.1设计目的…………………………………………………………………………1
1.1.2设计作用…………………………………………………………………………1
1.1.3设计任务及要求…………………………………………………………………1
1.2所用Maxwell软件环境介绍....................................................................................2
1.2.1Maxwell软件环境………………………………………………………………..2
2.1电磁场公式分析………………………………………………………………………2
2.2设计指标…………….…………………………………………………………………3
3.1总体设计…………………………………………………………………………….3
3.2参数的设置与改变……………………….……………………………………….7
4.1参数设置…………….……………………………………………………………….8
4.1.1设置计算参数……………………………………………………………………8
4.1.2设置自适应计算参数……………………………………………………………9
4.2检查并运行…………………………………………………………………………10
4.3软件仿真结果……………………..…………………………………………………11
4.3.1Voltage,E,D及Energy的分布……………………………………………...11
4.3.2双导线中心连线的电场分布…………………………………………………..11
4.3.3计算单位长电容………………………………………………………………..14
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