有关数字电子技术的课程设计Word文件下载.docx
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工作计划与进度安排:
第1天:
1.布置课程设计题目及任务。
2.查找文献、资料,确立设计方案。
第2-3天:
1.安装maxwell软件,熟悉maxwell软件仿真环境。
2.在maxwell环境下建立几何模型,学会材料选择、边界条件设置及加载激励。
第4天:
1.在maxwell环境下完成典型电磁产品仿真设计,并给出最后的场图及对应的参数。
第5天:
1.课程设计结果验收。
2.针对课程设计题目进行答辩。
3.完成课程设计报告。
成绩评定表
1303030403
课程设计题目
同轴电缆电场的仿真---2D仿真器
评
语
组长签字:
成绩
日期
20年月日
1.课程设计的目的与作用
1.1设计目的:
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。
1.2设计作用:
总体要求:
熟练使用AnsoftMaxwell仿真软件,对电场、磁场进行分析,了解所做题目的原理。
利用AnsoftMaxwell软件仿真简单的电场以及磁场分布,画出电场矢量E线图、磁感应强度B线图,并对仿真结果进行分析、总结。
将所做步骤详细写出,并配有相应图片说明。
2设计任务及所用Maxwell软件环境介绍
2.1设计任务:
题目1同轴电缆电场的仿真---2D仿真器
同轴电缆描述:
单心电缆有两层绝缘体,分界面为同轴圆柱面。
已知R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper,外导体为lead,中间的介质ε1=5ε0,ε2=3ε0,,内导体外导体的电位分别为:
内导体U=380V,外导体为0V。
求:
1用解析法计算电位,电场强度,电位移随半径的变化,计算单位长度电容和电场能量。
2用AnsoftMaxwell软件计算上述物理量随半径的变化曲线,并画出电压分布图,计算出单位长度电容,和电场能量。
2.2Maxwell软件环境:
AnsoftMaxwell软件特点:
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。
3电磁模型的建立
图3.1
绘制过程:
1.分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆。
利用DrawCircle通过确定两点来画圆,最后得到一组同心圆。
图3.2
图3.3
图3.4
2.利用布尔运算进行相减(subtract)得到介质层、外导体壳及内导体。
从外层至内层选择相邻的两个圆(可以按住ctrl后用鼠标点击两个待选定的圆)。
利用布尔运算里的切除(subtract)选项得到圆环。
图3.5
图3.6
3.进行材料填充。
内外导体利用已有材料进行填充。
中间两层介质利用“添加材(ADD)”功能自行设定材料属性,如下图,内导体、外导体分别设为已有材料copper和lead。
图3.7
图3.8
中间的介质采用自定义材料,需要对相对介电常数进行设定。
第二层,第三层依次设置ε1=5ε0,ε2=3ε0,介质,这时需要单击AddMaterial按钮来创建新的介质,Value的值即为介电常数,输入名称后单击下面的确定按钮即可。
图3.9
4.设定激励:
在圆1上单击鼠标右键>
assignexcitation>
voltage,将最内层的电压设置380V;
最外层的电压设置为0V。
图3.10
5.电位,电场强度,电位移分布同轴电缆模型建立完后,需要进行如下操作:
进行求解器的设置。
图3.11
对绘制的物体全选(Ctrl+A)后进行分析。
检验所有设置是否正确并求解:
单击小对勾,单击小感叹号,开始求解。
图3.12
图3.13
单击选中介质2后按ctrl+a全选,将四个介质都选中在任意一个介质上单键>
Fields>
E>
Mag_E,获得电场分布图:
图3.14
图3.15
图3.16
图3.17
场量的大小随着半径变化曲线的绘制:
绘制变化曲线需要引入一条辅助线单击菜单栏Draw-line由圆心向外画一条辅助线。
图3.18
图3.19
单击菜单栏Maxwell2D>
Results>
CreateFieldsResult>
RectangularPlot。
单击Geometry的小箭头后选择Polyline1沿半径计算,然后在quantity中选择MagE生产电场强度曲线,最后单击NewReport即可生成电场随半径的变化曲线。
同理一次选择MagD、Voltage可以生成电通密度曲线和电势分布曲线。
图3.20
4电磁模型计算及仿真结果后处理分析
用解析法计算电位,电场强度,电位移随半径的变化以及单位长度电容和电场能量
解:
设同轴电缆内、外层导体分别带电+
、-
。
由高斯定理:
在介质中
L
所以D=
所以
代入E1,E2
代入具体数值,得到E1=
,E2=
由
=
可得电位
1=1018.7-277.6ln
,
2=1573-462.6ln
电场能量:
W=
=1.47×
10-6J/m
D=
(
单位为m)
C=
203.1p
图3.21电位随半径变化情况
解析法计算结果:
,经检验,计算结果符合ansoft得到的曲线。
图3.22电场强度随半径的变化曲线
解析法得到场强计算公式:
E1=
,公式与ansoft仿真得到的曲线符合。
图3.23电位移随半径的变化曲线
解析法得到D==
单位为m),与ansoft仿真下图曲线符合。
利用场计算器计算:
具体过程:
打开场计算器(FieldsCalculator)——点击数量(Quantity)——选择Energy——点击几何(Geometry)——选择体积(Volume)——选择AllObjectsPlusground——点击积分符号——点击Eval
图2.24
计算得电场能量为1.47×
解析法得到的电场能量:
二者近似相等
解析法得到电容:
5设计总结和体会
刚开始接触Ansoft时,感觉很困难,但是经过自己的钻研以及老师和同学的帮助,感觉这个软件用起来还是挺方便的。
这也使我对于有限元法和Ansoft有了一定的了解,对于利用仿真的方法形象的模拟静电场有了一定的体会。
在进行静电场仿真的时候,我也遇到了许多的问题。
比如说,不知道还要设定气球边界,结果使左后生成的图只是集中在画图的小区域中,而气球边界是用来模拟无限大的求解区,可以有效的隔绝模型外的电荷源或电压源。
再比如说,一些参数的设定上,在最后生成矢量图的时候,由于size与spacing的设定不好,出现了箭头过疏与过密的问题;
其他参数的设定,一般情况下,我都是用系统的建议值。
这次的静电场仿真作业让我对静电场有了更加深入的了解,同时对解析法有了更加深刻的体会。
基本掌握了Maxwell的基本操作,对利用计算机工具求解电磁场问题有了更加深刻的认识。
6参考文献
1《Ansoft12在工程电磁场中的应用》赵博张洪亮等编著,中国水利水电出版社
2《Ansoft工程电磁场有限元分析》刘国强等编著,电子工业出版社
3《电磁场与电磁波》谢处方饶克谨等编著,高等教育出版社
4《工程电磁场原理》倪光正等编著,高等教育出版社
5《工程电磁场基础》许永斌何国瑜卢才成苏东林等编著,北京航空航天大学出社
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