數(shù)值分析實驗報告

1、電器數(shù)值分析仿真實驗報告姓名 學號 班級 時間 2015學年秋季 上機練習：一問題描述平板空氣電容器如圖所示，求其電場的分布。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相應模型，求平行板電容器的電場分布2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解場（Electrostatic）。利用Maxwell-2D仿真建立平行板容器的模型：添加材料：極板為銅copper，板間真空vacuum。添加激勵：左極板為0v，右極板為10v。外邊框設(shè)置氣球邊界。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）實驗結(jié)果（1）電場矢量分布：（2）電場標量分布：（3）電位移矢量分布：（4）電位

2、移標量分布：（二）對實驗結(jié)果的討論從E,D的空間分布可以看出兩個平行板電容器之間的電場為勻強電場，在極板邊緣處電場分布出現(xiàn)尖端效應，右極板內(nèi)側(cè)的尖端電場強度最大，且為正極電場線從右極板發(fā)出，平行板電容器外部電場為零。實驗結(jié)果與理論分析基本相符。4. 總結(jié)在進行建模的時候可以在畫完一個極板后通過鏡像對稱這種簡單的方法來畫對稱的圖形。運用仿真可以節(jié)省材料，在仿真的過程中，對仿真結(jié)果進行思考，會出現(xiàn)一些在理論分析中一般會忽略的現(xiàn)象，比如尖端效應等。二問題描述避雷器（銅）簡化模型如圖所示，求解避雷針的電壓分布。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相應模型，求解避雷器的電壓分布。2. 仿真過程與分析（

3、1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：屬于靜電場問題（Electrostatic）利用Maxwell-2D仿真建立平行板容器的模型：添加材料：極板為銅copper。添加激勵：最上面的極板接100v，最下面的接0v，設(shè)置邊界條件為氣球邊界。設(shè)置求解器solver。求解電壓分布。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）實驗結(jié)果（1）避雷器的電壓分布如下圖所示：（二）對實驗結(jié)果的討論避雷器之間電壓由100v到0v均勻降落電勢大約分別為100v，67v，34v，0v，與極板間的距離成正比。實驗結(jié)果與理論分析相符。4. 總結(jié)添加激勵時，只需要將最頂?shù)暮妥畹椎你~片分別加100v

4、和0v，其他的不需要。通過做仿真實驗可得出銅板加的越多，電壓分布在每片上的電勢值就越小，不易擊穿，讓我進一步驗證了理論。三問題描述一矩形接地金屬槽，長40cm ，寬20cm，邊界條件如圖所示，求解槽內(nèi)電壓分布。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立仿真模型，求解槽內(nèi)電壓分布。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：靜電場（Electrostatic）利用Maxwell-2D仿真建立金屬槽的模型：添加材料：四個極板為銅copper。設(shè)置槽各個邊框的激勵電壓：最上面的100v其他三個為0v。設(shè)置邊界條件為氣球邊界。設(shè)置求解器solver。

5、求解電壓分布。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）電壓分布（二）對實驗結(jié)果的討論由于尖端效應，金屬槽上極板兩端與槽的間隙電場變化最快，在槽內(nèi)，電場強度基本分布均勻，電勢值正比于距離遞減，所以呈現(xiàn)U型。實驗結(jié)果與理論分析相符。4. 總結(jié)通過仿真實驗可以直觀快速的看到金屬槽的電壓分布，不用繁瑣的計算。進一步驗證了理論，從而加深了對理論的理解。四問題描述兩個半徑為5mm的實心鐵球，球心距為30mm，帶電量均為1C。分析空間電場分布。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立仿真模型，求解兩個實心鐵球的空間電場分布。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設(shè)置偶對稱邊界。（2）仿真

6、過程：選擇求解場（Electrostatic）。建立實心鐵球的模型：添加材料：金屬球為鐵iron。添加激勵：給實心鐵球加電荷量為1C。添加邊界：第一種四周加氣球邊界，第二種對稱軸加對偶對稱邊界其余三條添加氣球邊界。設(shè)置求解器solver。求解空間電場分布。3.仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）空間電場分布氣球邊界對稱邊界（二）對實驗結(jié)果的分析兩個帶有相同電荷量的鐵球，連線中心處的電場為零，兩個鐵球周圍的電場隨距鐵球距離的增加而減小，從兩電荷中垂線到無窮遠的電場強度先增大后減小，在兩個電荷附近有最大值。實驗結(jié)果與理論分析相符合。4. 總結(jié)等量同種電荷的電場分布，將對稱邊界（1/2模型）由偶邊e

7、ven改成奇邊odd，或者將左邊金屬球電荷量改為-1c來分析。通過仿真實驗，更直觀的看到兩電荷的庫倫定律。五、問題描述在一長直導線直徑為5mm中通有1A的直流電流，求其周圍磁力線的分布。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立仿真模型，求無限長直導線周圍磁力線分布。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：屬于靜磁場問題（Magnetostatic）。利用Maxwell-2D仿真建立5mm長直導線模型：添加材料：導線為銅copper。給長直導線加激勵電流為5A（方向為垂直紙面向外（positive）。設(shè)置求解器solver。求磁力線分布。

8、3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）磁力線分布（二）對實驗結(jié)果的討論長直導線外磁力線的方向符合右手定則，外部大小符合成反比例關(guān)系，內(nèi)部為B=Ir/2R²與r有關(guān)呈線性關(guān)系。實驗結(jié)果與理論分析相符合.4.總結(jié)通過做仿真實驗我更加清晰明確的看到了長直導線周圍的磁力線分布。六 問題描述有一個電抗器，由三層線圈正向串聯(lián)接在一個直流電源上。電流由z軸右半軸流入,左半軸流出。求電抗器磁感應強度分布狀況。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立仿真模型，求電抗器磁感應強度分布狀況。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框可以設(shè)置氣球邊界，也可以用全氣球邊界。（2）仿真過程：選

9、擇求解器：屬于靜磁場（Magnetostatic）。利用Maxwell-2D仿真建立電抗器模型：添加材料：極板為銅copper。添加激勵：左邊電流為10A,方向向外（positive）; 右邊電流為10A,方向向內(nèi)（negative）。并設(shè)置邊界，第一種為全氣球邊界，第二種為對稱邊界，在對稱軸邊界設(shè)置為奇odd對稱邊界，其余為氣球邊界。設(shè)置求解器solver。求磁感應強度分布狀況。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）采用對稱邊界得到的磁力線分布（2）采用全氣球邊界得到的磁力線分布（二）對實驗結(jié)果的討論實驗結(jié)果與理論分析相符。同種電流磁場相互削弱，異種電流磁場相互加強，電抗器中心軸處磁感應

10、強度最強，向外逐漸減弱。4.總結(jié)通過做仿真實驗我更加清晰明確的看到了電抗器磁感應強度的分布。七 問題描述相互靠近的導體通有交變電流時，觀察其鄰近效應。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相關(guān)模型，當相互靠近的導體通有交變電流時，觀察其鄰近效應。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：為渦流場（Eddy Current）。利用Maxwell-2D仿真建立導體通有交變電流模型。添加材料：導線為銅copper。添加激勵：電流大小為10A,方向分別向外（positive）。并設(shè)置氣球邊界。設(shè)置求解器solver，其中選擇頻率為1KHz。觀察

11、臨近效應。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）鄰近效應（二）對實驗結(jié)果的討論在實驗的過程中為了清晰的看到臨近效應，需要通過不斷的試驗從而選擇合適的電流大小、兩根導線之間距離的大小和頻率大小，最終得到的結(jié)論是：電流越大，間距越小以及頻率越高時臨近效應越明顯。4.總結(jié)在實驗的過程中，通過不斷的改變電流和頻率，使我加深了對臨近效應的理解。2、 銅導體通100A的交變電流（1KHz）1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相關(guān)模型，當相互靠近的導體通有交變電流時，觀察其集膚效應。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：為渦流場（Eddy

12、Current）。利用Maxwell-2D仿真建立導體通有交變電流模型。添加材料：導線為銅copper。添加激勵：電流大小為100A，并設(shè)置氣球邊界。設(shè)置求解器solver，其中選擇頻率為1KHz。觀察集膚效應。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）集膚效應（2） 對實驗結(jié)果的討論 集膚效應為當導體中有交流電或交變電磁場時，導體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導體外表的薄層，越靠近導體表面電流密度越大，導線內(nèi)部實際上電流較小。4.總結(jié)做仿真實驗中，不斷改變交變電流的頻率，仿真結(jié)果不同，頻率越高效果越明顯，使我加深了對集膚效應的理解。八 問題描述兩長直導線相距400mm，導體半徑為20mm，

13、其中一導線電勢為220V，另一支導線電勢為0V，其材料（material）是鐵（iron）,場域中介質(zhì)是空氣（air）。觀察電場分布。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相關(guān)模型，觀察兩根長直導線周圍電場分布。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：屬于為靜電場（Electrostatic）。建立倆長直導線模型：添加材料：導體為鐵iron，場域介質(zhì)為空氣air。添加激勵：激勵，左邊導線電壓大小為220V,右邊導線電壓大小為0V。并設(shè)置氣球邊界。設(shè)置求解器solver。觀察倆長直導線周圍電場分布。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（

14、1）電場分布（二）對實驗結(jié)果的討論兩根長直導線周圍電場線密集處，場強大；稀疏出，場強小。電場線從左邊電壓為220V導線出發(fā)，右邊電壓為0V導線。實驗結(jié)果與理論分析相符。4.總結(jié)實驗結(jié)果與理論分析相符合，在實驗的過程中，我對兩根長直導線的空間電場分布有了更進一步的認識。九 問題描述如圖：同軸電纜模型，內(nèi)導體半徑為20mm，外導體半徑為160mm，厚度為20mm，內(nèi)外導體均用銀（silver），內(nèi)外導體間填充樹脂玻（plexiglass）。內(nèi)導體電勢為380V，外導體電勢為0V。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相關(guān)模型，觀察同軸電纜電場分布。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜電場問題

15、，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：屬于靜電場（Electrostatic）。利用Maxwell-2D仿真建立同軸電纜模型：添加材料：內(nèi)外導體均用銀（silver），內(nèi)外導體間填充樹脂玻（plexiglass）。添加激勵：內(nèi)導體電勢為380V，外導體電勢為0V。并設(shè)置氣球邊界。設(shè)置求解器solver。觀察同軸電纜電場分布。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）電場分布（二）對實驗結(jié)果的討論同軸電纜內(nèi)部電場應該為從里向外逐漸減小場點電場強度與場點距內(nèi)導體中心距離成反比，且半徑相同處電場大小相同。電纜外部電場為零。實驗結(jié)果與理論分析相符合。4.總結(jié)實驗結(jié)果與理論分析相符合，在實驗

16、的過程中能直觀的看出電場強度分布情況，加深了我對相關(guān)物理現(xiàn)象的理解。對同軸電纜空間電場分布有了更進一步的認識。十 問題描述線圈電流大小均為4A，具體方向：從左到右第一組線圈為右進左出；第二組左進右出。鐵心材料為Steel-1008， 線圈材料copper。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立仿真模型，求該模型磁力線分布。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：屬于靜磁場（Magnetostatic）。建立相關(guān)模型：添加材料：鐵心材料為Steel-1008， 線圈材料為銅copper。線圈電流大小均為4A，具體方向：從左到右第一組線圈

17、為右進左出；第二組左進右出。進為negative，出為positive設(shè)置求解器solver。求磁力線分布。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）磁力線分布（二）對實驗結(jié)果的討論理論上，鐵心的磁導率比空氣大的多，所以磁力線應該主要集中在鐵心中。在鐵心中，磁通量相同，面積大的地方磁感應強度小，面積小的地方磁感應強度大。實驗結(jié)果與理論分析相符。4.總結(jié)由于氣隙的存在，使得整體磁路的磁場強度降低，從而可以防止鐵心飽和，提高鐵心的利用率。通過做仿真實驗我更加清晰的看到了單相雙繞組變壓器鐵心中的磁力線分布，加深了對知識的理解。十一 問題描述兩個實體圓柱鐵芯，中間被空氣隙分開，線圈中心點處于空氣隙中心

18、。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立仿真模型，計算該簡單直流致動器磁力線分布以及氣隙中心點的磁感應強度的數(shù)值。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框設(shè)置奇對稱邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：靜磁場（Magnetostatic）。建立相關(guān)模型：添加材料：鐵心材料為Steel-1008， 線圈材料為銅copper。添加激勵：線圈電流大小為10A，線圈電流方向向外。并設(shè)置氣球邊界。設(shè)置求解器solver。求磁力線分布。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）磁力線分布（二）對實驗結(jié)果的討論實驗結(jié)果中的磁力線方向以及大小與均與理論相符合。鐵心的磁導率比空氣的大，線圈產(chǎn)生的磁

19、場會優(yōu)先通過鐵心，產(chǎn)生的損耗小魚空氣，使磁場能定向通過鐵心。氣隙中的磁場為勻強磁場，且鐵心尖端處磁場最強。4.總結(jié)通過做仿真實驗我更加清晰的看到了直流致動器中的磁力線分布。十二 問題描述三相繞組電流大小均為10A，頻率為1KHz。具體方向：三相繞組均為左進右出。變壓器鐵芯材料為Steel-1008， 繞組材料為銅copper。1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相關(guān)模型，觀察三相變壓器鐵芯的渦流損耗。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：為渦流場（Eddy Current）。利用Maxwell-2D仿真建立三相變壓器鐵心模型：添加

20、材料：變壓器鐵心材料為Steel-1008， 繞組材料為銅copper。給線圈加激勵：三相繞組電流大小均為10A，頻率為1KHz。具體方向：三相繞組均為左進右出。進為negative，出為positive。設(shè)置求解器solver，其中選擇頻率為1KHz。觀察鐵芯渦流損耗。3. 仿真結(jié)果與討論 （一）仿真結(jié)果（1）渦流損耗（二）對實驗結(jié)果的討論在實驗的過程中為了清晰的看到三相變壓器鐵芯的渦流損耗，需要不斷選擇合適的電流大小和頻率大小。最終得到的結(jié)論是：電流越大以及頻率越高時渦流損耗越明顯，越靠近線圈的鐵心渦流損耗越大。同時，渦流損耗主要集中在變壓器鐵芯的邊緣處。4.總結(jié)實驗結(jié)果與理論分析相符合。

21、在實驗的過程中，可以看到了三相變壓器鐵芯的渦流損耗。畫圖時先畫大矩形，然后再畫兩個小矩形，用subtract減掉兩個矩形實現(xiàn)鐵心鐵柱鐵軛無縫連接。十三 問題描述感應加熱：利用電磁感應原理，把坯料放在交變磁場中，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應電流，從而產(chǎn)生焦耳熱來加熱坯料的方法。感應器一般是輸入中頻或高頻交流電 (300-300000Hz或更高)。 1. 仿真目的利用ansoft軟件建立相關(guān)模型，觀察坯料在交變磁場中感應出的的渦流。 2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設(shè)置氣球邊界。（2）仿真過程：選擇求解器：為渦流場（Eddy Current）。利用Maxwell-2D仿真建立坯料模型：添加材料：坯料材料為鐵iron，繞組材料為銅copper。添加激勵：線圈電流大小均為100A，頻率為2KHz。具體方向：垂直紙面向外positive。并設(shè)置邊界最左側(cè)邊界為奇對稱邊界odd，其余為氣球邊界。設(shè)置求解器solver，其中選擇頻