同軸電纜電場(chǎng)仿真---2D仿真器

1、目錄1.課程設(shè)計(jì)的目的與作用11.1設(shè)計(jì)目的 1 1.2設(shè)計(jì)作用 . 12 設(shè)計(jì)任務(wù)及所用maxwell軟件環(huán)境介紹12.1設(shè)計(jì)任務(wù) 12.2maxwell軟件環(huán)境：13電磁模型的建立24電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析75 設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì)126 參考文獻(xiàn) 131.課程設(shè)計(jì)的目的與作用1.1設(shè)計(jì)目的：目的：電磁場(chǎng)與電磁波課程理論抽象、數(shù)學(xué)計(jì)算繁雜，將Maxwell軟件引入教學(xué)中，通過對(duì)典型電磁產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)，并模擬電磁場(chǎng)的特性，將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的理解和應(yīng)用，提高教學(xué)質(zhì)量。1.2設(shè)計(jì)作用：總體要求：熟練使用Ansoft Maxwell 仿真軟件，對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行分析

2、，了解所做題目的原理。利用Ansoft Maxwell軟件仿真簡(jiǎn)單的電場(chǎng)以及磁場(chǎng)分布，畫出電場(chǎng)矢量E線圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度B線圖，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)。將所做步驟詳細(xì)寫出，并配有相應(yīng)圖片說明。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹2.1設(shè)計(jì)任務(wù)：題目1 同軸電纜電場(chǎng)的仿真-2D仿真器同軸電纜描述：?jiǎn)涡碾娎|有兩層絕緣體，分界面為同軸圓柱面。已知R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm,內(nèi)導(dǎo)體為copper，外導(dǎo)體為lead，中間的介質(zhì)150, 230, ,內(nèi)導(dǎo)體外導(dǎo)體的電位分別為：內(nèi)導(dǎo)體U=380V，外導(dǎo)體為0V。求：1用解析法計(jì)算電位，電場(chǎng)強(qiáng)度，電位移隨半徑的變化，

3、計(jì)算單位長(zhǎng)度電容和電場(chǎng)能量。2用Ansoft Maxwell軟件計(jì)算上述物理量隨半徑的變化曲線，并畫出電壓分布圖，計(jì)算出單位長(zhǎng)度電容，和電場(chǎng)能量2.2Maxwell軟件環(huán)境：Ansoft Maxwell軟件特點(diǎn)：Ansoft Maxwell 是低頻電磁場(chǎng)有限元仿真軟件，在工程電磁領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，使用領(lǐng)域遍及電器、機(jī)械、石油化工、汽車、冶金、水利水電、航空航天、船舶、電子、核工業(yè)、兵器等眾多行業(yè)，為各領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用作出了巨大的貢獻(xiàn)。3電磁模型的建立 繪制過程：1. 分別作出半徑R1=10mm,R2=

4、20mm,R3=30mm,R4=31mm的四個(gè)圓。過程：利用通過確定兩點(diǎn)來畫圓。最后得到一組同心圓.利用布爾運(yùn)算進(jìn)行相減（subtract）得到介質(zhì)層、外導(dǎo)體殼及內(nèi)導(dǎo)體。從外層至內(nèi)層選擇相鄰的兩個(gè)圓（可以按住ctrl后用鼠標(biāo)點(diǎn)擊兩個(gè)待選定的圓）。利用布爾運(yùn)算里的切除（subtract）選項(xiàng)得到圓環(huán)。.進(jìn)行材料填充。內(nèi)外導(dǎo)體利用已有材料進(jìn)行填充。中間兩層介質(zhì)利用“添加材料（ADD）”功能自行設(shè)定材料屬性，如下圖。內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體分別設(shè)為已有材料copper和lead中間的介質(zhì)采用自定義材料，需要對(duì)相對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行設(shè)定。第二層，第三層依次設(shè)置150, 230, 介質(zhì)，這時(shí)需要單擊Add Materi

5、al按鈕來創(chuàng)建新的介質(zhì)，Value 的值即為介電常數(shù)，輸入名稱后單擊下面的確定按鈕即可。.設(shè)定激勵(lì)1.在圓1上單擊鼠標(biāo)右鍵>assign excitation>voltage,將最內(nèi)層的電壓設(shè)置V：.電位，電場(chǎng)強(qiáng)度，電位移分布同軸電纜模型建立完后，需要進(jìn)行如下操作：進(jìn)行求解器的設(shè)置對(duì)繪制的物體全選（Ctrl+A）后,進(jìn)行分析。檢驗(yàn)所有設(shè)置是否正確并求解1.單擊小對(duì)勾, 單擊小感嘆號(hào)，開始求解 單擊選中介質(zhì)2后按ctrl+a全選，將四個(gè)介質(zhì)都選中在任意一個(gè)介質(zhì)上單鍵>Fields>E>Mag_E, 獲得電場(chǎng)分布圖： 場(chǎng)量的大小隨著半徑變化曲線的繪制；繪制變化曲線需要

6、引入一條輔助線單擊菜單欄的Draw>line由圓心向外畫一條輔助線，圖中黑色的直線。單擊菜單欄Maxwell 2D>Results>Create Fields Result>Rectangular Plot單擊Geometry的小箭頭后選擇Polyline1沿半徑計(jì)算，然后在quantity中選擇Mag E生產(chǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度曲線，最后單擊New Report即可生成電場(chǎng)隨半徑的變化曲線。同理一次選擇Mag D、Voltage可以生成電通密度曲線和電勢(shì)分布曲線。4電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析一、用解析法計(jì)算電位，電場(chǎng)強(qiáng)度，電位移隨半徑的變化以及單位長(zhǎng)度電容和電場(chǎng)能量解：設(shè)同

7、軸電纜內(nèi)、外層導(dǎo)體分別帶電+、-。由高斯定理：在介質(zhì)中 L所以D=所以代入E1，E2 代入具體數(shù)值，得到E1 =，E2 =由=可得電位1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln 電場(chǎng)能量：W=1.47×10-6 J/mD=(單位為m)C=203.1p.電位隨半徑變化情況解析法計(jì)算結(jié)果：1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln ，經(jīng)檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果符合ansoft得到的曲線。.電場(chǎng)強(qiáng)度分布（標(biāo)量）：電場(chǎng)強(qiáng)度隨半徑的變化曲線：解析法得到場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式：E1 =，E2 =，公式與ansoft仿真得到的曲線符合。.電位移分布（標(biāo)量）：電位移隨半徑的變化曲線：解析法得到D=(單位為m)，與ansoft仿真下圖曲線符合。利用場(chǎng)計(jì)算器計(jì)算：具體過程：打開場(chǎng)計(jì)算器（Fields Calculator）點(diǎn)擊數(shù)量（Quantity）選擇Energy點(diǎn)擊幾何（Geometry）選擇體積（Volume）選擇AllObjects