同軸電纜電場仿真---2D仿真器

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

2、，了解所做題目的原理。利用Ansoft Maxwell軟件仿真簡單的電場以及磁場分布，畫出電場矢量E線圖、磁感應(yīng)強度B線圖，并對仿真結(jié)果進行分析、總結(jié)。將所做步驟詳細寫出，并配有相應(yīng)圖片說明。2 設(shè)計任務(wù)及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹2.1設(shè)計任務(wù)：題目1 同軸電纜電場的仿真-2D仿真器同軸電纜描述：單心電纜有兩層絕緣體，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用解析法計算電位，電場強度，電位移隨半徑的變化，

3、計算單位長度電容和電場能量。2用Ansoft Maxwell軟件計算上述物理量隨半徑的變化曲線，并畫出電壓分布圖，計算出單位長度電容，和電場能量2.2Maxwell軟件環(huán)境：Ansoft Maxwell軟件特點：Ansoft Maxwell 是低頻電磁場有限元仿真軟件，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，將工程中的電磁場計算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，使用領(lǐng)域遍及電器、機械、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。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的四個圓。過程：利用通過確定兩點來畫圓。最后得到一組同心圓.利用布爾運算進行相減（subtract）得到介質(zhì)層、外導(dǎo)體殼及內(nèi)導(dǎo)體。從外層至內(nèi)層選擇相鄰的兩個圓（可以按住ctrl后用鼠標點擊兩個待選定的圓）。利用布爾運算里的切除（subtract）選項得到圓環(huán)。.進行材料填充。內(nèi)外導(dǎo)體利用已有材料進行填充。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，需要對相對介電常數(shù)進行設(shè)定。第二層，第三層依次設(shè)置150, 230, 介質(zhì)，這時需要單擊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1.在圓1上單擊鼠標右鍵>assign excitation>voltage,將最內(nèi)層的電壓設(shè)置V：.電位，電場強度，電位移分布同軸電纜模型建立完后，需要進行如下操作：進行求解器的設(shè)置對繪制的物體全選（Ctrl+A）后,進行分析。檢驗所有設(shè)置是否正確并求解1.單擊小對勾, 單擊小感嘆號，開始求解 單擊選中介質(zhì)2后按ctrl+a全選，將四個介質(zhì)都選中在任意一個介質(zhì)上單鍵>Fields>E>Mag_E, 獲得電場分布圖： 場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沿半徑計算，然后在quantity中選擇Mag E生產(chǎn)電場強度曲線，最后單擊New Report即可生成電場隨半徑的變化曲線。同理一次選擇Mag D、Voltage可以生成電通密度曲線和電勢分布曲線。4電磁模型計算及仿真結(jié)果后處理分析一、用解析法計算電位，電場強度，電位移隨半徑的變化以及單位長度電容和電場能量解：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算結(jié)果：1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln ，經(jīng)檢驗，計算結(jié)果符合ansoft得到的曲線。.電場強度分布（標量）：電場強度隨半徑的變化曲線：解析法得到場強計算公式：E1 =，E2 =，公式與ansoft仿真得到的曲線符合。.電位移分布（標量）：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。利用場計算器計算：具體過程：打開場計算器（Fields Calculator）點擊數(shù)量（Quantity）選擇Energy點擊幾何（Geometry）選擇體積（Volume）選擇AllObjects