工程电磁场实验报告.docx
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工程电磁场实验报告
工程电磁场实验报告
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指导老师：
实验一螺线管电磁阀静磁场分析
一、实验目的
以螺线管电磁阀静磁场分析为例，练习在MAXWELL2D环境下建立磁场模型，并求解分析磁场分布以及磁场力等数据。
二、主要步骤
a）建立项目：
其中包括生成项目录，生成螺线管项目，打开新项目与运行MAXWELL2D。
b）生成螺线管模型：
使用MAXWELL2D求解电磁场问题首先应该选择求解器类型，静磁场的求解选择Magnetostatic，然后在打开的新项目中定义画图平面，建立要求尺寸的螺线管几何模型，螺线管的组成包括Core、Bonnet、Coil、Plugnut、Yoke。
c）指定材料属性：
访问材料管理器，指定各个螺线管元件的材料，其中部分元件的材料需要自己生成，根据给定的BH曲线进行定义。
图1元件材料
图2B-H曲线
d）建立边界条件和激励源：
给背景指定为气球边界条件，给线圈Coil施加电流源。
e）设定求解参数：
本实验中除了计算磁场，还需要确定作用在螺线管铁心上的作用力，在求解参数中要注意进行设定。
f）设定求解选项：
建立几何模型并设定其材料后，进一步设定求解项，在对话框SetupSolutionOptions进入求解选项设定对话框，进行设置。
三、实验要求
建立螺线管电磁阀模型后，对其静磁场进行求解分析，观察收敛情况，画各种收敛数据关系曲线，观察统计信息；分析Core受的磁场力，画磁通量等势线，分析Plugnut的材料磁饱和度,画出其BH曲线。
通过工程实例的运行，掌握软件的基本使用方法。
四、实验结果
1.螺线管模型
图3
2.自适应求解
图4收敛数据
3.三角单元与收敛次数关系
图5
4.总能量与收敛次数关系
图6
5.磁场能量百分比与收敛次数关系
图7
6.磁场力与收敛次数关系
图8
7.统计信息
图9
8.所受磁场力
图10
大小为118.2N，方向为Core负方向。
9.磁通等势线
图11
10.材料Plugnut的B-H曲线
图12
五、实验总结
通过建立螺线管模型，熟悉了MAXWELL2D软件的使用方法，为以后的工程求解积累了经验。
实验二叠片钢涡流损耗分析
一、实验目的
1）认识钢的涡流效应的损耗，以及减少涡流的方法；
2）学习涡流损耗的计算方法；
3）学习用MAXWELL2D计算叠片钢的涡流。
二、实验内容
作用在磁钢表面的外磁场Hz=397.77A/m,即Bz=1T,要求：
1）理论分析与计算机仿真：
钢片的位置与磁场平行，在50Hz、200Hz、5000Hz的情况下，已知钢片厚度为a=0.5mm,长度远大于a,,,分别从理论计算、计算机仿真两个方面进行磁感应强度分析。
进行涡流损耗分析。
2）计算机仿真：
叠片钢的模型为四片钢片叠加而成，每一片界面的长和宽分别为
12.7mm和0.356mm，两片之间的距离为8.12m，叠片钢的电导率为2.08e6S/m，相对磁导率为2000，建立相应几何模型，并指定材料属性，指定边界条件。
分析不同频率下的涡流损耗。
三、实验数据及分析
1.叠片钢的涡流仿真图象
F=1Hz
F=60Hz
F=360Hz
F=1kHz
F=2kHz
F=5kHz
F=10kHz
2.数据分析与讨论
（1）、低频时最低磁通密度和涡流损耗及与理论计算结果比较
低频涡流损耗计算公式为：
式中，V为叠片体积；t为叠片厚度；B为峰值磁通密度；σ为叠片电导率；ω为外加磁场角频率,B=μh,μ=2000*4π*.
Maxwell2D所获得的功率损耗值是假定叠片钢在Z方向上具有单位长度（1m）时而计算出来的。
因此，上式中的体积显然需要按以下公式计算
公式成立的条件是频率低于2kHz，趋肤深度远小于叠片厚度。
由此计算各个频率下的涡流损耗，如下表所示：
仿真数据
F（Hz）
Bmin（T）
P（W）
1
1.000
1.89542e-6
60
0.999
6.81834e-3
360
0.971
2.38061e-1
1K
0.808
1.62066
2K
0.472
4.50672
5K
-0.306
9.59003
10K
-0.171
12．0080
计算结果
F（Hz）
Bmin（T）
P（W）
误差
1
1.000
1.9605e-6
3.32%
60
0.999
7.0578e-3
3.39%
360
0.971
2.395e-1
0.6%
1K
0.808
1.2796
26.6%
2K
0.472
1.7466
159%
5K
-0.306
4.5882
109%
10K
-0.171
5.7312
109%
根据以上误差分析可知，当频率较低时，理论计算值与实验值符合得很好，而当频率较高时，理论与计算值相差很大，因此该公式只适用于低频时的涡流损耗。
2、高频时最低磁通密度和涡流损耗及与理论计算结果比较
高频涡流损耗计算公式：
式中：
S为叠片表面积 ；为磁场强度切线分量；σ为叠片电导率；μ为外加磁场角频率；ω为叠片相对磁导率；为单位表面积叠片的阻抗；δ为趋肤深度。
公式的使用条件为频率大于等于10kHz，趋肤深度远远小于叠片厚度，当f=10kHz、趋肤深度时，显然满足公式适用条件，单位表面积叠片的阻抗。
这里要注意S的计算，叠片钢与磁场强度相切的面共有4个，故总的表面积。
进而可得P=12.727W。
为进行对比，利用高频公式计算2kHz、5kHz和10kHz的情况。
F（Hz）
P（实验）
P（理论）
误差
2K
4.50672
5.691
20.8%
5K
9.59003
9.011
6.4%
10K
12．0080
12.727
5.65%
由以上分析可得，当频率越大时，用该公式计算的理论值与实验值吻合的程度越高，即计算越精确。
对于10kHz以上吻合的也非常好，因此该公式适合于高频时的涡流损耗。
五、实验感想
1.通过本次实验，我学会了MAXWELL2的基本用法，意识到这个软件的强大，以及仿真对学习工程电磁场的重要性。
2.在实验过程中，有一些步骤不知道它的具体意义，只是跟着指导书按步骤做，后来在看书的过程中才慢慢理解。
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