平行双线地电场仿真修复地.docx

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平行双线地电场仿真修复地

一、题目概述

1.1内容

1.1.1设计目的

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

1.1.2设计作用

电磁场与电磁波主要介绍电磁场与电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方法以及在现实生活中的应用，内容包括电磁场与电磁波理论建立的历史意义、静电场与恒流电场、电磁场的边值问题、静磁场、时变场和麦克斯韦方程组、准静态场、平面电磁波的传播、导行电磁波以及谐振器原理等。

全书沿着电磁场与电磁波理论和实践发展的历史脉络，将历史发展的趣味性与理论叙述和推导有机结合，同时介绍了电磁场与电磁波在日常生活、经济社会以及科学研究中的广泛应用。

书中的大量例题强调了基本概念并说明分析和解决典型问题的方法；每章末的思考题用于测验学生对本章内容的记忆和理解程度；每章的习题可增强学生对于公式中不同物理量的相互关系的理解，同时也可培养学生应用公式分析和解决问题的能力。

1.1.3设计任务及要求

平行双线的电场仿真，如图1.1所示，两长直导线相距400mm，导线半径20mm，其材料（material）是铁（iron），场域中介质是空气（air）（

）。

其中：

一支导线电势为1000V，另一支导线电势为-500V；求：

计算平行双线周围的电场分布，并计算单位长电容。

图1.1

1.2所用Maxwell软件环境介绍

1.2.1Maxwell软件环境：

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.

二、功能分析

2.1电磁场公式分析

设导线表面单位长度带电+λ，-λ，则

两线间任意点P的场强：

E=

式（2.1）

U=

式（2.2）

单位长度电容：

式（2.3）

2.2设计指标

已知两长直导线相距400mm，导线半径20mm，其材料属性是铁，场域中介质是空气（

）。

其中：

一支导线电势为1000V，另一支导线电势为-500V。

参数设置完成后，利用Maxwell软件，观察在其绘制出的电压变化曲线图、电场强度变化曲线图、电位移密度变化曲线图和能量变化曲线图，分别分析各个图谱中电压V、场强E、电位移密度和能量W的变化趋势。

三、设计与仿真

3.1总体设计

Project>InsertMaxwell2DDesign

File>Saveas>wds（工程命名为“wds”），见图3.1

图3.1

选择求解器类型：

Maxwell>SolutionType>Electric>Electrostatic

见图3.2

图3.2

创建左导线

Draw>Circle

左导线起点：

（X,Y,Z）=（0,0,0）

坐标偏置：

（dX,dY,dY）=（20,20,0），见图3.3

图3.3

AssignMaterial>铁（iron），见图3.4

图3.4

创建右导线

Draw>Circle

右导线起点：

（X,Y，Z）=（400,0,0）

坐标偏置：

（dX,dY,dZ）=（20,20,0），见图3.5

图3.5

AssignMaterial>铁（iron），见图3.6

图3.6

创建场域中介质

Draw>Rectangle

场域起点：

（X,Y,Z）=（400,100,0）

坐标偏置：

（dX,dY,dZ）=（-400,-100,0），见图3.7

图3.7

AssignMaterial>空气（air）（

）。

见图3.8

图3.8

3.2参数的设置与改变

选中左导线

Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>1000V

见图3.9

图3.9

选中右导线

Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>-500V

见图3.10

图3.10

四、设计与仿真

4.1参数的设置

4.1.1设置计算参数：

Maxwell2D>Parameters>Assign>Matrix>Voltage1,

Voltage2

见图4.1

图4.1

4.1.2设置自适应计算参数：

Maxwell2D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup

最大迭代次数：

Maximumnumberofpasses>10

误差要求：

PercentError>1%

每次迭代加密剖分单元比例：

RefinementperPass>30%

见图4.2和图4.3

图4.2

图4.3

4.2检查并运行

Maxwell2D>AnalyzeAll，然后计算机就开始进行计算。

见图4.4

图4.4

4.3软件仿真结果

4.3.1Voltage，E，D及Energy的分布

检查完毕后，Maxwell2D>Fields>Fields,分别选择Voltage,E,D,还

有Other>Energy.

见图4.5

图4.5

4.3.2双导线中心连线的电场分析

绘制双导线中心连线，Draw>Line,以左边导线的中心为起点，右边导线中心为中点绘制中心连线。

见图4.6

图4.6

Maxwell2D>Results>CreateFieldsReport>Rectangular

Plot,Geometry>Polyine1,再分别选择Voltage,E,D,Energy。

图4.7

由上面电压变化曲线图4.7可知：

从左边导线中心到28mm时候，电压保持在1000V，没有发生改变；从372mm处到400mm之间，电压保持在-500V不变;而在28mm到372mm之间，电压随距离的变化呈线性递减。

图4.8

图4.9

图4.10

图4.8，图4.9，图4.10分别为场强，电位移密度，能量变化图。

有以上图可以明显的看出：

在从左边导线中心到28mm之间，以上三值均为0；从372mm处到400mm之间，以上三值也均为0；而从28mm到372mm之间，三条曲线均保持同一个变化规律：

先递减，中间有一段平衡距离，随后递增。

4.3.3计算单位长电容

Maxwell2D>Fields>Calcalator,Input>Quantity>

Energy,Geoemtry>AllOblects,Scalar的积分号，Output>

Eval.见图4.11

图4.11

由图可知，能量为0.00006429J，计算出电容值为C=5.7055pF。

五、设计总结和体会

通过这次课程设计，使我对电磁场电磁波这门课又重新的认识，其并不仅仅是书本上的死知识，而是与生活紧密相连，就好比一个简单地平行直导线，电压，电位移分布并不仅仅是看上去那么简单。

经过这次课程设计后，使我懂得：

理论与实际相结合的重要性，只有这样，才能使得我们更好的掌握和运用所学的知识，从而提高学习兴趣。

六、参考文献：

[1]苏东林，陈爱新，谢树果.电磁场与电磁波.北京：

高等教育出版社，2009

[2]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京：

高等教育出版社，2006

1.1内容……………………………………………………………………………………..1

1.1.1设计目的…………………………………………………………………………1

1.1.2设计作用…………………………………………………………………………1

1.1.3设计任务及要求…………………………………………………………………1

1.2所用Maxwell软件环境介绍....................................................................................2

1.2.1Maxwell软件环境………………………………………………………………..2

2.1电磁场公式分析………………………………………………………………………2

2.2设计指标…………….…………………………………………………………………3

3.1总体设计…………………………………………………………………………….3

3.2参数的设置与改变……………………….……………………………………….7

4.1参数设置…………….……………………………………………………………….8

4.1.1设置计算参数……………………………………………………………………8

4.1.2设置自适应计算参数……………………………………………………………9

4.2检查并运行…………………………………………………………………………10

4.3软件仿真结果……………………..…………………………………………………11

4.3.1Voltage，E，D及Energy的分布……………………………………………...11

4.3.2双导线中心连线的电场分布…………………………………………………..11

4.3.3计算单位长电容………………………………………………………………..14