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目录1.课程设计的目的与作用......................................................11.1设计目的............................................................11.2设计作用............................................................12设计任务及所用maxwell软件环境介绍........................................12.1设计任务............................................................12.2maxwell软件环境:....................................................13电磁模型的建立............................................................24电磁模型计算及仿真结果后处理分析..........................................75设计总结和体会...........................................................126参考文献................................................................1311.课程设计的目的与作用1.1设计目的: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。1.2设计作用:总体要求:熟练使用AnsoftMaxwell仿真软件,对电场、磁场进行分析,了解所做题目的原理。利用AnsoftMaxwell软件仿真简单的电场以及磁场分布,画出电场矢量E线图、磁感应强度B线图,并对仿真结果进行分析、总结。将所做步骤详细写出,并配有相应图片说明。2设计任务及所用Maxwell软件环境介绍2.1设计任务:题目1同轴电缆电场的仿真---2D仿真器同轴电缆描述:单心电缆有两层绝缘体,分界面为同轴圆柱面。已知R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper,外导体为lead,中间的介质ε1=5ε0,ε2=3ε0,,内导体外导体的电位分别为:内导体U=380V,外导体为0V。求:1用解析法计算电位,电场强度,电位移随半径的变化,计算单位长度电容和电场能量。2用AnsoftMaxwell软件计算上述物理量随半径的变化曲线,并画出电压分布图,计算出单位长度电容,和电场能量2.2Maxwell软件环境:AnsoftMaxwell软件特点:AnsoftMaxwell是低频电磁场有2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。3电磁模型的建立绘制过程:1.分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆。过程:利用DRAWCIRCLE通过确定两点来画圆。3最后得到一组同心圆42.利用布尔运算进行相减(subtract)得到介质层、外导体壳及内导体。从外层至内层选择相邻的两个圆(可以按住ctrl后用鼠标点击两个待选定的圆)。利用布尔运算里的切除(subtract)选项得到圆环。53.进行材料填充。内外导体利用已有材料进行填充。中间两层介质利用“添加材料(ADD)”功能自行设定材料属性,如下图。内导体、外导体分别设为已有材料copper和lead中间的介质采用自定义材料,需要对相对介电常数进行设定。第二层,第三层依次设置6ε1=5ε0,ε2=3ε0,介质,这时需要单击AddMaterial按钮来创建新的介质,Value的值即为介电常数,输入名称后单击下面的确定按钮即可。4.设定激励1.在圆1上单击鼠标右键assignexcitationvoltage,将最内层的电压设置380V:5.电位,电场强度,电位移分布7同轴电缆模型建立完后,需要进行如下操作:进行求解器的设置对绘制的物体全选(Ctrl+A)后,进行分析。检验所有设置是否正确并求解1.单击小对勾,单击小感叹号,开始求解8单击选中介质2后按ctrl+a全选,将四个介质都选中在任意一个介质上单键FieldsEMag_E,获得电场分布图:9101112场量的大小随着半径变化曲线的绘制;绘制变化曲线需要引入一条辅助线单击菜单栏的Drawline由圆心向外画一条辅助线,图中黑色的直线。单击菜单栏Maxwell2DResultsCreateFieldsResultRectangularPlot13单击Geometry的小箭头后选择Polyline1沿半径计算,然后在quantity中选择MagE生产电场强度曲线,最后单击NewReport即可生成电场随半径的变化曲线。同理一次选择MagD、Voltage可以生成电通密度曲线和电势分布曲线。144电磁模型计算及仿真结果后处理分析一、用解析法计算电位,电场强度,电位移随半径的变化以及单位长度电容和电场能量解:设同轴电缆内、外层导体分别带电+、-。由高斯定理:在介质中SdSDL所以D=223212121ln2ln23221dEdEU所以232121ln1ln12U代入E1,E2)ln(ln2321121UE)lnln(2312122UE代入具体数值,得到E1=59.277,E2=65.462由=3EdL可得电位1=1018.7-277.6ln,2=1573-462.6ln电场能量:W=DEdvV21=1.47×10-6J/mD=2=)ln1ln1(232121U=10^-8×1.23(单位为m)C=U232121ln1ln12203.1p(2)Dll11122222DEDE151.电位随半径变化情况解析法计算结果:1=1018.7-277.6ln,2=1573-462.6ln,经检验,计算结果符合ansoft得到的曲线。2.电场强度分布(标量):16电场强度随半径的变化曲线:解析法得到场强计算公式:E1=59.277,E2=65.462,公式与ansoft仿真得到的曲线符合。173.电位移分布(标量):电位移随半径的变化曲线:解析法得到D==10^-8×1.23(单位为m),与ansoft仿真下图曲线符合。18利用场计算器计算:具体过程:打开场计算器(FieldsCalculator)——点击数量(Quantity)——选择Energy——点击几何(Geometry)——选择体积(Volume)——选择AllObjectsPlusground——点击积分符号——点击Eval计算得电场能量为1.47×10-6J/m解析法得到的电场能量:W=DEdvV21=1.47×10-6J/m二者近似相等解析法得到电容:C=U232121ln1ln12203.1p195.设计总结和体会6.参考文献:
本文标题:同轴电缆电场的仿真---2D仿真器
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