同轴电缆电场的仿真---2D仿真器.doc终结版

I成绩评定表学生姓名于雅芮班级学号1303030303专业电子信息工程课程设计题目同轴电缆电场的仿真—2D仿真评语组长签字：成绩日期20年月日II课程设计任务书学院信息科学与工程专业电子信息工程学生姓名于雅芮班级学号1303030303课程设计题目电磁场与电磁波仿真设计-----同轴电缆电场的仿真——2D仿真实践教学要求与任务:1)利用电磁场仿真软件maxwell完成典型电磁产品仿真设计；2)完成几何建模、材料选择、边界条件设置、加载激励及场的求解等3)在maxwell环境下进行仿真设计，并给出最后的场图及对应的参数。工作计划与进度安排:第1天：1.布置课程设计题目及任务。2.查找文献、资料，确立设计方案。第2-3天：1.安装maxwell软件，熟悉maxwell软件仿真环境。2.在maxwell环境下建立几何模型，学会材料选择、边界条件设置及加载激励。第4天：1.在maxwell环境下完成典型电磁产品仿真设计，并给出最后的场图及对应的参数。第5天：1.课程设计结果验收。2.针对课程设计题目进行答辩。3.完成课程设计报告。指导教师：201年月日专业负责人：201年月日学院教学副院长：201年月日1目录1.课程设计的目的与作用......................................................21.1设计目的:...........................................................21.2设计作用：...........................................................22.设计任务及所用Maxwell软件环境介绍........................................32.1设计任务：题目1同轴电缆电场的仿真---2D仿真器......................32.2Maxwell软件环境：...................................................33.电磁模型的建立............................................................44电磁模型计算及仿真结果后处理分析.........................................135.设计总结和体会:..........................................................186.参考文献：...............................................................1921.课程设计的目的与作用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。1.2设计作用：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。32.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。43.电磁模型的建立图1.设置静电场1.分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆。过程：利用Draw-Circle通过确定两点来画圆。图2.不同半径的同心圆5最后得到一组同心圆图3.四个半径不同的同心圆2.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。图4.分离介质层与导体层6图5.得到介质层与导体层3.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图6.设置内外导体材料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ε1＝5ε0,ε2＝3ε0,介质，这时需要单击AddMaterial按钮来创建新的介质，Value的7值即为介电常数，输入名称后单击下面的确定按钮即可。图7.改变相对介电常数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：图8.设置内外导体电压5.电位，电场强度，电位移分布8同轴电缆模型建立完后，需要进行如下操作：进行求解器的设置图9.设置误差对绘制的物体全选（Ctrl+A）后,进行分析。图10.分析模型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9图11.检查模型正误单击选中介质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：图12.电场分布图10图14.电势分布图图15.电位移分布图11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。图16.添加辅助线单击菜单栏Maxwell2DResultsCreateFieldsResultRectangularPlot图17.求解曲线12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。图18.选择曲线134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=223212121ln2ln23221dEdEU所以232121ln1ln12U代入E1，E2)ln(ln2321121UE)lnln(2312122UE代入具体数值，得到E1=59.277，E2=65.462由=3EdL可得电位1=1018.7-277.6ln，2=1573-462.6ln电场能量：W=DEdvV21=1.47×10-6J/mD=2=)ln1ln1(232121U=10^-8×1.23(单位为m)C=U232121ln1ln12203.1p(2)Dll11122222DEDE14图19电势随位移变化情况图20.电势随位移变化曲线图解析法计算结果：1=1018.7-277.6lnρ，2=1573-462.6lnρ，经检验，计算结果符合ansoft得到的曲线。152.电场强度分布：图21.电场强度矢量图电场强度随半径的变化曲线：图22.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。163.电位移分布：图23.电位移矢量图图24.电位移随半径变化曲线图解析法得到D==10^-8×1.23(单位为m)，与ansoft仿真下图曲线符合。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Energy17——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=DEdvV21=1.47×10-6J/m,二者近似相等解析法得到电容：C=U232121ln1ln12203.1p185.设计总结和体会:刚开始接触Ansoft时并没有很简单，但是通过老师的指导初步掌握了建立模型的技巧，而且进一步对电磁场与电磁波这门课有了更深的认识和了解。在静电场仿真过程中也遇到很多问题，例如在边界条件的设定时只是按照题目所给变量赋值，没有很好地变通，通过老师的指点，对边界条件及介电常数的改变让我们更加清晰的看到在静电场中相对介电常数和位移的改变对变量的影响。其次在设定误差时将误差范围改的很大，在老师的纠正后已经改正。在最后的ansoftMaxwell的仿真结果与实际计算结果的误差不是很大，均在正常范围内，所以仿真是成功的。通过仿真可以更加直观的观察电势，电场强度，电位移在同轴电缆上的分布情况。仿真模型的建立需要耐心，肯于钻研，同时接触不同的错误，自主找出错误的原因，积累丰富的仿真软件运用能力。196.参考文献：1.《Ansoft12在工程电磁场中的应用》赵博张洪亮等编著，中国水利水电出版社2.《Ansoft工程电磁场有限元分析》刘国强等编著，电子工业出版社3.《电磁场与电磁波》苏东林陈爱新谢树果等编著，高等教育出版社4.《工程电磁场》许丽萍等编著，人民邮电出版社5.《电磁场理论基础》陈重崔正勤编著，北京理工大学出版社