同軸電纜電場(chǎng)的仿真-2D仿真器

1、-PAGE 22. z.*理工大學(xué)電磁場(chǎng)與電磁波課程設(shè)計(jì)1同軸電纜電場(chǎng)的仿真2D仿真器同軸電纜電場(chǎng)的仿真2D仿真器目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc455078720同軸電纜電場(chǎng)的仿真2D仿真器同軸電纜電場(chǎng)的仿真2D仿真器 PAGEREF _Toc455078720 h 1HYPERLINK l _Toc4550787211.題目概述 PAGEREF _Toc455078721 h 2HYPERLINK l _Toc4550787221.1題目：同軸電纜電場(chǎng)的仿真2D仿真器 PAGEREF _Toc455078722 h 2HYPERLINK l _Toc4

2、550787231.2 設(shè)計(jì)目的： PAGEREF _Toc455078723 h 2HYPERLINK l _Toc4550787241.3設(shè)計(jì)作用： PAGEREF _Toc455078724 h 2HYPERLINK l _Toc4550787251.4 Ma*well軟件環(huán)境： PAGEREF _Toc455078725 h 3HYPERLINK l _Toc4550787262設(shè)計(jì)與仿真 PAGEREF _Toc455078726 h 3HYPERLINK l _Toc4550787272.1繪制過(guò)程與參數(shù)設(shè)置： PAGEREF _Toc455078727 h 4HYPERLINK

3、l _Toc4550787282.2仿真過(guò)程 PAGEREF _Toc455078728 h 8HYPERLINK l _Toc455078729電位，電場(chǎng)強(qiáng)度，電位移分布 PAGEREF _Toc455078729 h 8HYPERLINK l _Toc455078730計(jì)算電容 PAGEREF _Toc455078730 h 15HYPERLINK l _Toc455078731計(jì)算電場(chǎng)能量 PAGEREF _Toc455078731 h 17HYPERLINK l _Toc4550787323計(jì)算結(jié)果處理分析 PAGEREF _Toc455078732 h 18HYPERLINK l _

4、Toc4550787334. 設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì) PAGEREF _Toc455078733 h 19HYPERLINK l _Toc4550787345參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc455078734 h 191.題目概述1.1題目：同軸電纜電場(chǎng)的仿真2D仿真器同軸電纜描述：?jiǎn)涡碾娎|有兩層絕緣體，分界面為同軸圓柱面。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-380V。求：1用解析法計(jì)算電位，電場(chǎng)強(qiáng)度，電位移隨半徑的變化，計(jì)算單位長(zhǎng)度電容和電場(chǎng)能

5、量。2用Ansoft Ma*well軟件計(jì)算上述物理量隨半徑的變化曲線，并畫(huà)出電壓分布圖，計(jì)算出單位長(zhǎng)度電容，和電場(chǎng)能量圖1.1同軸電纜1.2設(shè)計(jì)目的：電磁場(chǎng)與電磁波課程理論抽象、數(shù)學(xué)計(jì)算繁雜，將Ma*well軟件引入教學(xué)中，通過(guò)對(duì)典型電磁產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)，并模擬電磁場(chǎng)的特性，將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的理解和應(yīng)用，提高教學(xué)質(zhì)量。1.3設(shè)計(jì)作用：總體要求：熟練使用Ansoft Ma*well 仿真軟件，對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)展分析，了解所做題目的原理。利用Ansoft Ma*well軟件仿真簡(jiǎn)單的電場(chǎng)以及磁場(chǎng)分布，畫(huà)出電場(chǎng)矢量E線圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度B線圖，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)展分析、總結(jié)。將所

6、做步驟詳細(xì)寫(xiě)出，并配有相應(yīng)圖片說(shuō)明。1.4Ma*well軟件環(huán)境：Ansoft Ma*well軟件特點(diǎn)：Ansoft Ma*well 是低頻電磁場(chǎng)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(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓褂妙I(lǐng)域普及電器、機(jī)械、石油化工、汽車(chē)、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)用作出了巨大的奉獻(xiàn)。2設(shè)計(jì)與仿真圖2.1 建立2D設(shè)計(jì)界面2.1繪制過(guò)程與參數(shù)設(shè)置：分別作出半徑R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四個(gè)圓。過(guò)程：利用DERW CYCL

7、E通過(guò)確定兩點(diǎn)來(lái)畫(huà)圓，如圖2.2。圖2.2 利用DERW CYCLE功能畫(huà)圓最后得到一組同心圓，如圖2.3.圖2.3 所得同心圓.利用布爾運(yùn)算進(jìn)展相減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(gè)圓可以按住ctrl后用鼠標(biāo)點(diǎn)擊兩個(gè)待選定的圓。利用布爾運(yùn)算里的切除subtract選項(xiàng)得到圓環(huán)，如圖2.4。圖2.4 圓環(huán)的切割.進(jìn)展材料填充。內(nèi)外導(dǎo)體利用已有材料進(jìn)展填充。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，如下列圖2.5。內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體分別設(shè)為已有材料copper和lead圖2.5 材料填充中間的介質(zhì)采用自定義材料，需要對(duì)相對(duì)介電常數(shù)進(jìn)展設(shè)定。第二層，第三

8、層依次設(shè)置150, 230, 介質(zhì)，這時(shí)需要單擊Add Material按鈕來(lái)創(chuàng)立新的介質(zhì)，Value 的值即為介電常數(shù)，輸入名稱(chēng)后單擊下面確實(shí)定按鈕即可，如圖2.6。圖2.6 自定義介電常數(shù).設(shè)定鼓勵(lì)如圖2.7，在圓1上單擊鼠標(biāo)右鍵assign e*citationvoltage,將最內(nèi)層的電壓設(shè)置380V,最外層電壓-380V圖2.7 設(shè)定鼓勵(lì)2.2仿真過(guò)程2.2.1電位，電場(chǎng)強(qiáng)度，電位移分布同軸電纜模型建立完后，需要進(jìn)展如下操作：如圖2.8進(jìn)展求解器的設(shè)置圖2.8 求解器的設(shè)置對(duì)繪制的物體全選Ctrl+A后,按圖2.9進(jìn)展分析。檢驗(yàn)所有設(shè)置是否正確并求解 。單擊小對(duì)勾, 單擊小感慨號(hào)，開(kāi)

9、場(chǎng)求解。圖2.9 模型分析求解 單擊選中介質(zhì)2后按ctrl+a全選，將四個(gè)介質(zhì)都選中在任意一個(gè)介質(zhì)上單鍵FieldsEMag_E, 獲得電場(chǎng)分布圖如下：圖2.10 分析電場(chǎng)分布場(chǎng)量的大小隨著半徑變化曲線的繪制；繪制變化曲線需要引入一條輔助線單擊菜單欄的Drawline由圓心向外畫(huà)一條輔助線，如圖2.11中黑色的直線。圖2.11 繪制輔助線單擊菜單欄Ma*well 2DResultsCreate Fields ResultRectangular Plot如圖2.12，單擊Geometry的小箭頭后選擇Polyline1沿半徑計(jì)算，然后在quantity中選擇Mag E生產(chǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度曲線，最后單擊N

10、ew Report即可生成電場(chǎng)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(shì)分布曲線。圖2.12電勢(shì)隨半徑變化情況圖2.13 電勢(shì)隨半徑變化圖2.14電勢(shì)分布曲線解析法計(jì)算結(jié)果：1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln ，經(jīng)檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果符合ansoft得到的曲線。.電場(chǎng)強(qiáng)度分布標(biāo)量：圖2.15 電場(chǎng)強(qiáng)度分布電場(chǎng)強(qiáng)度隨半徑的變化曲線：圖2.16 電場(chǎng)分布曲線解析法得到場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式：E1 =，E2 =，公式與ansoft仿真得到的曲線符合。.電位移分布標(biāo)量：圖2.17 電位移分布電位移隨半徑的變化曲線：2.18電位移變化曲線2.

11、2.2計(jì)算電容計(jì)算電容的過(guò)程如下4圖：圖2.19圖2.20圖2.21圖2.22如圖2.22，分析結(jié)果為203.22pF2.2.3計(jì)算電場(chǎng)能量利用場(chǎng)計(jì)算器計(jì)算：具體過(guò)程如圖2.23：翻開(kāi)場(chǎng)計(jì)算器Fields Calculator點(diǎn)擊數(shù)量Quantity選擇Energy點(diǎn)擊幾何Geometry選擇體積Volume選擇AllObjectsPlusground點(diǎn)擊積分符號(hào)點(diǎn)擊Eval圖2.23利用場(chǎng)計(jì)算器計(jì)算電場(chǎng)能量3計(jì)算結(jié)果處理分析用解析法計(jì)算電位，電場(chǎng)強(qiáng)度，電位移隨半徑的變化以及單位長(zhǎng)度電容和電場(chǎng)能量解：設(shè)同軸電纜內(nèi)、外層導(dǎo)體分別帶電+、-。由高斯定理：在介質(zhì)中L3-13-2所以D=3-33-43

12、-53-6所以3-7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(chǎng)能量：W=1.4710-6 J/m3-9D=(單位為m)3-10C=203.1pF3-11解析法得到D=(單位為m)，與ansoft仿真曲線符合。計(jì)算得電場(chǎng)能量為1.4710-6 J/m與仿真結(jié)果根本相等。4.設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì)通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)使我更加了解了Ma*well2D這個(gè)軟件， Ma*well2D是工業(yè)應(yīng)用中的電磁元件，如傳感器，調(diào)節(jié)器，電動(dòng)機(jī)，變壓器，以及其他工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都使用得更加廣泛。由于設(shè)計(jì)者對(duì)性能與體積設(shè)計(jì)封裝的希望，因而先進(jìn)而便于使用的數(shù)字場(chǎng)仿真技術(shù)的需求也顯著的增長(zhǎng)。在工程人員所關(guān)心的實(shí)用性及數(shù)字化功能方面，Ma*well 的產(chǎn)品遙遙領(lǐng)先其他的一流公司。Ma*well 2D 包括交流/ 直流磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)以及瞬態(tài)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析，參數(shù)化分極；以及優(yōu)化功能。此外，Ma*wel2D 還可產(chǎn)生高精度的等效電路模型以供A n s o f t 的SI