電磁場與電磁波課設

PAGEPAGE15課程設計任務書學院信息科學與工程專業(yè)電子信息工程學生姓名班級學號課程設計題目電磁場與電磁波仿真設計鐵塊所受線圈磁場的作用力實踐教學要求與任務:利用電磁場仿真軟件maxwell完成典型電磁產(chǎn)品仿真設計；完成幾何建模、材料選擇、邊界條件設置、加載激勵及場的求解等在maxwell環(huán)境下進行仿真設計，并給出最后的場圖及對應的參數(shù)。工作計劃與進度安排:第1天：1. 布置課程設計題目及任務。2. 查找文獻、資料，確立設計方案。第2-3天：1.安裝maxwell軟件，熟悉maxwell軟件仿真環(huán)境。2.在maxwell環(huán)境下建立幾何模型，學會材料選擇、邊界條件設置及加載激勵。第4天：1.在maxwell環(huán)境下完成典型電磁產(chǎn)品仿真設計，并給出最后的場圖及對應的參數(shù)。第5天：1.課程設計結果驗收。2.針對課程設計題目進行答辯。3.完成課程設計報告。目錄1.課程設計的目的與作用 11.1設計目的 11.2設計作用12設計任務及所用maxwell軟件環(huán)境介紹 22.1設計任務 22.2maxwell軟件環(huán)境： 33電磁模型的建立 44電磁模型計算及仿真結果后處理分析 115設計總結和體會 146參考文獻 151.課程設計的目的與作用1.1設計目的：對電子產(chǎn)品本身來說，只要通電，就存在電磁之類干擾的問題，而電子產(chǎn)品對外界來說又存在著電磁輻射等問題，如何解決這類問題，趨利避害，更好地讓電子產(chǎn)品為我們的服務器真是我們需要做的工作。電磁場與電磁波課程理論抽象、數(shù)學計算繁雜，將Maxwell軟件引入教學中，通過對典型電磁產(chǎn)品的仿真設計，并模擬電磁場的特性，將理論與實踐有效結合，強化學生對電磁場與電磁波的理解和應用，提高教學質量。電磁場與電磁波課程理論抽象、數(shù)學計算繁雜，將Maxwell軟件引入教學中，通過對典型電磁產(chǎn)品的仿真設計，并模擬電磁場的特性，將理論與實踐有效結合，強化學生對電磁場與電磁波的理解和應用，提高教學質量?？傮w要求：熟練使用AnsoftMaxwell仿真軟件，對電場、磁場進行分析，了解所做題目的原理。利用AnsoftMaxwell軟件仿真簡單的電場以及磁場分布，畫出電場矢量E線圖、磁感應強度B線圖，并對仿真結果進行分析、總結。將所做步驟詳細寫出，并配有相應圖片說明。1.2設計作用：電磁場與電磁波主要介紹電磁場與電磁波的發(fā)展歷史、基本理論、基本概念、基本方法以及在現(xiàn)實生活中的應用，內容包括電磁場與電磁波理論建立的歷史意義、靜電場與恒流電場、電磁場的邊值問題、靜磁場、時變場和麥克斯韋方程組、準靜態(tài)場、平面電磁波的傳播、導行電磁波以及諧振器原理等。全書沿著電磁場與電磁波理論和實踐發(fā)展的歷史脈絡，將歷史發(fā)展的趣味性與理論敘述和推導有機結合，同時介紹了電磁場與電磁波在日常生活、經(jīng)濟社會以及科學研究中的廣泛應用。書中的大量例題強調了基本概念并說明分析和解決典型問題的方法；每章末的思考題用于測驗學生對本章內容的記憶和理解程度；每章的習題可增強學生對于公式中不同物理量的相互關系的理解，同時也可培養(yǎng)學生應用公式分析和解決問題的能力。2設計任務及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹2.1設計任務：計算如下圖所示鐵塊所受線圈磁場的作用力。要求對線圈中的電流和鐵塊的高度做參數(shù)掃描，計算不同設置值時，作用力的大小。圖2.1.1實驗模型圖2.2Maxwell軟件環(huán)境：AnsoftMaxwell軟件特點：AnsoftMaxwell是低頻電磁場有限元仿真軟件，在工程電磁領域有廣泛的應用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，使用領域遍及電器、機械、石油化工、汽車、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)，為各領域的科學研究和工程應用作出了巨大的貢獻。Maxwell是主要建立在maxwell方程基礎上的，有限元分析軟件。MAXWELL2D：工業(yè)應用中的電磁元件，如傳感器，調節(jié)器，電動機，變壓器，以及其他工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時候都使用得更加廣泛。由于設計者對性能與體積設計封裝的希望，因而先進而便于使用的數(shù)字場仿真技術的需求也顯著的增長。在工程人員所關心的實用性及數(shù)字化功能方面，Maxwell的產(chǎn)品遙遙領先其他的一流公司。Maxwell2D包括交流/直流磁場、靜電場以及瞬態(tài)電磁場、溫度場分析，參數(shù)化分極；以及優(yōu)化功能。此外，Maxwel2D還可產(chǎn)生高精度的等效電路模型以供Ansoft的SIMPLORER模塊和其它電路分析工具調用。MAXWELL3D：向導式的用戶界面、精度驅動的自適應剖分技術和強大的后處理器時的Maxwell3D成為業(yè)界最佳的高性能三維電磁設計軟件?？梢苑治鰷u流、位移電流、集膚效應和鄰近效應具有不可忽視作用的系統(tǒng)，得到電機、母線、變壓器、線圈等電磁部件的整體特性。功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗（R和L）、力、轉矩、電感、儲能等參數(shù)可以自動計算。同時也可以給出整個相位的磁力線、B和H分布圖、能量密度、溫度分布等圖形結果圖2.2.2maxwell分類圖3電磁模型的建立1.建模（Model）Project>InsertMaxwell3DDesignFile>Saveas>Parametric（工程命名為“Parametric”）選擇求解器類型：Maxwell>SolutionType>Magnetostatic創(chuàng)建線圈Draw>RegularPolyhedron（創(chuàng)建多邊形柱體1）CenterPosition（中心點坐標）：（X,Y,Z）>（0,0,0）mmStartPosition（起點坐標）：（X,Y,Z）>(2.5,0,0）mmAxis（對稱軸）：ZHeight（柱體高度）：8mm多邊形邊數(shù)：NumberofSegments:36將多邊形重命名為Polyhedron1選中Polyhedron1（創(chuàng)建多邊形柱體2）CTRL_C，CTRL_V修改相關設置CenterPosition（中心點坐標）：（X,Y,Z）>（0,0,0）mmStartPosition（起點坐標）：（X,Y,Z）>（2,0,0）mmAxis（對稱軸）：ZHeight（柱體高度）：8mm多邊形邊數(shù)：NumberofSegments:36將多邊形重命名為Polyhedron2創(chuàng)建線圈選中Polyhedron1，Polyhedron2Modeler（建模）>Boolean>Subtract（減去）BlankPark:Polyhedron1ToolPark:Polyhedron2將Polyhedron1重命名為CoilAssignMaterial>copper（設置材料為銅）創(chuàng)建鐵塊模型Draw>Box任意創(chuàng)建一個6面體尺寸參數(shù)設置如下：注意：ZSize參數(shù)的值為：“SlugHeight”圖3.1物塊坐標及其體積設置圖3.2物塊Z參數(shù)設置將六面體重命名為SlugAssignMaterial>iron（設置材料為iron）創(chuàng)建計算區(qū)域（Region）Draw>RegionPaddingPercentage：300%創(chuàng)建激勵電流加載面（CreateSection）SelectCoilModeler>Surface>SectionSectionPlane:YZ平面Modeler>Boolean>SeparateBodies（分離兩Section面）刪除1個截面Select1個截面，Del將剩下的1個截面重命名為“Section1”2.設置激勵（AssignExcitation）選中線圈截面：Section1Maxwell3D>Excitations>Assign>Current圖3.3設置激勵Value:AmpTurnsType:Stranded（線形激勵電流）3.設置計算參數(shù)（AssignExecutiveParameter）選中Slug（彈頭）Maxwell3D>Parameters>Assign>ForceName:Force1Type:Virtual4.設置自適應計算參數(shù)（CreateAnalysisSetup）Maxwell3D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup最大迭代次數(shù)： Maximumnumberofpasses：5誤差要求： PercentError:1%每次迭代加密剖分單元比例： RefinementperPass:30%5.創(chuàng)建參數(shù)掃描設置Maxwell3D>OptimetricsAnalysis>AddParametric點擊Add，創(chuàng)建掃描參數(shù)variable選擇：SlugHeightlinearstepStart=10,Stop=20,Step=5點擊Add>>按鍵將SlugHeight的掃描設置添加到右邊空白欄variable選擇：AmpTurns（設置安匝數(shù)的掃描）linearstepStart=100,Stop=200,Step=50點擊Add>>按鍵將AmpTurns的掃描設置添加到右邊空白欄點擊OK.圖3.4設置掃描匝數(shù)點擊Calculations子菜單點擊SetupCalculations圖3.5添加計算參數(shù)點擊AddCalculations圖3.6添加計算Setup1出現(xiàn)在SetupSweepAnalysis菜單中點擊Done在Options子菜單中選中如下設置圖3.7設置掃描分析“SaveFieldandMesh”:在每一步參數(shù)掃描計算后，保存相應的計算場量和剖分信息，一般，系統(tǒng)為節(jié)約內存，默認不保存?！癈opygeometricallyequivalentmeshes”在下次計算中，可重復使用上次計算時未變形的模塊的剖分數(shù)據(jù)。一般來說，頻率掃描時，不推薦使用該選項，因為Ansoft的剖分算法是與頻率相關的。圖3.8建模完成效果圖44電磁模型計算及仿真結果后處理分析1.計算在ProjectManager窗口Optimetrics右鍵點擊ParametricSetup1選擇Analyze2.查看結果右鍵點擊ParametricSetup1選擇ViewAnalysisResult、圖3.9分析顯示在ProjectManager窗口右鍵點擊CreateReport圖3.10分析結果調出設置參數(shù)如下：圖3.11分析結果選擇點擊NewReport圖3.12分析結果輸出5設計總結和體會麥克斯韋根據(jù)大量的、嚴密的數(shù)學推導，提出了電磁場理論，在1868年大膽預言了電磁波的存在。并預言了“光就是電磁波”。被稱為十九世紀最偉大的科學預言。

但是，麥克斯韋的預言是在二十年后，即1888年由赫茲的實驗證實了電磁波的存在，5設計總結和體會麥克斯韋根據(jù)大量的、嚴密的數(shù)學推導，提出了電磁場理論，在1868年大膽預言了電磁波的存在。并預言了“光就是電磁波”。被稱為十九世紀最偉大的科學預言。

但是，麥克斯韋的預言是在二十年后，即1888年由赫茲的實驗證實了電磁波的存在，此時，麥克斯韋已經(jīng)去世了九年，沒能看到自己的預言被實驗所證實。

1879年，麥克斯韋去世時，只有49歲，而1894年，赫茲去世時只有37歲。但他們都對電磁學發(fā)展做出了重大貢獻。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》相媲美的書，具有劃時代的意義。通過本次課設，我熟練的掌握了maxwell的建模方法以及運行模擬分析和結果分析，更好的理解了電磁場與