数值分析实验报告.

1、电器数值分析仿真实验报告姓名学号班级时间 2015 学年秋季上机练习：问题描述平板空气电容器如图所示，求其电场的分布1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相应模型，求平行板电容器的电场分布 2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置气球边界。 （2）仿真过程： 选择求解场（ Electrostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立平行板容器的模型： 添加材料：极板为铜 copper ，板间真空 vacuum。 添加激励：左极板为 0v，右极板为 10v。 外边框设置气球边界。3. 仿真结果与讨论（一）实验结果（ 1）电场矢量分布：2）电场标量分布：3）电

2、位移矢量分布：4）电位移标量分布：（二）对实验结果的讨论从 E,D 的空间分布可以看出两个平行板电容器之间的电场为匀强电场， 在极 板边缘处电场分布出现尖端效应， 右极板内侧的尖端电场强度最大， 且为正极电 场线从右极板发出， 平行板电容器外部电场为零。 实验结果与理论分析基本相符。 4. 总结在进行建模的时候可以在画完一个极板后通过镜像对称这种简单的方法来 画对称的图形。运用仿真可以节省材料， 在仿真的过程中， 对仿真结果进行思考， 会出现一 些在理论分析中一般会忽略的现象，比如尖端效应等。问题描述避雷器（铜）简化模型如图所示，求解避雷针的电压分布1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相

3、应模型，求解避雷器的电压分布2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置气球边界。 （2）仿真过程： 选择求解器：属于静电场问题（ Electrostatic ） 利用 Maxwell-2D 仿真建立平行板容器的模型： 添加材料：极板为铜 copper 添加激励：最上面的极板接 100v，最下面的接 0v，设置边界条件为气球 边界。 设置求解器 solver 求解电压分布。3. 仿真结果与讨论（一）实验结果（1）避雷器的电压分布如下图所示：（二）对实验结果的讨论避雷器之间电压由 100v 到 0v 均匀降落电势大约分别为 100v， 67v，34v， 0v，与极板间的距离成

4、正比。实验结果与理论分析相符。4. 总结添加激励时，只需要将最顶的和最底的铜片分别加 100v和 0v，其他的不需 要。通过做仿真实验可得出铜板加的越多，电压分布在每片上的电势值就越小， 不易击穿，让我进一步验证了理论。三问题描述一矩形接地金属槽，长 40cm ，宽 20cm，边界条件如图所示，求解槽内电压 分布。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立仿真模型，求解槽内电压分布2. 仿真过程与分析（1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置气球边界（2）仿真过程： 选择求解器：静电场（ Electrostatic ） 利用 Maxwell-2D 仿真建立金属槽的模型： 添加材料：四个极板为铜

5、 copper 。 设置槽各个边框的激励电压：最上面的 100v 其他三个为 0v。设置边界条 件为气球边界。 设置求解器 solver 。 求解电压分布。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）电压分布二） 对实验结果的讨论由于尖端效应， 金属槽上极板两端与槽的间隙电场变化最快， 在槽内， 电场强度基本分布均匀， 电势值正比于距离递减， 所以呈现 U 型。实验结果与理论分 析相符。4. 总结 通过仿真实验可以直观快速的看到金属槽的电压分布， 不用繁琐的计算。 进 一步验证了理论，从而加深了对理论的理解。四问题描述两个半径为 5mm的实心铁球，球心距为 30mm，带电量均为 1C。分析空间电

6、场分布。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立仿真模型，求解两个实心铁球的空间电场分布2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置偶对称边界。 （2）仿真过程： 选择求解场（ Electrostatic ）。 建立实心铁球的模型： 添加材料：金属球为铁 iron 。 添加激励：给实心铁球加电荷量为 1C。添加边界： 第一种四周加气球边界， 第二种对称轴加对偶对称边界其余三条添加气球边界。设置求解器 solver 。 求解空间电场分布。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）空间电场分布气球边界对称边界（二）对实验结果的分析两个带有相同电荷量的铁球， 连线中心处的电场为零

7、， 两个铁球周围的电场随距铁球距 离的增加而减小， 从两电荷中垂线到无穷远的电场强度先增大后减小， 在两个电荷附近有最 大值。实验结果与理论分析相符合。4. 总结等量同种电荷的电场分布，将对称边界（ 1/2 模型）由偶边 even 改成奇边 odd，或者将左边金属球电荷量改为 -1c 来分析。通过仿真实验，更直观的看到 两电荷的库伦定律。五、问题描述在一长直导线直径为 5mm中通有 1A 的直流电流，求其周围磁力线的分布1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立仿真模型，求无限长直导线周围磁力线分布。2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于静磁场问题，外边框设置气球边界。（2）仿真过程： 选

8、择求解器：属于静磁场问题（ Magnetostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立 5mm长直导线模型： 添加材料：导线为铜 copper 。 给长直导线加激励电流为 5A（方向为垂直纸面向外（ positive ） 设置求解器 solver 。求磁力线分布。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）磁力线分布（二）对实验结果的讨论 0I长直导线外磁力线的方向符合右手定则，外部大小符合 B 0 成反比例关系，内部 2R 为 B=Ir/2 R2与 r 有关呈线性关系。实验结果与理论分析相符合.4. 总结通过做仿真实验我更加清晰明确的看到了长直导线周围的磁力线分布。六 问题描述有一个

9、电抗器，由三层线圈正向串联接在一个直流电源上。 电流由 z 轴右半 轴流入 , 左半轴流出。求电抗器磁感应强度分布状况。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立仿真模型，求电抗器磁感应强度分布状况。2. 仿真过程与分析（1）过程分析：属于静磁场问题，外边框可以设置气球边界，也可以用全气球 边界。（2）仿真过程： 选择求解器：属于静磁场（ Magnetostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立电抗器模型： 添加材料：极板为铜 copper 。 添加激励：左边电流为 10A,方向向外( positive ); 右边电流为 10A,方 向向内( negative )。并设置边界，第

10、一种为全气球边界，第二种为对称边界， 在对称轴边界设置为奇 odd 对称边界，其余为气球边界。 设置求解器 solver 。 求磁感应强度分布状况。3. 仿真结果与讨论(一)仿真结果( 1)采用对称边界得到的磁力线分布2）采用全气球边界得到的磁力线分布（二） 对实验结果的讨论 实验结果与理论分析相符。 同种电流磁场相互削弱， 异种电流磁场相互加强， 电抗器中心轴处磁感应强度最强，向外逐渐减弱。4. 总结 通过做仿真实验我更加清晰明确的看到了电抗器磁感应强度的分布。七 问题描述相互靠近的导体通有交变电流时，观察其邻近效应。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相关模型，当相互靠近的导体通有交

11、变电流时，观察 其邻近效应。2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于涡流场问题，外边框设置气球边界。（2）仿真过程： 选择求解器：为涡流场（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立导体通有交变电流模型。 添加材料：导线为铜 copper 。 添加激励： 电流大小为 10A, 方向分别向外 （positive ）。并设置气球边界 设置求解器 solver ，其中选择频率为 1KHz。观察临近效应。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）邻近效应（二）对实验结果的讨论 在实验的过程中为了清晰的看到临近效应， 需要通过不断的试验从而选择合 适的电流大小、 两根导线之间

12、距离的大小和频率大小， 最终得到的结论是： 电流 越大，间距越小以及频率越高时临近效应越明显。4. 总结 在实验的过程中， 通过不断的改变电流和频率， 使我加深了对临近效应的理 解。二、铜导体通 100A的交变电流（ 1KHz）1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相关模型，当相互靠近的导体通有交变电流时，观察 其集肤效应。2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于涡流场问题，外边框设置气球边界。（2）仿真过程： 选择求解器：为涡流场（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立导体通有交变电流模型。 添加材料：导线为铜 copper 。 添加激励：电流大小为 1

13、00A，并设置气球边界 设置求解器 solver ，其中选择频率为 1KHz。 观察集肤效应。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）集肤效应（二）对实验结果的讨论 集肤效应为当导体中有交流电或交变电磁场时，导体内部的电流分布不均 匀，电流集中在导体外表的薄层， 越靠近导体表面电流密度越大， 导线内部实际 上电流较小。4. 总结做仿真实验中， 不断改变交变电流的频率， 仿真结果不同， 频率越高效果越 明显，使我加深了对集肤效应的理解。八 问题描述两长直导线相距 400mm，导体半径为 20mm，其中一导线电势为 220V，另一 支导线电势为 0V，其材料（ material ）是铁（iron

14、）, 场域中介质是空气（ air ） 观察电场分布。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相关模型，观察两根长直导线周围电场分布2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置气球边界。 （2）仿真过程： 选择求解器：属于为静电场（ Electrostatic ）。 建立俩长直导线模型： 添加材料：导体为铁 iron ，场域介质为空气 air 。 添加激励： 激励，左边导线电压大小为 220V, 右边导线电压大小为 0V。并 设置气球边界。 设置求解器 solver 。 观察俩长直导线周围电场分布。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（ 1）电场分布（二）对实验结果的讨论 两

15、根长直导线周围电场线密集处，场强大；稀疏出，场强小。电场线从左边 电压为 220V导线出发，右边电压为 0V 导线。实验结果与理论分析相符。4. 总结 实验结果与理论分析相符合， 在实验的过程中， 我对两根长直导线的空间电 场分布有了更进一步的认识。九 问题描述如图：同轴电缆模型，内导体半径为 20mm，外导体半径为 160mm，厚度为 20mm，内外导体均用银（ silver ），内外导体间填充树脂玻（ plexiglass ）。内导 体电势为 380V，外导体电势为 0V。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相关模型，观察同轴电缆电场分布。2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于静

16、电场问题，外边框设置气球边界。 （2）仿真过程： 选择求解器：属于静电场（ Electrostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立同轴电缆模型： 添加材料：内外导体均用银（ silver ），内外导体间填充树脂玻 （ plexiglass ）。 添加激励：内导体电势为 380V，外导体电势为 0V。并设置气球边界 设置求解器 solver 。 观察同轴电缆电场分布。3. 仿真结果与讨论 （一）仿真结果 （ 1）电场分布二）对实验结果的讨论同轴电缆内部电场应该为从里向外逐渐减小场点电场强度与场点距内导体 中心距离成反比， 且半径相同处电场大小相同。 电缆外部电场为零。 实验结果与

17、 理论分析相符合。4. 总结实验结果与理论分析相符合， 在实验的过程中能直观的看出电场强度分布情 况，加深了我对相关物理现象的理解。 对同轴电缆空间电场分布有了更进一步的 认识。十 问题描述线圈电流大小均为 4A，具体方向：从左到右第一组线圈为右进左出；第 组左进右出。铁心材料为 Steel-1008 ， 线圈材料 copper 。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立仿真模型，求该模型磁力线分布2. 仿真过程与分析（1）过程分析：属于静磁场问题，外边框设置气球边界。 添加材料：铁心材料为 Steel-1008 ， 线圈材料为铜 copper 。 线圈电流大小均为 4A，具体方向：从左到右

18、第一组线圈为右进左出；第 二组左进右出。进为 negative ，出为 positive 设置求解器 solver 。 求磁力线分布。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）磁力线分布（二）对实验结果的讨论 理论上，铁心的磁导率比空气大的多，所以磁力线应该主要集中在铁心中。在铁心中，磁通量相同， 面积大的地方磁感应强度小， 面积小的地方磁感应强度 大。实验结果与理论分析相符。4. 总结 由于气隙的存在，使得整体磁路的磁场强度降低，从而可以防止铁心饱和， 提高铁心的利用率。 通过做仿真实验我更加清晰的看到了单相双绕组变压器铁心 中的磁力线分布，加深了对知识的理解。一 问题描述两个实体圆柱铁芯，中

19、间被空气隙分开，线圈中心点处于空气隙中心1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立仿真模型，计算该简单直流致动器磁力线分布以及气 隙中心点的磁感应强度的数值。2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于静磁场问题，外边框设置奇对称边界。（2）仿真过程： 选择求解器：静磁场（ Magnetostatic ）。 建立相关模型： 添加材料：铁心材料为 Steel-1008 ， 线圈材料为铜 copper 。 添加激励：线圈电流大小为 10A，线圈电流方向向外。并设置气球边界 设置求解器 solver 。求磁力线分布。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）磁力线分布（二）对实验结果的讨论 实验结果中的

20、磁力线方向以及大小与均与理论相符合。 铁心的磁导率比空气 的大，线圈产生的磁场会优先通过铁心， 产生的损耗小鱼空气， 使磁场能定向通 过铁心。气隙中的磁场为匀强磁场，且铁心尖端处磁场最强。4. 总结通过做仿真实验我更加清晰的看到了直流致动器中的磁力线分布。十二 问题描述三相绕组电流大小均为 10A，频率为 1KHz。具体方向： 三相绕组均为左进右 出。变压器铁芯材料为 Steel-1008 ， 绕组材料为铜 copper 。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相关模型，观察三相变压器铁芯的涡流损耗2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于涡流场问题，外边框设置气球边界。 （2）仿真过程：

21、 选择求解器：为涡流场（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立三相变压器铁心模型： 添加材料：变压器铁心材料为 Steel-1008 ， 绕组材料为铜 copper 。 给线圈加激励：三相绕组电流大小均为 10A，频率为 1KHz。具体方向： 相绕组均为左进右出。进为 negative ，出为 positive 。 设置求解器 solver ，其中选择频率为 1KHz。 观察铁芯涡流损耗。3. 仿真结果与讨论（一）仿真结果（1）涡流损耗（二）对实验结果的讨论 在实验的过程中为了清晰的看到三相变压器铁芯的涡流损耗， 需要不断选择 合适的电流大小和频率大小。 最终得

22、到的结论是： 电流越大以及频率越高时涡流 损耗越明显， 越靠近线圈的铁心涡流损耗越大。 同时，涡流损耗主要集中在变压 器铁芯的边缘处。4. 总结 实验结果与理论分析相符合。 在实验的过程中， 可以看到了三相变压器铁芯 的涡流损耗。画图时先画大矩形，然后再画两个小矩形，用 subtract 减掉两个矩形实现铁心铁柱铁轭无缝连接 十三 问题描述感应加热： 利用电磁感应原理， 把坯料放在交变磁场中， 使其内部产生感应 电流，从而产生焦耳热来加热坯料的方法。 感应器一般是输入中频或高频交流电 （300-300000Hz 或更高） 。1. 仿真目的利用 ansoft 软件建立相关模型，观察坯料在交变磁场中感应出的的涡流。2. 仿真过程与分析 （1）过程分析：属于涡流场问题，外边框设置气球边界。（2）仿真过程： 选择求解器：为涡流场（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立坯料模型： 添加材料：坯料材料为铁 iron ，绕组材料为铜 copper 。 添加激励：线圈电流大小均为 100A，频率为 2KHz