平行双线的电场仿真

#1•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设计作用电磁场与电磁波主要介绍电磁场与电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方法以及在现实生活中的应用，内容包括电磁场与电磁波理论建立的历史意义、静电场与恒流电场、电磁场的边值问题、静磁场、时变场和麦克斯韦方程组、准静态场、平面电磁波的传播、导行电磁波以及谐振器原理等。全书沿着电磁场与电磁波理论和实践发展的历史脉络，将历史发展的趣味性与理论叙述和推导有机结合，同时介绍了电磁场与电磁波在日常生活、经济社会以及科学研究中的广泛应用。书中的大量例题强调了基本概念并说明分析和解决典型问题的方法；每章末的思考题用于测验学生对本章内容的记忆和理解程度；每章的习题可增强学生对于公式中不同物理量的相互关系的理解，同时也可培养学生应用公式分析和解决问题的能力。2设计任务及所用Maxwell软件环境介绍2.1设计任务平行双线的电场仿真如图1所示，两长直导线相距400mm,导线半径20mm，其材料（material）是铁（iron），场域中介质是空气（air）（£=1.006，丫二0）。其中：一导线电势为5000V，另一支导线电势为0；求：计算平行双线周围的电场分布，并计算单位长电容。2.2Maxwell软件环境：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.3电磁模型的建立3.1建模Project>InsertMaxwell2DDesignFile>Saveas>liuhui（工程命名为“liuhui”）

图2选择求解器类型：Maxwell>SolutionType〉Electric>ElectrostaticSolutionType:Prqject2-Maxwell2DDesignlGeometryMode:|Cartesian,Xy1Magnetic:rMagnetostaticrEddyCurrentrTransientElectric:席:Electrostatic■.:rACConductionrDCConduction冰|CancelI创建左导线Draw>Circle左导线起点：(X,Y,Z)=(0,0,0)坐标偏置：(dX,dY,dY)=(20,20,0)图4AssignMaterial>铁(iron)图5创建右导线Draw>Circle右导线起点：(X,Y)=(400,0,0)坐标偏置：(dX,dY,dZ)=(20,20,0)图6AssignMaterial>铁(iron)图7创建场域中介质Draw>Rectangle场域起点：(X,Y,Z)=(400,100,0)坐标偏置：(dX,dY,dZ)=(-400,-100,0)图8AssignMaterial>空气（air）（s二1.006，丫=0）。图93.2.设置激励选中左导线Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>5000VVoltageExcitationName:|Voltage1ParametersUseDefaults图10选中右导MaxwellOK2D>Excitations~>Assgn>Voltage>0VCancelVoltageExcitationUseDefaultsOKCancel图114电磁模型计算及仿真结果后处理分析4.1电磁模型计算设导线表面单位长度带电+入,-入两线间任意点p的场强:九2兀g（d一x）000单位长度电容：C==q九1d=冗'd=4.1838pFUAln（d）ln（d）兀gaa04・2软件仿真4.2.1参数设置设置计算参数：Maxwell2D>ParametersMaxwell2D>ParametersVoltage2

Voltage2图图12S3设置自适应计算参数:S3Maxwell2D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup最大迭代次数：Maximumnumberofpasses>10误差要求：PercentError>1%每次迭代加密剖分单元比例：RefinementperPass>30%SolveSetup|Setup3General|Convergence|Advanced|Defaults||Setup3Name:AdaptiueSetupMaximumNumberofFasseFercentErroiSolveFieldsOiSolveMatrin^AfterlaztpOnlyconverg图13UseDefault确定取消|丨PropertiesName4.2.ValuENameNateri：alSolveI...Oi'ienta...ModelDisplay...*IjEI卜AttributjLCommmd丨[+]^jji]czb[+]^jji]czbcj：/)czb-Maxwell2DDesigrd-Setup2:SolvingforElectrostaticadaptivepass3onLocalMachine-RUNNINGSendingsolutionfile:/mesh」st图154.3软件仿真结果4・3・1Voltage,E,D及Energy的分布检查完毕后，Maxwell2D>Fields>Fields,分别选择Voltage,E,D，还有Other>Energy.VoltageEV]0000B+0036875E+0033750E+0030625E+0037500b+9034375e+00312506+0038125e+003■5000B+0031875E+003S750e+0035625e+00325006+00337506+0022-500B+0021250E+0020000B+000D[C/mrt2]2.85486-0072.6765e-0072.4982e-0072.3199e-0072.1416e-0071.9633e-0071.78506-0071.6067e-0071.斗28斗总一0071.25016-0071.071Se-0078.9352e-0087.1523e-0085.3693e-0083.5863e-0081.8033e-0082.0368e-010Energy4.6035e-0034.3158e-0034.0280e-0033.7403e-0033.4526e-0033.1649e-0032.8772e-0032.5895e-0032.3017e-0032.01406-0031.7263e-0031.4386e-0031.1509e-0038.6316e-0045.7545e-0042.8773e-0041.6186e-0S822236+03461818+00441676+00421.53e+00401396+00440986+00420846+0040070b+00405576+00304186+00300006+000S209e+0348195b+00402796+00301398+00381256+004eniB+eWE[V/m]图164.3.1双导线中心连线的电场分布绘制双导线中心连线，Draw>Line,以左边导线的中心为起点，右边导线中心为中点绘制中心连线。Maxwell2D>ResuIts>CreateFieldsReport>RectangularPlot,Geometry>Polyine1,再分别选择Voltage,E,D,Energy。

AnsoftLLC500000XYPlot2AnsoftLLC500000XYPlot2Maxwell2DDesign1图18由上面电压变化曲线图可知：从左边导线中心到28mm时候，电压保持在5000V,没有发生改变；从372mm处到400mm之间，电压保持在0V不变;而在28mm到372mm之间，电压随距离的变化呈线性递减。AnsoftLLCXYPlot3Maxwell2DDesign1AnsoftLLCXYPlot3Maxwell2DDesign1图19AnsoflLLCXYPlot4AnsoflLLCXYPlot4Maxwell2DDesign1图20AnsonLLUXYPlot5MaxwellZDUesign1图21图19,图20,图21分别为场强，电位移密度，能量变化图。有以上图可以明显的看出：在从左边导线中心到28mm之间，以上三值均为0；从372mm处到400mm之间，以上三值也均为0;而从28mm到372mm之间，三条曲线均保持同一个变化规律：先递减，中间有一段平衡距离，随后递增。4.3.3计算单位长电容Maxwell2D>Fields>Calcalator,Input>Quantity>Energy,Geoemtry>AllOblects,Scalar的积分号，Output>Eval.FieldsCalculatorNamedExpressionsVoltageSmooth(VOLTAGE)MagLEMag(Smooth(<E)]MagLDMag(Smooth(<D乩DyNamedExpressionsVoltageSmooth(VOLTAGE)MagLEMag(Smooth(<E)]MagLDMag(Smooth(<D乩Dy』》]]E_VectorSmooth(<E^Ey/0>)D_VectorSmooth(<Dx/D^0>)NameExpressionLibrary:CopvtostackSaveTo...匚le引All|Scl:0S2E-OO5Scl:IntegratelVolumefAIIObiects),energy)PushIPopInputRIUpIGeneralRIDnScalarExchVectorClearUndoOutputQuantity由图可知，能|+Vec?+Seal?±-1/xMatl...PushIPopInputRIUpIGeneralRIDnScalarExchVectorClearUndoOutputQuantity由图可知，能|+Vec?+Seal?±-1/xMatl...KPow=2】Mag/厂DotNegJ，t图22CrossAbsd/d?+Divg:为0.00008174再由公式CW/V*Vi计算出1体Complex+Min+Tangent会omainMax+NormalVUnitVec+Constant+Number...Function...GeomSettingg...LnGeometry...电容值C=3.2pF.书本上通过这次课程设计，使我对电磁场电磁波这门课又重新的认识,其并不仅仅书本上的死知识，而是与生活紧密相连，就好比一个简单地平行直导线，电压，电位移分布并不仅仅是看上去那么简单。经过这次课程设计后，使我懂得：理论与实际相结合的重要性,只有这样，才能使得我们更好的掌握和运用所学的知识，从而提高学习兴趣。6参考文献：[1]苏东林，陈爱新，谢树果•电磁场与电磁波•北京：高等教育出版社，2009

[2]谢处方，饶克谨•电磁场与电磁波[M].4版•北京：高等教育出版社，2006TOC\o"1-5"\h\z1.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：23电磁模型的建立24电磁模型计算及仿真结果后处理分析85设计总结和体会146参考文献,.4

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刘辉班级学号1103030215课程设计题目电磁场与电磁波仿真设计平行双线的电场仿真一导线电势为5000V，另一支导线电势为0。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环境下进彳丁仿真设计，并给