同轴电缆电场地仿真---2D仿真器.doc

word同轴电缆电场的仿真---2D仿真器同轴电缆电场的仿真---2D仿真器目录同轴电缆电场的仿真---2D仿真器同轴电缆电场的仿真---2D仿真器11.题目概述2题目：同轴电缆电场的仿真---2D仿真器21.2 设计目的：2设计作用：21.4 Maxwell软件环境：32．设计与仿真3绘制过程与参数设置：4仿真过程8电位，电场强度，电位移分布8计算电容15计算电场能量173．计算结果处理分析184. 设计总结和体会195．参考文献191.题目概述题目：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R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm,导体为copper，外导体为lead，中间的介质ε1＝5ε0, ε2＝3ε0, ,导体外导体的电位分别为：导体U=380V，外导体为-380V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Ansoft Maxwell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，和电场能量图同轴电缆设计目的：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。

设计作用：总体要求：熟练使用Ansoft Maxwell 仿真软件，对电场、磁场进展分析，了解所做题目的原理利用Ansoft Maxwell软件仿真简单的电场以与磁场分布，画出电场矢量E线图、磁感应强度B线图，并对仿真结果进展分析、总结将所做步骤详细写出，并配有相应图片说明1.4 Maxwell软件环境：Ansoft Maxwell软件特点：Ansoft Maxwell 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，使用领域遍与电器、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2．设计与仿真 建立2D设计界面2.1绘制过程与参数设置：1. 分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆过程：利用DERW CYCLE通过确定两点来画圆，如图2.2图2.2 利用DERW CYCLE功能画圆最后得到一组同心圆，如图2.3.图2.3 所得同心圆２.利用布尔运算进展相减〔subtract〕得到介质层、外导体壳与导体。

从外层至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，如图2.4图2.4 圆环的切割３.进展材料填充外导体利用已有材料进展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，如如下图2.5导体、外导体分别设为已有材料copper和lead图2.5 材料填充中间的介质采用自定义材料，需要对相对介电常数进展设定第二层，第三层依次设置ε1＝5ε0, ε2＝3ε0, 介质，这时需要单击Add Material按钮来创建新的介质，Value 的值即为介电常数，输入名称后单击下面确实定按钮即可，如图2.6图2.6 自定义介电常数　　如图2.7，在圆1上单击鼠标右键>assign excitation>voltage,将最层的电压设置380V,最外层电压-380V图2.7 设定激励2.2.1电位，电场强度，电位移分布同轴电缆模型建立完后，需要进展如下操作：图2.8 求解器的设置对绘制的物体全选〔Ctrl+A〕后,按图2.9进展分析检验所有设置是否正确并求解 单击小对勾, 单击小感叹号，开始求解图2.9 模型分析求解 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>Fields>E>Mag_E, 获得电场分布图如下：图2.10 分析电场分布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Draw>line由圆心向外画一条辅助线，如图2.11中黑色的直线。

图2.11 绘制辅助线单击菜单栏Maxwell 2D>Results>Create Fields Result>Rectangular Plot如图2.12，单击Geometry的小箭头后选择Polyline1沿半径计算，然后在quantity中选择Mag E生产电场强度曲线，最后单击New Report即可生成电场随半径的变化曲线同理一次选择Mag D、Voltage可以生成电通密度曲线和电势分布曲线图１. 电势随半径变化情况图2.13 电势随半径变化图2.14电势分布曲线解析法计算结果：1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln ，经检验，计算结果符合ansoft得到的曲线２.电场强度分布〔标量〕：图2.15 电场强度分布电场强度随半径的变化曲线：图2.16 电场分布曲线解析法得到场强计算公式：E1 =，E2 =，公式与ansoft仿真得到的曲线符合３.电位移分布〔标量〕：图2.17 电位移分布电位移随半径的变化曲线：电位移变化曲线2.2.2计算电容计算电容的过程如下4图：图图图图2.22如图2.22，分析结果为F2利用场计算器计算：具体过程如图2.23：打开场计算器〔Fields Calculator〕——点击数量〔Quantity〕——选择Energy——点击几何〔Geometry〕——选择体积〔Volume〕——选择AllObjectsPlusground——点击积分符号——点击Eval图利用场计算器计算电场能量3．计算结果处理分析用解析法计算电位，电场强度，电位移随半径的变化以与单位长度电容和电场能量解：设同轴电缆、外层导体分别带电+、-。

由高斯定理：在介质中L……………………………………………………3-1………………………………………………………………………………3-2所以D=………………………………………………………………………………3-3……………………………………………………………………………3-4…………………………………………………………………………3-5…………………………………3-6所以………………………………………………………3-7代入E1，E2 代入具体数值，得到E1 =，E2 =由=可得电位1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln 电场能量：W=×10-6 J/m…………………………………………3-9D===(单位为m)…………………3-10C=F………………………………………3-11解析法得到D==(单位为m)，与ansoft仿真曲线符合计算得电场能量为×10-6 J/m与仿真结果根本相等通过这次实验使我更加了解了Maxwell2D这个软件， Maxwell2D是工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以与其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛。

由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著的增长在工程人员所关心的实用性与数字化功能方面，Maxwell 的产品遥遥领先其他的一流公司Maxwell 2D 包括交流/ 直流磁场、静电场以与瞬态电磁场、温度场分析，参数化分极；以与优化功能此外，Maxwel2D 还可产生高精度的等效电路模型以供A n s o f t 的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用 Maxwell把电磁场的抽象的东西，以一种形象，生动的方式模拟出来，使我们更直观的，更深入的了解电磁场，提高了我们学习电磁场的热情 电磁场对于本科生的创造性思维、严谨的学风培养起到了很好的作用做完本次实验我深刻的体会到了这一点5．参考文献《Ansoft 12 在工程电磁场中的应用》 博 洪亮 等编著《Ansoft工程电磁场有限元分析》 国强 等编著 / 。