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1、 成成 绩绩 评评 定定 表表学生姓名穆凌宇班级学号1403030106专 业电子信息工程课程设计题目平板电容器电场仿真计算-2D仿真器 评语组长签字：成绩日期 2016 年 7 月 5 日课程设计任务书课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业电子信息工程学生姓名穆凌宇班级学号1403030106课程设计题目 平板电容器电场仿真计算-2D 仿真器实践教学要求与任务实践教学要求与任务: :任务任务：平板电容器电场仿真计算-2D 仿真器 设极板截面长为 100mm，端部圆弧为 R2.5 的半圆，板间距离为 10mm，假设平 行极板相对板间距离足够大，即平板电容器之间电场分布可近似为平行平面场，
2、 故采用 XY 平面建模分析；考虑极板的厚度，并为降低极板边缘效应，在极板两 侧边采用圆弧过渡；设极板之间充满相对介电常数 2=60的均匀电介质； 板件电压差为2500V 用 Ansoft Maxwell 软件计算电场强度，并画出电压分布图，计算出单位长度电 容，和电场能量要求要求：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 环境下进行仿真设计，并给出最后的场图及对应的参数；工作计划与进度安排工作计划与进度安排: :电磁场与电磁波课程设计时间安排在教学第 18 周内完成，按上述题目要求
3、完成查阅资料、电路设计、仿真调试、运行等工作。时间安排如下：1、查阅资料、与初步设计：1 天2、电路设计及制图：1-2 天3、电磁场的仿真与测试：1-2 天4、答辩验收与论文撰写：1 天指导教师：2016 年 6 月 27 日专业负责人：2016 年 6 月 27 日学院教学副院长：2016 年 6 月 27 日目 录 一、题目概述11.设计作用12.设计原理. 13.Maxwell 软件环境.24.设计内容.3 二、功能分析.41.要求42.要求中需要用到的知识点是什么43.需要解决的问题. 54.设计中的关键技术点55.设计点5三、设计与仿真51.参数的设置与改变52.电磁模型的建立5四、
4、运行与测试.111.参数调整图.112.系统仿真运行图.12五、总结.15六、参考文献.16一、题目概述1.设计作用作用：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
5、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.设计原理平行板电容器是一种理想模型，在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质-电介质(空气也是一种电介质)，就组成了一个最简单的电容器，叫做平行板电容器。平行电容器是由两块彼此平行放置的金属板所构成的。平行板电容器是最简单的，也是最基本的电容器，几乎所有电容器都是平行板电容器的变形。理论分析表明，当平行板电容器的两极板间充满同一种介质时，电容 C 与极板的正对面积 S、极板距离 d 的关系为若平行板电容器的两极板间是真
6、空时，则公式中没有相对介电常数相对介电常数(relative dielectric constant )，由公式可知，电容 C 与 、S 成正比(即 、S越大，C 越大);与 d 成反比 d 越大，C 越小)。若两极板间为匀强电场，电场强度记作 E, 则有:1. U =Ed2. Q= UC (其中 Q 为电容器所带电荷量，U 为两极板间电压)3 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，使用领域遍及
7、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。 Maxwell 是主要建立在 maxwell 方程基础上的，有限元分析软件。 MAXWELL 2D： 工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及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及数字化功能方面，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、静电场以及瞬态电磁场、温度场
8、分析，参数化分极；以及优化功能。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 3D： 向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的 Maxwell 3D 成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、 集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗（R 和 L）、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B 和 H 分布图、能量密度、温度分布等图
9、形结果 .4.设计内容平板电容器电场仿真计算-2D 仿真器设极板截面长为 100mm，端部圆弧为 R2.5 的半圆，板间距离为10mm，假设平行极板相对板间距离足够大，即平板电容器之间电场分布可近似为平行平面场，故采用 XY 平面建模分析；考虑极板的厚度，并为降低极板边缘效应，在极板两侧边采用圆弧过渡；设极板之间充满相对介电常数 2=60的均匀电介质；板件电压差为220V用 Ansoft Maxwell 软件计算电场强度，并画出电压分布图，计算出单位长度电容，和电场能量二、功能分析 1.要求熟练使用 Ansoft Maxwell 仿真软件，对电场，磁场进行分析，了解所做题目的原理。利用 Ans
10、oft Maxwell 仿真简单的电场以及磁场分布，画出电场矢量E 线图，磁感应抢的 B 线图，并对仿真结果进行分析，总结。将所做步骤详细写出，并配有相应图片说明。2、要求中需要用到的知识点是什么（包括电磁场分析所用的公式）59.2610*10/10*5*10*100*3610*64/6)()2/1 (3-3-*3-9-0kdSCJVEEwkdSCr 43.需要解决的问题(1)定电压问题：平行板电容器充电后,继续与电源的两极相连,因此两极板间的电压不变,当电容器的 d、S、 变化时,将引起电容器的 C、Q、E 的变化。(U 不变) (2)定电量问题：平行板电容器充电后,切断与电源的连接,因此电
11、容器带电荷量 Q 不变,当电容器的 d、S、 变化时,将引起电容器的 C、U、E 变化。(Q 不变) 4、设计中的关键技术点有哪些1） Ansoft Maxwell 的使用问题2） 如何改变极板电压差的数值。 5、设计中设计到的难点如何解决（主要针对设计指标，如何改变设计参数）学习使用 Ansoft Maxwel 软件，查找书籍文献三、设计与仿真1、参数的设置与改变极板电压差参数的设置与改变，极板电压差为 220V2、电磁模型的建立建立上极板，首先建立长为 100 毫米，宽为 5 毫米的长方形极板，在建立两个半径为 2.5 的圆。利用 Modeler-Boolean-Unite 指令，将其合并
12、成一个整体,见图3.1。a.建立长方形极板b.建立圆形极板c.合并两极板图 3.1 单一极板的建立进行极板的移动 利用 Edit-Arrange-Move 指令，见图 3.2图 3.2 极板的移动镜像设置 Edit-Duplicate-Mirror，见图 3.3 图 3.3 双层极板的建立设置极板材料，见图 3.4图 3.4 设置材料设置极板电压，右键极板 Assign-Excitation-Voltage 输入上极板电压 2500V，下 极板电压 0V，见图 3.5图 3.5 设置极板电压图 3.6 设边界条件图 3.7 设置介质输入计算的步长以及误差精度，见图 3.8图 3.8 求解选项对
13、话框图 3.9 模型建立完成图 3.10 验证对话框图 3.11 观察求解进度四、运行与测试1、设置参数，参数调整图如图极板电压参数的设置，见下图2、系统仿真运行图图4.1 选择分析类型图 4.2 电场强度云图图 4.3 电场强度图 4.4 电场能量图 4.5 电场能量计算图 4.6 电容计算五、总结作为一名电子信息工程专业的学生，我觉得本次电磁课程设计是十分有意义的。在自己不断的努力下，经过自主学习完成本次课程设计。本次课设做了平行板电容器的仿真，查阅了大量的关于电磁波与电磁场的书籍。从中我们学习到了很多东西，像如何应用 Maxwell 软件仿真，对实际问题进行分析。很多实际工程问题只有通过
14、电磁场才能揭示其本质。对电磁场的学习使我认识很多物理现象的本质。电磁场由相互依存的电磁和磁场的总和构成的一种物理场。电场随时间变化时产生磁场，磁场随时间变化时又产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁波是电磁场的一种运动形态。我们在设计过程中，经过不断的更改与设计，努力做到完美，完善，让自己做的课题接近于期望的结果，但是还是会有一些不足，有时会出现一些误差，但是这些并不能影响整体的效果。这也是我们学习中自主学习的表现，也是锻炼我们自主思考能力的方法。经过本次课程设计，我们每个人都会受益匪浅，也会在今后的学习和生活中收获更多。本次课设增强了我对公式的中不同物理量的相互关系的理解，同时也培养了我应用公式分析和解决问题的能力。六参考文献1Ansoft12 在工程电磁场中的应用 赵博 张洪亮等编中国水利水电出版 社。2010 2Ansoft 工程电磁场有限元分析 刘国强等编著，电子工业出版社，2005 3.电磁场与电磁波苏东林 陈爱新 谢树果等编著，高等教育出版社4.工程电磁场许丽萍等编著，人民邮电出版社5.电磁场理论基础陈重 崔正勤编著，北京理工大学出版社
