《同轴电缆电场的仿真---2D仿真器.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同轴电缆电场的仿真---2D仿真器.doc（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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21.1题目：同轴电缆电场的仿真-2D仿真器21.2 设计目的:21.3设计作用：21。4 Maxwell软件环境：32设计与仿真32。1绘制过程与参数设置：42。2仿真过程82.2.1电位，电场强度，电位移分布82.2.2计算电容152。2。3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1.1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。已知R1=10mm，R2=20mm，
2、R3=30mm，R4=31mm,内导体为copper,外导体为lead，中间的介质150, 230， ，内导体外导体的电位分别为:内导体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1.1 同轴电缆1。2 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.
3、1。3设计作用:总体要求：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Ansoft Maxwell软件仿真简单的电场以及磁场分布,画出电场矢量E线图、磁感应强度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。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,使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、
4、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 图2。1 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。利用布尔运算进行相减(subtract)得到介质层、外导体壳及内导体.从外层至内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
5、。图2.4 圆环的切割。进行材料填充。内外导体利用已有材料进行填充。中间两层介质利用“添加材料(ADD）”功能自行设定材料属性，如下图2。5。内导体、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行设定。第二层，第三层依次设置150, 230, 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的确定按钮即可，如图2。6。图2。6 自定义介电常数。设定激励如图2.7，在圆1上单击鼠标右键assign excitationvoltage,将最内层的电压设置380V,最外层电压
6、-380V图2。7 设定激励2.2仿真过程2.2.1电位，电场强度,电位移分布同轴电缆模型建立完后，需要进行如下操作:如图2.8进行求解器的设置图2。8 求解器的设置对绘制的物体全选(Ctrl+A）后，按图2.9进行分析。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FieldsEMag_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Drawline由圆心向外画一条辅助线，如图2。11中黑色的直
7、线。图2.11 绘制辅助线单击菜单栏Maxwell 2DResultsCreate Fields ResultRectangular 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2。12. 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。7277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln ,经检验，计算结果符合a
8、nsoft得到的曲线。.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.。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:2。18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2.19图2.20图2。21图2。22如图2.22,分析结果为203。22pF2.2.3计算电场能量利用场计算器计算: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）
9、-选择体积(Volume）选择AllObjectsPlusground-点击积分符号点击Eval图2。23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及单位长度电容和电场能量解：设同轴电缆内、外层导体分别带电+、。由高斯定理：在介质中 L31 3-2所以D=33 34 3536所以37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 =1573462.6 ln 电场能量：W=1。4710-6 J/m3-9D=（单位为m）310C=203.1pF3-11解析法得到D=（单位为m）,与ansof
10、t仿真曲线符合.计算得电场能量为1。47106 J/m与仿真结果基本相等。4。 设计总结和体会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 赵博 张洪亮 等编著Ansoft工程电磁场有限元分析 刘国强 等编著19
