电磁场与电磁波课程设计

成绩评定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: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，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ε2=6ε0的均匀电介质；板件电压差为2500V用AnsoftMaxwell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：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: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、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空时，则公式中没有相对介电常数ε(relativedielectricconstant)，由公式可知，电容C与ε、S成正比(即ε、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)3Maxwell软件环境：AnsoftMaxwell软件特点：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。Maxwell是主要建立在maxwell方程基础上的，有限元分析软件。MAXWELL2D：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。Maxwell2D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Ansoft的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。MAXWELL3D：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Maxwell3D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ε2=6ε0的均匀电介质；板件电压差为220V用AnsoftMaxwell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AnsoftMaxwell仿真软件，对电场，磁场进行分析，了解所做题目的原理。利用AnsoftMaxwell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-*3-9-0kdSCJVEEwkdSCr43.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、ε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,因此电容器带电荷量Q不变,当电容器的d、S、ε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）AnsoftMaxwell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AnsoftMaxwel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[1]《Ansoft12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[2]《Ansoft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