同轴电缆电场的仿真---2D仿真器

目录1.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：....................................................13电磁模型的建立............................................................24电磁模型计算及仿真结果后处理分析..........................................75设计总结和体会...........................................................126参考文献................................................................131.课程设计的目的与作用1.1设计目的：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：总体要求：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。2设计任务及所用Maxwell软件环境介绍2.1设计任务：题目1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,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper，外导体为lead，中间的介质ε1＝5ε0,ε2＝3ε0,,内导体外导体的电位分别为：内导体U=380V，外导体为0V。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AnsoftMaxwell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2.2Maxwell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。3电磁模型的建立绘制过程：1.分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆。过程：利用ＤＲＡＷＣＩＲＣＬＥ通过确定两点来画圆。最后得到一组同心圆２.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。３.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。内导体、外导体分别设为已有材料copper和lead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ε1＝5ε0,ε2＝3ε0,介质，这时需要单击AddMaterial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。４.设定激励1.在圆1上单击鼠标右键assignexcitationvoltage,将最内层的电压设置３８０V：５.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：进行求解器的设置对绘制的物体全选（Ctrl+A）后,进行分析。检验所有设置是否正确并求解1.单击小对勾,单击小感叹号，开始求解单击选中介质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：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，图中黑色的直线。单击菜单栏Maxwell2DResultsCreateFieldsResultRectangularPlot单击Geometry的小箭头后选择Polyline1沿半径计算，然后在quantity中选择MagE生产电场强度曲线，最后单击NewReport即可生成电场随半径的变化曲线。同理一次选择MagD、Voltage可以生成电通密度曲线和电势分布曲线。4电磁模型计算及仿真结果后处理分析一、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SdSDL所以D=223212121ln2ln23221dEdEU所以232121ln1ln12U(2)Dll11122222DEDE代入E1，E2)ln(ln2321121UE)lnln(2312122UE代入具体数值，得到E1=59.277，E2=65.462由=3EdL可得电位1=1018.7-277.6ln，2=1573-462.6ln电场能量：W=DEdvV21=1.47×10-6J/mD=2=)ln1ln1(232121U=10^-8×1.23(单位为m)C=U232121ln1ln12203.1p１.电位随半径变化情况解析法计算结果：1=1018.7-277.6ln，2=1573-462.6ln，经检验，计算结果符合ansoft得到的曲线。２.电场强度分布（标量）：电场强度随半径的变化曲线：解析法得到场强计算公式：E1=59.277，E2=65.462，公式与ansoft仿真得到的曲线符合。３.电位移分布（标量）：电位移随半径的变化曲线：解析法得到D==10^-8×1.23(单位为m)，与ansoft仿真下图曲线符合。利用场计算器计算：具体过程：打开场计算器（FieldsCalculator）——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计算得电场能量为1.47×10-6J/m解析法得到的电场能量：W=DEdvV21=1.47×10-6J/m二者近似相等解析法得到电容：C=U232121ln1ln12203.1p５.设计总结和体会６．参考文献：