平行双线的电场仿真.doc

1. 课程设计的目的与作用
1.1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
1.2设计作用
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 设计任务及所用Maxwell软件环境介绍
2.1设计任务
平行双线的电场仿真
如图1所示，两长直导线相距400mm，导线半径20mm，其材料(material)是铁（iron），场 域中介质是空气（air）(,)。其中：一导线电势为5000V，另一支导线电势为0；求：计算平行双线周围的电场分布，并计算单位长电容。

图 1

2.2 Maxwell软件环境：
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、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
3.1建模
Project > Insert Maxwell 2D Design
File>Save as>liuhui（工程命名为“liuhui”）

图 2
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic

图 3
创建左导线
Draw>Circle
左导线起点：（X,Y,Z）=（0, 0,0）
坐标偏置：（dX,dY,dY）=（20,20,0）

图 4
Assign Material >铁（iron）

图 5
创建右导线
Draw > Circle
右导线起点：（X,Y）=（400, 0,0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）=（20,20,0）

图 6
Assign Material >铁（iron）

图 7

创建场域中介质
Draw>Rectangle
场域起点：（X,Y,Z）=（400, 100,0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）=（-400, -100,0）

图 8
Assign Material >空气（air）(,)。

图 9
3.2.设置激励
选中左导线
Maxwell 2D> Excitations > Assign >Voltage > 5000V

图 10
选中右导线
Maxwell 2D > Excitations > Assign >Voltage > 0V

图 11
4电磁模型计算及仿真结果后处理分析
4.1 电磁模型计算
设导线表面单位长度带电+λ，-λ两线间任意点P的场强：
E=
U=
单位长度电容：=4.1838pF
4.2软件仿真
4.2.1 参数设置
设置计算参数：
Maxwell 2D > Parameters > Assign > Matrix > Voltage1,
Voltage2

图 12
设置自适应计算参数：
Maxwell 2D > Analysis Setup > Add Solution Setup
最大迭代次数： Maximum number of passes > 10
误差要求： Percent Error > 1%
每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass > 30%

图 13

图 14
4.2.2检查并运行
Maxwell 2D > Analyze All，后计算机就开始进行计算

图 15
4.3软件仿真结果
4.3.1Voltage,E,D及Energy的分布
检查完毕后，Maxwell 2D > Fields > Fields,分别选择Voltage,E,D,还
有Other > Energy.

图 16

4.3.1双导线中心连线的电场分布
绘制双导线中心连线，Draw > Line,以左边导线的中心为起点，右边导线中心为中点绘制中心连线。

图 17
Maxwell 2D > Results > Create Fields Report > Rectangular
Plot , Geometry > Polyine 1,再分别选择Voltage,E,D,Energy。

图 18
由上面电压变化曲线图可知：从左边导线中心到28mm时候，电压保持在5000V，没有发生改变；从372mm处到400mm之间，电压保持在0V不变;而在28mm到372mm之间，电压随距离的变化呈线性递减。

图 19

图 20

图 21
图19，图20，图21分别为场强，电位移密度，能量变化图。有以上图可以明显的看出：在从左边导线中心到28mm之间，以上三值均为0；从372mm处到400mm之间，以上三值也均为0；而从28mm到372mm之间，三条曲线均保持同一个变化规律：先递减，中间有一段平衡距离，随后递增。
4.3.3计算单位长电容
Maxwell 2D > Fields > Calcalator,Input > Quantity >
Energy,Geoemtry > AllOblects, Scalar 的积分号，Output >
Eval.

图 22
由图可知，能量为0.00008174J，再由公式 C=2W/V*V 计算出电容值C=3.2pF.
5 设计总结和体会
通过这次课程设计，使我对电磁场电磁波这门课又重新的认识，其并不仅仅是书本上的死知识，而是与生活紧密相连，就好比一个简单地平行直导线，电压，电位移分布并不仅仅是看上去那么简单。 经过这次课程设计后，使我懂得：理论与实际相结合的重要性，只有这样，才能使得我们更好的掌握和运用所学的知识，从而提高学习兴趣。

6 参考文献：
[1] 苏东林，陈爱新，谢树果.电磁场与电磁波.北京：高等教育出版社，2009
[2] 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京：高等教育出版社，2006

15

目 录
1. 课程设计的目的与作用 1
1.1设计目的 1
1.2设计作用 1
2 设计任务及所用Maxwell软件环境介绍 1
2.1设计任务 1
2.2 Maxwell软件环境：… 2
3电磁模型的建立 2
4电磁模型计算及仿真结果后处理分析 8
5 设计总结和体会 14
6 参考文献……………………………………………………………………,.14

课程设计任务书
学 院
信息科学与工程
专 业
电子信息工程
学生姓名
刘辉
班级学号
1103030215
课程
设计
题目
电磁场与电磁波仿真设计-----平行双线的电场仿真
一导线电势为5000V，另一支导线电势为0。
实践教学要求与任务:
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:

第1天：
1. 布置课程设计题目及任务。
2. 查找文献、资料，确立设计方案。
第2-3天：
1. 安装maxwell软件，熟悉maxwell软件仿真环境。
2. 在maxwell环境下建立几何模型，学会材料选择、边界条件设置及加载激励。
第4天：
1. 在maxwell环境下完成典型电磁产品仿真设计，并给出最后的场图及对应的参数。
第5天：
1. 课程设计结果验收。
2. 针对课程设计题目进行答辩。
3. 完成课程设计报告。

成 绩 评 定 表
学生姓名
刘辉
班级学号
1103030215
专 业
电子信息工程
课程设计题目
电磁场与电磁波课程设计
评

语

组长签字：

成绩

日期

20 年 月 日