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1、 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
2、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（ir
3、on），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
4、> 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
5、 > 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
6、 >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 > Par
7、ameters > 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
8、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 > Rectangula
9、r 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
10、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
11、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.
12、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----
13、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
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