數(shù)值分析實驗報告.

1、電器數(shù)值分析仿真實驗報告姓名學號班級時間 2015 學年秋季上機練習：問題描述平板空氣電容器如圖所示，求其電場的分布1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相應模型，求平行板電容器的電場分布 2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設置氣球邊界。 （2）仿真過程： 選擇求解場（ Electrostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立平行板容器的模型： 添加材料：極板為銅 copper ，板間真空 vacuum。 添加激勵：左極板為 0v，右極板為 10v。 外邊框設置氣球邊界。3. 仿真結果與討論（一）實驗結果（ 1）電場矢量分布：2）電場標量分布：3）電

2、位移矢量分布：4）電位移標量分布：（二）對實驗結果的討論從 E,D 的空間分布可以看出兩個平行板電容器之間的電場為勻強電場， 在極 板邊緣處電場分布出現(xiàn)尖端效應， 右極板內側的尖端電場強度最大， 且為正極電 場線從右極板發(fā)出， 平行板電容器外部電場為零。 實驗結果與理論分析基本相符。 4. 總結在進行建模的時候可以在畫完一個極板后通過鏡像對稱這種簡單的方法來 畫對稱的圖形。運用仿真可以節(jié)省材料， 在仿真的過程中， 對仿真結果進行思考， 會出現(xiàn)一 些在理論分析中一般會忽略的現(xiàn)象，比如尖端效應等。問題描述避雷器（銅）簡化模型如圖所示，求解避雷針的電壓分布1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相

3、應模型，求解避雷器的電壓分布2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設置氣球邊界。 （2）仿真過程： 選擇求解器：屬于靜電場問題（ Electrostatic ） 利用 Maxwell-2D 仿真建立平行板容器的模型： 添加材料：極板為銅 copper 添加激勵：最上面的極板接 100v，最下面的接 0v，設置邊界條件為氣球 邊界。 設置求解器 solver 求解電壓分布。3. 仿真結果與討論（一）實驗結果（1）避雷器的電壓分布如下圖所示：（二）對實驗結果的討論避雷器之間電壓由 100v 到 0v 均勻降落電勢大約分別為 100v， 67v，34v， 0v，與極板間的距離成

4、正比。實驗結果與理論分析相符。4. 總結添加激勵時，只需要將最頂?shù)暮妥畹椎你~片分別加 100v和 0v，其他的不需 要。通過做仿真實驗可得出銅板加的越多，電壓分布在每片上的電勢值就越小， 不易擊穿，讓我進一步驗證了理論。三問題描述一矩形接地金屬槽，長 40cm ，寬 20cm，邊界條件如圖所示，求解槽內電壓 分布。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立仿真模型，求解槽內電壓分布2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設置氣球邊界（2）仿真過程： 選擇求解器：靜電場（ Electrostatic ） 利用 Maxwell-2D 仿真建立金屬槽的模型： 添加材料：四個極板為銅

5、 copper 。 設置槽各個邊框的激勵電壓：最上面的 100v 其他三個為 0v。設置邊界條 件為氣球邊界。 設置求解器 solver 。 求解電壓分布。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）電壓分布二） 對實驗結果的討論由于尖端效應， 金屬槽上極板兩端與槽的間隙電場變化最快， 在槽內， 電場強度基本分布均勻， 電勢值正比于距離遞減， 所以呈現(xiàn) U 型。實驗結果與理論分 析相符。4. 總結 通過仿真實驗可以直觀快速的看到金屬槽的電壓分布， 不用繁瑣的計算。 進 一步驗證了理論，從而加深了對理論的理解。四問題描述兩個半徑為 5mm的實心鐵球，球心距為 30mm，帶電量均為 1C。分析空間電

6、場分布。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立仿真模型，求解兩個實心鐵球的空間電場分布2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設置偶對稱邊界。 （2）仿真過程： 選擇求解場（ Electrostatic ）。 建立實心鐵球的模型： 添加材料：金屬球為鐵 iron 。 添加激勵：給實心鐵球加電荷量為 1C。添加邊界： 第一種四周加氣球邊界， 第二種對稱軸加對偶對稱邊界其余三條添加氣球邊界。設置求解器 solver 。 求解空間電場分布。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）空間電場分布氣球邊界對稱邊界（二）對實驗結果的分析兩個帶有相同電荷量的鐵球， 連線中心處的電場為零

7、， 兩個鐵球周圍的電場隨距鐵球距 離的增加而減小， 從兩電荷中垂線到無窮遠的電場強度先增大后減小， 在兩個電荷附近有最 大值。實驗結果與理論分析相符合。4. 總結等量同種電荷的電場分布，將對稱邊界（ 1/2 模型）由偶邊 even 改成奇邊 odd，或者將左邊金屬球電荷量改為 -1c 來分析。通過仿真實驗，更直觀的看到 兩電荷的庫倫定律。五、問題描述在一長直導線直徑為 5mm中通有 1A 的直流電流，求其周圍磁力線的分布1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立仿真模型，求無限長直導線周圍磁力線分布。2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框設置氣球邊界。（2）仿真過程： 選

8、擇求解器：屬于靜磁場問題（ Magnetostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立 5mm長直導線模型： 添加材料：導線為銅 copper 。 給長直導線加激勵電流為 5A（方向為垂直紙面向外（ positive ） 設置求解器 solver 。求磁力線分布。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）磁力線分布（二）對實驗結果的討論 0I長直導線外磁力線的方向符合右手定則，外部大小符合 B 0 成反比例關系，內部 2R 為 B=Ir/2 R2與 r 有關呈線性關系。實驗結果與理論分析相符合.4. 總結通過做仿真實驗我更加清晰明確的看到了長直導線周圍的磁力線分布。六 問題描述有一個

9、電抗器，由三層線圈正向串聯(lián)接在一個直流電源上。 電流由 z 軸右半 軸流入 , 左半軸流出。求電抗器磁感應強度分布狀況。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立仿真模型，求電抗器磁感應強度分布狀況。2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框可以設置氣球邊界，也可以用全氣球 邊界。（2）仿真過程： 選擇求解器：屬于靜磁場（ Magnetostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立電抗器模型： 添加材料：極板為銅 copper 。 添加激勵：左邊電流為 10A,方向向外( positive ); 右邊電流為 10A,方 向向內( negative )。并設置邊界，第

10、一種為全氣球邊界，第二種為對稱邊界， 在對稱軸邊界設置為奇 odd 對稱邊界，其余為氣球邊界。 設置求解器 solver 。 求磁感應強度分布狀況。3. 仿真結果與討論(一)仿真結果( 1)采用對稱邊界得到的磁力線分布2）采用全氣球邊界得到的磁力線分布（二） 對實驗結果的討論 實驗結果與理論分析相符。 同種電流磁場相互削弱， 異種電流磁場相互加強， 電抗器中心軸處磁感應強度最強，向外逐漸減弱。4. 總結 通過做仿真實驗我更加清晰明確的看到了電抗器磁感應強度的分布。七 問題描述相互靠近的導體通有交變電流時，觀察其鄰近效應。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相關模型，當相互靠近的導體通有交

11、變電流時，觀察 其鄰近效應。2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設置氣球邊界。（2）仿真過程： 選擇求解器：為渦流場（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立導體通有交變電流模型。 添加材料：導線為銅 copper 。 添加激勵： 電流大小為 10A, 方向分別向外 （positive ）。并設置氣球邊界 設置求解器 solver ，其中選擇頻率為 1KHz。觀察臨近效應。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）鄰近效應（二）對實驗結果的討論 在實驗的過程中為了清晰的看到臨近效應， 需要通過不斷的試驗從而選擇合 適的電流大小、 兩根導線之間

12、距離的大小和頻率大小， 最終得到的結論是： 電流 越大，間距越小以及頻率越高時臨近效應越明顯。4. 總結 在實驗的過程中， 通過不斷的改變電流和頻率， 使我加深了對臨近效應的理 解。二、銅導體通 100A的交變電流（ 1KHz）1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相關模型，當相互靠近的導體通有交變電流時，觀察 其集膚效應。2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設置氣球邊界。（2）仿真過程： 選擇求解器：為渦流場（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立導體通有交變電流模型。 添加材料：導線為銅 copper 。 添加激勵：電流大小為 1

13、00A，并設置氣球邊界 設置求解器 solver ，其中選擇頻率為 1KHz。 觀察集膚效應。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）集膚效應（二）對實驗結果的討論 集膚效應為當導體中有交流電或交變電磁場時，導體內部的電流分布不均 勻，電流集中在導體外表的薄層， 越靠近導體表面電流密度越大， 導線內部實際 上電流較小。4. 總結做仿真實驗中， 不斷改變交變電流的頻率， 仿真結果不同， 頻率越高效果越 明顯，使我加深了對集膚效應的理解。八 問題描述兩長直導線相距 400mm，導體半徑為 20mm，其中一導線電勢為 220V，另一 支導線電勢為 0V，其材料（ material ）是鐵（iron

14、）, 場域中介質是空氣（ air ） 觀察電場分布。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相關模型，觀察兩根長直導線周圍電場分布2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于靜電場問題，外邊框設置氣球邊界。 （2）仿真過程： 選擇求解器：屬于為靜電場（ Electrostatic ）。 建立倆長直導線模型： 添加材料：導體為鐵 iron ，場域介質為空氣 air 。 添加激勵： 激勵，左邊導線電壓大小為 220V, 右邊導線電壓大小為 0V。并 設置氣球邊界。 設置求解器 solver 。 觀察倆長直導線周圍電場分布。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（ 1）電場分布（二）對實驗結果的討論 兩

15、根長直導線周圍電場線密集處，場強大；稀疏出，場強小。電場線從左邊 電壓為 220V導線出發(fā)，右邊電壓為 0V 導線。實驗結果與理論分析相符。4. 總結 實驗結果與理論分析相符合， 在實驗的過程中， 我對兩根長直導線的空間電 場分布有了更進一步的認識。九 問題描述如圖：同軸電纜模型，內導體半徑為 20mm，外導體半徑為 160mm，厚度為 20mm，內外導體均用銀（ silver ），內外導體間填充樹脂玻（ plexiglass ）。內導 體電勢為 380V，外導體電勢為 0V。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相關模型，觀察同軸電纜電場分布。2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于靜

16、電場問題，外邊框設置氣球邊界。 （2）仿真過程： 選擇求解器：屬于靜電場（ Electrostatic ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立同軸電纜模型： 添加材料：內外導體均用銀（ silver ），內外導體間填充樹脂玻 （ plexiglass ）。 添加激勵：內導體電勢為 380V，外導體電勢為 0V。并設置氣球邊界 設置求解器 solver 。 觀察同軸電纜電場分布。3. 仿真結果與討論 （一）仿真結果 （ 1）電場分布二）對實驗結果的討論同軸電纜內部電場應該為從里向外逐漸減小場點電場強度與場點距內導體 中心距離成反比， 且半徑相同處電場大小相同。 電纜外部電場為零。 實驗結果與

17、 理論分析相符合。4. 總結實驗結果與理論分析相符合， 在實驗的過程中能直觀的看出電場強度分布情 況，加深了我對相關物理現(xiàn)象的理解。 對同軸電纜空間電場分布有了更進一步的 認識。十 問題描述線圈電流大小均為 4A，具體方向：從左到右第一組線圈為右進左出；第 組左進右出。鐵心材料為 Steel-1008 ， 線圈材料 copper 。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立仿真模型，求該模型磁力線分布2. 仿真過程與分析（1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框設置氣球邊界。 添加材料：鐵心材料為 Steel-1008 ， 線圈材料為銅 copper 。 線圈電流大小均為 4A，具體方向：從左到右

18、第一組線圈為右進左出；第 二組左進右出。進為 negative ，出為 positive 設置求解器 solver 。 求磁力線分布。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）磁力線分布（二）對實驗結果的討論 理論上，鐵心的磁導率比空氣大的多，所以磁力線應該主要集中在鐵心中。在鐵心中，磁通量相同， 面積大的地方磁感應強度小， 面積小的地方磁感應強度 大。實驗結果與理論分析相符。4. 總結 由于氣隙的存在，使得整體磁路的磁場強度降低，從而可以防止鐵心飽和， 提高鐵心的利用率。 通過做仿真實驗我更加清晰的看到了單相雙繞組變壓器鐵心 中的磁力線分布，加深了對知識的理解。一 問題描述兩個實體圓柱鐵芯，中

19、間被空氣隙分開，線圈中心點處于空氣隙中心1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立仿真模型，計算該簡單直流致動器磁力線分布以及氣 隙中心點的磁感應強度的數(shù)值。2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于靜磁場問題，外邊框設置奇對稱邊界。（2）仿真過程： 選擇求解器：靜磁場（ Magnetostatic ）。 建立相關模型： 添加材料：鐵心材料為 Steel-1008 ， 線圈材料為銅 copper 。 添加激勵：線圈電流大小為 10A，線圈電流方向向外。并設置氣球邊界 設置求解器 solver 。求磁力線分布。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）磁力線分布（二）對實驗結果的討論 實驗結果中的

20、磁力線方向以及大小與均與理論相符合。 鐵心的磁導率比空氣 的大，線圈產(chǎn)生的磁場會優(yōu)先通過鐵心， 產(chǎn)生的損耗小魚空氣， 使磁場能定向通 過鐵心。氣隙中的磁場為勻強磁場，且鐵心尖端處磁場最強。4. 總結通過做仿真實驗我更加清晰的看到了直流致動器中的磁力線分布。十二 問題描述三相繞組電流大小均為 10A，頻率為 1KHz。具體方向： 三相繞組均為左進右 出。變壓器鐵芯材料為 Steel-1008 ， 繞組材料為銅 copper 。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相關模型，觀察三相變壓器鐵芯的渦流損耗2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設置氣球邊界。 （2）仿真過程：

21、 選擇求解器：為渦流場（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立三相變壓器鐵心模型： 添加材料：變壓器鐵心材料為 Steel-1008 ， 繞組材料為銅 copper 。 給線圈加激勵：三相繞組電流大小均為 10A，頻率為 1KHz。具體方向： 相繞組均為左進右出。進為 negative ，出為 positive 。 設置求解器 solver ，其中選擇頻率為 1KHz。 觀察鐵芯渦流損耗。3. 仿真結果與討論（一）仿真結果（1）渦流損耗（二）對實驗結果的討論 在實驗的過程中為了清晰的看到三相變壓器鐵芯的渦流損耗， 需要不斷選擇 合適的電流大小和頻率大小。 最終得

22、到的結論是： 電流越大以及頻率越高時渦流 損耗越明顯， 越靠近線圈的鐵心渦流損耗越大。 同時，渦流損耗主要集中在變壓 器鐵芯的邊緣處。4. 總結 實驗結果與理論分析相符合。 在實驗的過程中， 可以看到了三相變壓器鐵芯 的渦流損耗。畫圖時先畫大矩形，然后再畫兩個小矩形，用 subtract 減掉兩個矩形實現(xiàn)鐵心鐵柱鐵軛無縫連接 十三 問題描述感應加熱： 利用電磁感應原理， 把坯料放在交變磁場中， 使其內部產(chǎn)生感應 電流，從而產(chǎn)生焦耳熱來加熱坯料的方法。 感應器一般是輸入中頻或高頻交流電 （300-300000Hz 或更高） 。1. 仿真目的利用 ansoft 軟件建立相關模型，觀察坯料在交變磁場中感應出的的渦流。2. 仿真過程與分析 （1）過程分析：屬于渦流場問題，外邊框設置氣球邊界。（2）仿真過程： 選擇求解器：為渦流場（ Eddy Current ）。 利用 Maxwell-2D 仿真建立坯料模型： 添加材料：坯料材料為鐵 iron ，繞組材料為銅 copper 。 添加激勵：線圈電流大小均為 100A，頻率為 2KHz