電磁場與電磁波課程設計

PAGEPAGE18目錄1.課程設計的目的與作用 21.1設計目的 21.2設計作用 22.設計任務及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹 22.1設計任務 22.2Maxwell軟件環(huán)境介紹 33.電磁模型的建立 34.電磁模型計算及仿真結果后處理分析 94.1電磁模型計算 104.2仿真結果后處理分析 105.設計總結及體會 186.參考文獻 181.課程設計的目的與作用1.1設計目的電磁場與電磁波課程理論抽象、數(shù)學計算繁雜，將Maxwell軟件引入教學中，通過對典型電磁產品的仿真設計，并模擬電磁場的特性，將理論與實踐有效結合，強化學生對電磁場與電磁波的理解和應用，提高教學質量。1.2設計作用電磁場與電磁波主要介紹電磁場與電磁波的發(fā)展歷史、基本理論、基本概念、基本方法以及在現(xiàn)實生活中的應用，內容包括電磁場與電磁波理論建立的歷史意義、靜電場與恒流電場、電磁場的邊值問題、靜磁場、時變場和麥克斯韋方程組、準靜態(tài)場、平面電磁波的傳播、導行電磁波以及諧振器原理等。全書沿著電磁場與電磁波理論和實踐發(fā)展的歷史脈絡，將歷史發(fā)展的趣味性與理論敘述和推導有機結合，同時介紹了電磁場與電磁波在日常生活、經濟社會以及科學研究中的廣泛應用。書中的大量例題強調了基本概念并說明分析和解決典型問題的方法；每章末的思考題用于測驗學生對本章內容的記憶和理解程度；每章的習題可增強學生對于公式中不同物理量的相互關系的理解，同時也可培養(yǎng)學生應用公式分析和解決問題的能力。2.設計任務及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹2.1設計任務如圖1所示，兩長直導線相距400mm，導線半徑20mm，其材料(material)是鐵（iron），場域中介質是空氣（air）(,)。其中:一導線電勢為10000V，另一支導線電勢為0V.求：計算平行雙線周圍的電場分布，并計算單位長電容圖一2.2Maxwell軟件環(huán)境介紹AnsoftMaxwell是低頻電磁場有限元仿真軟件，在工程電磁領域有廣泛的應用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓褂妙I域遍及電器、機械、石油化工、汽車、冶金、水利水電、航空航天、船舶、電子、核工業(yè)、兵器等眾多行業(yè)，為各領域的科學研究和工程應用作出了巨大的貢獻.工業(yè)應用中的電磁元件，如傳感器，調節(jié)器，電動機，變壓器，以及其他工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時候都使用得更加廣泛。由于設計者對性能與體積設計封裝的希望，因而先進而便于使用的數(shù)字場仿真技術的需求也顯著的增長。在工程人員所關心的實用性及數(shù)字化功能方面，Maxwell的產品遙遙領先其他的一流公司。Maxwell2D包括交流/直流磁場、靜電場以及瞬態(tài)電磁場、溫度場分析，參數(shù)化分極；以及優(yōu)化功能。此外，Maxwel2D還可產生高精度的等效電路模型以供Ansoft的SIMPLORER模塊和其它電路分析工具調用。3.電磁模型的建立1.Maxwell主界面：當打開軟件時，選擇Maxwell2D，則進入如下界面，如圖二所示。圖二2.File>Saveas>12031101013.選擇求解器類型：Maxwell2D>SolutionType>Electric>Electrostatic圖三4.創(chuàng)建左導線Draw>Circle左導線起點：（X,Y,Z）=（0,0,0）坐標偏置：（dX,dY,dY）=（20,20,0）圖四5.圖五選擇iron（鐵）圖六6.創(chuàng)建右導線Draw>Circle右導線起點：（X,Y）=（400,0,0）坐標偏置：（dX,dY,dZ）=（20,20,0）圖七同上一步，選擇iron（鐵）圖八7.創(chuàng)建場域中介質Draw>Rectangle場域起點：（X,Y,Z）=（500,200,0）坐標偏置：（dX,dY,dZ）=（-200,-200,0）圖九AssignMaterial>空氣（air）(,)。圖十8.選中左導線Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>10000V圖十一圖十二9.選中右導線Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>0V圖十三4.電磁模型計算及仿真結果后處理分析4.1電磁模型計算設導線表面單位長度帶電+λ，-λ兩線間任意點P的場強：E=U=單位長度電容：=6.7838pF4.2仿真結果后處理分析1.設置自適應計算參數(shù)：Maxwell2D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup最大迭代次數(shù)： Maximumnumberofpasses>10誤差要求： PercentError>1%每次迭代加密剖分單元比例： RefinementperPass>30%圖十四圖十五2.Maxwell2D>AnalyzeAll，后計算機就開始進行計算圖十六3．檢查完畢后，Maxwell2D>Fields>Fields,分別選擇Voltage,E,D,還有Other>Energy.圖十七4.選中Geometry中的CreateFieldsReport,然后單擊RectangularPlot；再選中Geometry中的Polyine1，然后選擇Voltage，單擊確定即可畫出電壓V的曲線圖。如圖二十所示.圖十八圖十九圖二十5.重復4步驟，選擇電場強度E，然后單擊確定，即可畫出電場強度的曲線圖。如圖二十一所示.圖二十一6.重復4步驟，然后選擇電位移密度D，單擊確定，即可畫出電位移密度曲線圖。如圖二十二所示.圖二十二7.再重復4步驟，選中能量，單擊確定，即可畫出能量曲線圖，如圖二十三所示.圖二十三8.完成上述步驟后，選中Maxwell2D中的Fields，然后選擇Calcalator進入如下界面。選擇Input中的Quantity，再選擇Energy；隨后選擇Geoemtry中的AllOblects；再選擇Scalar中的積分號；最后選擇Output中的Eval，即可計算出能量值。圖二十四圖二十五圖二十六圖二十七圖二十八圖二十九綜上所述，計算出能量值為W=0.00035504J,再由公式C=2W/V*V計算出電容值C=7.1008pF。即為所求的電容。5.設計總結及體會通過這次的課程設計，讓我知道了，在電磁場這門課程中學到的知識不應該僅僅是書上的公式和定理，而更應該是理論與實踐的結合，書本上的知識只有與生活緊密相連才能發(fā)揮真正的用處，而在這次的課程中也讓我發(fā)現(xiàn)了對工程電磁場這門課程中一些知識的欠缺與不足，讓自己