同轴电缆电场的仿真---2D仿真器资料
同轴电缆电场的仿真---2D 仿真器同轴电缆电场的
仿真---2D 仿真器
目录
同轴电缆电场的仿真---2D 仿真器同轴电缆电场的仿真---2D 仿真器 . ................ 1 1. 题目概述 . ................................................................. 2
1.1题目:同轴电缆电场的仿真---2D 仿真器 ..................................................................... 2
1.2 设计目的: ............................................................................................................. 2
1.3设计作用: .............................................................................................................. 2 1.4 Maxwell软件环境: . .............................................................................................. 3
2.设计与仿真 . .............................................................. 3
2.1绘制过程与参数设置: .......................................................................................... 4 2.2仿真过程 . .......................................................................................................................... 8
2.2.1电位,电场强度,电位移分布 . ........................................................................... 8
2.2.2计算电容 . ............................................................................................................. 15 2.2.3计算电场能量 . ..................................................................................................... 17
3.计算结果处理分析 . ....................................................... 18 4. 设计总结和体会 . ......................................................... 19 5.参考文献 . ............................................................... 19
1. 题目概述
1.1题目: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
R 1=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-380V 。 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Ansoft Maxwell 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
图1.1 同轴电缆
1.2 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。
1.3设计作用:
总体要求:熟练使用Ansoft Maxwell 仿真软件,对电场、磁场进行分析,了解所做题目的原理。利用Ansoft Maxwell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。
1.4 Maxwell软件环境:
Ansoft Maxwell软件特点: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。
2.设计与仿真
图2.1 建立2D 设计界面
2.1绘制过程与参数设置:
1. 分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆。 过程:利用DERW CYCLE通过确定两点来画圆,如图2.2。
图2.2 利用DERW CYCLE功能画圆
最后得到一组同心圆,如图2.3.
图2.3 所得同心圆
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,如图2.4。
图2.4 圆环的切割
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2.5。 内导体、外导体分别设为已有材料copper 和lead
图2.5 材料填充
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Add Material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,如图2.6。
图2.6 自定义介电常数
4. 设定激励
如图2.7,在圆1上单击鼠标右键>assign excitation>voltage,将最内层的电压设置380V, 最外层电压-380V
图2.7 设定激励
2.2仿真过程
2.2.1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: 如图2.8进行求解器的设置
图2.8 求解器的设置
对绘制的物体全选(Ctrl+A)后, 按图2.9进行分析。检验所有设置是否正确并求解 。单击小对勾, 单击小感叹号,开始求解。
图2.9 模型分析求解
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>Fields>E>Mag_E, 获得电场分布图如下:
图2.10 分析电场分布
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Draw>line由圆心向外画一条辅助线,如图2.11中黑色的直线。
图2.11 绘制辅助线
单击菜单栏Maxwell 2D>Results>Create Fields Result>Rectangular Plot
如图2.12,单击Geometry 的小箭头后选择Polyline1沿半径计算,然后在quantity 中选择Mag E生产电场强度曲线,最后单击New Report即可生成电场随半径的变化曲线。同理一次选择Mag D、Voltage 可以生成电通密度曲线和电势分布曲线。
图2.12
1.
电势随半径变化情况
图2.13 电势随半径变化
图2.14电势分布曲线
解析法计算结果:ϕ1 =1018.7-277.6 ln ρ,ϕ2 =1573-462.6 ln ρ,经检验,计算结果符合ansoft 得到的曲线。
2. 电场强度分布(标量):
图2.15 电场强度分布
图2.16 电场分布曲线
解析法得到场强计算公式:E 1 =符合。
3. 电位移分布(标量):
277. 59
ρ
,E 2 =
462. 65
ρ
,公式与ansoft 仿真得到的曲线
图2.17 电位移分布
2.18电位移变化曲线
2.2.2计算电容
计算电容的过程如下4图:
图2.19