工程电磁场课程设计总结

1 / 37 工程电磁场课程设计总结 目录 目录 . 1 1 课程设计的目的与作用 . 2 设计目的： . 2 设计作用： . 2 2 设 计 任 务 及 所 用 MAXWELL 软 件 环 境 介绍 . 2 设计任务： . 2 / 37 2 软件环境： . 3 3 电 磁 模 型 的 建立 . 3 建模 . 3 设置不同激励 . 5 设置计算参数 . 7 设置自适应计算参数 . 7 创建参数扫描设置 . 7 4 电磁模型计算 . 错误！未定义书签。 5 仿真结果后处理分析 . 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。 6 设 计 总 结 和 体会 . 错误！未定义书签。 7 参考文献： . 错误！未定义书签。 3 / 37 1 课程设计的目的与作用 设计目的： 工程电磁场与波课程理论抽象、数学计算繁杂，将 Maxwell软件引入教学中。 设计作用： 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。 2 设计任务及所用 Maxwell软件环境介绍 设计任务： 计算如下图所示铁块所受线圈磁场的作用力。 要求对线圈中的电流和铁块的高度做参数扫描，计算不同设置值时，作用力的大小。 4 / 37 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。 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。 3 电磁模型的建立 建模 1. 新建与保存 Project Insert Maxwell 3D Design 5 / 37 FileSave as Parametric 选择求解器类型： Maxwell Solution Type Magnetostatic 2.创建线圈 Draw Regular Polyhedron Center Position： mm Start Position： mm Axis： Z Height： 多边形边数： Number of Segments: 36 将多边形重命名为 Polyhedron1 选中 Polyhedron1 CTRL_C， CTRL_V 6 / 37 修改相关设置 Center Position： mm Start Position： mm Axis： Z Height： 多边形边数： Number of Segments: 36 将多边形重命名为 Polyhedron2 3.创建线圈 选中 Polyhedron1， Polyhedron2 Modeler Boolean Subtract Blank Park: Polyhedron1 Tool Park: Polyhedron2 将 Polyhedron1 重命名为 Coil 7 / 37 Assign Material copper 4.创建铁块模型 Draw Box 任意创建一个 6面体 尺寸参数设置如下： 注意： ZSize参数的值为： “SlugHeight” 将六面体重命名为 Slug Assign Material iron 5.创建计算区域 Draw Region Padding Percentage： 200% 8 / 37 6.创建激励电流加载面 Select Coil Modeler Surface Section Section Plane: YZ 平面 Modeler Boolean Separate Bodies 删除 1个截面 Select 1个截面， Del 将剩下的 1个截面重命名为 “Secti on1” 设置不同激励 选中线圈截面： Section1 Maxwell 3D Excitations Assign Current 工程电磁场课程设计 基于 ANSYS软件的有限元分析法 9 / 37 高超 2016302540283 电气工程与自动化 2016级 10班734215548 一、 基本知识学习总结： 1、 Utility Menu 实用菜单 SAVE_DB 存储数据库 RESUME_DB 恢复数据库 Select Entity 选择实体 Comp/Assembly 组元 /集合 Plot/Replot 画图 /重新画图 Pan,Zoom,Rotate 平移，缩10 / 37 放，旋转 WorkPlane(WP) 工作平面 Coordinate System(CS) 坐标系 Macro 宏 Preference 优先设置 Preprocessor 前处理 General Postproc (Post1) 通用后处理 Solution(Solu)求解模块 TimeHist Postproc 时间历程后处理 Optim 优化模块 2、分析步骤 建模： A.重名文件名 11 / 37 B.设定分析范围 C.建立数学模型，并进行物理剖分析 加载求解器 A. 计入求解器 B. 定义分析类型： C. 定义分析属性 D. 加载 E. 保存数据库 F. 开始求解 G. 世家附加载荷：若想施加额外的负载条件，重复执行 12 / 37 H. 完成求解 读取结果，进入后处理模块 二、 实验项目 静电场分析 求圆柱截流导线周围的电场和对地电容 功能：主要能解决有电荷分布以及电压所引起的电场和电势分布以及多导体系统的部分电容。 1、 分析步骤：如上 2、 静电场分析 电容计 算方法 A. 定义式： C = Q/U Q 带等量异号电荷的两导体的电量， U 两导体间的电压。 B. 能量法： C=2? 2 13 / 37 W 两导体系统的电场能量， U1 ,U0 两导体间的电压 C. ANSYS 中的 CMATRIX 宏命令： cmatrix GUI： MainMenuSolutionSolveElectromagnetStaticAnalysisCapac Matrix 3、 模型描述： 求无限长载流导线附近的电场分布，无限长载流导线截面为圆柱形，周围为空气介质， 平面位置和尺寸如图 8(a)所示， R0 = 100mm， h= 5m， H = 50m。空气的相对电容率为 r =1 , 导线的相对电容率为 r=1 。 边界和激励设置：将大地和无限远处作为求解边界。求解区域外 围空气设置为截断边界，边界上的电位为 0V。导线截面内所有的电位均相等，导线 为一等势体，电位设置为 100V, 图 8(b)为模型总体示意图。 图 8(a)无限长导线模型尺寸 图8(b)无限长导线电场 计算模型示意图 14 / 37 4、 模型分析 原理：利用镜像法与等电轴法建立数学模型，如图 等效电轴位置： b 等效电容为： =h ? ?2?0 ?0= 15 / 37 d=2h ?=? ? 即：将单输电线对地电容等效为双输电线之间的电容计算。，所以单极导线对地电容 C=2?0 5、 编程命令 1、确定文件名，选择研宄范围 点击 Utility MenuFileChange Title，输入你的文件名。 点击 Main MenuPreferences，选择 Electric。 2、定义参数： (ansys command windows或者 Utility MenuParametersScalar Parameters) h = 5 R0 = D_2 = sqrt(h*2-R0*2) 16 / 37 U = 100 d = 2*h b = h-D_2 pi = atan(1)*4 epsilon = *10*(-12) C0 = 2*pi*epsilon/log(d-(R0+b)/(R0-b) tau = C0*U 3、定义单元类型： Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 点击 Add，选择 Electrostatic 和 2D Quad 121 (二维四边形单元 plane121)-ET,1,PLANE121 Defines a local element type from the element library. 17 / 37 ET定义单元类型 4、定义材料属性： Material PropsMaterial Models ElectromagneticsRelative PermittivityConstant:PREX=1 (定义相对介电常数 )- MP,PERX,1,1 Defines a linear material property as a constant or a function of temperature. PREP7:Materials Lab:Valid material property label 有效材料属性 包括 ：弹性模量 Elastic moduli= 割 线 热 膨 胀 系 数 Secant coefficients of thermal expansion 18 / 37 瞬时热膨胀系数 Instantaneous coefficients of thermal expansion 主要泊松比 Major Poissons ratios(PRXY) 最小泊松比 Minor Poissons ratios(NUXY) 5、创建几何模型 : PlotCtrlsNumbering选 Keypoint numbers 为on， Line numbers 为 on， Area numbers 为 on，点击 OK /PNUM,KP,1 /PNUM,LINE,1 /PNUM,AREA,1 Controls entity numbering/coloring on plots. Label:KP-Keypoint numbers on solid model plots. LINE-Line numbers on solid model plots (both numbers and colors 19 / 37 on line plots). AREA-Area numbers on solid model plots (both numbers and colors on area plots). Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesArcsBy Cent & Radius Arc length in degrees 中输入 180 Number of lines in arc中输入 2 - 画 一 个 半 圆circle,1,10*h,180 Generates circular arc lines. PCENT-Keypoint defining the center of the circle (in the plane of the circle) RAD-Radius of the circle 20 / 37 PAXIS;PZERO;ARC; NSEG-Number of lines around circumference (defaults to minimum required for 90 -maximum arcs, , 4 for 360). Number of keypo ints generated is NSEG for 360 or NSEG + 1 for less than 360. Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLines Straight Line 选择关键点 1， 2并点击 OK。重复上述操作，选择关键点 1，4 并点击 OK。 -【 l,1,2 l,1,4】 , YV1, ZV1, XV2, YV2, ZV2 Defines a line between two keypoints.连接关键点。 21 / 37 P1-Keypoint at the beginning of line. P2-Keypoint at the end of line. Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitrary By Lines， 选择 L1， L2， L3， L4，然后点击 OK。 -【 al,all】 Generates an area bounded by previously defined lines.通过已定义的线条生成一个有界区域。 L1, L2, L3, . . . , L10： List of lines defining area Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasCircle Solid Circle，在 WP X 栏中输入 0，在 WP Y 栏中输入 h，在 Radius栏中输入 R0 22 / 37 -【 cyl4,0,h,R0】 Creates a circular area or cylindrical volume anywhere on the working plane. (在工作区域坐标为 (x,y)的点上建一个半径为 R0的圆 ) SelectEverything 选 中 所 有 对 象-【 alls】 点击 Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleans OverlapAreas，在弹出的对话框中点击 Pick All。-【 aovlap,all】 Overlaps areas:重叠区域。 NA1, NA2, NA3, NA9-Numbers of areas to be operated on 6、准备剖分模型 23 / 37 Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool ： Size Controls Lines： Set：输入 1， 2 NDIV=50， Set： 3， 4，NDIV=50SPACESPACE=3； Set： 5,6,7,8NDIV=20 - 【 lsel,s,radius,R0 ；lesize,all,20； lsel,s,loc,y,0； lesize,all,50,3；lsel,all】 Selects a subset of lines.选择线段 R-Reselect a set from the current set. A-Additionally select a set and extend the current 选择加入到当前选择集中以扩充当前集 U-Unselect a set from the current set. ALL-Restore the full set. NONE-Unselect the full set. 24 / 37 INVE-Invert the current set (selected becomes unselected and vice v 反选。 Specifies the divisions and spacing ratio on unmeshed lines.划分网格 NL1-Number of the line to be modified. SIZE-If NDIV is blank, SIZE is the division (element edge) length 1.课程设计的目的与作用 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25 / 37 与电磁波的理解和应用，提高教学质量。 设计作用： 通过电磁场与电磁波课程设计，让同学了解求解电磁场常用的工具和解题技巧。和熟悉电磁场领域常用软件 ANSOFT 建模过程，熟练掌握 MAXWELL方程的建立，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。 2.设计任务及所用 Maxwell软件环境介绍 设计任务： 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。 软件环境： Ansoft Maxwell 软件特点： Ansoft Maxwell 是低频电磁场26 / 37 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、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 ：建模 Project Insert Maxwell 3D Design FileSave as Dipole antenna 选择求解器类型：Maxwell Solution Type Eddy current 设置几何尺寸单位 ： Modeler Units Select Units: m (meters) 创建线圈 DrawTorus 中心点： 27 / 37 输入线圈的内径： 输入线圈的外径： 将材料设置为 Copper 重命名为： coil 创建计算区域 Region DrawSphere 中心点： 输入球形计算区域的半径： 材料设为 vacuum 创建激励电流加载面 Select coil Modeler Surface Section Section Plane: YZ 平面 Modeler Boolean Separate Bodies Del 删除 1 个截面 将剩下的 1个截面重命名为 “current” 2.设置激励 选中线圈截面： current Maxwell 3D Excitations Assign Current Value: Type: soild 28 / 37 设置涡流效应和位移电流存在区域 Maxwell Excitations Set Eddy Effects 设置如下图： 工程电磁场理论与应用 课程总结报告 选题举例 一、针对电磁场正问题或逆问题数值分析理论的某一专题： 1. 开域问题的一般解法 2. 永磁体磁特性在电机电磁场分析中的模拟 3. 介绍一种电磁场数值算法 4. 介绍一种电磁场优化方法 5. 对某一硕、博论文的阅读理解。 6. 29 / 37 二、结合研究课题的电磁场正问题或逆问题分析方法的应用： 1. 怎样应用商用软件计算电磁场与温度场的耦合问题 2. 混合励磁发电机及其电磁场分析 3. 真空断路器屏蔽罩的优化设计 4. 强磁场永磁磁体结构设计 5. 交流接触器磁场分析 6. 电力变压器主绝缘电场分析 7. 空心电抗器磁场有限元分析 8. 三、对本课程某一专题的学习总结 注：上述选题是以往研究生的选题，仅供参考，不必和他们30 / 37 的选题相同。 要求： 1. 写出报告并打印； 2. 用 ppt 软件做课堂演示； 3. 回答问题 着重点：不贪多，对某一问题要有深入的理解；鼓励创新思维；内容相对完整；注意引文。避免拷贝其他资料的原文。 提高 “ 工程电磁场 ” 课程教学效果的方法研究 作者：熊炜 粟世玮 来源：中国电力教育 2016年第 26期 摘要： “ 工程电磁场 ” 是高校电气工程专业一门重要的专业基础课程。在学习其他高校教学理论的基础上，结合 “ 工程电磁场 ” 课堂教学的实践经验和体会，针对 “ 工程电磁场 ”课程的理论性强、抽象、数学推导较多等特点，研究传统课堂教学的方法。以实际讲例为导向进行分析讲授，从而激发学生的学习兴趣，提高课堂教学的教学效果，并且为了 “ 工程电磁场 ” 课程后期的进一步发展。 关键词：工程电磁场；课程；特点；教学 作者简介：熊炜，男，湖北宜昌人，三峡大学电气与新能源学院，讲师；粟世玮，女，湖北宜昌人，三峡大学电气与新31 / 37 能源学院，讲师。 中图分类号： 文献标识码： A 文章编号： 1007-007926-0042-01 “ 工程电磁场 ” 课程是高校电气工程专业的一门基础专业课程，很多高校都是作为必修课之 一。这门课程对于学生来说，无论是其他后续专业课程的学习，如 “ 电机学 ” 、 “ 电机控制 ” 、 “ 电力系统分析 ” 、 “ 电力系统继电保护 ” 、 “ 直流调速控制系统 ” 等，还是毕业后的深造和工作都十分重要，为他们将来从事工程设计、设备安装及维修、系统调试等方面的工作打下坚实的基础。因此，“ 工程电磁场 ” 课程在电气工程及其自动化专业教学中具有举足轻重的作用 。高校和讲授这门课程的教师都十分重视这门课程的教学效果，许多教师都针对 “ 工程电磁场 ” 这门课程的改革和教学方法做了许多研究，通过教学方法的研究提高教学效果， 1通过仿真工具建立实验辅助学生理解，2， 3还有从教学内容上入手探讨课程的教学。 4本文针对 “ 工程电磁场 ” 这门课程内容上的特点，结合实际应用探讨在教学中如何提高学生的兴趣，从而提高教学效果的方法。 一、 “ 工程电磁场 ” 课程绪论的作用 32 / 37 由于 “ 工程电磁场 ” 课程特点，学生上课的效果很不好，对知识点的理解不深，对课程内容缺乏兴趣，进而导致课堂练习和课后练习抄袭现象严重，造成历届学生在这门课程的一次通过率并不高。每一届学生在这门课程开始之前，就已经在往届学生那里听说这门课程有多么难，有多少人没有通过等等，于是就有了畏难情绪。通过绪论的介绍，以轻松的聊天形式，让学生了解这门课程的特点，知道如何学好这门课程，从而激起学生的学习兴趣。 绪论课的重要作用是开拓学生相关知识的视野。与学生聊生活中的一些应用实例，如电磁波的传播、通讯、电磁屏蔽等等，让学生像听故事一样了解电磁场相关知识。讲好绪论课要求教师既要熟悉掌握教学的内容，又要阅读有关杂志、文献，了解最新的发展动态，收集大量资 料。此外教师要善于表达，发挥讲授艺术充实学生内心世界，才能激发学生学习热情，对工程电磁场的学习产生求知欲。 另外，教师以聊天的形式和学生交流往届学生学这门课程的一些趣事，打消学生学习的顾虑，培养与学生之间的感情，让学生对授课教师的习惯有一定了解，对于后面授课时的交33 / 37 流有很大帮助。 二、课程抽象性与多媒体、仿真工具的应用 学生学习 “ 工程电磁场 ” 难的一个主要原因就是抽象。工程学科的很多课程是有实物对照的，如电机、变压器，学生在实习和实践环节中都能够有实物观看。但是电磁场是看不见摸不着的，只能让学生想象点电荷周围的电场是怎么样，通电直导线周围磁场是怎么样的。 在课堂上演示相关问题仿真结果成为了提高教学效果的一种重要方法。那么，一方面可以通过多媒体辅助教学的大量图片和视频，使抽象场形象化、可视化。在课堂以图形展示的形式解释 “ 工程电磁场 ” 课程中的一些基本概念，让学生从视觉上感受场的存在。如图 1，为单根直导线周围磁场情况，学生就能很清晰形象地了解导线周围磁场的分布。另一方面，利用 MATLAB、 ANSYS 等仿真软件做出实际效果图，让学生自己动手，更为清晰地了解相关概念。可在期中布置一次大作业，实践显示大部分学生通过作业亲 自编程对概念有了较深入的理解。当然问题是如何增强辅导力度以提高学生仿真作业质量，避免抄袭现象，使学生真正掌握 MATLAB 和 ANASYS 两种软件，为将来的专业课学习和工程实践奠定基34 / 37 础。 三、课程理论性强、数学性强与教学重点的选择 “ 工程电磁场 ” 课程安排在 “ 高等数学 ” 和 “ 电路 ” 等基础 课程之后学习。课程对数学基础要求比较高，理论性强，讲解时比较抽象，没有实物观看，包含内容也比较广泛。教材一般包含几大部分内容：一部分是场的基本原理，包含静电场、恒定电场、恒定磁场、时变场；一部分是一些分析计算方法，包含镜像法等等；还有一部分是电磁波、工程方面等相关内容。其中数学性比较强的，基本上贯穿整门课程的都是梯度、散度、旋度，以及线积分、面积分、体积分，所以学生把教材粗略一翻，一般都会觉得很难。 那么在课程讲解的时候，分清主次，分清重点。在 “ 工程电磁场 ” 中，这门课程主要是需要学生了解相关基本原理，并且着重于基本原理的应用，所以在授课中，可以不需要介绍太多的数学推导，让学生知道能够用，怎么用才是重点。 例如讲解静电场的基本原理时，重点当然是高斯通量定理，见公式。高斯通量定理是在静电场中计算电场强度的主要手段，公式左边是电场强度的闭合曲面面积分，右边