同轴电缆电场的仿真---2D仿真器

1、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11.题目概述21.1题目：同轴电缆电场的仿真-2D仿真器21.2 设计目的：21.3设计作用：21.4 Maxwell软件环境：32设计与仿真32.1绘制过程与参数设置：42.2仿真过程82.2.1电位，电场强度，电位移分布82.2.2计算电容152.2.3计算电场能量173计算结果处理分析184. 设计总结和体会195参考文献191.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R1=10mm,R2=20

2、mm,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper，外导体为lead，中间的介质150, 230, ,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

3、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

4、、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.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

5、图2.4。图2.4 圆环的切割.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150, 230, 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.设定激励如图2.7，在圆1上单击鼠标右键assign excitationvoltage,将最内层的电压设置380V,最

6、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FieldsEMag_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Drawline由圆心向外画一条辅助线，如图2.11中

7、黑色的直线。图2.11 绘制辅助线单击菜单栏Maxwell 2DResultsCreate Fields ResultRectangular 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. 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：1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln ，经检验，计算

8、结果符合ansoft得到的曲线。.电场强度分布（标量）：图2.15 电场强度分布电场强度随半径的变化曲线：图2.16 电场分布曲线解析法得到场强计算公式：E1 =，E2 =，公式与ansoft仿真得到的曲线符合。.电位移分布（标量）：图2.17 电位移分布电位移随半径的变化曲线：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图2.20图2.21图2.22如图2.22，分析结果为203.22pF2.2.3计算电场能量利用场计算器计算：具体过程如图2.23：打开场计算器（Fields Calculator）点击数量（Quantity）选择Energy点击几何（Geome

9、try）选择体积（Volume）选择AllObjectsPlusground点击积分符号点击Eval图2.23利用场计算器计算电场能量3计算结果处理分析用解析法计算电位，电场强度，电位移随半径的变化以及单位长度电容和电场能量解：设同轴电缆内、外层导体分别带电+、-。由高斯定理：在介质中 L3-1 3-2所以D=3-3 3-4 3-53-6所以3-7代入E1，E2 代入具体数值，得到E1 =，E2 =由=可得电位1 =1018.7-277.6 ln ，2 =1573-462.6 ln 电场能量：W=1.4710-6 J/m3-9D=(单位为m)3-10C=203.1pF3-11解析法得到D=(单

10、位为m)，与ansoft仿真曲线符合。计算得电场能量为1.4710-6 J/m与仿真结果基本相等。4. 设计总结和体会通过这次实验使我更加了解了Maxwell2D这个软件， Maxwell2D是工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛。由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著的增长。在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面，Maxwell 的产品遥遥领先其他的一流公司。Maxwell 2D 包括交流/ 直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析，参数化分极；以及优化功能。此外，Maxwel2D 还可产生高精度的等效电路模型以供A n s o f t 的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。 Maxwell把电磁场的抽象的