同轴电缆电场的仿真---2D仿真器

同轴电缆电场的仿真同轴电缆电场的仿真- -————2D2D 仿真器同轴电缆电仿真器同轴电缆电 场的仿真—场的仿真—- -——2D2D 仿真器仿真器 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 1. 1.题目概述题目概述 1。1 题目：同轴电缆电场的仿真—题目：同轴电缆电场的仿真—--2D--2D仿真器仿真器 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， R 2=20mm,R3=30mm,R4=31mm， 内导体为 copper， 外导体为 lead， 中间的介质 ε1＝5ε0, ε 2 ＝3ε 0, ,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。 2 1。4 Maxwell 软件环境软件环境: 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 2．设计与仿真．设计与仿真 3 图 2.1 建立 2D 设计界面 2。1 绘制过程与参数设置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。 4 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 5 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 6 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 ε 1＝5ε0, ε 2＝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 7 ４.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，最外层电压—380V 图 2.7 设定激励 2.22.2 仿真过程仿真过程 2.22.2。。1 1 电位，电场强度电位，电场强度, ,电位移分布电位移分布 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 8 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 9 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 10 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 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 11 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 12 解析法计算结果： 1 =1018。7-277。6 ln  ， 2 =1573-462。6 ln  ,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 13 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：E E 1 1 = = 符合。 ３.电位移分布(标量） ： 277.59  ，，E E 2 2 = = 462.65  ,公式与 ansoft 仿真得到的曲线 图 2。17 电位移分布 14 电位移随半径的变化曲线： 2.18 电位移变化曲线 2.2.22.2.2 计算电容计算电容 计算电容的过程如下 4 图: 图 2.19 15 图 2.20 图 2.21 16 图 2.22 如图 2.22，分析结果为 203。22pF 2.22.2。。3 3 计算电场能量计算电场能量 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（Geometry）—-选择体积（Volume)——选择 AllObjectsPlusground——点击积分符号——点击 图 2。23 利用场计算器计算