电磁场与电磁波课程设计.doc

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成绩评定表

学生姓名

穆凌宇

班级学号

1403030106

专业

电子信息工程

课程设计题目

平板电容器电场仿真计算-------2D仿真器

评

语

组长签字：

成绩

日期

2016年7月5日

课程设计任务书

学院

信息科学与工程学院

专业

电子信息工程

学生姓名

穆凌宇

班级学号

1403030106

课程设计题目

平板电容器电场仿真计算-------2D仿真器

实践教学要求与任务:

任务：

平板电容器电场仿真计算-------2D仿真器

设极板截面长为100mm，端部圆弧为R2.5的半圆，板间距离为10mm，假设平行极板相对板间距离足够大，即平板电容器之间电场分布可近似为平行平面场，故采用XY平面建模分析；考虑极板的厚度，并为降低极板边缘效应，在极板两侧边采用圆弧过渡；设极板之间充满相对介电常数ε2=6ε0的均匀电介质；

板件电压差为2500V

用AnsoftMaxwell软件计算电场强度，并画出电压分布图，计算出单位长度电容，和电场能量

要求：

1、利用电磁场仿真软件maxwell完成典型电磁产品仿真设计；

2、完成几何建模、材料选择、边界条件设置、加载激励及场的求解等；

3、在maxwell环境下进行仿真设计，并给出最后的场图及对应的参数；

工作计划与进度安排:

电磁场与电磁波课程设计时间安排在教学第18周内完成，按上述题目要求完成查阅资料、电路设计、仿真调试、运行等工作。

时间安排如下：

1、查阅资料、与初步设计：

1天

2、电路设计及制图：

1-2天

3、电磁场的仿真与测试：

1-2天

4、答辩验收与论文撰写：

1天

指导教师：

2016年6月27日

专业负责人：

2016年6月27日

学院教学副院长：

2016年6月27日

目录

一、题目概述............................................1

1.设计作用............................................1

2.设计原理...........................................1

3.Maxwell软件环境.....................................2

4.设计内容.........................................3二、功能分析.............................................4

1.要求................................................4

2.要求中需要用到的知识点是什么........................4

3.需要解决的问题.....................................5

4.设计中的关键技术点..................................5

5.设计点..............................................5

三、设计与仿真..........................................5

1.参数的设置与改变....................................5

2.电磁模型的建立......................................5

四、运行与测试..........................................11

1.参数调整图.........................................11

2.系统仿真运行图.....................................12

五、总结.................................................15

六、参考文献.......................................16

一、题目概述

1.设计作用

作用：

电磁场与电磁波主要介绍电磁场与电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方法以及在现实生活中的应用，内容包括电磁场与电磁波理论建立的历史意义、静电场与恒流电场、电磁场的边值问题、静磁场、时变场和麦克斯韦方程组、准静态场、平面电磁波的传播、导行电磁波以及谐振器原理等。

全书沿着电磁场与电磁波理论和实践发展的历史脉络，将历史发展的趣味性与理论叙述和推导有机结合，同时介绍了电磁场与电磁波在日常生活、经济社会以及科学研究中的广泛应用。

书中的大量例题强调了基本概念并说明分析和解决典型问题的方法；每章末的思考题用于测验学生对本章内容的记忆和理解程度；每章的习题可增强学生对于公式中不同物理量的相互关系的理解，同时也可培养学生应用公式分析和解决问题的能力。

2.设计原理

平行板电容器是一种理想模型，在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质--电介质（空气也是一种电介质），就组成了一个最简单的电容器，叫做平行板电容器。

平行电容器是由两块彼此平行放置的金属板所构成的。

平行板电容器是最简单的，也是最基本的电容器，几乎所有电容器都是平行板电容器的变形。

理论分析表明，当平行板电容器的两极板间充满同一种介质时，电容C与极板的正对面积S、极板距离d的关系为

若平行板电容器的两极板间是真空时，则公式中没有相对介电常数ε（relativedielectricconstant），由公式可知，电容C与ε、S成正比（即ε、S越大，C越大）;与d成反比d越大，C越小）。

若两极板间为匀强电场，电场强度记作E, 则有:

1.U=Ed

2. Q=UC （其中Q为电容器所带电荷量，U为两极板间电压）

3Maxwell软件环境：

AnsoftMaxwell软件特点：

AnsoftMaxwell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。

Maxwell是主要建立在maxwell方程基础上的，有限元分析软件。

MAXWELL2D：

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。

Maxwell2D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Ansoft的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。

MAXWELL3D：

向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的Maxwell3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。

可以分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。

功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗（R和L）、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。

同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果

.

4.设计内容

平板电容器电场仿真计算-------2D仿真器

设极板截面长为100mm，端部圆弧为R2.5的半圆，板间距离为10mm，假设平行极板相对板间距离足够大，即平板电容器之间电场分布可近似为平行平面场，故采用XY平面建模分析；考虑极板的厚度，并为降低极板边缘效应，在极板两侧边采用圆弧过渡；设极板之间充满相对介电常数ε2=6ε0的均匀电介质；

板件电压差为220V

用AnsoftMaxwell软件计算电场强度，并画出电压分布图，计算出单位长度电容，和电场能量

二、功能分析

1.要求

熟练使用AnsoftMaxwell仿真软件，对电场，磁场进行分析，了解所做题目的原理。

利用AnsoftMaxwell仿真简单的电场以及磁场分布，画出电场矢量E线图，磁感应抢的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、要求中需要用到的知识点是什么（包括电磁场分析所用的公式）

3.需要解决的问题

（1）定电压问题：

平行板电容器充电后,继续与电源的两极相连,因此两极板间的电压不变,当电容器的d、S、ε变化时,将引起电容器的C、Q、E的变化。

（U不变）

（2）定电量问题：

平行板电容器充电后,切断与电源的连接,因此电容器带电荷量Q不变,当电容器的d、S、ε变化时,将引起电容器的C、U、E变化。

（Q不变）

4、设计中的关键技术点有哪些

1）AnsoftMaxwell的使用问题

2）如何改变极板电压差的数值。

5、设计中设计到的难点如何解决（主要针对设计指标，如何改变设计参数）

学习使用AnsoftMaxwel软件，查找书籍文献

三、设计与仿真

1、参数的设置与改变

极板电压差参数的设置与改变，极板电压差为220V

2、电磁模型的建立

建立上极板，首先建立长为100毫米，宽为5毫米的长方形极板，在建立两个半径为2.5的圆。

利用Modeler-Boolean-Unite指令，将其合并成一个整体,见图3.1。

a.建立长方形极板

b.建立圆形极板

c.合并两极板

图3.1单一极板的建立

进行极板的移动利用Edit-Arrange-Move指令，见图3.2

图3.2极板的移动

镜像设置Edit-Duplicate-Mirror，见图3.3

图3.3双层极板的建立

设置极板材料，见图3.4

图3.4设置材料

设置极板电压，右键极板Assign-Excitation-Voltage输入上极板电压2500V，下极板电压0V，见图3.5

图3.5设置极板电压

图3.6设边界条件

图3.7设置介质

输入计算的步长以及误差精度，见图3.8

图3.8求解选项对话框

图3.9模型建立完成