数值分析实验报告.docx
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数值分析实验报告
电器数值分析仿真实验报告
姓名
学号
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时间2015学年秋季
上机练习：
一．问题描述
平板空气电容器如图所示，求其电场的分布。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相应模型，求平行板电容器的电场分布
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静电场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解场（Electrostatic）。
②利用Maxwell-2D仿真建立平行板容器的模型：
③添加材料：
极板为铜copper，板间真空vacuum。
④添加激励：
左极板为0v，右极板为10v。
⑤外边框设置气球边界。
．
3.仿真结果与讨论
（一）实验结果
（1）电场矢量分布：
（2）电场标量分布：
（3）电位移矢量分布：
）电位移标量分布：
4（．
（二）对实验结果的讨论
从E,D的空间分布可以看出两个平行板电容器之间的电场为匀强电场，在极板边缘处电场分布出现尖端效应，右极板内侧的尖端电场强度最大，且为正极电场线从右极板发出，平行板电容器外部电场为零。
实验结果与理论分析基本相符。
4.总结
在进行建模的时候可以在画完一个极板后通过镜像对称这种简单的方法来画对称的图形。
运用仿真可以节省材料，在仿真的过程中，对仿真结果进行思考，会出现一些在理论分析中一般会忽略的现象，比如尖端效应等。
二．问题描述
避雷器（铜）简化模型如图所示，求解避雷针的电压分布。
．
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相应模型，求解避雷器的电压分布。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静电场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
属于静电场问题（Electrostatic）
②利用Maxwell-2D仿真建立平行板容器的模型：
。
copper③添加材料：
极板为铜
④添加激励：
最上面的极板接100v，最下面的接0v，设置边界条件为气球边界。
⑤设置求解器solver。
⑥求解电压分布。
3.仿真结果与讨论
（一）实验结果
）避雷器的电压分布如下图所示：
1（．
（二）对实验结果的讨论
避雷器之间电压由100v到0v均匀降落电势大约分别为100v，67v，34v，0v，与极板间的距离成正比。
实验结果与理论分析相符。
4.总结
添加激励时，只需要将最顶的和最底的铜片分别加100v和0v，其他的不需要。
通过做仿真实验可得出铜板加的越多，电压分布在每片上的电势值就越小，不易击穿，让我进一步验证了理论。
三．问题描述
一矩形接地金属槽，长40cm，宽20cm，边界条件如图所示，求解槽内电压分布。
1.仿真目的
软件建立仿真模型，求解槽内电压分布。
ansoft利用．
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静电场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
静电场（Electrostatic）
②利用Maxwell-2D仿真建立金属槽的模型：
③添加材料：
四个极板为铜copper。
④设置槽各个边框的激励电压：
最上面的100v其他三个为0v。
设置边界条件为气球边界。
⑤设置求解器solver。
⑥求解电压分布。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）电压分布
对实验结果的讨论
（二）电场在槽内，金属槽上极板两端与槽的间隙电场变化最快，由于尖端效应，
强度基本分布均匀，电势值正比于距离递减，所以呈现U型。
实验结果与理论分析相符。
4.总结
通过仿真实验可以直观快速的看到金属槽的电压分布，不用繁琐的计算。
进一步验证了理论，从而加深了对理论的理解。
四．问题描述
两个半径为5mm的实心铁球，球心距为30mm，带电量均为1C。
分析空间电场分布。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立仿真模型，求解两个实心铁球的空间电场分布。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静电场问题，外边框设置偶对称边界。
（2）仿真过程：
①选择求解场（Electrostatic）。
②建立实心铁球的模型：
③添加材料：
金属球为铁iron。
④添加激励：
给实心铁球加电荷量为1C。
第二种对称轴加对偶对称边界其余三第一种四周加气球边界，⑤添加边界：
条添加气球边界。
⑥设置求解器solver。
⑦求解空间电场分布。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）空间电场分布
气球边界
对称边界
（二）对实验结果的分析
两个带有相同电荷量的铁球，连线中心处的电场为零，两个铁球周围的电场随距铁球距离的增加而减小，从两电荷中垂线到无穷远的电场强度先增大后减小，在两个电荷附近有最大值。
实验结果与理论分析相符合。
．
4.总结
等量同种电荷的电场分布，将对称边界（1/2模型）由偶边even改成奇边odd，或者将左边金属球电荷量改为-1c来分析。
通过仿真实验，更直观的看到两电荷的库伦定律。
五、问题描述
在一长直导线直径为5mm中通有1A的直流电流，求其周围磁力线的分布。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立仿真模型，求无限长直导线周围磁力线分布。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静磁场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
属于静磁场问题（Magnetostatic）。
②利用Maxwell-2D仿真建立5mm长直导线模型：
③添加材料：
导线为铜copper。
④给长直导线加激励电流为5A（方向为垂直纸面向外（positive））。
⑤设置求解器solver。
⑥求磁力线分布。
．
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）磁力线分布
（二）对实验结果的讨论
?
I0?
B成反比例关系，内部长直导线外磁力线的方向符合右手定则，外部大小符合
?
R2为B=μIr/2πR2与r有关呈线性关系。
实验结果与理论分析相符合.
4.总结
通过做仿真实验我更加清晰明确的看到了长直导线周围的磁力线分布。
．
六问题描述
有一个电抗器，由三层线圈正向串联接在一个直流电源上。
电流由z轴右半轴流入,左半轴流出。
求电抗器磁感应强度分布状况。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立仿真模型，求电抗器磁感应强度分布状况。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静磁场问题，外边框可以设置气球边界，也可以用全气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
属于静磁场（Magnetostatic）。
仿真建立电抗器模型：
Maxwell-2D②利用．
③添加材料：
极板为铜copper。
④添加激励：
左边电流为10A,方向向外（positive）;右边电流为10A,方向向内（negative）。
并设置边界，第一种为全气球边界，第二种为对称边界，在对称轴边界设置为奇odd对称边界，其余为气球边界。
⑤设置求解器solver。
⑥求磁感应强度分布状况。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
）采用对称边界得到的磁力线分布1（．
（2）采用全气球边界得到的磁力线分布
对实验结果的讨论
（二）实验结果与理论分析相符。
同种电流磁场相互削弱，异种电流磁场相互加强，电抗器中心轴处磁感应强度最强，向外逐渐减弱。
4.总结
通过做仿真实验我更加清晰明确的看到了电抗器磁感应强度的分布。
七问题描述
相互靠近的导体通有交变电流时，观察其邻近效应。
．
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相关模型，当相互靠近的导体通有交变电流时，观察其邻近效应。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于涡流场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
为涡流场（EddyCurrent）。
②利用Maxwell-2D仿真建立导体通有交变电流模型。
③添加材料：
导线为铜copper。
④添加激励：
电流大小为10A,方向分别向外（positive）。
并设置气球边界。
⑤设置求解器solver，其中选择频率为1KHz。
⑥观察临近效应。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果）邻近效应1（．
（二）对实验结果的讨论
在实验的过程中为了清晰的看到临近效应，需要通过不断的试验从而选择合适的电流大小、两根导线之间距离的大小和频率大小，最终得到的结论是：
电流越大，间距越小以及频率越高时临近效应越明显。
4.总结
在实验的过程中，通过不断的改变电流和频率，使我加深了对临近效应的理解。
二、铜导体通100A的交变电流（1KHz）
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相关模型，当相互靠近的导体通有交变电流时，观察其集肤效应。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于涡流场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
为涡流场（EddyCurrent）。
②利用Maxwell-2D仿真建立导体通有交变电流模型。
③添加材料：
导线为铜copper。
，并设置气球边界。
100A④添加激励：
电流大小为
⑤设置求解器solver，其中选择频率为1KHz。
⑥观察集肤效应。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）集肤效应
（二）对实验结果的讨论
集肤效应为当导体中有交流电或交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面电流密度越大，导线内部实际上电流较小。
4.总结
做仿真实验中，不断改变交变电流的频率，仿真结果不同，频率越高效果越明显，使我加深了对集肤效应的理解。
八问题描述
两长直导线相距400mm，导体半径为20mm，其中一导线电势为220V，另一支导线电势为0V，其材料（material）是铁（iron）,场域中介质是空气（air）。
观察电场分布。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相关模型，观察两根长直导线周围电场分布。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静电场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
。
）Electrostatic①选择求解器：
属于为静电场（．
②建立俩长直导线模型：
③添加材料：
导体为铁iron，场域介质为空气air。
④添加激励：
激励，左边导线电压大小为220V,右边导线电压大小为0V。
并设置气球边界。
⑤设置求解器solver。
⑥观察俩长直导线周围电场分布。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）电场分布
（二）对实验结果的讨论
两根长直导线周围电场线密集处，场强大；稀疏出，场强小。
电场线从左边电压为220V导线出发，右边电压为0V导线。
实验结果与理论分析相符。
4.总结
实验结果与理论分析相符合，在实验的过程中，我对两根长直导线的空间电场分布有了更进一步的认识。
．
九问题描述
如图：
同轴电缆模型，内导体半径为20mm，外导体半径为160mm，厚度为20mm，内外导体均用银（silver），内外导体间填充树脂玻（plexiglass）。
内导体电势为380V，外导体电势为0V。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相关模型，观察同轴电缆电场分布。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静电场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
属于静电场（Electrostatic）。
仿真建立同轴电缆模型：
Maxwell-2D②利用．
③添加材料：
内外导体均用银（silver），内外导体间填充树脂玻（plexiglass）。
④添加激励：
内导体电势为380V，外导体电势为0V。
并设置气球边界。
⑤设置求解器solver。
⑥观察同轴电缆电场分布。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）电场分布
（二）对实验结果的讨论
同轴电缆内部电场应该为从里向外逐渐减小场点电场强度与场点距内导体中心距离成反比，且半径相同处电场大小相同。
电缆外部电场为零。
实验结果与理论分析相符合。
4.总结
实验结果与理论分析相符合，在实验的过程中能直观的看出电场强度分布情况，加深了我对相关物理现象的理解。
对同轴电缆空间电场分布有了更进一步的认识。
十问题描述
线圈电流大小均为4A，具体方向：
从左到右第一组线圈为右进左出；第二组左进右出。
铁心材料为Steel-1008，线圈材料copper。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立仿真模型，求该模型磁力线分布。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静磁场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
属于静磁场（Magnetostatic）。
②建立相关模型：
③添加材料：
铁心材料为Steel-1008，线圈材料为铜copper。
④线圈电流大小均为4A，具体方向：
从左到右第一组线圈为右进左出；第二组左进右出。
进为negative，出为positive
⑤设置求解器solver。
⑥求磁力线分布。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
）磁力线分布1（．
（二）对实验结果的讨论
理论上，铁心的磁导率比空气大的多，所以磁力线应该主要集中在铁心中。
在铁心中，磁通量相同，面积大的地方磁感应强度小，面积小的地方磁感应强度大。
实验结果与理论分析相符。
4.总结
由于气隙的存在，使得整体磁路的磁场强度降低，从而可以防止铁心饱和，提高铁心的利用率。
通过做仿真实验我更加清晰的看到了单相双绕组变压器铁心中的磁力线分布，加深了对知识的理解。
十一问题描述
两个实体圆柱铁芯，中间被空气隙分开，线圈中心点处于空气隙中心。
．
1.仿真目的
利用ansoft软件建立仿真模型，计算该简单直流致动器磁力线分布以及气隙中心点的磁感应强度的数值。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静磁场问题，外边框设置奇对称边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
静磁场（Magnetostatic）。
②建立相关模型：
③添加材料：
铁心材料为Steel-1008，线圈材料为铜copper。
④添加激励：
线圈电流大小为10A，线圈电流方向向外。
并设置气球边界。
⑤设置求解器solver。
⑥求磁力线分布。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
）磁力线分布1（．
（二）对实验结果的讨论铁心的磁导率比空气实验结果中的磁力线方向以及大小与均与理论相符合。
使磁场能定向通线圈产生的磁场会优先通过铁心，产生的损耗小鱼空气，的大，过铁心。
气隙中的磁场为匀强磁场，且铁心尖端处磁场最强。
4.总结通过做仿真实验我更加清晰的看到了直流致动器中的磁力线分布。
十二问题描述
三相绕组电流大小均为10A，频率为1KHz。
具体方向：
三相绕组均为左进右出。
变压器铁芯材料为Steel-1008，绕组材料为铜copper。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相关模型，观察三相变压器铁芯的涡流损耗。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于涡流场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
为涡流场（EddyCurrent）。
仿真建立三相变压器铁心模型：
Maxwell-2D②利用．
③添加材料：
变压器铁心材料为Steel-1008，绕组材料为铜copper。
④给线圈加激励：
三相绕组电流大小均为10A，频率为1KHz。
具体方向：
三相绕组均为左进右出。
进为negative，出为positive。
⑤设置求解器solver，其中选择频率为1KHz。
⑥观察铁芯涡流损耗。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）涡流损耗
（二）对实验结果的讨论
在实验的过程中为了清晰的看到三相变压器铁芯的涡流损耗，需要不断选择合适的电流大小和频率大小。
最终得到的结论是：
电流越大以及频率越高时涡流损耗越明显，越靠近线圈的铁心涡流损耗越大。
同时，涡流损耗主要集中在变压器铁芯的边缘处。
4.总结
实验结果与理论分析相符合。
在实验的过程中，可以看到了三相变压器铁芯减掉两个subtract的涡流损耗。
画图时先画大矩形，然后再画两个小矩形，用．
矩形实现铁心铁柱铁轭无缝连接。
十三问题描述
感应加热：
利用电磁感应原理，把坯料放在交变磁场中，使其内部产生感应电流，从而产生焦耳热来加热坯料的方法。
感应器一般是输入中频或高频交流电
（300-300000Hz或更高）。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相关模型，观察坯料在交变磁场中感应出的的涡流。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于涡流场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
为涡流场（EddyCurrent）。
②利用Maxwell-2D仿真建立坯料模型：
③添加材料：
坯料材料为铁iron，绕组材料为铜copper。
④添加激励：
线圈电流大小均为100A，频率为2KHz。
具体方向：
垂直纸面向外positive。
并设置边界最左侧边界为奇对称边界odd，其余为气球边界。
⑤设置求解器solver，其中选择频率为2KHz。
⑥观察坯料中的涡流。
仿真结果与讨论3.
（一）仿真结果
（1）坯料中的涡流
（二）对实验结果的讨论
理论上，交变的磁场产生电场。
且磁场变化率越大，涡流越大。
在该例中，交变的磁场在坯料中感应出涡流。
实验结果与理论分析相符合
4.总结
实验结果与理论分析相符合，在实验的过程中，我理解了感应加热的原理。
也对电磁炉的工作过程有了进一步理解。
十四问题描述
某同轴电缆内外导体的直径分别为0.5cm，2cm,介质分界面与电缆同轴，半径是1cm，内导体填充树脂玻璃，外导体的介电常数是内导体的1/2，现将电缆的内外导体与直流电压源U=180KV相连接，求导体的截面上的电场分布示意图。
1.仿真目的
利用ansoft软件建立相关模型，观察同轴电缆电场分布。
2.仿真过程与分析
（1）过程分析：
属于静电场问题，外边框设置气球边界。
（2）仿真过程：
①选择求解器：
静电场（Electrostatic）。
②利用Maxwell-2D仿真建立同轴电缆模型：
③添加材料：
内外导体均用银（silver），内外导体间填充树脂玻（plexiglass），外导体添加自定义材料介电常数是内导体的1/2。
④添加激励：
内导体电势为180V，外导体电势为0V。
并设置场域为气球边界。
⑤设置求解器solver。
⑥观察同轴电缆电场分布。
3.仿真结果与讨论
（一）仿真结果
（1）电场分布
（二）对实验结果的讨论
同轴电缆内部电场应该为从里向外逐渐减小，且半径相同处电场大小相同。
电缆外部电场为零，场点电场强度与场点距内导体中心距离成反比。
实验结果与理论分析相符合。
4.总结
实验结果与理论分析相符合，在实验的过程中，对实验现象有了更加清晰地认识，对同轴电缆空间电场分布有了更清晰地认知。
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