有关数字电子技术的课程设计.docx
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有关数字电子技术的课程设计
课程设计任务书
学院
信息科学与工程
专业
电子信息工程
学生姓名
赵诗雅
班级学号
1303030403
课程
设计
题目
电磁场与电磁波仿真设计---同轴电缆电场的仿真---2D仿真器
实践教学要求与任务:
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:
第1天：
1.布置课程设计题目及任务。
2.查找文献、资料，确立设计方案。
第2-3天：
1.安装maxwell软件，熟悉maxwell软件仿真环境。
2.在maxwell环境下建立几何模型，学会材料选择、边界条件设置及加载激励。
第4天：
1.在maxwell环境下完成典型电磁产品仿真设计，并给出最后的场图及对应的参数。
第5天：
1.课程设计结果验收。
2.针对课程设计题目进行答辩。
3.完成课程设计报告。
成绩评定表
学生姓名
赵诗雅
班级学号
1303030403
专业
电子信息工程
课程设计题目
同轴电缆电场的仿真---2D仿真器
评
语
组长签字：
成绩
日期
20年月日
1.课程设计的目的与作用
1.1设计目的：
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。
1.2设计作用：
总体要求：
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设计任务及所用Maxwell软件环境介绍
2.1设计任务：
题目1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=20mm,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper，外导体为lead，中间的介质ε1＝5ε0,ε2＝3ε0,,内导体外导体的电位分别为：
内导体U=380V，外导体为0V。
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AnsoftMaxwell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。
2.2Maxwell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。
3电磁模型的建立
图3.1
绘制过程：
1.分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆。
利用DrawCircle通过确定两点来画圆，最后得到一组同心圆。
图3.2
图3.3
图3.4
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。
图3.5
图3.6
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（ADD）”功能自行设定材料属性，如下图，内导体、外导体分别设为已有材料copper和lead。
图3.7
图3.8
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ε1＝5ε0,ε2＝3ε0,介质，这时需要单击AddMaterial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。
图3.9
4.设定激励：
在圆1上单击鼠标右键>assignexcitation>voltage,将最内层的电压设置380V；最外层的电压设置为0V。
图3.10
5.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：
进行求解器的设置。
图3.11
对绘制的物体全选（Ctrl+A）后进行分析。
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3.12
图3.13
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>Fields>E>Mag_E,获得电场分布图：
图3.14
图3.15
图3.16
图3.17
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Draw-line由圆心向外画一条辅助线。
图3.18
图3.19
单击菜单栏Maxwell2D>Results>CreateFieldsResult>RectangularPlot。
单击Geometry的小箭头后选择Polyline1沿半径计算，然后在quantity中选择MagE生产电场强度曲线，最后单击NewReport即可生成电场随半径的变化曲线。
同理一次选择MagD、Voltage可以生成电通密度曲线和电势分布曲线。
图3.20
4电磁模型计算及仿真结果后处理分析
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
L
所以D=
所以
代入E1，E2
代入具体数值，得到E1=
，E2=
由
=
可得电位
1=1018.7-277.6ln
，
2=1573-462.6ln
电场能量：
W=
=1.47×10-6J/m
D=
=
=
（
单位为m）
C=
203.1p
图3.21电位随半径变化情况
解析法计算结果：
1=1018.7-277.6ln
，
2=1573-462.6ln
，经检验，计算结果符合ansoft得到的曲线。
图3.22电场强度随半径的变化曲线
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。
图3.23电位移随半径的变化曲线
解析法得到D==
（
单位为m），与ansoft仿真下图曲线符合。
利用场计算器计算：
具体过程：
打开场计算器（FieldsCalculator）——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Eval
图2.24
计算得电场能量为1.47×10-6J/m
解析法得到的电场能量：
W=
=1.47×10-6J/m
二者近似相等
解析法得到电容：
C=
203.1p
5设计总结和体会
刚开始接触Ansoft时，感觉很困难，但是经过自己的钻研以及老师和同学的帮助，感觉这个软件用起来还是挺方便的。
这也使我对于有限元法和Ansoft有了一定的了解，对于利用仿真的方法形象的模拟静电场有了一定的体会。
在进行静电场仿真的时候，我也遇到了许多的问题。
比如说，不知道还要设定气球边界，结果使左后生成的图只是集中在画图的小区域中，而气球边界是用来模拟无限大的求解区，可以有效的隔绝模型外的电荷源或电压源。
再比如说，一些参数的设定上，在最后生成矢量图的时候，由于size与spacing的设定不好，出现了箭头过疏与过密的问题；其他参数的设定，一般情况下，我都是用系统的建议值。
这次的静电场仿真作业让我对静电场有了更加深入的了解，同时对解析法有了更加深刻的体会。
基本掌握了Maxwell的基本操作，对利用计算机工具求解电磁场问题有了更加深刻的认识。
6参考文献
1《Ansoft12在工程电磁场中的应用》赵博张洪亮等编著，中国水利水电出版社
2《Ansoft工程电磁场有限元分析》刘国强等编著，电子工业出版社
3《电磁场与电磁波》谢处方饶克谨等编著，高等教育出版社
4《工程电磁场原理》倪光正等编著，高等教育出版社
5《工程电磁场基础》许永斌何国瑜卢才成苏东林等编著，北京航空航天大学出社
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