ANSYS-Maxwell2D同轴电缆电磁场仿真报告完整详细版.docx-资料库

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电磁场课程三级项目专题报告《同轴电缆能量传输计算与仿真》班级： 18 级应电 3 班小组成员：乔俊炜孙雨晨指导教师：王作君 2020 年 11 月

《同轴电缆能量传输计算与仿真》乔俊炜孙雨晨摘要电磁场课程理论抽象、数学计算繁杂，将 ANSYS 软件引入教学中，利用有限元分析法，通过对典型电磁场的仿真设计，并模拟电磁场的特性，将理论与实践有效结合，能够强化我们对电磁场的理解与应用。本文选取同轴电缆的典型电磁场进行分析，利用 ANSYS-Maxwell 软件进行 2D 建模和有限元分析，得出其稳定磁场和电场的分布特性和规律。【关键词】电磁场有限元分析法 ANSYS 同轴电缆

前言当代电气工程领域中，各类电磁装置以及其日益拓展的大容量、超高压等新技术，必然伴随着一系列电磁场相关的工程问题的提出，推动者电磁场数值计算及其逆问题的分析研究。电磁场工程技术与其他相关学科的工程技术相互融合，生成了诸如电磁兼容、生物电磁、磁悬浮、无损探伤以及超导储能等新技术。本文是针对电磁场工程的数值计算与分析的软件仿真求解分析与论证。我们主要研究的是同轴电缆的电磁场能量特性及规律。鉴于工程电磁场问题的复杂性，即各类电磁装置在其结构设计、几何形状和材料电磁特性上的复杂性，已使应用于电磁场分析计算的各种解析方法，如分离变量法、镜像法等，难以适应工程电磁场问题分析求解的广泛需要。因而随着计算机技术的飞速发展，属于近似计算方法范畴的电磁场数值计算方法得到了长足的进展，并已可满足科技和工程方面对于数学模型精确分析的实际需要。目前在电磁场数值分析中常用的数值计算方法有：应用于微分方程型数学模型的有限元法、有限差分法和蒙特卡洛法；应用于积分方程型数学模型的模拟电荷法、矩量法和边界元法，以及基于直接积分运算关系式的数值积分法等。此外，各类数值计算方法相互组合，进一步拓展了数值计算方法在工程实践中的应用。对同轴电缆的电磁场的分析，有便于掌握同轴电缆的电磁场分布规律及特性，为其电磁辐射和防止电磁干扰设计提供工程技术依据。鉴于电磁场的抽象性以及数学计算的繁杂，我们引入了 ANSYS 有限元分析软件（FEA），利用其 Maxwell2D 模块进行建模求解。通过理论分析和软件仿真最终得出其静态电场、磁场的 E、D、H、B 以及 W 等分布规律及特性。

目录 1、课题引入及物理模型建立...........................................................................................................................1 1.1 课题引入.................................................................................................................................................1 1.2 同轴电缆介绍....................................................................................................................................... 1 1.3 同轴电缆模型建立..............................................................................................................................2 1.3.1 稳态电场求解模型 ................................................................................................................2 1.3.2 稳态磁场求解模型 ................................................................................................................3 2、稳态电场和稳态磁场理论求解................................................................................................................. 4 2.1 稳态电场理论求解..............................................................................................................................4 2.2 稳态电磁理论求解..............................................................................................................................5 3、仿真软件 ANSYS 介绍....................................................................................................................................6 3.1 简介.................................................................................................................................................6 3.2 分析类型....................................................................................................................................... 6 3.3 ANSYS-Maxwell...........................................................................................................................7 4、同轴电缆电磁场 ANSYS-Maxwell2D 仿真...............................................................................................7 4.1 同轴电缆静电场模型仿真................................................................................................................7 4.1.1 静电场模型建立.....................................................................................................................7 4.1.2 静电场仿真设置.................................................................................................................. 14 4.1.3 静电场仿真结果.................................................................................................................. 16 4.2 同轴电缆静态磁场模型仿真.........................................................................................................21 4.2.1 静态磁场模型建立 ..............................................................................................................21 4.2.2 静态磁场仿真设置 ..............................................................................................................25 4.2.3 静态磁场仿真结果 ..............................................................................................................27 5、设计总结和体会...........................................................................................................................................31 参考文献................................................................................................................................................................32

1、课题引入及物理模型建立 1.1 课题引入我们此次研究的是同轴电缆能量传输计算与仿真，内容包括给定电压激励的稳态电场分析和给定电流激励的稳态磁场分析。需要在设定参数条件下理论求解出稳态电场中的 E、D、 C、和稳态磁场中的 H、B、J 和以及分析它们的分布规律及特性。通过 ANSYS-Maxwell2D 模块建立同轴电缆物理模型，利用稳态磁场求解器和稳态电场求解器进行仿真计算与分析，得出分布图和数学曲线图，直观分析其分布特性和规律。 1.2 同轴电缆介绍同轴电缆(Coaxial Cable)是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住 [1] 。同轴电缆可用于模拟信号和数字信号的传输，适用于各种各样的应用，其中最重要的有电视传播、长途电话传输、计算机系统之间的短距离连接以及局域网等。图 1 同轴电外观图 2 同轴电缆结构图 1

1.3 同轴电缆模型建立此次项目我们采用了同轴电缆的简化模型（图 1），同轴电缆主要包含内导体、外导体壳和两导体之间的介质 1 和介质 2。通过对内外导体施加不同的激励，分别分析其稳态电场和稳态磁场特性。图 3 同轴电缆简化模型图 1.3.1 稳态电场求解模型在同轴电缆内导体和外导体之间施加恒定直流电压源0。求解其电场强度 E、电位移矢量 D、电位φ和电容 C。具体参数（表 1）和模型图（图 4）如下：表 1 稳态电场参数设定直流电压源0(V) 介质 1 介电常数1(F/m) 介质 2 介电常数2(F/m) 内导体半径1(mm) 介质层 1 半径2(mm) 介质层 2 半径3(mm) 外导体壳半径4(mm) 220 50 2.50 5 10 15 16 2

图 4 稳态电场求解模型 1.3.2 稳态磁场求解模型在同轴电缆内导体和外导体分别施加相等恒定直流源0，方向相反。求解其磁感应强度 B、磁场强度 H 和体电流密度 J。具体参数（表 2）和模型图（图 5）如下：表 2 稳态磁场参数设定直流电流源0(A) 介质 1 磁导率1(H/m) 介质 2 磁导率2(H/m) 内导体半径1(mm) 介质层 1 半径2(mm) 介质层 2 半径3(mm) 外导体壳半径4(mm) 10 0 0 5 10 15 16 图 5 稳态磁场求解模型 3

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