工程电磁场实验内容

工程电磁场实验

前言

1.实验总体目标

熟练掌握常用实验仪器的使用方法，加深对工程电磁场课程内容的理解，熟悉ANSYS 软件平台的使用。

⒉适用专业

电气工程及其自动化专业

⒊先修课程

高等数学、电路、工程电磁场

⒌实验环境

基于ANSYS平台的电磁场数值仿真实验要求每人一台计算机，共约70台。

⒍实验总体要求

完成实验指导书中各项实验内容，并认真回答思考题。

⒎本实验的重点、难点及教学方法建议

本实验的重点是利用恒定磁场的计算方法计算通电线圈周围的磁场，并与实测值比较，检验测量方法的正确性。

实验一 通电线圈磁场测量

一、实验目的

1．通过测量通电线圈周围产生的磁场及单匝线圈的感应电动势，加深对时变电磁场的理解。

2．掌握高斯计、万用表和电流表的使用方法。 3.了解电压、电流和磁场的一般测量方法。

二、实验类型

本实验为综合型教学实验。

三、实验仪器

1．变压器220V/36V （实验台仪表屏上）。

2．主线圈200匝，线圈内直径400mm ，线圈导线（铜漆包线）直径 0.5mm ，线圈自身高度 10mm ，径向厚度10mm ，置于骨架下部靠下挡板。

3．单匝线圈，靠近上挡板，用于测量感应电动势。

4．高斯计频率范围30Hz~2kHz ，可实现三维磁场测量，测量上限2000mG/200μT 。 5．万用表、电流表、毫伏表、卷尺。

四、实验原理

通电线圈周围将产生变化的磁场，该变化磁场又会在单匝线圈回路产生感应电动势。 电磁感应定律：线圈回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通随时间的变化律成正比，即

dt

d e Φ

-

= 五、实验内容

1．测量变压器一次侧和二次侧开路电压，确定变压器变比（实验台变压器不需此步）。 2．测量主线圈回路直流电阻、变压器二次侧负载电压和主线圈回路电流。 3．测量线圈周围磁场的沿线分布，并与解析解进行比对。 4．测量单匝线圈感应电动势。

六、实验步骤

1．接通电源，将变压器低压侧调节到11V 。 2．使用万用表测量主线圈和单匝线圈回路直流电阻。

3．连通主线圈回路，测量变压器二次侧负载电压和主线圈回路电流。

4．选定两条测量线，利用高斯计测量线圈周围磁场的沿线分布，并与解析解进行比对。 5．使用毫伏表测量单匝线圈感应电动势。

七、实验注意事项

1．实验过程中注意人员安全，请勿带电时触摸变压器抽头。

2．通过测量回路直流电阻，区分主线圈和单匝线圈，避免接线时将变压器短路。 3．使用万用表和电流表时，注意量程选择，防止毁坏仪表。

八、实验数据表格

表1

表2 磁感应强度数据

图1 磁场测量线示意图

九、思考题

1．主线圈回路电阻是否等于主线圈负载电压与回路电流的比值？

2．分析本次测量产生误差的原因，考虑单匝线圈感应电动势的测量方法是否严谨？

实验二基于ANSYS平台的电磁场数值仿真

一、实验目的

1．在仿真过程中学会使用ANSYS软件。

2．学会边值问题的建模方法。

3．学会用仿真软件检验对电磁场分布的猜测。

二、实验类型

本实验为验证型教学实验。

三、实验仪器

配备有ANSYS软件平台的台式计算机。

四、实验原理

本实验是在ANSYS平台上开发的。ANSYS是国际上著名的有限元软件包，可对结构力学、流体力学、传热学和电磁学等领域的问题进行求解。其特点是图形界面友好，易学，前后处理功能强大。在ANSYS平台上开发电磁场数值仿真实验，只需将问题的求解过程描述清楚，按照给定步骤上机操作，即可得到预期结果。

五、实验内容

图1 仿真计算模型（图中a、D可自定）

仿真实验包括静电场实验和恒定磁场实验，可任选一个。对于静电场实验，图1中两导体电位分别为100V和-100V（可自定）；对于恒定磁场实验，图1中两导体电流密度分别为10000A/m2和-10000A/m2。根据几何结构和源分布的对称性，仿真实验可选用1/4或1/2平面进行建模。

实验分为两步：第一步，按照给定步骤和给定参数上机操作；第二步，尝试改变某些参数，观察仿真结果的变化。

六、实验步骤

1.开始→程序→ansys5.6→license status→server（等待）→quit（不能按其他选择）

2.开始→程序→ansys5.6→interactive（出现界面）→run（出现界面）→

3.ANSYS Main Menu（左侧主菜单）→preferences→electric（点击白框打勾）→ok（预

设问题归属）→

4.ANSYS Main Menu→preprocessor→material props→-constant-isotropic→1→ok→

perx 1→ok（给定材料相对介电常数）→

5.ANSYS Main Menu→preprocessor→element type →add/edit/delete→add→

electrostatic →2D quard 121→ok（设定内部单元类型）→

6.(ANSYS Main Menu→preprocessor→element type →)add/edit/delete→add→

infiniteboundary→2D infquard 110→ok→option→AZ改为volt, 4noded quard改为8noded→（设定外部无限单元类型）close→

7.(ANSYS Main Menu→preprocessor→modeling→create→-Area- circle→partial

annulus→wp x 1, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 0.2, theta-2 180, apply→ wp x -1, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 0.2, theta-2 180, apply→wp x 0, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 5, theta-2 180, apply→wp x 0, wp y 0, rd-1 0, theta-1 0, rd-2 10, theta-2 180,ok（创建几何模型）→

8.(ANSYS Main Menu→preprocessor→modeling→operate→-booleans- overlap→area

→pick all（模型各部分之间集合运算）→

9.(ANSYS Main Menu→preprocessor→modeling→delete→area and below→光标选中两

个小圆，ok（删除导体部分）→

10.(ANSYS Main Menu→preprocessor→-attributes- define→pick areas→光标选中有

两个小圆缺口的内半圆，apply→apply→光标选中外半圆，ok→1 plane121改为 2 infin110→ok（定义区域属性）→

11.(ANSYS Main Menu→preprocessor)→mesh tool→lines set→光标选中外层两条弧线，

apply→ndiv 50 →apply→光标选中外层扇形左右两条底边，apply →ndiv 1 →apply→光标选两小圆弧，apply → ndiv 20 →apply→光标选中两小圆弧之间的两条小线段，apply→ndiv 20→apply→光标选中两小圆弧与大扇形之间两条长线段，ok→ndiv 20→ok→

12.mesh tool菜单中选中quad 和 mapped，点击mesh →光标选中外部大扇形，ok（外部

无限单元划网格）→

13.mesh tool菜单中选中tri 和 free，点击mesh →光标选中有两个小圆缺口的内半圆，

ok（内部有限单元划网格）→

14.(ANSYS Main Menu)→solution→-loads- apply→-elecric- boundary→-voltage- on

line→光标选中右小半圆，apply, 100，apply→光标选中左小半圆，ok, -100 ，ok（导体表面加电位）→

15.(ANSYS Main Menu)→solution→-loads- apply→-elecric- flag→-infinite surf- on

line→光标选中最外边的半圆，ok（无限边界加标志）→

16.(ANSYS Main Menu)→solution→-solve- current ls→ok（求解，等待）→close（关

闭黄框）→关闭status command文件（白框）

17.(ANSYS Main Menu)→general postproc→plot results→-contour plot- nodal solu

→dof solution elec poten volt ok（显示电位9色云图）→

18.emag 3d utility menu→plot ctrls→device options→shading win32 点击改为

contours win32c ， vocter mode off 点击改为on, ok→

19.emag 3d utility menu→plot ctrls→style→contours→uniform contours→ncont

100 ，ok（显示等电位线分布）→

20.(ANSYS Main Menu)→general postproc→plot results→-vector plot-predefined→

flux and gradient→选择D或EF（箭头显示电位移矢量或电场强度）→