同轴电缆电场的仿真---2D仿真器

同轴电缆电场的仿真---2D仿真器同轴电缆电场的

仿真---2D仿真器

目录

同轴电缆电场的仿真---2D仿真器同轴电缆电场的仿真---2D仿真器 (1)

1.题目概述 (2)

1.1题目：同轴电缆电场的仿真---2D仿真器 (2)

1.2 设计目的： (2)

1.3设计作用： (2)

1.4 Maxwell软件环境： (3)

2．设计与仿真 (3)

2.1绘制过程与参数设置： (4)

2.2仿真过程 (8)

2.2.1电位，电场强度，电位移分布 (8)

2.2.2计算电容 (15)

2.2.3计算电场能量 (17)

3．计算结果处理分析 (18)

4. 设计总结和体会 (19)

5．参考文献 (19)

1.题目概述

1.1题目：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

R 1=10mm,R

2

=20mm,R

3

=30mm,R

4

=31mm,内导体为copper，外导体为lead，中间的介质ε

1

＝5ε

0, ε

2

＝3ε

0, ,

内导体外导体的电位分别为：内导体U=380V，外导体为-380V。

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Ansoft Maxwell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

图1.1 同轴电缆

1.2 设计目的：

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。

1.3设计作用：

总体要求：熟练使用Ansoft Maxwell 仿真软件，对电场、磁场进行分析，了解所做题目的原理。利用Ansoft Maxwell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。

1.4 Maxwell软件环境：

Ansoft Maxwell软件特点：Ansoft Maxwell 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。

2．设计与仿真

图2.1 建立2D设计界面

2.1绘制过程与参数设置：

1.分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆。过程：利用DERW CYCLE通过确定两点来画圆，如图

2.2。

图2.2 利用DERW CYCLE功能画圆最后得到一组同心圆，如图2.3.

图2.3 所得同心圆

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，如图2.4。

图2.4 圆环的切割

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“添加材料（ADD）”功能自行设定材料属性，如下图2.5。

内导体、外导体分别设为已有材料copper和lead

图2.5 材料填充

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ε

1＝5ε

0,

ε

2

＝3ε

0,

介质，这时需要单击Add Material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，如图2.6。

图2.6 自定义介电常数

４.设定激励

如图2.7，在圆1上单击鼠标右键>assign excitation>voltage,将最内层的电压设置380V,最外层电压-380V

图2.7 设定激励

2.2仿真过程

2.2.1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：

如图2.8进行求解器的设置

图2.8 求解器的设置

对绘制的物体全选（Ctrl+A）后,按图2.9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2.9 模型分析求解

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, 获得电场分布图如下：

图2.10 分析电场分布

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

单击菜单栏的Draw>line由圆心向外画一条辅助线，如图2.11中黑色的直线。

图2.11 绘制辅助线

单击菜单栏Maxwell 2D>Results>Create Fields Result>Rectangular Plot

如图2.12，单击Geometry的小箭头后选择Polyline1沿半径计算，然后在quantity 中选择Mag E生产电场强度曲线，最后单击New Report即可生成电场随半径的变化曲线。同理一次选择Mag D、Voltage可以生成电通密度曲线和电势分布曲线。

图2.12