电磁场数值分析方法的若干研究 张晨颜
电磁场数值分析方法及其应用

电磁场数值分析方法及其应用电磁场是无处不在的,它在我们的日常生活中也发挥着极其重要的作用,比如说电视、手机、电脑和家用电器等等。
由于电磁现象的特殊性质,使得电磁场的理论计算非常困难,因此需要引入数值计算方法,对电磁场进行模拟分析,这就是电磁场数值分析方法的基本概念。
一、电磁场数值分析方法简介1. 经典电磁场理论在介绍电磁场数值分析方法之前,我们需要先了解一下经典电磁场理论,也即麦克斯韦方程组。
麦克斯韦方程组描述了电磁场的本质规律,包括电场E、磁场B、电荷密度ρ和电流密度J等四个基本物理量。
这些物理量之间的关系是非常复杂的,因此对于麦克斯韦方程组的求解,需要引入数值计算方法。
2. 电磁场数值计算方法电磁场数值计算方法是指采用离散化方法,将复杂的连续介质分割成有限的、简单的小单元,通过在每个小单元内求解基本电磁场变量的数值解,再通过数值方法进行拼合,最终得到求解区域内的电磁场分布特征。
3. 数值计算方法分类目前常用的电磁场数值计算方法主要包括有限元法、时域有限差分法、频域有限差分法、矩量法等等。
这些方法各有特点,适用于不同的电磁问题求解。
二、电磁场数值分析方法应用1. 微波器件设计微波器件中电磁场的分布特征是十分重要的,它决定了微波器件的性能。
采用电磁场数值分析方法可以清晰地描述微波场的分布特征,从而进行优化和改进设计,提高微波器件的性能。
2. 汽车电磁兼容性分析汽车中各类电子设备的数量越来越多,它们之间的干扰和互相影响也越来越严重。
采用电磁场数值分析方法可以对汽车中的电磁问题进行深入分析,确定干扰成因,从而提出解决方案。
3. 太阳能电池板设计太阳能电池板在光电转化过程中,需要考虑光的反射、折射和吸收等问题。
而这些问题都涉及到电磁场的分布特征。
因此,采用电磁场数值分析方法可以对太阳能电池板的设计进行优化,并提高其能量转换效率。
三、结论电磁场数值分析方法是一种强大的工具,它可以帮助我们深入了解电磁场的本质规律,并对各类电磁问题进行分析和优化设计。
电磁场数值计算新方法的研究

h s ri e b f n o u e e e o me t o u r l c mp tt s o l c ma n t f l s T i a t l re y i t d c d t e d v l p n f n me ia o u a in f e e to g e i e d c i l r h c o r ci
bo o si al d e e n l s h t d me tc ly a xtr a y, umma i e e e a i a l o i m s a a y e omen w g rt n l rz d s v r t c a g rt l yp l h , l z ds n e a o i l hms n a ee c o i a d g v a h ag rt m rta d i s f ce c n n me ia ompu a i n fe e to g e i eds l h me i n n u i in y i u rc c l t to s o l c ma n tc f l . r i Fi a l e f r c s ft ea p i ai fwa ee aysst u e c omp t to sofe e toma e i n ly t o e a to p lc ton o v l ta l i o n m r a c h h n i l u a i n lc r gn tc i l sg v n. fedswa i e
K e o ds in t fe e c eh ; n t l m e eho m om e t e o ; y w r :f iedi r n em t od f iee e nt i m t d; n sm t d h ee e tfe lr i e o w a l ta a y i lm n r e Ga e k n m t d; vee n l ss h
电磁场数值计算

电磁场数值计算引言:电磁场是电荷和电流产生的物理现象,它在现代科技和工程中起着至关重要的作用。
对电磁场的数值计算是研究和应用电磁学的基础。
本文将介绍电磁场数值计算的原理和方法,并探讨其在实际问题中的应用。
一、电磁场的数值计算方法:电磁场的数值计算可以通过求解麦克斯韦方程组来实现,这是描述电磁场的基本方程。
麦克斯韦方程组包括四个方程,分别是电场的高斯定律、磁场的高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培环路定律。
通过数值方法求解这些方程,可以得到电磁场在空间中的分布情况。
1. 有限差分法:有限差分法是一种常用的数值计算方法,通过将空间离散化为有限个点,时间离散化为有限个步骤,将偏微分方程转化为差分方程进行求解。
在电磁场计算中,可以将空间划分为网格,通过有限差分法计算电场和磁场在网格节点上的数值。
2. 有限元法:有限元法是一种广泛应用于工程领域的数值计算方法,它通过将计算域划分为许多小的有限元,将偏微分方程转化为代数方程组进行求解。
在电磁场计算中,可以将计算域划分为三角形或四边形网格,通过有限元法计算电场和磁场在每个有限元上的数值。
3. 边界元法:边界元法是一种适用于边界值问题的数值计算方法,它将偏微分方程转化为积分方程进行求解。
在电磁场计算中,可以通过边界元法计算电场和磁场在边界上的数值,然后利用边界条件求解整个计算域内的电磁场分布。
二、电磁场数值计算的应用:电磁场数值计算在科学研究和工程应用中具有广泛的应用价值,以下是一些常见的应用领域:1. 电磁场仿真:电磁场数值计算可以用于电磁场仿真,模拟和预测电磁场在不同结构和材料中的分布情况。
例如,可以通过数值计算预测电磁波在天线中的传播情况,从而优化天线设计和布局。
2. 电磁场辐射:电磁场数值计算可以用于估计电磁场辐射对人体和环境的影响。
例如,可以通过数值计算评估电磁辐射对人体健康的潜在风险,从而制定相应的防护措施。
3. 电磁场感应:电磁场数值计算可以用于分析电磁感应现象,研究电磁场对电路和设备的影响。
电磁场数值分析方法讨论

目录
01 一、电磁场基本概念 和理论
03
三、电磁场数值分析 的未来方向
02
二、电磁场数值分析 方法及其优缺点
04 参考内容
电磁场是指由电场和磁场共同组成的物理场,它广泛存在于自然界和各种人工 装置中。电磁场的分析和计算对于科学研究、工程应用和实际生产具有重要意 义。本次演示将探讨电磁场数值分析的方法和模型,以及未来的发展趋势和方 向。
点,如对积分核的选取要求较高,对于复杂结构和多介质问题需要进行复杂的 数值积分等。
三、电磁场数值分析的未来方向
随着计算机技术的不断发展和数值计算方法的进步,电磁场数值分析在未来的 发展中将会面临更多的机遇和挑战。以下是一些可能的发展趋势:
1、高性能计算机的应用:随着计算机性能的不断提升,电磁场数值分析将能 够处理更加复杂的问题和更大的计算域。
边界元方法也存在一些缺点,如对边界的划分要求较高,计算量较大,需要较 大的内存空间等。
3、积分方程方法
Байду номын сангаас
积分方程方法是基于电磁场的积分方程进行数值求解的方法。在电磁场数值分 析中,积分方程方法广泛应用于解决封闭区域的电磁场问题。它的优点包括: 数学模型简单,计算量较小,可以直接计算出电磁场的分布。然而,积分方程 方法也存在一些缺
布、电磁力等性能指标。其中,有限元法是一种常用的数值计算方法,它可以 将连续的电磁场离散成多个单元,对每个单元进行计算,并通过插值得到整个 场域的结果。
三、模型建立与验证
在进行电磁场数值计算之前,需要建立永磁电机的电磁场模型。模型包括电机 的主要部件,如定子、转子、永磁体等,以及其材料属性、尺寸、相对位置等 参数。根据这些参数,利用电磁场数值计算软件可以建立起电机内部的电磁场 分布情况,
电磁场数值计算仿真实验设计

[收稿时间]2019-12-18[基金项目]哈工大(威海)研究生教育教学改革研究项目(WH2019014);哈工大研究生教改研究项目(JGYJ-2019036)。
[作者简介]周洪娟(1980-),女,山东烟台人,博士,副教授,主要从事电磁理论方面的教学和研究工作。
[摘要]电磁场边值问题的求解是电磁理论教学中的难点和重点。
课题组以简单的静态二维电场边值问题为例,同时采用解析法和数值法求解,基于Matlab 仿真平台编程实现,从解析法和数值法的结论互相呼应的角度来逐层次地设计实验,使学生对电磁场边值问题求解方法、抽象复杂的数学结论以及唯一性定理产生感性认识。
[关键词]电磁场边值问题;唯一性定理;解析法;数值法[中图分类号]O411.1[文献标识码]A [文章编号]2095-3437(2021)02-0004-042021年2University Education“电磁场理论”或“电磁场与电磁波”是工科院校电子信息、无线电技术类专业的一门重要基础课,其涉及的矢量微积分公式繁多、概念抽象,需要学生具备较为扎实的数学和物理基础,学生普遍反映难度大。
“电磁场理论”这门课的教学虽然要侧重电磁场、电磁波的基础理论,但也要注重与工程实践的结合,为工科院校的学生在相关课程以及方向的学习研究提供较为直接的理论指导。
这其中,电磁场边值问题的求解就是联系电磁场麦克斯韦方程等基础理论与各种复杂工程实践,如天线设计、电磁干扰与电磁兼容以及雷达散射截面积等相关应用的桥梁[1-7],但由于其涉及数理方程等复杂数学理论,使之成为本科教学中的难点。
电磁场边值问题指的是满足特定偏微分方程和边值条件的数理方程,静态电、磁场的边值问题的求解是指满足泊松方程或拉普拉斯方程和指定边值条件的数理方程的求解。
电磁场边值问题的求解方法主要分为解析法和数值法两大类。
解析法是指能从电磁理论出发通过公式推导可直接得到所求解问题的精确表达式的方法,该类方法通常只适合一些边界形状简单的特殊边值问题的求解,如边界形状为规则的平面状、球状或圆柱状。
电磁场数值分析课件

湖北工业大学研究生考试答题纸考试科目工程电磁场数值计算研究生姓名陈天丽学号120130104任课教师邹玲教授学院、专业电气与电子工程学院成绩二0一四年6 月19日《工程电磁场数值计算》课程学习总结这一学期的工程电磁场数值计算学完了,在老师的教导下以及与同学的课堂交流中我学习了很多很多东西,接下来我将从以下七个方面来总结以下这一学期我们学习的东西。
1.高斯消元法 1.1高斯消元法概念高斯消除法是求解线性代数方程组最古老的方法之一。
它不仅容易在计算机上实现,同时,又是构造其他方法的基础。
基本思想:按序逐次消去未知量,把原来的方程化为等价的三角形方程组,或者说,用矩阵行的初等变换将系数矩阵A 约化为简单三角形矩阵;然后按相反方向顺序向上回代求解方程组。
一.下面以一个例子来说明高斯消除法的计算过程。
123123123234 6 (1)352 5 (2)433032 (3)x x x x x x x x x ⎧++=⎪++=⎨⎪++=⎩ 将上述方程写成矩阵形式23463525433032⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦(1)以第一行为基底,消元:12121132*==k k k 131311422*===k k k (2)第二行减去第一行乘以12*k21211112332()02**=+∙=+⨯-=k k k k222212123153()22**=+∙=+⨯-=k k k k23231312324()42**=+∙=+⨯-=-k k k k221312356()42**=+∙=+⨯-=-p p k k(3)同理,第三行减去第一行乘以13*k31311113442()02**=+∙=+⨯-=k k k k32321213433()32**=+∙=+⨯-=-k k k k333313134304()222**=+∙=+⨯-=k k k k331334326()202**=+∙=+⨯-=p p k p变形后矩阵变为234600.544032220⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦(4)同理,以第二行为基地,消元:232322360.5*-===-k k k 323212233(3)0.5()00.5**=+∙=--⨯-=k k k k 33331313322(4)()20.5**=+∙=--⨯-=-k k k k331323320(4)()40.5**=+∙=--⨯-=-p p k k再次变形后的矩阵为234600.544004﹣﹣﹣2﹣⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦对应的方程为1232340 (1)++=x x x 230.54 4 (2)-=-x x 32 4 (3)-=-x解得3212813x x x ⎧=⎪=⎨⎪=-⎩二.有限元的方程组的求解方法归纳:13121110112223202122001020300n n n n n n n n n k k p k k p k k k k p k k k k ϕϕϕ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦高斯法如下:以第一行为基底消元:11ij ijp p k *=1111j jk k k *=第二 行减去第一行乘12k *第n 0行减去第一行乘01n k *同理有如下通式111111ii i i i p p p k p p k k **=-∙=-∙111111j ij ij j jij i k k k k kk k k **=-∙=-∙1.2列主元消除法一.基本实例 二.基本思想 给出增广矩阵111211,1212222,112,1a ,b =n n n n n n nnn n a a a a a a a A aa a a +++⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦用增广矩阵表示方程组,在增广矩阵上进行计算,其计算步骤是: (1) 选1,111a max i i i na ≤≤=,交换第1行和第1i ,然后进行消元得,()()()()()()()()()()()()()()111111121n 1,1111111212222,11111n12,1a ,b =n n n n nn n n a a a a a a a A a a a a +++⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦(2) 选()21,1i22a max i i n a ≤≤=,交换第2行和第2i ,然后进行消元,得()()22,b A ⎡⎤⎣⎦依次类推,每次消元前都要换行取最大的列元素为主元 三.列主元消去法技巧和注意在消元过程中适当选取主元素是十分必要的。
工程电磁场数值分析1(概述)

场是分布式的,复杂,但是更加本质,给出更多更加 真实的信息,揭示问题的实质。
路侧重于系统,场侧重于元件。
在以下情况下必须使用场的方法:
(1)当元件本身成为关注对象的时候;
(2)高频情况下,路的概念失效的情况下。
1. 为什么要做电磁场的分析
很多时候必须知道场的分布,并对之加以控制。
1. 为什么要做电磁场的分析
工程电磁场数值分析(1)
——概述
华中科技大学 电机与控制工程系
陈德智
2010.10
教材与参考书
叶齐政,孙敏.电磁场.华中科技大学出版社,2008 张倩,胡仁喜. ANSYS12.0电磁学有限元分析从入门到精通. 机械工业出版社,2010
ANSYS自带的帮助文档。
进一步的参考书
汤蕴璆,梁艳萍. 电机电磁场的分析与计算. 机械工业出版 社,2010 谢德馨,杨仕友. 工程电磁场数值分析与综合.机械工业出 版社,2009 汤蕴璆.电机内的电磁场. 科学出版社,1998 周克定. 工程电磁场数值计算的理论方法及应用. 北京:高 等教育出版社,1994 颜威利,杨庆新等. 电气工程电磁场数值分析.机械工业出 版社, 2006 王秉中. 计算电磁学. 北京:科学出版社,2002
数值法(离散法)
• 三要素
网格
节点 代数方程组
•
主要步骤: 场域离散 方程离散 解方程组 后处理 代表方法:有限差分法、有限元法
•
ANSYS有限元软件简介
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于 一体的大型通用有限元分析软件,可以实现结构力学分析、 动力学分析、热分析、流体分析、电磁场分析、声场分析 及多物理场的耦合分析。 由世界上最大的有限元分析软件公司之 一的美国ANSYS 开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换, 如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是现代产品设计中的高级CAD工具之一,为国内外众多大 型研究机构所采纳。
电磁仿真中的数值计算方法研究与实践

电磁仿真中的数值计算方法研究与实践电磁场仿真在电磁学和电子工程领域发挥着重要作用,可以帮助工程师和研究人员分析、设计和优化电磁设备和系统。
数值计算方法是电磁场仿真中常用的方法之一,本文将对电磁仿真中的数值计算方法进行研究与实践,探讨其原理、特点和应用。
在电磁仿真中,数值计算方法主要包括有限差分法(Finite Difference method,简称FDM)、有限元法(Finite Element Method,简称FEM)和时域积分方程方法(Time Domain Integral Equation method,简称TDIE)。
这些方法都是基于数值离散的原理,通过将连续的电磁场问题离散化为离散网格上的有限点问题,采用数值计算方法求解得到电磁场分布。
首先,我们来研究有限差分法。
有限差分法是一种常用的数值计算方法,其基本原理是对电磁场的微分方程进行近似,将微分算子替换为差分算子,通过离散网格上的节点上的估计值来求解。
有限差分法简单易懂,计算效率高,尤其适用于规则结构网格的情况。
然而,有限差分法需要网格分辨率较高才能得到精确的结果,对于存在复杂几何形状的问题,可能出现数值误差较大的情况。
接下来,我们研究有限元法。
有限元法是一种广泛应用于工程问题的数值计算方法,其基本思想是将求解域划分为多个小区域(有限元),通过在每个小区域上建立局部近似函数,将原始的微分方程转化为多个局部方程组,通过求解这些局部方程组,最终得到整个求解域上的电磁场分布。
有限元法适用于各种复杂几何形状的问题,并且具有良好的数值稳定性和精度。
然而,有限元法的计算量较大,需要较长的计算时间,并且对于非线性和时变问题的处理稍有复杂。
最后,我们来研究时域积分方程方法。
时域积分方程方法是一种基于时域的电磁场求解方法,它将电磁场问题转化为时域的积分方程,并通过在时域上进行数值积分求解得到电磁场分布。
相比于频域方法,时域积分方程方法具有较好的时域分辨率,可以更好地处理信号的时域演化。
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电磁场数值分析方法的若干研究张晨颜
发表时间:2018-05-23T17:08:53.507Z 来源:《基层建设》2018年第8期作者:张晨颜
[导读] 摘要:文章主要阐述电磁场分析的重要方法,即电磁场数值计算方法。
中国矿业大学孙越崎学院电气系江苏省徐州市 221000
摘要:文章主要阐述电磁场分析的重要方法,即电磁场数值计算方法。
具体是对直接积分法、有限差分法以及有限元法三种常见分析方法的原理以及优势特征进行探究。
同时采用不同方法技能型求解,并对结果进行简要分析,发现只有在合理应用前处理技术基础上,各种数值分析方法的计算精确性才会有所保障。
关键词:电磁场;数值分析方法;直接积分法;有限差分法;有限元法
测算与处理电磁场边值问题的方法主要有模拟法、图解法、解析法、数值法四种类型。
前处理、计算和后处理是所有工程电磁场数值分析的三大要素。
在静态条件下,电磁场分布均可归纳在一定边界条件下求解Poisson或Laplace方程。
阐述电磁场的麦克斯韦方程组有有微分与积分两种类型,不同数值计算方法的计算量离散化所参照的基本方程形式,可以细化为积分方程法与微分方程法。
本文对相关计算过程实施简化措施,并对不同电磁场数值计算的方法优势与弊端进行归纳。
1直接积分法
③选择一定的代数解法(通常应用迭代法),编写相关计算流程,以获得相应待求边值问题的差分方程组,得到边值问题的数值解.
有限差分法的主要内容通常涵盖三个方面:①差分方程的形成;②边界条件的处理;③方程的求解。
差分方程的推导通常采用泰勒级数法。
将电磁场的微分方程形式——泊松方程或拉普拉斯方程设为初始点,借助展开泰勒绿数的方式,列算差分方程。
结合现存的边界条件,结合具体情况修整边界上的节点的差分方程形式。
最后是对代数方程组———差分方程进行计算以获得最终结果。
同步迭代法、异步迭代法和超松弛迭代法石常见解题方法。
通常采用点超松弛迭代法和线迭超松弛迭代法。
但应用过程中的重点是合理选择松弛因子,只有在选择得当时迭代加速进程才会得到有效管控。
有限差分法的优点是能够较为快速的找出差分方程组,同时差分方程组自体也体现出简洁化特征,网格的剖分过程也没有太大技术含量,数据信息准备工作不会耗用太多时间,计算流程制定相对简易。
但是对于曲线边界等不规则的边界,处理难度会相应增加。
若区域的边缘线以及内部媒介分界线形体较为繁杂,并且场域布设形式多变时,因为差分法的网格剖分灵敏性较差,故此计算结果的测算过程将会受到层层阻碍。
有限差分法适用于对象有如下几种类型:①边界形状规则的第一类边界,第二类齐次边界;②静态场,时变场;③线性场,非线性场等。
3有限元法
有限元法是采用变分原理和离散化去获得近似解的方法。
电磁场的问题通常都可总结为求解的偏微分方程的边值问题。
有限元法不是采用直接偏微分方程去求解电磁场的,其将偏微分方程边值问题设为始发点,探寻一个能量泛函的积分式,并促使其其在满足第一类边界条件的前提提取取极值,等同于构建条件变分问题。
这个条件变分问题等同于偏微分方程边值问题。
在求解过程中,将场的求解区域细化陈可以量化的单元,在每一单元中,策略的认为对每一点的求解函数是在单元节点的函数值间随坐标变化而产生相应变化的。
故此插值函数在单元格中产生,把插值函数整合到能量泛函的积分式,继而将泛函离散化转型为数个多元函数。
继而求解极值。
借此方式获得一个代数方程组。
最后由此方程组求解得到数值解。
对第二有限元法是结合变分原理和离散化而获得相似值解的方法。
若场域中存有不同的
媒质,那么在媒质分界面位置的边界条件是自然边界条件时,相关的变化问题就被叫做无条件变分问题。
对于第一类边界条件则在变分问题中与微分方程边值问题中等同,需作为作为定解条件列出。
和有限差分法相比较,有限元法前处理相对复杂,但是计算流程编制可标准化,在计算机中所占空间相对较大,极值计算时间相对较短,计算工作量较大,但是结果精确度却较低。
并且对于单元的剖分通常体现出无规律性,故此制作单元剖分图和准备已知数据过程将会耗费大量时间,无边界区域使用该方法求解存在诸多不便。
结束语:
综合本文阐述的几种电磁场数值计算方法类细心,可以对一般步骤进行总结:①首先将求解的电磁场问题先写出其解析关系方程式,继而转型为为相应的代数方程。
数值计算的有
限差分法和有限元法是将微分方程转型为代数方程;②制定出求解相关代数方程的计算流程;③计算机计算,最后获得所求电磁场问题的数值解。
本文受篇幅的限制,对相关方法的阐述缺乏全面性,故此电磁场数值分析方法的推导工作应持续深入运行。
参考文献:
[1]王长清, 祝西里. 电磁场计算中的时域有限差分法[M]. 北京大学出版社, 2014,12(14).:1245-854.
[2]刘云,宋滔,王赟.大定源回线瞬变电磁场数值滤波算法[J].物探化探计算技术,2016,38(04):437-442.
[3]朱碧海,孟俊贤,姜维,贺小峰,刘银水.水液压数字阀的电磁场数值研究[J].流体机械,2013,41(09):25-28+43.
[4]吴永霞, 张甲, 梁旭彪,等. 大型汽轮发电机端部电磁场数值分析[J]. 机电工程, 2015, 29(3):249-252.
作者简介:张晨颜,性别男,籍贯:福建省惠安市,名族汉族,职称:学生。
研究方向:高压电,电磁场。