平行双线的电场仿真 (修复的)

一、 题目概述
1.1 内容
1.1.1 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
1.1.2 设计作用
电磁场与电磁波主要介绍电磁场与电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方法以及在现实生活中的应用，内容包括电磁场与电磁波理论建立的历史意义、静电场与恒流电场、电磁场的边值问题、静磁场、时变场和麦克斯韦方程组、准静态场、平面电磁波的传播、导行电磁波以及谐振器原理等。

全书沿着电磁场与电磁波理论和实践发展的历史脉络，将历史发展的趣味性与理论叙述和推导有机结合，同时介绍了电磁场与电磁波在日常生活、经济社会以及科学研究中的广泛应用。

书中的大量例题强调了基本概念并说明分析和解决典型问题的方法；每章末的思考题用于测验学生对本章内容的记忆和理解程度；每章的习题可增强学生对于公式中不同物理量的相互关系的理解，同时也可培养学生应用公式分析和解决问题的能力。

1.1.3 设计任务及要求
平行双线的电场仿真， 如图1.1所示，两长直导线相距400mm ，导线半径20mm ，其材料(material)是铁（iron ），场 域中介质是空气（air ）(006.1=ε,0=γ)。

其中：一支导线电势为1000V ，另一支导线电势为-500V ；求：计算平行双线周围的电场分布，并计算单位长电容。

图 1.1
1.2 所用Maxwell 软件环境介绍
1.2.1 Maxwell 软件环境：
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.
二、 功能分析
2.1 电磁场公式分析
设导线表面单位长度带电+λ，-λ，则
两线间任意点P 的场强： E=
)
(220
0x d -+ξξπλ
πλ 式（2.1） U=a d
ln a a -d ln
dx E 0
a
-d a
ξ
ξπλπλ≈=
⎰ 式（2.2） 单位长度电容：
）（
）（a
d ln a d ln 1
U
Q C 00πξπξλλ=•==
式（2.3） 2.2 设计指标
已知两长直导线相距400mm ，导线半径20mm ，其材料属性是铁，场域中介质是空气(006.1=ε,0=γ)。

其中：一支导线电势为1000V ，另一支导线电势为-500V 。

参数设置完成后 ，利用Maxwell 软件，观察在其绘制出的电压变化曲线图、电场强度变化曲线图、电位移密度变化曲线图和能量变化曲线图，分别分析各个图谱中电压V 、场强E 、电位移密度和能量W 的变化趋势。

三、 设计与仿真
3.1 总体设计
Project > Insert Maxwell 2D Design
File>Save as>wds （工程命名为“wds ”），见图3.1
图 3.1
选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic 见图3.2
图 3.2
创建左导线
Draw>Circle
左导线起点：（X,Y,Z）=（0, 0,0）
坐标偏置：（dX,dY,dY）=（20,20,0），见图3.3
图 3.3 Assign Material >铁（iron），见图3.4
图 3.4
创建右导线
Draw > Circle
右导线起点：（X,Y，Z）=（400, 0,0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ）=（20,20,0），见图3.5
图 3.5 Assign Material >铁（iron），见图3.6
图 3.6
创建场域中介质 Draw>Rectangle
场域起点：（X,Y,Z ）=（400, 100,0）
坐标偏置：（dX,dY,dZ ）=（-400, -100,0） ，见图3.7
图 3.7
Assign Material >空气（air ）(006.1=ε,0=γ)。

见图3.8
图 3.8
3.2 参数的设置与改变
选中左导线
Maxwell 2D> Excitations > Assign >Voltage > 1000V 见图3.9
图 3.9
选中右导线
Maxwell 2D > Excitations > Assign >Voltage > -500V
见图3.10
图 3.10
四、设计与仿真
4.1 参数的设置
4.1.1设置计算参数：
Maxwell 2D > Parameters > Assign > Matrix > Voltage1, Voltage2
见图4.1
图 4.1
4.1.2 设置自适应计算参数：
Maxwell 2D > Analysis Setup > Add Solution Setup
最大迭代次数：Maximum number of passes > 10 误差要求：Percent Error > 1%
每次迭代加密剖分单元比例：Refinement per Pass > 30%
见图4.2和图4.3
图 4.2
图 4.3
4.2 检查并运行
Maxwell 2D > Analyze All，然后计算机就开始进行计算。

见图4.4
图 4.4
4.3 软件仿真结果
4.3.1 Voltage，E，D及Energy的分布
检查完毕后，Maxwell 2D > Fields > Fields,分别选择Voltage,E,D,还有Other > Energy.
见图4.5
图 4.5
4.3.2 双导线中心连线的电场分析
绘制双导线中心连线，Draw > Line,以左边导线的中心为起点，右边导线中心为中点
绘制中心连线。

见图4.6
图 4.6
Maxwell 2D > Results > Create Fields Report > Rectangular
Plot , Geometry > Polyine 1,再分别选择Voltage,E,D,Energy。

图 4.7
由上面电压变化曲线图4.7可知：从左边导线中心到28mm时候，电压保持在1000V，没有发生改变；从372mm处到400mm之间，电压保持在-500V不变;而在28mm到372mm之间，电压随距离的变化呈线性递减。

图 4.8
图 4.9
图 4.10
图4.8，图4.9，图4.10分别为场强，电位移密度，能量变化图。

有以上图可以明显的看出：在从左边导线中心到28mm之间，以上三值均为0；从372mm处到400mm之间，以上三值也均为0；而从28mm到372mm之间，三条曲线均保持同一个变化规律：先递减，中间有一段平衡距离，随后递增。

4.3.3 计算单位长电容
Maxwell 2D > Fields > Calcalator,Input > Quantity >
Energy,Geoemtry > AllOblects, Scalar 的积分号，Output > Eval. 见图4.11
图 4.11
由图可知，能量为0.00006429J，计算出电容值为 C=5.7055pF。

五、设计总结和体会
通过这次课程设计，使我对电磁场电磁波这门课又重新的认识，其并不仅仅是书本上的死知识，而是与生活紧密相连，就好比一个简单地平行直导线，电压，电位移分布并不仅仅是看上去那么简单。

经过这次课程设计后，使我懂得：理论与实际相结合的重要性，只有这样，才能使得我们更好的掌握和运用所学的知识，从而提高学习兴趣。

六、参考文献：
[1] 苏东林，陈爱新，谢树果.电磁场与电磁波.：高等教育出版社，2009
[2] 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.：高等教育出版社，2006
目录
一、题目概述 (1)
1.1内容 (1)
1.1.1设计目的 (1)
1.1.2设计作用 (1)
1.1.3设计任务及要求 (1)
1.2所用Maxwell软件环境介绍 (2)
1.2.1Maxwell软件环境 (2)
二、功能分析 (2)
2.1电磁场公式分析 (2)
2.2设计指标 (3)
三、设计与仿真 (3)
3.1总体设计 (3)
3.2参数的设置与改变 (7)
四、运行与测试 (8)
4.1参数设置 (8)
4.1.1设置计算参数 (8)
4.1.2设置自适应计算参数 (9)
4.2检查并运行 (10)
4.3软件仿真结果 (11)
4.3.1V oltage，E，D及Energy的分布 (11)
4.3.2双导线中心连线的电场分布 (11)
4.3.3计算单位长电容 (14)
五、设计总结和体会 (15)
六、参考文献 (15)。