数值分析实验报告 (3)

电器数值分析仿真实验报告

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时间2015学年秋季

上机练习：

一．问题描述

平板空气电容器如图所示，求其电场的分布。

1. 仿真目的

利用ansoft软件建立相应模型，求平行板电容器的电场分布2. 仿真过程与分析

（1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置气球边界。（2）仿真过程：

①选择求解场（Electrostatic）。

②利用Maxwell-2D仿真建立平行板容器的模型：

③添加材料：极板为铜copper，板间真空vacuum。

④添加激励：左极板为0v，右极板为10v。

⑤外边框设置气球边界。

3. 仿真结果与讨论（一）实验结果（1）电场矢量分布：

（2）电场标量分布：

（3）电位移矢量分布：

（4）电位移标量分布：

（二）对实验结果的讨论

从E,D的空间分布可以看出两个平行板电容器之间的电场为匀强电场，在极板边缘处电场分布出现尖端效应，右极板内侧的尖端电场强度最大，且为正极电场线从右极板发出，平行板电容器外部电场为零。实验结果与理论分析基本相符。

4. 总结

在进行建模的时候可以在画完一个极板后通过镜像对称这种简单的方法来画对称的图形。

运用仿真可以节省材料，在仿真的过程中，对仿真结果进行思考，会出现一些在理论分析中一般会忽略的现象，比如尖端效应等。

二．问题描述

避雷器（铜）简化模型如图所示，求解避雷针的电压分布。

1. 仿真目的

利用ansoft软件建立相应模型，求解避雷器的电压分布。

2. 仿真过程与分析

（1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置气球边界。（2）仿真过程：

①选择求解器：属于静电场问题（Electrostatic）

②利用Maxwell-2D仿真建立平行板容器的模型：

③添加材料：极板为铜copper。

④添加激励：最上面的极板接100v，最下面的接0v，设置边界条件为气球边界。

⑤设置求解器solver。

⑥求解电压分布。

3. 仿真结果与讨论

（一）实验结果

（1）避雷器的电压分布如下图所示：

（二）对实验结果的讨论

避雷器之间电压由100v到0v均匀降落电势大约分别为100v，67v，34v，0v，与极板间的距离成正比。实验结果与理论分析相符。

4. 总结

添加激励时，只需要将最顶的和最底的铜片分别加100v和0v，其他的不需要。通过做仿真实验可得出铜板加的越多，电压分布在每片上的电势值就越小，不易击穿，让我进一步验证了理论。

三．问题描述

一矩形接地金属槽，长40cm ，宽20cm，边界条件如图所示，求解槽内电压分布。

1. 仿真目的

利用ansoft软件建立仿真模型，求解槽内电压分布。

2. 仿真过程与分析

（1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置气球边界。

（2）仿真过程：

①选择求解器：静电场（Electrostatic）

②利用Maxwell-2D仿真建立金属槽的模型：

③添加材料：四个极板为铜copper。

④设置槽各个边框的激励电压：最上面的100v其他三个为0v。设置边界条件为气球边界。

⑤设置求解器solver。

⑥求解电压分布。

3. 仿真结果与讨论

（一）仿真结果

（1）电压分布

（二）对实验结果的讨论

由于尖端效应，金属槽上极板两端与槽的间隙电场变化最快，在槽内，电场

强度基本分布均匀，电势值正比于距离递减，所以呈现U型。实验结果与理论分析相符。

4. 总结

通过仿真实验可以直观快速的看到金属槽的电压分布，不用繁琐的计算。进一步验证了理论，从而加深了对理论的理解。

四．问题描述

两个半径为5mm的实心铁球，球心距为30mm，带电量均为1C。分析空间电场分布。

1. 仿真目的

利用ansoft软件建立仿真模型，求解两个实心铁球的空间电场分布。

2. 仿真过程与分析

（1）过程分析：属于静电场问题，外边框设置偶对称边界。

（2）仿真过程：

①选择求解场（Electrostatic）。

②建立实心铁球的模型：

③添加材料：金属球为铁iron。

④添加激励：给实心铁球加电荷量为1C。

⑤添加边界：第一种四周加气球边界，第二种对称轴加对偶对称边界其余三

条添加气球边界。

⑥设置求解器solver。

⑦求解空间电场分布。

3.仿真结果与讨论

（一）仿真结果

（1）空间电场分布

气球边界

对称边界

（二）对实验结果的分析

两个带有相同电荷量的铁球，连线中心处的电场为零，两个铁球周围的电场随距铁球距离的增加而减小，从两电荷中垂线到无穷远的电场强度先增大后减小，在两个电荷附近有最大值。实验结果与理论分析相符合。

4.总结

等量同种电荷的电场分布，将对称边界（1/2模型）由偶边even改成奇边odd，或者将左边金属球电荷量改为-1c来分析。通过仿真实验，更直观的看到两电荷的库伦定律。

五、问题描述

在一长直导线直径为5mm中通有1A的直流电流，求其周围磁力线的分布。

1. 仿真目的

利用ansoft软件建立仿真模型，求无限长直导线周围磁力线分布。

2. 仿真过程与分析

（1）过程分析：属于静磁场问题，外边框设置气球边界。

（2）仿真过程：

①选择求解器：属于静磁场问题（Magnetostatic）。

②利用Maxwell-2D仿真建立5mm长直导线模型：

③添加材料：导线为铜copper。

④给长直导线加激励电流为5A（方向为垂直纸面向外（positive））。

⑤设置求解器solver。

⑥求磁力线分布。