电磁学课程设计

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。 1.2设计作用：

加深对电磁场与电磁波的理解，以及方便深入的学习，更是为了方便下面的实验进行。同时，电磁场与电磁波课程的作用，指出本课程教学中存在的问题，并对教材选用，教学方法改进等方面进行了讨论。

2设计任务及所用Maxwell软件环境介绍

2.1设计任务：

磁偶极子天线的近区场计算

计算如下图所示所受磁偶极子线圈的近区场在边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻。要求理解并掌握辐射边界的使用。

其中电流环的内径r=9.5mm, 外经R=10mm，线圈材料为铜（copper）。环内通的电流分别为 I=0.5A

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2.2Maxwell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。

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图2.2MaxWell的开启界面

3. 模型的建立: 1.建模（Model）

Project > Insert Maxwell 3D Design

File>Save as> Dipole antenna （工程命名为“Dipole antenna”） 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Eddy current 设置几何尺寸单位：

Modeler > Units > Select Units: m (meters)（图01）

创建线圈

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Draw>Torus 中心点：（0,0,0）

输入线圈的内径：（0.0095,0,0） 输入线圈的外径：（0.001,0,0） 将材料设置为Copper 重命名为：coil（图02）

创建计算区域Region Draw>Sphere 中心点：（0,0,0）

输入球形计算区域的半径：（0.06,0,0） 材料设为vacuum（图03）

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创建激励电流加载面（Create Section） Select coil

Modeler > Surface > Section Section Plane: YZ平面

Modeler > Boolean > Separate Bodies（分离两Section面） Del 删除1个截面

将剩下的1个截面重命名为“current”（图04）

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2.设置激励（Assign Excitation） 选中线圈截面：current

Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Value: 0.5

Type: soild（图05）

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设置涡流效应和位移电流存在区域 Maxwell > Excitations > Set Eddy Effects 设置如下图：

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设置辐射边界Radiation Boundary 关于辐射边界的一些基本知识：

1．辐射边界在仿真电磁场开域问题时使用，辐射边界可完全吸收该 边界所包围区域内向外辐射的电磁波，不会造成电磁波的反射。 2．辐射边界只在涡流求解器中使用。

3．辐射边界必须与位移电流（Displacement current）设置同时使用。 4．辐射边界一般都设为球形（也可以是其他形状），辐射边界到辐 射源的距离一般大于电磁波波长的1/4。

在天线的辐射问题中，一般习惯将研究目标或区域的尺寸表示为电磁 波波长（l，lambda）的函数。 将region的半径表示为l的函数 选中Region下的Create sphere 将半径radius改为：lambda/4+0.01 (m) 添加变量lambda的定义为：c0/frequ 这里c0表示真空中的光速

添加变量frequ的定义为：1.5GHz（图06）

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按f 键，改为面选择 选中Region的外表面

Maxwell > Boundaries > Assign > Radiation…（图07）

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设置表面剖分的近似原则 选中外表面

Maxwell > Mesh Operations > Assign > Surface Approximation… Maximum surface deviation：ignore

Set maximum normal deviation (angle)：15 deg Set aspect ratio：10（图08）

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Maximum surface deviation

表面偏差距离：模型的剖分三角平面与真实表面之间的距离 若模型真实表面是平面，则表面偏差距离为0。 Maximum normal deviation

模型的剖分三角平面与真实表面的法向分量之间的夹角。 Aspect ratio

剖分三角单元的Aspect ratio是指三角单元的外接圆半径与三角形内 径的比值。若该参数为1，表示三角单元为等边三角形。对于平面剖

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分，Aspect ratio的设置下限为4，对于曲面剖分，Aspect ratio的设置 下限为1.2。

创建计算区域的外表面 选中Region区域的外表面

Modeler > Surface > Create Object From Face 将该面重命名为Outside（图09）

3.设置计算参数（Assign Executive Parameter） Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix（图10）

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4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup） Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数：Maximum number of passes ：5 误差要求：Percent Error: 10%

频率设置：Solver > Adaptive Frequency: 1.5GHz（图11）

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5. Check & Run（图12）

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4计算结果 计算辐射电阻

创建平均Poynting矢量的计算表达式（图）

Maxwell 3D > Fields > Calculator… Quantity > E Quantity > H

Complex >Conj（取H矢量的共轭） Cross（叉乘操作） Complex > Real（取实部） Number > 0.5 *

点击Add…

Named expressions >Poynting Done（图）

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Maxwell > Fields > Calculator

在Named Expressions栏中选中Poynting

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Copy to stack（将Poynting的计算设置copy到Calculator堆栈中） Geometry > Surface >Outside Normal（保留Poynting的法向分量） 积分

Eval（查看结果）

查看阻抗矩阵

Maxwell > Results > Solution Data

查看辐射边界上的Poynting矢量图 选中Region的外表面

Maxwell > Fields > Fields > Named Expression… 选中Poynting

效果仿真图

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5设计总结和体会

Maxwell 2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或RZ对称的条件下采用。它采用图形化的设计界面，可以直观、快捷地进行电磁场的仿真。

通过此次实验，本人初步了解、掌握使用Ansoft公司出产的Maxwell 2D软件的基本操作以及使用方法。在对实验“螺线管电磁阀静磁场分析”认真阅读、反复操作后，本人并完整地进行了实验“叠片钢涡流损耗分析”，并撰写此试验报告。

本人认为基于Maxwell 3D软件，能够解决电磁场领域的一些基本问题，且对于日后电气工程及其自动化专业的递进学习具有相当的意义。Maxwell 3D软件的界面形式非常简单，且操作步骤相对固定：①建立几何模型；②指定材料属性；③指定边界条件；④求解条件。而Maxwell 3D强大的后处理功能不仅能直观的显示场量的分布，还能相关变量的函数关系，更能进行关键系统的分析。这表明Maxwell 3D软件具有合理的实验性以及高度的工程模拟性。

在今后《工程电磁场》的模拟和实验中，不仅需要认真操作，更应理性思考实验背后隐含的数据关系和实验原理，只有对实验进行深刻的分析才能得到更有意义的结论。

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6参考文献：

《Ansoft 12 在工程电磁场中的应用》赵博张洪亮等编著 《Ansoft工程电磁场有限元分析》刘国强 等编著

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