电磁场仿真讲解
电机学难重点的MA TLAB仿真
实验报告
一、实验内容及目的(1.5分)
1.应用Matlab 绘制50Hz 热轧硅钢片DR610-50(D21)磁化曲线
内容：在非铁磁材料中，磁通密度B 和磁场强度H 之间是线性关系，其系数就是空气的磁导率μ0。而在铁磁材料中，二者是非线性关系，称为磁化曲线。一般地，磁化曲线都有开始阶段、线性增长阶段、拐弯阶段和饱和阶段四部分，其中线性增长阶段和拐弯阶段的交界点就是曲线的膝点。
由于表征磁化曲线是用磁通密度B 和磁场强度H 两维数组表示的，是不连续的，而且其变化特征也比较复杂。当数据量很大的时候，采用这种数组形式很不方便，也占用存储量。最好的处理方式，是采用曲线拟合方法，把磁化曲线表示成显函数形式的解析表达式。
目的：
了解磁化曲线的非线性和饱和特性； 掌握采用MATLAB 进行曲线拟合的方法。
2.应用MATLAB 绘制电压变化率曲线(额定负载：超前85.0cos 2=?，滞后85.0cos 2=?，0.1cos 2=?)效率曲线 Ⅰ.电压变化率
内容：变压器一次侧接额定电压，二次侧空载时的电压就是额定电压。当二次侧接入负载后，即使一次侧电压不变，二次侧的电压也不再是额定值，变化后的电压大小与负载电流、负载性质和短路阻抗参数有关。表征该变化的物理量就是电压变化率Δu 。根据电机学理论，电压变化率为：
Δu=(U2N-U2)/U2N=(U1N-U2’)/U1N=1-U2*=I2**(r k*cosφ2+x k*sinφ2)
I2*----负载电流的标幺值；
r k，x k----短路电阻、短路电抗的标幺值；
Φ2----负载的功率因数角。
根据上式，即使负载电流和变压器短路参数不变，负载性质发生变化，那么电压变化率也会发生变化，进而影响输出电压的大小。一般地，该变化规律为：
(1)对阻性负载，φ2=0，必然有Δu>0，U2*<1;
(2)对感性负载，φ2>0,也必然有Δu>0，而且数值比阻性的要大，U2*<1;
(3)对容性负载，φ2<0,则可能出现Δu<0，U2*>1。
目的：
了解变压器电压变化率的变化规律；
了解负载性质对电压变化率特性的影响。
Ⅱ.变压器效率
内容：在所有种类的电机中，变压器的效率是最高的，而且高效率工作区间很宽。一般地，电力变压器的效率都在95%~99%之间。电机学中变压器的效率表示为：
η=P2/P1=1-ΣP/(P2+ΣP)=1-(P0+I2*2*P kN)/(I2**S N*cosφ
+I2*2*P N)
2+P0
式中P0——额定电压时的空载损耗；
P kN ——额定电流时的短路损耗； I 2*——负载电流的标幺值； S N ——变压器的额定容量； cos φ2——负载的功率因数。 目的：
了解变压器效率曲线的变化规律； 了解负载性质对效率曲线的影响。 二、实验要求及要点描述(2.5分)
1.应用Matlab 绘制50Hz 热轧硅钢片DR610-50(D21)磁化曲线 要求：
①绘制磁化曲线；
②根据所提供的数据，合理选取全部和部分数据绘制磁化曲线，并进行比较，不少于4条曲线； ③绘制每条磁化曲线对应的图和表； ④在一个图中显示全部曲线，并进行区分。 实现：
①采用屏幕图形方式直观显示； ②利用编程方法和MATLAB 的拟合函数；
③利用多种函数族如多项式、指数函数、对数函数等进行拟合，并进行比较，最后给出拟合精度最高的表达式。
2.应用MATLAB 绘制电压变化率曲线(额定负载：超前85.0cos 2=?，滞后85.0cos 2=?，0.1cos 2=?)效率曲线
要求：
①采用屏幕图形方式直观显示；
②利用MATLAB编程或SIMULINK建模均可；
③要画出对应阻性、感性、容性三种负载性质的特性曲线，且要通过额定点；
④要给出特征性的结论。
实现：
①使用数组计算一组值，然后同意进行画图；
②使用legend函数生成图例，以区分阻性负载、容性负载和感性负载的曲线。
③通过三种不同性质的负载的曲线的走向总结不同性质负载下，电压变化率的变化趋势。
三、基本知识及实验方法描述(3分)
1.应用Matlab绘制50Hz热轧硅钢片DR610-50(D21)磁化曲线
在非铁磁材料中，磁通密度B和磁场强度H之间是线性关系，其系数就是空气的磁导率μ0。而在铁磁材料中，二者是非线性关系，称为磁化曲线。一般地，磁化曲线都有开始阶段、线性增长阶段、拐弯阶段和饱和阶段四部分，其中线性增长阶段和拐弯阶段的交界点就是曲线的膝点。
在实验过程中，首先输入题目中所给出的H与B的数值，通过直接plot画出对应所给点的曲线，再用多项式进行拟合，可以发现，以一定次数多项式拟合会得到与原曲线大致重合的曲线，曲线的大致
形状为由大致线性过膝点后变为缓慢变化。
2.应用MATLAB 绘制电压变化率曲线(额定负载：超前85.0cos 2=?，滞后85.0cos 2=?，0.1cos 2=?)效率曲线 Ⅰ.电压变化率
变压器一次侧接额定电压，二次侧空载时的电压就是额定电压。当二次侧接入负载后，即使一次侧电压不变，二次侧的电压也不再是额定值，变化后的电压大小与负载电流、负载性质和短路阻抗参数有关。表征该变化的物理量就是电压变化率Δu 。负载性质发生变化，那么电压变化率也会发生变化，进而影响输出电压的大小。一般地，该变化规律为：
⑴对阻性负载，φ2=0，必然有Δu>0，U 2*<1;
⑵对感性负载，φ2>0,也必然有Δu>0，而且数值比阻性的要大，U 2*<1; ⑶对容性负载，φ2<0,则可能出现Δu<0，U 2*>1。
在实验过程中，将电流值从0-15.15的变化写入一个数组，通过应用公式Δu=I 2**(r k *cos φ2+x k *sin φ2)计算出对应的Δu ，并将得到的结果写入另一个数组，使用plot 语句画出不同性质负载对应的电压变化率曲线，通过图例加以区分。 Ⅱ.变压器效率
在所有种类的电机中，变压器的效率是最高的，而且高效率工作区间很宽。一般地，电力变压器的效率都在95%~99%之间。
在实验过程中，是负载电流标幺值在0~1.2之间变化，通过公式 η=1-(P 0+I 2*2*P kN )/(I 2**S N *cos φ2+P 0+I 2*2*P N )
计算出相应的效率值，使用plot语句输出曲线。
四、实验源程序(1分)
1.应用Matlab绘制50Hz热轧硅钢片DR610-50(D21)磁化曲线
Ⅰ.H1-B
>> H1=[0 1.4 1.71 2.12 2.67 3.40 4.25 5.36 6.75 8.80 12.0 17.4 28.0 52.9 88.0 138]；
>> B=[0 0.4:0.1:1.8]；
>> plot(H1,B)
>> xlabel('磁场强度H1(A/cm)')
>> ylabel('磁感应强度B(T)')
>> text(1.4,0.4,'(1.4,0.4)')
>> text(28.0,1.5,'(28.0,1.5)')
拟合:
>> H1=[0 1.4 1.71 2.12 2.67 3.40 4.25 5.36 6.75 8.80 12.0 17.4 28.0 52.9 88.0 138];
>> B=[0 0.4:0.1:1.8];
>> n=7;
>> p=polyfit(H1,B,n)
p =
Columns 1 through 6
0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0001 0.0026 -0.0412 Columns 7 through 8
0.3460 0.0070
>> poly2str(p,'x')
ans =
3.4865e-11 x^7 - 1.1872e-08 x^6 + 1.4855e-06 x^5 - 8.7509e-05 x^4
+ 0.0026221 x^3 - 0.041181 x^2 + 0.34603 x + 0.0070495
>> z=polyval(p,H1)
z =
Columns 1 through 6
0.0070 0.4176 0.4907 0.5788 0.6830 0.7995
Columns 7 through 12
0.9086 1.0165 1.1109 1.1982 1.2812 1.4088 Columns 13 through 16
1.4990 1.6000 1.7000 1.8000
>> plot(H1,B,'o',H1,z,'r')
>> xlabel('I(A)')
>> ylabel('E(V)')
>> title('E-I(H-B)Curve Fitting')
>> legend('原始数据点','多项式拟合曲线')
Ⅱ.H2-B
>> H2=[0.02 1.46 1.79 2.22 2.81 3.56 4.45 5.62 7.08 9.33 13.0 18.9 31.5 59.0 95.6 152]；
>> B=[0 0.4:0.1:1.8]；
>> plot(H2,B)
>> ylabel('磁感应强度B(T)')
>> xlabel('磁场强度H2(A/cm)')
>> text(1.46,0.4,'(1.46,0.4)')
>> text(31.5,1.5,'(31.5,1.5)')
拟合：
>> H2=[0.02 1.46 1.79 2.22 2.81 3.56 4.45 5.62 7.08 9.33 13.0 18.9 31.5 59.0 95.6 152];
>> B=[0 0.4:0.1:1.8];
>> n=7;
>> p=polyfit(H2,B,n)
p =
Columns 1 through 6
0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0001 0.0022 -0.0370 Columns 7 through 8
0.3305 0.0039
>> poly2str(p,'x')
ans =
2.011e-11 x^7 - 7.5221e-09 x^6 + 1.0334e-06 x^5 - 6.6763e-05 x^4
+ 0.0021834 x^3 - 0.037034 x^2 + 0.33045 x + 0.0039434
>> z=polyval(p,H2)
z =
Columns 1 through 6
0.0105 0.4140 0.4886 0.5773 0.6845 0.7994 Columns 7 through 12
0.9091 1.0179 1.1117 1.1989 1.2798 1.4091 Columns 13 through 16
1.4990 1.6000 1.7000 1.8000
>> plot(H2,B,'o',H2,z,'r')
>> xlabel('I(A)')
>> ylabel('E(V)')
>> title('E-I(H-B)Curve Fitting')
>> legend('原始数据点','多项式拟合曲线')
Ⅲ.H3-B
>> H3=[0.04 1.52 1.87 2.32 2.95 3.72 4.65 5.88 7.45 9.90 14.0 20.6 36.0 65.3 105 166]；
>> B=[0 0.4:0.1:1.8]；
>> plot(H3,B)
>> ylabel('磁感应强度B(T)')
>> xlabel('磁场强度H3(A/cm)')
>> text(1.52,0.4,'(1.52,0.4)')
>> text(36.0,1.5,'(36.0,1.5)')
拟合：
>> H3=[0.04 1.52 1.87 2.32 2.95 3.72 4.65 5.88 7.45 9.90 14.0 20.6 36.0 65.3 105 166];
>> B=[0 0.4:0.1:1.8];
>> n=7;
>> p=polyfit(H3,B,n)
p =
Columns 1 through 6
0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0001 0.0018 -0.0330
Columns 7 through 8
0.3144 0.0027
>> poly2str(p,'x')
ans =
1.1329e-11 x^7 - 4.6551e-09 x^6 + 7.0357e-07 x^5 - 5.0011e-05 x^4
+ 0.0017936 x^3 - 0.033026 x^2 + 0.31441 x + 0.002668
>> z=polyval(p,H3)
z =
Columns 1 through 6
0.0152 0.4103 0.4863 0.5753 0.6852 0.7985 Columns 7 through 12
0.9090 1.0191 1.1149 1.2010 1.2762 1.4099 Columns 13 through 16
1.4991 1.6000 1.7000 1.8000
>> plot(H3,B,'o',H3,z,'r')
>> xlabel('I(A)')
>> ylabel('E(V)')
>> title('E-I(H-B)Curve Fitting')
>> legend('原始数据点','多项式拟合曲线')
Ⅳ.H4-B
>> H4=[0.06 1.58 1.95 2.42 3.09 3.89 4.88 6.16 7.86 10.5 15.0 22.6 41.3 72.8 115 181]；
>> B=[0 0.4:0.1:1.8]；
>> plot(H4,B)
>> ylabel('磁感应强度B(T)')
>> xlabel('磁场强度H4(A/cm)')
>> text(1.58,0.4,'(1.58,0.4)')
>> text(41.3,1.5,'(41.3,1.5)')
拟合：
>> H4=[0.06 1.58 1.95 2.42 3.09 3.89 4.88 6.16 7.86 10.5 15.0 22.6 41.3 72.8 115 181];
>> B=[0 0.4:0.1:1.8];
>> n=8;
>> p=polyfit(H4,B,n)
p =
Columns 1 through 6
-0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0001 0.0030 Columns 7 through 9
-0.0418 0.3354 -0.0205
>> poly2str(p,'x')
ans =
-3.8663e-13 x^8 + 1.7991e-10 x^7 - 3.1457e-08 x^6 + 2.6733e-06 x^5
- 0.00012048 x^4 + 0.0029924 x^3 - 0.041814 x^2 + 0.33539 x - 0.020543
>> z=polyval(p,H4)
z =
Columns 1 through 6
-0.0006 0.4161 0.4950 0.5847 0.6946 0.8022
Columns 7 through 12
0.9068 1.0069 1.0987 1.1923 1.3038 1.3994
Columns 13 through 16
1.5000 1.6000 1.7000 1.8000
>> plot(H4,B,'o',H4,z,'r')
>> xlabel('I(A)')
>> ylabel('E(V)')
>> title('E-I(H-B)Curve Fitting')
>> legend('原始数据点','多项式拟合曲线')
Ⅴ.H5-B
>> H5=[0.08 1.64 2.03 2.54 3.24 4.07 5.12 6.45 8.31 11.2 16.2 25.0 47.0 80.4 126 197]；
>> B=[0 0.4:0.1:1.8]；
>> plot(H5,B)
>> ylabel('磁感应强度B(T)')
>> xlabel('磁场强度H5(A/cm)')
>> text(1.64,0.4,'(1.64,0.4)')
>> text(47.0,1.5,'(47.0,1.5)')
拟合：
>> H5=[0.08 1.64 2.03 2.54 3.24 4.07 5.12 6.45 8.31 11.2 16.2 25.0 47.0 80.4 126 197];
>> B=[0 0.4:0.1:1.8];
>> n=8;
>> p=polyfit(H5,B,n)
p =
Columns 1 through 6
-0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0001 0.0026
Columns 7 through 9
-0.0383 0.3224 -0.0241
>>
poly2str(p,'x')
ans =
-2.1334e-13 x^8 + 1.0872e-10 x^7 - 2.0841e-08 x^6 + 1.9407e-06 x^5
- 9.5465e-05 x^4 + 0.0025652 x^3 - 0.038275 x^2 + 0.32242 x - 0.024133
>> z=polyval(p,H5)
z =
Columns 1 through 6
0.0014 0.4123 0.4925 0.5861 0.6961 0.8029 Columns 7 through 12
0.9084 1.0064 1.0992 1.1907 1.3045 1.3994 Columns 13 through 16
1.5000 1.6000 1.7000 1.8000
>> plot(H5,B,'o',H5,z,'r')
>> xlabel('I(A)')
>> ylabel('E(V)')
>> title('E-I(H-B)Curve Fitting')
>> legend('原始数据点','多项式拟合曲线')
Ⅵ.一组磁化曲线
>> H1=[0 1.4 1.71 2.12 2.67 3.40 4.25 5.36 6.75 8.80 12.0 17.4 28.0 52.9 88.0 138]；
>> H2=[0.02 1.46 1.79 2.22 2.81 3.56 4.45 5.62 7.08 9.33 13.0 18.9 31.5 59.0 95.6 152]；
>> H3=[0.04 1.52 1.87 2.32 2.95 3.72 4.65 5.88 7.45 9.90 14.0 20.6 36.0 65.3 105 166]；
>> H4=[0.06 1.58 1.95 2.42 3.09 3.89 4.88 6.16 7.86 10.5 15.0 22.6 41.3 72.8 115 181]；
>> H5=[0.08 1.64 2.03 2.54 3.24 4.07 5.12 6.45 8.31 11.2 16.2 25.0 47.0 80.4 126 197]； >> B=[0 0.4:0.1:1.8]； >> hold on
>> plot(H1,B,H2,B,H3,B,H4,B,H5,B) >> xlabel('磁场强度H(A/cm)') >> ylabel('磁感应强度B(T)')
>> legend('H1-B','H2-B','H3-B','H4-B','H5-B')
2.应用MATLAB 绘制电压变化率曲线(额定负载：超前85.0cos 2=?，滞后85.0cos 2=?，0.1cos 2=?)效率曲线 Ⅰ.电压变化率 >> Rk=0.0093； >> Xk=0.048； >> COS=0.85； >> SIN=sin(acos(0.85))； >> u1=1-(Rk*COS+Xk*SIN) u1 =
0.9668
电磁场实验
实验一 静电场边值问题 对于复杂边界的静电场边值问题，用解析法求解很困难，甚至是不可能的。在实际求解过程中，直接求出静电场的分布或电位又很困难，其精度也难以保证。本实验根据静电场与恒定电流场的相似性，用碳素导电纸中形成的恒定电流场来模拟无源区域的二维静电场，从而测出边界比较复杂的无源区域静电场分布。 一、 实验目的： 1、学习用模拟法测量静电场的方法。 2、了解影响实验精度的因素。 二、 实验原理： 在静电场的无源区域中，电场强度E '电位移矢量D '及电位Ф、满足下列方程： ▽×E 、= 0 ▽×D '= 0 D '=ε E 、 E 、 = - ▽φ 、 （1.1.1） 式中ε为静电场的介电常数。 在恒定电流场中，电场强度E 、电流密度J 及电位Ф满足下列方程： ▽×E = 0 ▽·J = 0 J = δE E =－▽Φ （1.1.2） 式中δ为恒定电流场中导电媒质的电导率。 因为方程组（1.1.1）与方程组（1.1.2）在形式上完全相似，所以φ、（静电场中的电位分布函数）与Φ（恒定电流场中的电位分布函数）应满足同样形式的微分方程。由方程组（1.1.1）和方程组（1.1.2）很容易求得： ▽·（ε▽φ、）= 0 （1.1.3） ▽·（δ▽Φ）= 0 （1.1.4） 式中ε与δ处于相应的位置，它们为对偶量。 若ε与δ在所讨论区域为均匀分布（即其值与坐标无关），则方程（1.1.3）、（1.1.4）均可简化为 拉普拉斯方程： 2?φ'= 0 02=Φ? 电位场解的唯一定理可知：满足相同微分方程的两个电位场，它们具有相同的边界电位值，因此，在保证边界电位值不变的情况下，我们可以用恒定电流场的模型来模拟无源区域的静电场，当静电场中媒质为均匀媒质时，其导电媒质也应为均匀媒质，这样测得的恒定电流场的电位分布就是被模拟的静电场的电位分布，不需要任何改动。 三、 实验内容及实验装置： 1、被测模型有两个：一个用来模拟无边缘效应的平行板电容器中的电位分布；另一个用来模拟有金属盖的无限长接地槽形导体内电位分布。被模拟的平行板电容器，加盖槽形导体及
2016年《电磁场与电磁波》仿真实验 (1)
《电磁场与电磁波》仿真实验 2016年11月
《电磁场与电磁波》仿真实验介绍 《电磁场与电磁波》课程属于电子信息工程专业基础课之一，仿真实验主要目的在于使学生更加深刻的理解电磁场理论的基本数学分析过程，通过仿真环节将课程中所学习到的理论加以应用。受目前实验室设备条件的限制，目前主要利用 MATLAB 仿真软件进行，通过仿真将理论分析与实际编程仿真相结合，以理论指导实践，提高学生的分析问题、解决问题等能力以及通过有目的的选择完成实验或示教项目，使学生进一步巩固理论基本知识，建立电磁场与电磁波理论完整的概念。 本课程仿真实验包含五个内容： 一、电磁场仿真软件——Matlab的使用入门 二、单电荷的场分布 三、点电荷电场线的图像 四、线电荷产生的电位 五、有限差分法处理电磁场问题
目录 一、电磁场仿真软件——Matlab的使用入门 (4) 二、单电荷的场分布 (10) 三、点电荷电场线的图像 (1) 2 四、线电荷产生的电位 (14) 五、有限差分法处理电磁场问题 (17)
实验一电磁场仿真软件——Matlab的使用入门 一、实验目的 1. 掌握Matlab仿真的基本流程与步骤； 2. 掌握Matlab中帮助命令的使用。 二、实验原理 （一）MATLAB运算 1.算术运算 (1)．基本算术运算 MATLAB的基本算术运算有：＋(加)、－(减)、*(乘)、/(右除)、\(左除)、^(乘方)。 注意，运算是在矩阵意义下进行的，单个数据的算术运算只是一种特例。 (2)．点运算 在MATLAB中，有一种特殊的运算，因为其运算符是在有关算术运算符前面加点，所以叫点运算。点运算符有.*、./、.\和.^。两矩阵进行点运算是指它们的对应元素进行相关运算，要求两矩阵的维参数相同。 例1：用简短命令计算并绘制在0≤x≦6范围内的sin(2x)、sinx2、sin2x。 程序：x=linspace(0,6)
武大电气工程电磁场仿真实验报告
武汉大学 工程电磁场及高电压综合实验
一、题目 有一极长的方形金属槽，边宽为1cm，除顶盖电位为100sinπxV外，其他三面的电位均为零，试用差分法求槽内电位的分布。 二、解题原理：均匀媒质中的有限差分法 我们在求解场的分布时，当边界形状比较复杂时，解析分析法不再适合了，我们可以采用数值计算的方法，数值计算法的基本思想，是将整体连续的场域划分为若干个细小区域，一般称之为网格或单元，如图1所示，然后用所求的网格交点（一般称为节点或离散点）的数值解，来代替整个场域的真实解。因而数值解，即是所求场域离散点的解。虽然数值解是一种近似解法，但当划分的网格或单元愈密时，离散点数目也愈多，近似解（数值解）也就愈逼近于真实值。 实解。在此处键入公式。 图1场域的剖分，网格节点及步长
(一）、场域的剖分、网格节点及步长 由边界Γ所界定的二维平行平面场（见图1），若采用直角坐标系则可令该场处在xoy 平面内。 所谓场域的剖分就是场域的离散化，即将场域剖分为若干个网格或单元。最常见最简单的剖分为正方形剖分，这种剖分就是在xy 平面上作许多分别与x 轴及y 轴平行的直线，称为网格线。网格线的交点称为节点或离散点，场域内的节点称为内节点，场域边界上的节点称为边界节点。两相邻网格线间距离称为步长，一般以h 表示。若步长相等则整个场域就被剖分为许多正方形网格，这就是正方形剖分。节点（离散点）的布局不一定采用正方形剖分，矩形剖分也常采用，正三角形剖分偶尔也被应用，不过最常见的最简单的仍然是正方形剖分。 （二）、差分与微分 从前面的分析可知，稳恒电、磁场的求解问题，归根到底是求解满足给定边界条件的偏微分方程（泊松方程或拉普拉斯方程）的解的问题所谓差分方法，就是用差商近似代替偏微商，或者说用差分代替微分，从而把偏微分方程转换为差分方程，后者实际上为代数方程。因此这种转化有利于方程的求解。 下面分别对一阶及二阶的差分公式进行推导。首先回顾有关偏导数的定义，有 00(,)(,)(,)(,) lim lim x x f f x x y f x y f x y f x x y x x x →→?+---==? (1) 因此当|x| 充分小时，可近似地用(,)(,)f x x y f x y x +- 或(,)(,) f x y f x x y x -- 代 替 f x ??，所谓差分公式，即是基于上述观点推得的。 设图1所示场域中的位函数为A ，任取一网格节点0，它在xy 平面上的坐标为（x ,i i y ），记节点0的矢量磁位为,i j A ，并把与节点0相邻的其他四个节点1、2、3、4的矢量磁位分别记为1,i j A +、,1i j A +、1,i j A -、,1i j A -，将节点0处函数A 的 一阶偏微商A x ??，用1、0两点函数值的差商1,,i j i j A A h +-近似代替，则有
基于有限元的电磁场仿真与数值计算介绍
鼠笼异步电动机磁场的有限元分析 摘要 鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。 鼠笼异步电动机可靠性高，但由于种种原因，其故障仍时有发生。由于电动机结构设计不合理，制造时存在缺陷，是造成故障的原因之一。对电机内部的电磁场进行正确的磁路分析，是电机设计不可或缺的步骤。利用有限元法对电机内部磁场进行数值分析，可以保证磁路分析的准确性。本文利用Ansys Maxwell软件，建立了鼠笼式异步电机的物理模型，并结合数学模型和边界条件，完成了对鼠笼式异步电动机的磁场仿真，得到了物理模型剖分图，磁力线和磁通分布图，为电机的进一步设计研究提供了依据。 关键词：Ansys Maxwell；鼠笼式异步电机；有限元分析
一、前言 当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。 在对应用于交流传动的异步电机进行电磁场的分析计算时，传统的计算方法因建立在磁场简化和实验修正的经验参数的基础之上，其计算精度就往往不能满足要求。如果从电磁场的理论着手，研究场的分布，再根据课题的要求进行计算，就有可能得到满意的结果。电机电磁场的计算方法大致可以分为解析法、图解法、模拟法和数值计算法。数值解法是将所求电磁场的区域剖分成有限多的网格或单元，通过数学上的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组。由于电子计算机的应用日益普遍，所以电机电磁场的数值解法得到了很大发展，它的适用范围超过了所有其它的解法，并能达到足够的精度。对于电机电磁场问题，常用的数值解法有差分法和有限元法两种。用有限元法时单元的剖分灵活性大，适用性强，解的精度高。因此我们采用有限元法对电机电磁场进行数值计算。 Maxwell2D 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。在这里，我们利用Ansys的Maxwell2D 有限元分析工具对一个三相四极电机进行有限元分析，构建鼠笼式异步电机电动机的物理模型，并结合电机的数学模型、边界条件进行磁场分析。
电磁场实验报告
实验一：静电场的分析与求解 1.求二维标量场u（r）=y^2-x的梯度 [x,y]=meshgrid(-2:.2:2,-2:.2:2); z=y.^2-x; [px,py]=gradient(z,.2,.2); contour(z) hold on quiver(px,py) hold off title('等值线与梯度'); 2.2个等量同号点电荷组成的点电荷系的电势分布图clear v='1./((x-3).^2+y.^2).^0.5+1./((x+3).^2+y.^2).^0.5'; xmax=10; ymax=10; ngrid=30; xplot=linspace(-xmax,xmax,ngrid); [x,y]=meshgrid(xplot); vplot=eval(v); [explot,eyplot]=gradient(-vplot); clf; subplot(1,2,1),meshc(vplot); xlabel('x'); ylabel('y'); zlabel('电位');
subplot(1,2,2),axis([-xmax xmax -ymax ymax]); cs=contour(x,y,vplot); clabel(cs); hold on quiver(x,y,explot,eyplot) xlabel('x'); ylabel('y'); hold off 3.电偶极子的场（等位线和梯度） clear; clf; q=2e-6; k=9e9; a=1.5; b=-1.5; x=-6:0.6:6; y=x; [X,Y]=meshgrid(x,y); rp=sqrt((X-a).^2+(Y-b).^2); rm=sqrt((X+a).^2+(Y+b).^2); V=q*k*(1./rp-1./rm); [Ex,Ey]=gradient(-V); AE=sqrt(Ex.^2+Ey.^2); Ex=Ex./AE; Ey=Ey./AE; cv=linspace(min(min(V)),max(max(V)),49);
电磁场的Matlab仿真.
Matlab 与电磁场模拟 一单电荷的场分布： 单电荷的外部电位计算公式： q φ= 4πε0r 等位线就是连接距离电荷等距离的点，在图上表示就是一圈一圈的圆，而电力线就是由点向 外辐射的线。 MATLAB 程序： theta=[0:.01:2*pi]'; r=0:10; x=sin(theta*r; y=cos(theta*r; plot(x,y,'b' x=linspace(-5,5,100; for theta=[-pi/4 0 pi/4] y=x*tan(theta; hold on ; plot(x,y; end grid on 单电荷的等位线和电力线分布图： 二多个点电荷的电场情况： 模拟一对同号点电荷的静电场 设有两个同号点电荷, 其带电量分别为 +Q1和+Q2(Q1、Q2>0 距离为 2a 则两 电荷在点P(x, y处产生的电势为: 由电场强度可得E = -?U, 在xOy 平面上, 电场强度的公式为: 为了简单起见, 对电势U 做如下变换:
。 Matlab 程序： q=1; xm=2.5; ym=2; x=linspace(-xm,xm; y=linspace(-ym,ym; [X,Y]=meshgrid(x,y; R1=sqrt((X+1.^2+Y.^2; R2=sqrt((X-1.^2+Y.^2; U=1./R1+q./R2; u=1:0.5:4; figure contour(X,Y,U,u grid on legend(num2str(u' hold on
plot([-xm;xm],[0;0] plot([0;0],[-ym;ym] plot(-1,0,'o' , 'MarkerSize' ,12 plot(1,0,'o' , 'MarkerSize' ,12 [DX,DY] = gradient(U; quiver(X,Y,-DX,-DY; surf(X,Y,U; 同号电荷的静电场图像为： 50 40 30 20 10 0-2 2
工程电磁场实验报告
工程电磁场实验报告 姓名： 学号： 联系式： 指导老师：
实验一螺线管电磁阀静磁场分析 一、实验目的 以螺线管电磁阀静磁场分析为例，练习在 MAXWELL 2D 环境下建立磁场模型，并求解分析磁场分布以及磁场力等数据。 二、主要步骤 a) 建立项目：其中包括生成项目录，生成螺线管项目，打开新项目 与运行MAXWELL 2D。 b) 生成螺线管模型：使用MAXWELL 2D 求解电磁场问题首先应该选择求解 器类型，静磁场的求解选择Magnetostatic，然后在打开的新项目中定义画图平面，建立要求尺寸的螺线管几模型，螺线管的组成包括 Core 、Bonnet 、Coil 、Plugnut、Yoke。 c) 指定材料属性：访问材料管理器，指定各个螺线管元件的材料，其中部分 元件的材料需要自己生成，根据给定的BH 曲线进行定义。 图1 元件材料 图2 B-H曲线 d) 建立边界条件和激励源：给背景指定为气球边界条件，给线圈Coil 施加电 流源。 e) 设定求解参数：本实验中除了计算磁场，还需要确定作用在螺线管铁心上 的作用力，在求解参数中要注意进行设定。
f) 设定求解选项：建立几模型并设定其材料后，进一步设定求解项，在对话 框Setup Solution Options 进入求解选项设定对话框，进行设置。 三、实验要求 建立螺线管电磁阀模型后，对其静磁场进行求解分析，观察收敛情况，画各种收敛数据关系曲线，观察统计信息；分析 Core 受的磁场力，画磁通量等势线，分析P lugnut 的材料磁饱和度,画出其B H 曲线。通过工程实例的运行，掌握软件的基本使用法。 四、实验结果 1.螺线管模型 图3 2.自适应求解 图4 收敛数据
电磁场仿真软件简介
电磁场仿真软件简介 随着电磁场和微波电路领域数值计算方法的发展，在最近几年出现了大量的电磁场和微波电路仿真软件。在这些软件中，多数软件都属于准3维或称为2.5维电磁仿真软件。例如，Agilent公司的ADS（Advanced Design System）、AWR公司的Microwave Office、Ansoft公司的Esemble、Serenade和CST公司的CST Design Studio等。目前，真正意义上的三维电磁场仿真软件只有Ansoft公司的HFSS、CST公司的Mafia、CST Microwave Studio、Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH公司的EMPIRE。从理论上讲，这些软件都能仿真任意三维结构的电磁性能。其中，HFSS（HFSS是英文高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator）的缩写）是一种最早出现在商业市场的电磁场三维仿真软件。因此，这一软件在全世界有比较大的用户群体。由于HFSS进入中国市场较早，所以目前国内的电磁场仿真方面HFSS的使用者众多，特别是在各大通信技术研究单位、公司、高校非常普及。 德国CST公司的MicroWave Studio（微波工作室）是最近几年该公司在Mafia软件基础上推出的三维高频电磁场仿真软件。它吸收了Mafia软件计算速度快的优点，同时又对软件的人机界面和前、后处理做了根本性的改变。就目前发行的版本而言，CST 的MWS的前后处理界面及操作界面比HFSS好。Ansoft也意识到了自己的缺点，在刚刚推出的新版本HFSS（定名为Ansoft HFSS V9.0）中，人机界面及操作都得到了极大的改善。在这方面完全可以和CST媲美。在性能方面，两个软件各有所长。在速度和计算的精度方面CST和ANSOFT成绩相差不多。值得注意的是，MWS采用的理论基础是FIT（有限积分技术）。与FDTD（时域有限差分法）类似，它是直接从Maxwell 方程导出解。因此，MWS可以计算时域解。对于诸如滤波器，耦合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合；而HFSS采用的理论基础是有限元方法(FEM)，这是一种微分方程法，其解是频域的。所以，HFSS如果想获得频域的解，它必须通过频域转换到时域。由于，HFSS是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。 另外，在高频微波波段的电磁场仿真方面也应当提及另一个软件：ANSYS 。ANSYS是一个基于有限元法(FEM)的多功能软件。该软件可以计算工程力学、材料力学、热力学和电磁场等方面的问题。它也可以用于高频电磁场分析（应用例如：微波辐射和散射分析、电磁兼容、电磁场干扰仿真等）。其功能与HFSS和CST MWS类似。但由于该软件在建模和网格划分过程中需要对该软件的使用规则有详细的了解，因此，对一般的工程技术人员来讲使用该软件有一定困难。对于高频微波波段通信、天线、器件封装、电磁干扰及光电子设计中涉及的任意形状三维电磁场仿真方面不如HFSS更专业、更理想。实际上，ANSYS软件的优势并不在电磁场仿真方面，而是结构静力/动力分析、热分析以及流体动力学等。但是，就其电磁场部分而言，它也能对任意三维结构的电磁特性进行仿真。 虽然，Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH公司的EMPIRE也可以仿真三维结构。
电磁场实验报告
电磁场实验报告 姓名：KZY 班级：自动化1405 学号：090114050X 时间：2016年10月23日
实验名称单缝衍射实验、自由空间中电磁波参量的测量 一、实验目的 1、了解电磁波的空间传播特性 2、通过对电磁波波长、波幅和波节的测量进一步了解和认识电磁 波。 3、利用电磁波的干涉原理，研究均匀无耗媒质εr的测量方法。 4、熟悉均匀无耗媒质分界面对电磁波的反射和透射特性。 二、实验仪器设备 1、单缝衍射仪器配置 2、单缝衍射板 3、半透射板 4、全反射板 三、实验原理 1、单缝衍射原理 查阅参考书籍可知，当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。在中央的两侧衍射波强度迅速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为Фmin=sin-1λ/α。其中λ是波长，α是狭缝宽度。两者取同一长度单位，然后，随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角
度为：Фmin=sin-1（3/2·λ/α）。 2、迈克尔逊干涉原理 由于两列波存在一定关系的波程差，两列波将发生干涉。而两列波发生干涉，存在合成振幅会出现最大与最小的情况。实验中，为了提高测量波长的精确度，测量多个极小值的位置，设S0为第一个极小值的位置吗，S n为第（n+1）个极小值的位置，L=|S n-S0|，则波长λ=2L/n。 三、实验内容与实验步骤 （1）单缝衍射实验 1、打开DH1121B的电源； 2、将单缝衍射版的缝宽α调整为70mm左右，将其安放在刻度盘上，衍射版的边线与刻度盘上两个90°对齐。
北邮电磁场与电磁波演示实验
频谱特性测量演示实验 1.ESPI 测试接收机所测频率范围为: 9KHz—3GHz 2.ESPI 测试接收机的RF输入端口 最大射频信号: +30dbm，最大直流:50v 3.是否直观的观测到电磁波的存在？（回答是/否） 否 4.演示实验可以测到的空间信号有哪些，频段分别为: 广播：531K~1602KHz GSM900：上行：890~915 MHz 下行：935~960 MHz GSM1800：上行：1710~1755 MHz 下行：1805~1850 MHz WCDMA：上行：1920～1980MHz 下行：2110～2170MHz CDMA2000：上行：1920～1980MHz 下行：2110～2170MHz TD-SCDMA：2010～2025MHz 5.课堂演示的模拟电视和数字电视频谱图：如何判断是模拟还是数字电视？ 模拟信号以残留边带调幅方式频分复用传输,有明确的载波频率,不同频道的图像有不同的载波频率。模拟信号频谱为:每8MHz带宽即一个频道内,能量集中分布在图像载频上,在该载频附近有一个跳动的峰,为彩色副载波所在,再远一点(在8MHz内)还有一个峰,为伴音副载波的峰。 数字信号：一个数字频道的已调信号像一个抬高了的噪声平台, 均匀地平铺于整个带宽之内, 它的能量是均匀分布在整个限定带宽内的。 6.课堂演示GSM900上下行频谱图，CDMA下行频谱图，3G下行频谱图： GSM900上行：
GSM900下行：
CDMA下行： 3G下行：
7.该频谱仪能检测的频谱范围，是否能观察到WIFI、电磁炉、蓝牙等频谱？（请 分别说明，并指出其频率） 可以 该频谱仪能检测的频谱范围为9KHz—3GHz 所以，能够观察到：WIFI：2.4G 电磁炉：20KHz—30KHz 蓝牙：2.4G 网络参量测量演示实验 1矢量网络分析仪所测频段：300KHz—3GHz 2端口最大射频信号: 10DBM 3矢量网络分析仪为何要校准： 首先，仪器的硬件电路需要校正，即消除仪器分析的系统误差；其次，分析仪的测量精度很大程度上受分析仪外部附件的影响，测试的组成部分如连接电缆和适配器幅度和相位的变化会掩盖被测件的真实响应，必须通过用户校准去除这些附件的影响。 4默认校准和用户校准的区别： 默认校准通过网络分析仪的套包的一系列校准标准来完成，对系统误差进行校准；用户校准时校准标准由用户制定，由用户定义的标准来完成，用于对参考面等进行精确校准。 5使用矢量网络分析仪的注意事项： 1、检查电源： 分析仪加电前，必须确认供电电源插座的保护地线已经可靠接地； 2、供电电源要求： 为防止或减少由于多台设备通过电源产生的相互干扰，特别是大功率设备产生的尖峰脉冲干扰可能造成分析仪硬件的毁坏，最好用220V交流稳压电源为分析仪供电； 3、电源线的选择： 使用随机携带的电源线，更换电源线时，最好使用同类型的电源线；
电磁仿真软件flux教程
电磁场仿真软件教程 随着电磁场和微波电路领域数值计算方法的发展，在最近几年出现了大量的电磁场和微波电路仿真软件。在这些软件中，多数软件都属于准3维或称为2.5维电磁仿真软件。例如，Agilent 公司的ADS（Advanced Design System）、AWR公司的Microwave Office、Ansoft公司的Esemble、Serenade和CST公司的CST Design Studio等。目前，真正意义上的三维电磁场仿真软件只有Ansoft公司的HFSS、CST公司的Mafia、CST Microwave Studio、Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH公司的EMPIRE。从理论上讲，这些软件都能仿真任意三维结构的电磁性能。其中，HFSS （HFSS是英文高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator）的缩写）是一种最早出现在商业市场的电磁场三维仿真软件。因此，这一软件在全世界有比较大的用户群体。由于HFSS进入中国市场较早，所以目前国内的电磁场仿真方面HFSS的使用者众多，特别是在各大通信技术研究单位、公司、高校非常普及。 德国CST公司的MicroWave Studio（微波工作室）是最近几年该公司在Mafia软件基础上推出的三维高频电磁场仿真软件。它吸收了Mafia软件计算速度快的优点，同时又对软件的人机界面和前、后处理做了根本性的改变。就目前发行的版本而言，CST的MWS的前后处理界面及操作界面比HFSS好。Ansoft也意识到了自己的缺点，在刚刚推出的新版本HFSS （定名为Ansoft HFSS V9.0）中，人机界面及操作都得到了极大的改善。在这方面完全可以和CST媲美。在性能方面，两个软件各有所长。在速度和计算的精度方面CST和ANSOFT 成绩相差不多。值得注意的是，MWS采用的理论基础是FIT（有限积分技术）。与FDTD（时域有限差分法）类似，它是直接从Maxwell方程导出解。因此，MWS可以计算时域解。对于诸如滤波器，耦合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合；而HFSS采用的理论基础是有限元方法(FEM)，这是一种微分方程法，其解是频域的。所以，HFSS如果想获得频域的解，它必须通过频域转换到时域。由于，HFSS是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。 另外，在高频微波波段的电磁场仿真方面也应当提及另一个软件：ANSYS 。ANSYS是一个基于有限元法(FEM)的多功能软件。该软件可以计算工程力学、材料力学、热力学和电磁场等方面的问题。它也可以用于高频电磁场分析（应用例如：微波辐射和散射分析、电磁兼容、电磁场干扰仿真等）。其功能与HFSS和CST MWS类似。但由于该软件在建模和网格划分过程中需要对该软件的使用规则有详细的了解，因此，对一般的工程技术人员来讲使用该软件有一定困难。对于高频微波波段通信、天线、器件封装、电磁干扰及光电子设计中涉
电磁场实验一报告
电磁场与电磁波测量 实验报告 电磁波的反射和折射实验 2016年03月7日 姓名 学号 班级 班内序号 米靳隆 2013211004 7 16 岳志恒 2013211005 7 17 王力 2013211006 7 18
实验一电磁波反射和折射实验 1 实验目的 熟悉S426型分光仪的使用方法 掌握分光仪验证电磁波反射定律的方法 掌握分光仪验证电磁波折射定律的方法 2 实验设备 S426型分光仪 图1 S426型分光仪 3 实验原理 电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射，本处以一块大的金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角。 电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上时会发生反射和折射现象，同时，分界面对电磁波的反射和折射现象与入射波的极化方向有关。 4 实验内容与步骤 4.1 熟悉分光仪的结构和调整方法 4.2 连接仪器，调整系统 仪器连接时，两喇叭口面应相互正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭的位置的指针分别指于工作平台的90刻度处，将支座放在工作平台上，
并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上的四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。 4.3 测量入射角和反射角 反射金属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致。而把带支座的金属反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应90度的一对刻线一致。这是小平台上的0刻度就与金属板的法线方向一致。转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度读数就是入射角，然后转动活动臂在表头上找到一最大指示，此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角。如果此时表头指示太大或太小，应调整衰减器、固态振荡器或晶体检波器，使表头指示接近满量程。 做此项实验，入射角最好取30至65度之间。因为入射角太大接受喇叭有可能直接接受入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。 5 实验数据处理与误差分析 5.1 金属板全反射实验 5.1.1 实验数据 表1 金属全反射实验结果记录 5.1.2 数据分析 理论上的反射角应等于入射角，实验测得的反射角在与入射角接近的角度附近有两个不同的峰值，但与入射角值，验证了电磁波的反射定律。但是随着入射角的增大，入射角和反射角的差值有逐渐增大的趋势。 5.1.3 误差分析 1. 实验仪器本身存在系统误差，两个喇叭天线、反射板之间无法实现绝对的平行或垂直。 2. 环境影响产生误差，分光仪的一侧是墙壁，而另一侧是实验室内空间，两侧环境带来不同的且不稳定的漫反射，从而干扰了电磁波。随着入射角的增大，两个喇叭天线之间的距离越大，环境影响产生的误差也就越显著。
北邮电磁场与电磁波实验报告
信息与通信工程学院 电磁场与电磁波实验报告 题目：校园信号场强特性的研究 姓名班级学号序号薛钦予2011210496 201121049621
一、实验目的 1.掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法； 2.研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律； 3.掌握在室内环境下场强的正确测量方法，理解建筑物穿透损耗的概念； 4.通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系； 5.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。 二、实验原理 1、电磁波的传播方式 无线通信系统是由发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。对于接受者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接受信号，此时，电波场强大于等于接收机的灵敏度。因此基站的覆盖区的大小，是无线工程师所关心的。决定覆盖区的大小的主要因素有：发射功率，馈线及接头损耗，天线增益，天线架设高度，路径损耗，衰落，接收机高度，人体效应，接收机灵敏度，建筑物的穿透损耗，同播，同频干扰等。 电磁场在空间中的传输方式主要有反射﹑绕射﹑散射三种模式。当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体﹑且这些物体的分布较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体﹑树叶﹑街道﹑标志﹑灯柱。 2、尺度路径损耗 在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接受功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为： ()[]()() =+（式1） 010log/0 PL d dB PL d n d d 即平均接收功率为： ()[][]()()()[]() =--=- Pr010log/0Pr010log/0 d dBm Pt dBm PL d n d d d dBm n d d （式2）其中，定义n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度，d0为近地参考距离，d为发射机与接收机之间的距离。公式中的横杠表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。坐标为对数－对数时，平均路径损耗或平均接收功率可以表示为斜率10ndB /10 倍程的直线。n依赖于特定的传播环境，例如在自由空间，n为2；当有阻挡物时，n比2大。
2016年《电磁场与电磁波》仿真实验
《电磁场与电磁波》仿真实验
2016年11月 《电磁场与电磁波》仿真实验介绍 《电磁场与电磁波》课程属于电子信息工程专业基础课之一，仿真实验主要目的在于使学生更加深刻的理解电磁场理论的基本数学分析过程，通过仿真环节将课程中所学习到的理论加以应用。受目前实验室设备条件的限制，目前主要利用MATLAB仿真软件进行，通过仿真将理论分析与实际编程仿真相结合，以理论指导实践，提高学生的分析问题、解决问题等能力以及通过有目的的选择完成实验或示教项目，使学生进一步巩固理论基本知识，建立电磁场与电磁波理论完整的概念。 本课程仿真实验包含五个内容： 一、电磁场仿真软件——Matlab的使用入门 二、单电荷的场分布 三、点电荷电场线的图像 四、线电荷产生的电位 五、有限差分法处理电磁场问题
目录 一、电磁场仿真软件——Matlab的使用入门......... (4) 二、............................................................ 单电荷的场分布 1O 三、........................................................ 点电荷电场线的图像 12- 四、................................................................ 线电荷产生的电位............................................................. : ..... 14 - 五、....................................................................... 有限差分法处理电磁场问题17…
常用的高频电磁场仿真软件
常用的高频电磁场仿真软件有下面这些： Ansoft HFSS、Designer、Emsenble。ansoft一贯使用FEM（有限元法），HFSS在中国大陆有绝对的市场份额。一直被大家认为电小不错，电大不行。一年一来一直致力于推翻大家这种印象。终端仿真里面面，我们认为网络参数相对还是比较正确的，但是场参数有时候就不是那么令人满意了。例如，建模一个dipole，在大部分关键的己方加了很多人工干预网哥划分，但是，增益和pattern的波束角宽都差挺多的。手机天线仿真经常是百分之一百零几的效率。在9.1版里results里就不得不多加了realized gain 这个选项，把gain这个选项的值打个折扣给你：） CST的Microwave Studio，一直大家一位是fdtd，其实它是时域积分法（FITD），当然其实不是原则上的不同。和FEM方法不同，FDTD或者FITD都是先在时域计算，用一个宽频谱的激励信号（方波或者高斯波都有）去激励模型，在时域计算然后去反演到频域。系统的网络参数和场参数基本上是反演后的得到的。特点是可以计算相当大的带宽结果，而不需要象用ansoft，可能要把大带宽分割后分别仿真。CST计算过程中，由于没有FEM计算过程中矩阵求逆过程，计算时间和网格数成线性增长关系，而FEM 的是指数增长关系。CST的MWS从4.3版起，开始有了大小网格嵌套技术，在曲面上细化六面体网格逼进曲面。这是其它FDTD套件所没有的。CST的MWS最大的问题是不象ansoft的那么傻瓜化，很多参数即使看了help也不是很能让人理解。如果很深入了解MWS内部细节，估计可以一次性不用收敛做出完美的仿真。我们曾经用完全相同的模型分别在ansoft和CST运行，结果双频天线CST结果低频比ansoft结果高。而高频又比ansoft结果低。但是场参数就可靠得多了，一个加上塑胶外壳参数、电池、屏蔽罩等器件的模型，天线在谐振点就是比较真实的百分之四、五十。韩国都用CST，没有什么人用ansoft。 Zeland IE3D，矩量法（MoM）。IE3D可能是最好的商业MoM套件。MoM原理相对简单，且计算速度极快。IE3D比较适合2.5维情形，例如算算PCB或者微带天线比较合适，算复杂3D结构力不从心。但是，手机PIFA的计算就比较适合用IE3D。不是用于做天线项目仿真，而是用于研究天线的基本特征，天线和PCB如何相互耦合、PCB上激发的表面电流走向等原型阶段的预研。 Zeland Fidelity，FDTD法，相比IE3D名气小，用的人也不多。没有CST大小网格嵌套。这里补充一句，所有的FDTD套件都是采用PML方法的。 XFDTD，有名的FDTD套件。经常和很多测试SAR的硬件系统联系在一起，在加载人体电磁模型后可以计算SAR值。缺点是天线Pattern没有3D显示，只有2D截面。这个缺点最好能在新版本中改进。SemCAD，也是FDTD套件。没有比XFDTD等有太多优势，也有被用来计算SAR的。好像也有用来作系统EMC计算。 IMST Empire，FDTD套件。非常优秀的高频电磁场套件，德国人的东西。获得欧洲多次仿真大赛的优胜，仿真题目是一个Vivalti天线，速度最快，又最准确。但是正如德国人的问题，好是好，但又有太过明显缺陷。建模法实在是太复杂了，我学了三次都没有真正学会。最后没有时间只好放弃。 FEKO，用Ansys接口的软件，使用混和MoM，多层快速多极子（这个我只知道名称了），几何光学和射线追踪法等，可以计算非常复杂的3D结构和环境，擅长电大尺寸。常被用做飞机电磁性能的建模和仿真。 Sonnet，MoM方法。这个就不太熟了。 SuperNEC，MoM法，要使用MatLab平台。这个会限制它的计算速度，因为MatLab是行解释型的，代码不编译。 ADF－EMS，才听说的软件套件。意大利公司的产品，以前是对中国禁运的软件。据说是因为太专业太有用了，是航天器卫星、兵器等电磁仿真的利器。现在正在逐步对中国企业开放。但是如果是研究所或者国营机构去买，也还是不卖。报价是ansoft等套件的10倍以上。 Aplac，据说Nokia公司的人用这个作电磁场仿真。只是接触过他们的一个Sales，看过一点资料，主要是电路和系统级的。电磁场模块fdtd的，建模巨复杂。其它的都不清楚。 CFDTD，全名Conformal FDTD，中国人编的商业套件。据说业界还有好评。但是看来商业做得不好，
电磁场与电磁波实验指导书
静电场边值问题实验 对于复杂边界的静电场边值问题，用解析法求解很困难，甚至是不可能的。在实际求解过程中，直接求出静电场的分布或电位又很困难，其精度也难以保证。本实验根据静电场与恒定电流场的相似性用碳素导电纸中形成的恒定电流场来模拟无源区域的二维静电场，从而测出边界比较复杂的无源区域静电场分布。 一、 实验目的： 1、学习用模拟法测量静电场的方法。 2、了解影响实验精度的因素。 二、 实验原理： 在静电场的无源区域中，电场强度E '电位移矢量D '及电位Ф、满足下列方程： ▽×E 、= 0 ▽×D '= 0 D '=ε E 、 E 、 = - ▽φ 、 （1） 式中ε为静电场的介电常数。 在恒定电流场中，电场强度E 、电流密度J 及电位Ф满足下列方程： ▽×E = 0 ▽·J = 0 J = δE E =－▽Φ （2） 式中δ为恒定电流场中导电媒质的电导率。 因为方程组（1）与方程组（2）在形式上完全相似，所以φ、（静电场中的电位分布函数）与Φ（恒定电流场中的电位分布函数）应满足同样形式的微分方程。由方程组（1）和方程组（2）很容易求得： ▽·（ε▽φ、）= 0 （3） ▽·（δ▽Φ）= 0 （4） 式中ε与δ处于相应的位置，它们为对偶量。 若ε与δ在所讨论区域为均匀分布（即其值与坐标无关），则方程（3）、（4）均可简化为拉普拉斯方程： 2?φ'= 0 02=Φ? 电位场解的唯一定理可知：满足相同微分方程的两个电位场，它们具有相同的边界电位值，因此，在保证边界电位值不变的情况下，我们可以用恒定电流场的模型来模拟无源区域的静电场，当静电场中媒质为均匀媒质时，其导电媒质也应为均匀媒质，这样测得的恒定电流场的电位分布就是被模拟的静电场的电位分布，不需要任何改动。
电磁场仿真作业ansoft
电磁场ansoft软件应用作业 ——静电场部分 TYP 电气0906 09291183
一、题目 单心电缆有两层绝缘体，分界面为同轴圆柱面。已知，R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper，外导体为lead，中间的介质ε1＝5ε0, ε2＝3ε0, ,内导体U=100V，外导体为0V 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ansfot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
二、解答 1、解析法： 在介质中取任意点P ，设它到电缆中心距离为r 。过P 点作同轴圆柱面，高为l 。该面加上上下两底面作为高斯面S 。 D rl S d D S )2(π=?? ε 1 1D E = ε 2 2D E = ??+=R R dr R R dr U E E 322121 将方程联立，代入数据解得： m V r E /05.731≈ ，m V r E /75 .1212≈ 所以 12 9 2 1158.8573.05 3.23/1010D C r r m E ε--???=?== 电位 r R R R dr dr l d E r r E E ln 05.7341.236232211 --=?+?=?=??? ∞ ? V r R dr l d E r r E ln 75.12192.426322 --=?=?=?? ∞ ? V 电场能量 9 7 2 11 3.23 1.181173.05221010e D r r E r ω--??=?=??=3 J m 9 7 2 22 3.23 1.9711121.752210 10e D r r E r ω--??=?=??=3 J m 单位长度电场能量 231277632 12 12 222(1.18ln 1.97ln ) 1.02101010e e e R R rdr rdr J m R R R R W R R πππωω---=+=???+??=???单位长度电容 6 1022 22 1.0210 2.0410100e W C F m U --??===?
电磁场实验指导书及实验报告
CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 题目利用Matlab模拟点电荷电场的分布姓名xxxx 学号xxxxxxxxxx 班级电气xxxx班 任课老师xxxx 实验日期2010-10
电磁场理论 实验一 ——利用Matlab 模拟点电荷电场的分布 一．实验目的： 1．熟悉单个点电荷及一对点电荷的电场分布情况； 2．学会使用Matlab 进行数值计算，并绘出相应的图形； 二．实验原理： 根据库伦定律：在真空中，两个静止点电荷之间的作用力与这两个电荷的电量乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在两个电荷的连线上，两电荷同号为斥力，异号为吸力，它们之间的力F 满足： R R Q Q k F ? 212 = (式1) 由电场强度E 的定义可知： R R kQ E ? 2 = (式2) 对于点电荷，根据场论基础中的定义，有势场E 的势函数为 R kQ U = (式3) 而 U E -?= (式4) 在Matlab 中，由以上公式算出各点的电势U ，电场强度E 后，可以用Matlab 自带的库函数绘出相应电荷的电场分布情况。 三．实验内容： 1. 单个点电荷 点电荷的平面电力线和等势线 真空中点电荷的场强大小是E=kq /r^2 ,其中k 为静电力恒量, q 为电量, r 为点电荷到场点P(x,y)的距离。电场呈球对称分布, 取电量q> 0, 电力线是以电荷为起点的射线簇。以无穷远处为零势点, 点电荷的电势为U=kq /r,当U 取
常数时, 此式就是等势面方程.等势面是以电荷为中心以r 为半径的球面。 平面电力线的画法 在平面上, 电力线是等角分布的射线簇, 用MATLAB 画射线簇很简单。取射线的半径为( 都取国际制单位) r0=, 不同的角度用向量表示( 单位为弧度) th=linspace(0,2*pi,13)。射线簇的终点的直角坐标为: [x,y]=pol2cart(th,r0)。插入x 的起始坐标x=[x; *x].同样插入y 的起始坐标, y=[y; *y], x 和y 都是二维数组, 每一列是一条射线的起始和终止坐标。用二维画线命令plot(x,y)就画出所有电力线。 平面等势线的画法 在过电荷的截面上, 等势线就是以电荷为中心的圆簇, 用MATLAB 画等势 线更加简单。静电力常量为k=9e9, 电量可取为q=1e- 9; 最大的等势线的半径应该比射线的半径小一点 r0=。其电势为u0=k8q /r0。如果从外到里取7 条等势线, 最里面的等势线的电势是最外面的3 倍, 那么各条线的电势用向量表示为: u=linspace(1,3,7)*u0。从- r0 到r0 取偶数个点, 例如100 个点, 使最中心点的坐标绕过0, 各点的坐标可用向量表示: x=linspace(- r0,r0,100), 在直角坐标系中可形成网格坐标: [X,Y]=meshgrid(x)。各点到原点的距离为: r=sqrt(X.^2+Y.^2), 在乘方时, 乘方号前面要加点, 表示对变量中的元素进行乘方计算。各点的电势为U=k8q. /r, 在进行除法运算时, 除号前面也要加点, 同样表示对变量中的元素进行除法运算。用等高线命令即可画出等势线 contour(X,Y,U,u), 在画等势线后一般会把电力线擦除, 在画等势线之前插入如下命令hold on 就行了。平面电力线和等势线如图1, 其中插入了标题等等。越靠近点电荷的中心, 电势越高, 电场强度越大, 电力线和等势线也越密。