基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析 发表时间：2007-9-11 作者: 黄劭刚夏永洪张景明来源: 万方数据 关键字: APDL语言同步发电机电磁场有限元 介绍了应用ANSYS自带的APDL编程语言进行软件开发，将该软件应用于同步发电机空载磁场分析中，在电机的电磁场计算中实现了电机的自动旋转、自动施加载荷的功能，使用、修改方便，并且计算速度快。通过对电磁场计算结果的后处理，得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。样机测试结果验证了分析结果的正确。 1 前言 ANSYS软件是一个功能强大、灵活的，融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。广泛用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程等一般工业及科学研究领域的设计分析。 在实际的电机电磁场分析中，电机的转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小以及铁磁材料均已确定，但是当转子相对十定子齿槽的位置不同时一，其计算结果也不相同。为了分析电机电磁场问题，若把定、转子相对位置固定不变进行求解，再对电磁场计算结果进行傅立叶级数分解来计算电机绕组的电势则误差太大。为此，需要对定、转子不同位置时一分别进行计算，然后通过电磁场的计算结果求出电机何个定子齿部磁通随转角变化的关系，然后根据磁通的变化率求出电机基波绕组的电势。ANSYS软件是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，应用ANSYS软件来分析电机电磁场是非常有效的。但是当采用ANSYS软件的图形用户界面( GUI)操作方式时，每次定、转子之间的旋转、网格剖分、施加载荷进行求解、查看计算结果等都需要人工进行重复操作，使用起来非常繁琐，并且效率低。为此，木文采用ANSYS软件的APDL语言编写的软件对同步发电机的空载磁场进行研究，实现了电机定、转子之间的自动旋转，自动网格剖分，自动施加载荷以及自动求解的功能。整个电磁场分析过程无需人工进行干预，使用方便，便于修改，并且大大提高了计算速度。通过对同步发电机电磁场计算结果进行后处理，得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。 2 软件实现 ANSYS软件提供了图形用户界面与命令流两种方式来分析电机电磁场问题。在电机电磁场计算中，命令流方式和图形用户界面方式相比，具有以下优点:(1)通用性好，对于同系列、同型号的电机电磁场计算只要对电机的尺寸参数进行修改即可，而采用ANSYS的图形用户界面方式进行电机电磁场计算，每次计算都要重新输入图形，没有通用性;(2)通过合理应用ANSYS的APDL语言编写一个两重循环程序就可实现转子自动旋转和自动施加励磁电流的功能，与ANSYS 的图形用户界面方式相比，减少了人机交互的次数，缩短了计算时间。 2.1软件编写
1．（2012江苏卷）．一充电后的平行板电容器保持两板间的正对面积、间距和电荷量不变，在两板间插入一电介质，其电容C 和两极板间的电势差U 的变化情况是( ) A ．C 和U 均增大 B ． C 增大，U 减小 C ．C 减小，U 增大 D ．C 和U 均减小 B 2（2012天津卷）.两个固定的等量异号点电荷所产生电场的等势面如图中虚线所示，一带负电的粒子以某一速度从图中A 点沿图示方向进入电场在纸面内飞行，最后离开电场，粒子只受静电力作用，则粒子在电场中( ) A ．做直线运动，电势能先变小后变大 B ．做直线运动，电势能先变大后变小 C ．做曲线运动，电势能先变小后变大 D ．做曲线运动，电势能先变大后变小 C 3．（2012安徽卷）.如图所示，在平面直角 中，有方向平行于坐标平面的匀强电场，其中坐标原点O 处的电势为0 V ，点A 处的电势为6 V, 点B 处的电势为3 V, 则电场强度的大小为 ( ) A.200V/m B.2003 V/m C.100 V/m D. 1003 V/m A 4．（2012重庆卷）．空中P 、Q 两点处各固定一个点电荷，其中 P 点处为正点电荷，P 、Q 两点附近电场的等势面分布如题20图 所示，a 、b 、c 、d 为电场中的四个点。则( ) A ．P 、Q 两点处的电荷等量同种 B ．a 点和b 点的电场强度相同 C ．c 点的电热低于d 点的电势 D ．负电荷从a 到c ，电势能减少 D 5.（2012海南卷）关于静电场，下列说法正确的是( ) O x (cm) y (cm) A (6,0) B (0,3) ● ●
A．电势等于零的物体一定不带电 B．电场强度为零的点，电势一定为零 C．同一电场线上的各点，电势一定相等 D．负电荷沿电场线方向移动时，电势能一定增加 D 6.（2012山东卷）.图中虚线为一组间距相等的同心圆，圆心处固 定一带正电的点电荷。一带电粒子以一定初速度射入电场，实线为 粒子仅在电场力作用下的运动轨迹，a、b、c三点是实线与虚线的 交点。则该粒子( ) A．带负电 B．在c点受力最大 C．在b点的电势能大于在c点的电势能 D．由a点到b点的动能变化大于有b点到c点的动能变化 CD 7．[2014·北京卷] 如图所示，实线表示某静电场的电场线，虚线表示该电场的等势面．下列判断正确的是() A．1、2两点的场强相等 B．1、3两点的场强相等 C．1、2两点的电势相等 D．2、3两点的电势相等 D本题考查电场线和等势面的相关知识．根据电场线和等势面越密集，电场强度越大，有E1>E2＝E3，但E2和E3电场强度方向不同，故A、B错误．沿着电场线方向，电势逐渐降低，同一等势面电势相等，故φ1>φ2＝φ3，C错误，D正确． 8.如图所示，A、B是位于竖直平面内、半径R＝0.5 m的1 4圆弧形的光滑绝缘轨道， 其下端点B与水平绝缘轨道平滑连接，整个轨道处在水平向左的匀强电场中，电场强度 E＝5×103N/C.今有一质量为m＝0.1 kg、带电荷量＋q＝8×10－5C的小滑块(可视为质 点)从A点由静止释放．若已知滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ＝0.05，取g＝10 m/s2， 求： (1)小滑块第一次经过圆弧形轨道最低点B时B点的压力．(2)小滑块在水平轨道上通过的总路程． 答案：(1)2.2 N(2)6 m解析：(1)设小滑块第一次到达B点时的速度为v B，对圆弧轨道最低点B的压
班级 姓名 学号 静电场作业 一、填空题 1. 一均匀带正电的空心橡皮球，在维持球状吹大的过程中，球内任意点的场强 不变 。球内任意点的电势 变小 。始终在球外任意点的电势 不变 。（填写变大、变小或不变） 解： 2. 真空中有一半径为R ，带电量为 +Q 的均匀带电球面。今在球面上挖掉很小一块面积△S ，则球心 处的电场强度E = 。 解：电荷面密度 3. 点电荷q 1、q 2、q 3和q 4在真空中的分布如图所示。S 为闭合曲面， 则通过该闭合曲面的电通量为 。 4 2εq q + 解：高斯定理 ；其中 为S 闭合面内所包围的所有电荷的代数和 4. 边长为a 的正六边形每个顶点处有一个点电荷 +q ，取无限远处 作为电势零点，则正六边形中心O 点电势为 V 。 a q 023πε 解：O 点电势为6个点电荷电势之和。每个q 产生的电势为 +2 041 r Q E ?=πε0 =E （r ＞ R 球 （r ＜ R 球 均匀带 电 球面 r Q U ?=041 πεR Q U ? =041 πεs 2 4R Q πσ= 2 4R s Q q π?= ∴4 022 022*******R s Q R R s Q r q E εππεππε?=??==4 0216R s Q επ?0 εφ∑? = ?=i S q S d E ∑i q a q r q U 0044πεπε= = q q U o 36= ?= ∴
5. 两点电荷等量异号，相距为a ，电量为q ，两点电荷连线中点O 处的电场强度大小E = 。 2 02a q πε 解： 6. 电量为－×10－9 C 的试验电荷放在电场中某点时，受到×10－9 N 的向下的力，则该点的电场强度 大小为 4 N/C 。 解：由电场强度定义知， 7. 一半径为R 的带有一缺口的细圆环，缺口长度为d （d << R ），环上均匀 带正电，总电量为q ，如图所示，则圆心O 处的场强大小E ＝__________ __。 ) 2(420d R R qd -ππε 解：根据圆环中心E=0可知，相当于缺口处对应电荷在O 点处产生的电场 电荷线密度为 ； 缺口处电荷 8. 如图所示，将一电量为-Q 的试验电荷从一对等量异号点电荷连线的中点 O 处，沿任意路径移到无穷远处，则电场力对它作功为 0 J 。 解：根据电场力做功与电势差之间的关系可求 其中 d + - O q +q -?E 2 a 2 a 2 02 022422a q a q E E q πεπε= ? ? ? ??? ==+4 ==q F E d R q -=πλ2d d R q q ?-='π2) 2(4412420202 0d R R qd R d R qd R q E -= ?-= '=ππεπεππε) (∞-=U U q A O ; 0=∞U ; 04400=+ -= r q r q U o πεπε0 )(=--=∴∞U U Q A O
回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： -磁通密度?能量损耗 -磁场强度?磁漏 ?磁力及磁矩? S-参数 ?阻抗?品质因子Q ?电感?回波损耗 ?涡流?本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场 1.2ANSYS 如何完成电磁场分析计算 ANSYSU Maxwell 方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知 量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根 ANSY 电磁场分析指南第一章 发表时间： 2007-9-20 作者 : 安世亚太 来源 : e-works 关键字 : ANSYS 电磁场分析 CAE 教程 第一章磁场分析概述 1.1 磁场分析对象 利用ANSYS/Ema 或ANSYS/Multiphysics 模块中的电磁场分析功能，ANSYS 可分析计算下列的设备中的电磁场，如： 电力发电机 磁带及磁盘驱动器 变压器 波导 螺线管传动器 谐振腔 电动机 连接器 磁成像系统 天线辐射 图像显示设备传感器 滤波器
据用户所选择的单元类型和单元选项的不同， ANSYS+算的自由度可以是标量磁 位、矢量磁位或边界通量。 1.3 静态、谐波、瞬态磁场分析 利用ANSY 测以完成下列磁场分析： ?2-D 静态磁场分析，分析直流电（DC ）或永磁体所产生的磁场，用矢量位方 程。参见本书“二维静态磁场分析” ?2-D 谐波磁场分析，分析低频交流电流（AC ）或交流电压所产生的磁场，用 矢量位方程。参见本书“二维谐波磁场分析” ?2 -D 瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包 含永磁体的效应，用矢量位方程。参见本书“二维瞬态磁场分析” ?3-D 静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。 参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）” ?3-D 静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。 参见本书“三维静态磁场分析（棱边元方法）” ?3-D 谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。建议 尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法） ?3-D 瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用 棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维瞬态磁场 分析（棱边元方法）” 3-D 静态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法 ?基于节点方法的3-D 谐波磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法 的 3-D 谐波磁场分析” 1.4 关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 什么时候选择2-D 模型，什么时候选择3-D 模型？标量位方法和矢量位方 法有何不同？棱边元方法和基于节点的方法求解 3-D 问题又有什么区别？在下面 将进行详细比较。 1.4.12-D 分析和 3-D 分析比较 3-D 分析就是用 3-D 模型模拟被分析的结构。现实生活中大多数结构需要 3- D 模型来进行模拟。然而3-D 模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。 所以，若 ?基于节点方法的 的 3-D 静态磁场分析” ?基于节点方法的 的 3-D 瞬态磁场分析” 3-D 瞬态磁场分析， 用矢量位方法。参见“基于节点方法
第五章 静电场作业1 班级 姓名 学号 一 选择题 1. 两点电荷间的距离为d 时, 其相互作用力为F ． 当它们间的距离增大到2d 时, 其相互作用力变为 (A) F 2 (B) F 4 (C) 2F (D) 4 F [ D ] 解：根据库仑定律 122014d q q F d πε= 12 22 0144d q q F d πε= 24 d d F F ∴= 选D 2. 关于电场强度, 以下说法中正确的是 (A) 电场中某点场强的方向, 就是将点电荷放在该点所受电场力的方向 (B) 在以点电荷为中心的球面上, 由该点电荷所产生的场强处处相同 (C) 场强方向可由F E q = 定出, 其中q 可正, 可负 (D) 以上说法全不正确 [ C ] 解：场强的定义为0F E q = ，即表示场强的大小又表示场强的方向，选C 3.在边长为a 的正方体中心处放置一电量为Q 的点电荷, 则在此正方体顶角处电场强度的大小为 (A) 202πQ a ε (B) 2 03πQ a ε (C) 20πQ a ε (D) 2 04πQ a ε [ B ] 解：点电荷Q 距顶点的距离为 2 r a = 则在顶点处场强的大小为 203Q E a πε== 选B 4.一个点电荷放在球形高斯面的中心, 下列哪种情况通过该高斯面的电通量有 变化? (A) 将另一点电荷放在高斯面外 (B) 将另一点电荷放在高斯面内 a
(C) 将中心处的点电荷在高斯面内移动 (D) 缩小高斯面的半径 [ B ] 解：根据高斯定理 d i S q E S ε?= ∑? ，高斯面内的电荷变化，则通过该高斯面的电通量有变化。 选B 二 填空题 1.一长为L 、半径为R 的圆柱体，置于电场强度为E 的均匀电场中，圆柱体轴线与场强方向平行．则： (1) 穿过圆柱体左端面的E 通量为2R Επ-； (2) 穿过圆柱体右端面的E 通量为2R Επ； 解：1）穿过左端面的电通量为21ΕS R ΕΦπ=?=- 2）穿过右端面的电通量为21ΕS R ΕΦπ=?= 2. 一个薄金属球壳，半径为1R ，带有电荷1q ，另一个与它同心的薄金属球壳，半径为2R )(12R R >，带有电荷2q 。试用高斯定理求下列情况下各处的电场强度的大小: 1)1R r <，E= 0 ；2）21R r R <<, E= 12 04q r πε ； 3）2R r >, E= 12 2 04q q r πε+。 解：1）1R r <： d i S q E S ε?= ∑? 内球面内无电荷 10 E = 2）21R r R <<：两球面间的电荷为1q ，根据高斯定理可得 12204r q E e r πε= 3）2R r >：两球面外的电荷为12q q +，同理可得 123204r q q E e r πε+= 三 计算题 1. 电荷Q 均匀地分布在长为L 的细棒上，求在棒的延长线上距棒中心为r 处的 2
三维螺线管静态磁场分析 要求计算螺线管，如下图所示，衔铁所受磁力，线圈为直流激励，产生力驱动衔铁。线圈电流为6A，500匝。由于对称性，只分析1/4的模型，如图1所示： 图1螺线管制动器 在仿真分析时，空气相对磁导系数为1.0；使用智能网格划分（LVL=8）；设定全部面为通量平行，这是自然边界条件，自动得到满足。因为是采用的1/4对称模型，所以磁力的计算结果要乘以4。
施加边界条件： ! /SOLU D,2,MAG,0 ! !SOLVE ! ALLSEL,ALL MAGSOLV,3,,,,,1 FINISH ! 建立的模型如下图所示：
对模型进行智能网格划分，如下图所示： 仿真分析所得磁场强度分布图为：
衔铁所受磁力分布图为： 衔铁所受磁力分布图为：
计算所得衔铁所受磁力为： SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-X Force-Y Force-Z ARM 0.14339E+02 0.11359E+02 -0.12846E+02 ___________________________________________________ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-X Force-Y Force-Z ARM 0.79007E+01 0.55769E+01 -0.11511E+02 _____________________________________________________ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system.
班级 姓名 学号 静电场作业 一、填空题 1. 一均匀带正电的空心橡皮球，在维持球状吹大的过程中，球内任意点的场强 不变 。球内任意点 的电势 变小。始终在球外任意点的电势 不变。（填写变大、变小或不变） 解： 1 Q 1 Q E r 2 U r （ r ＞ R 球外） 均匀带电 4 4 球面 1 Q E 0 （ r ＜R 球内） U R 4 0 2. 真空中有一半径为 R ，带电量为 +Q 的均匀带电球面。今在球面上挖掉很小一块面积△ S ，则球心处的 电场强度 E = 。 Q s Q 16 2 0R 4 s Q s 解：电荷面密度 4 R 2 q ? 4 R 2 q Q s 1 Q s E 2 4 R 2 4 0 R 2 16 2 0 R 4 4 0 r q 1 q 3 3. 点电荷 q 1 、q 2、 q 3 和 q 4 在真空中的分布如图所示。 S 为闭合曲面， q 4 q 2 q 4 q 2 则通过该闭合曲面的电通量为 。 S q i 解：高斯定理 E dS ；其中 q i 为 S 闭合面内所包围的所有电荷的代数和 S 4. 边长为 a 的正六边形每个顶点处有一个点电荷 +q ，取无限远处 +q +q 3q +q +q 作为电势零点，则正六边形中心 O 点电势为 V 。 O 2 a +q +q 解： O 点电势为 6 个点电荷电势之和。每个 q 产生的电势为 U q q 4 0 r 4 a U o q 6 3q 4 a 2 a
期末大作业 题目：简单直流致动器 ANSYS电磁场分析及与ansoft仿真分析结果比较作者姓名：柴飞龙 学科（专业）：机械工程 学号：21225169 所在院系：机械工程学系 提交日期2013 年 1 月
1、 背景简述： 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软件有限元分析软件，是现代产品设计中的高级CAE 工具之一。而ansoft Maxwell 软件是一款专门分析电磁场的分析软件，如传感器、调节器、电动机、变压器等。 本人在实验室做的课题涉及到电机仿真，用的较多的是ansoft 软件，因为其对电机仿真的功能更强大，电机功能模块更多，界面友好。 现就对一电磁场应用实例，用ANSYS 进行仿真分析，得到的结果与ansoft 得到的结果进行简单核对比较。 2、 问题描述： 简单直流致动器由2个实体圆柱铁芯，中间被空气隙分开的部件组成，线圈中心点处于空气隙中心。衔铁是导磁材料，导磁率为常数（即线性材料，r μ=1000），线圈是可视为均匀材料，空气区为自由空间（1=r μ），匝数为2000，线圈励磁为直流电流：2A 。模型为轴对称。 3、 ANSYS 仿真操作步骤： 第一步：Main menu>preferences
第二步：定义所有物理区的单元类型为PLANE53 Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete 第三步：设置单元行为 模拟模型的轴对称形状，选择Options（选项） 第四步：定义材料 Preprocessor>Material Props> ?定义空气为1号材料(MURX = 1) ?定义衔铁为2号材料(MURX = 1000) ?定义线圈为3号材料(自由空间导磁率，MURX=1)
一周总结报告 一、ANSYS学习 1.学习情况 目前正在边看书籍边操作ANSYS系统，已经了解了ANSYS的基本操作系统以及ANSYS 分析过程的三大步骤，大体上知道了它的整个工作流程。目前正在深入仔细学习每一部分的详细步骤。现在已经学习了ANSYS有限元分析典型步骤、实体建模、网格划分、创建有限元模型，正在学习加载和求解这一部分。 2.理论知识 (1)网格划分与创建有限元模型 ①设置单元属性，包括： a.选择单元类型，如常用的有PLANE13，PLANE53，INFIN110；在Element Type中设 置； b.设置单元实常数，如线圈横截面积、匝数、导体填充率等； c.设置材料属性，如泊松比、材料密等； d.设置单元坐标系统。 ②通过网格划分工具设置网格划分属性包括： a.单元属性分配设置，作用是在网格划分之前为模型(包括实体和有限元模型)分配单元属性； b.智能划分水平控制； c.单元尺寸控制，单元尺寸的意思是单元边的长度。 ③实体模型的划分 ANSYS有两种方式对实体模型进行网格划分。 映射网格划分方法：最大特点就是必须使用形状规则的单元划分，对于面对象必须使用三角形单元或四边形单元，对于体对象只能使用六面体单元。故划分对象必须形状规则。不是任何形状的对象都能用映射网格划分。 (2)加载和求解 有限元分析的主要目的在于得到系统在特定激励源和边界条件下的响应。这些激励以及边界条件统称为载荷。所以载荷包括边界条件和激励。磁场分析中常见的载荷有磁势、磁通量边界条件等。 载荷分为六大类：自由度约束、集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。关于载荷步、子步和平衡迭代，通过阅读理论知识自己的理解的总结是：一个实际加载过程需要多次施加不同的载荷才能满足要求，每一步就称为一个载荷步。一个载荷步可以通过多个子步来逐渐施加。平衡迭代用于考虑收敛的非线性分析。 3.仿真结果 目前按照教程的步骤将ANSYS从建立模型到加载求解再到查看后处理器的整个分析过程大体操作了一遍，目的就是先通过简单模型熟练ANSYS的整体操作。最终的分析结果如图所示。 4.下周计划 (1)学习ANSYS通用后处理器以及时间历程后处理器； (2)目前只是跟着书上的步骤可以进行操作，还得进一步熟练； (3)目前主要是用GUI方式进行，下一步要更加熟练使用命令流的操作方式。
第十六章电路分析 16.1 什么是电路分析 电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定： 源的类型分析方法 交流（AC）谐波分析 直流（DC）静态分析 随时间变化瞬态分析 要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS程序对于电路分析有如下性能： ·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析 ·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合 ·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析 ·支持直流、交流和时间瞬态模拟 ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，： ·螺线管线圈 ·变压器 ·交流机械 16.2 使用CIRCU124单元 ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。 注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS单元手册》。
16.2.1 可用CIRCU124单元模拟的电路元件 对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。 表1CIRCU124单元能模拟的电路元件 注意：全部的电路选项如上表和下图图1所示，ANSYS的电路建模程序自动生成下列实常数：R15（图形偏置，GOFFST）和R16（单元识别号，ID）。本章下一节将详细讨论电路建模程序。
静电场练习题 一、电荷守恒定律、库仑定律练习题 4．把两个完全相同的金属球A和B接触一下，再分开一段距离，发现两球之间相互排斥，则A、B两球原来的带电情况可能是[ ] A．带有等量异种电荷B．带有等量同种电荷 C．带有不等量异种电荷D．一个带电，另一个不带电 8．真空中有两个固定的带正电的点电荷，其电量Q1＞Q2，点电荷q置于Q1、Q2连线上某 点时，正好处于平衡，则[ ] A．q一定是正电荷B．q一定是负电荷 C．q离Q2比离Q1远D．q离Q2比离Q1近 14．如图3所示，把质量为0.2克的带电小球A用丝线吊起，若将带电量为4×10-8库的小球B靠近它，当两小球在同一高度相距3cm时，丝线与竖直夹角为45°，此时小球B受到的库仑力F＝______，小球A带的电量q A＝______． 二、电场电场强度电场线练习题 6．关于电场线的说法，正确的是[ ] A．电场线的方向，就是电荷受力的方向 B．正电荷只在电场力作用下一定沿电场线运动 C．电场线越密的地方，同一电荷所受电场力越大 D．静电场的电场线不可能是闭合的 7．如图1所示，带箭头的直线是某一电场中的一条电场线，在这条线上有A、B两点，用E A、E B表示A、B两处的场强，则[ ] A．A、B两处的场强方向相同 B．因为A、B在一条电场上，且电场线是直线，所以E A＝E B C．电场线从A指向B，所以E A＞E B D．不知A、B附近电场线的分布情况，E A、E B的大小不能确定 8．真空中两个等量异种点电荷电量的值均为q，相距r，两点电荷连线中点处的场强为[ ] A．0 B．2kq／r2C．4kq／r2 D．8kq／r2 9．四种电场的电场线如图2所示．一正电荷q仅在电场力作用下由M点向N点作加速运动，且加速度越来越大．则该电荷所在的电场是图中的[ ] 11．如图4，真空中三个点电荷A、B、C，可以自由移动，依次排列在同一直线上，都处于平衡状态，若三个电荷的带电量、电性及相互距离都未知，但AB＞BC，则根据平衡条件可断定[ ] A．A、B、C分别带什么性质的电 B．A、B、C中哪几个带同种电荷，哪几个带异种电荷 C．A、B、C中哪个电量最大 D．A、B、C中哪个电量最小 二、填空题 12．图5所示为某区域的电场线，把一个带负电的点电荷q放在点A或B时，在________点受的电场力大，方向为______．
练习题 7-1 两个点电荷所带电荷之和为Q ，它们各带电荷为多少时，相互间的作用力最大? 解: 这是一个条件极值问题。设其中一个点电荷带电q ，则另一个点电荷带电q Q -， 两点电荷之间的库仑力为 ()2 41 r q q Q F -= πε 由极值条件0d d =q F ，得 Q q 2 1= 又因为 2 02221 d d r q F πε-=<0 这表明两电荷平分电荷Q 时，它们之间的相互作用力最大。 7-2 两个相同的小球，质量都是m ，带等值同号的电荷q ，各用长为l 的细线挂在同一点，如图7-43所示。设平衡时两线间夹角2θ很小。（1）试证平衡时有下列的近似等式成立： 3 1022??? ? ??=mg l q x πε 式中x 为两球平衡时的距离。 (2)如果l = 1.20 m ，m =10 g ，x =5.0 cm ，则每个小球上的电荷量q 是多少? (3)如果每个球以-19s C 1001??-.的变化率失去电 图7-43 练习题7-2图 荷，求两球彼此趋近的瞬时相对速率d x /d t 是多少? 解：(1)带电小球受力分析如图解所示。小球平衡时，有 F T =θsin mg T =θcos 由此二式可得 mg F = θtan
因为θ很小，可有()l x 2tan ≈θ，再考虑到 2 024x q F πε= 可解得 3 1 022? ?? ? ??=mg l q x πε （2）由上式解出 C 10382282 13 0-?±=??? ? ? ?±=.l mgx q πε （3） 由于 t q q x t q q mg l t x d d 32d d 322d d 313 10=???? ??==-πευ 带入数据解得 -13s m 10401??=-.υ 合力的大小为 2 22 220 1222412cos 2? ? ? ??+? ? ? ? ??+? ? ===d x x d x e F F F x πεθ () 2 322 2043241 d x x e += πε 令0d d =x F ，即有 ()()0482341825222 232202=??? ?????+?-+d x x d x e πε 由此解得α粒子受力最大的位置为 2 2d x ± =
班级 姓名 学号 静电场作业 一、填空题 1. 一均匀带正电的空心橡皮球，在维持球状吹大的过程中，球内任意点的场强 不变 。球内任意点的电势 变小 。始终在球外任意点的电势 不变 。（填写变大、变小或不变） 解： 2. 真空中有一半径为R ，带电量为 +Q 的均匀带电球面。今在球面上挖掉很小一块面积△S ，则球心处的 电场强度E = 。 解：电荷面密度 3. 点电荷q 1、q 2、q 3和q 4在真空中的分布如图所示。S 为闭合曲面， 则通过该闭合曲面的电通量为 。 0 4 2εq q + 解：高斯定理 ；其中 为S 闭合面内所包围的所有电荷的代数和 4. 边长为a 的正六边形每个顶点处有一个点电荷 +q ，取无限远处 作为电势零点，则正六边形中心O 点电势为 V 。 a q 023πε 解：O 点电势为6个点电荷电势之和。每个q 产生的电势为 q +q 2 041 r Q E ?=πε0 =E （r ＞ R 球外） （r ＜ R 球内） 均匀带电 球面 r Q U ?=041 πεR Q U ?=041 πεs 2 4R Q πσ= 2 4R s Q q π?= ∴4 022 022*******R s Q R R s Q r q E εππεππε?=??==4 0216R s Q επ?0 εφ∑?= ?=i S q S d E ∑i q a q r q U 0044πεπε= = q q U 36= ?= ∴
5. 两点电荷等量异号，相距为a ，电量为q ，两点电荷连线中点O 处的电场强度大小E = 。 2 02a q πε 解： 6. 电量为－5.0×10－9 C 的试验电荷放在电场中某点时，受到20.0×10－9 N 的向下的力，则该点的电场强度 大小为 4 N/C 。 解：由电场强度定义知， 7. 一半径为R 的带有一缺口的细圆环，缺口长度为d （d << R ），环上均匀 带正电，总电量为q ，如图所示，则圆心O 处的场强大小E ＝__________ __。 ) 2(420d R R qd -ππε 解：根据圆环中心E=0可知，相当于缺口处对应电荷在O 点处产生的电场 电荷线密度为 ； 缺口处电荷 8. 如图所示，将一电量为-Q 的试验电荷从一对等量异号点电荷连线的中点 O 处，沿任意路径移到无穷远处，则电场力对它作功为 0 J 。 解：根据电场力做功与电势差之间的关系可求 其中 d -Q O q +q -?E 2 a 2 a 2 02 022422a q a q E E q πεπε= ? ? ? ??? ==+4 ==q F E d R q -= πλ2d d R q q ?-='π2) 2(4412420202 0d R R qd R d R qd R q E -= ?-= '=ππεπεππε) (∞-=U U q A O ; 0=∞U ; 04400=+ -= r q r q U o πεπε0 )(=--=∴∞U U Q A O
/PREP7 !材料类型 ET,1,PLANE53,0,,1 !空气 ET,2,PLANE53,2,,0 !线圈 ET,3,PLANE53,4,,0 !铝板 EMUNIT,MKS !线圈实常数 N=400 PI=4*ATAN(1) R,1,1.35E-5,N,,1,1 ! R,2,1.04E-4,,,1 MP,MURX,1,1 !空气材料特性 MP,MURX,2,1 !线圈材料特性 MP,RSVX,2,3.04878E-8 MP,MURX,3,1 !铝板材料特性 MP,RSVX,3,2.7E-7 /PNUM,AREA,1 /PNUM,AREA,1 !建模 l=0.0005 Rin=0.0001 Rout=0.0016 RECTNG,0,0.012,0,0.009 !铝板RECTNG,Rin+12*l,Rout+12*l,0.0095,0.0185 !线圈RECTNG,0.00605,0.00606,0.005,0.009 !裂纹PCIRC,0,0.13,0,90 !空气 AOVLAP,ALL APLOT,ALL !属性赋予 ASEL,S,AREA,,2 !线圈 AATT,2,1,2 ASUM !*GET,A,AREA,,AREA ! AREA OF COIL CROSS-SECTION !*GET,COIL_XC,AREA,1,CENT,X !获取线圈的质心
!CF=2*PI*(3.04878E-8)*COIL_XC*N**2/A*2 ASEL,S,AREA,,6 !铝板 AATT,3,2,3 ASEL,S,AREA,,7 !空气 AATT,1,,1 ASEL,S,AREA,,5 !裂纹 AATT,1,,1 /PNUM,MAT,1 ALLSEL,ALL !CSYS,1 !网格划分 MSHKEY,1 !线圈线划分ESIZE,,18 LESIZE,6,,,18 MSHKEY,1 ESIZE,,2 LESIZE,7,,,2 AMESH,2 MSHKEY,1 !裂缝线划分ESIZE,,1 LESIZE,9,,,1 MSHKEY,1 ESIZE,,8 LESIZE,10,,,8 AMESH,5 ASEL,S,AREA,,6 !铝板自由网格划分LCCAT,12,17 LCCAT,9,12 LCCAT,9,10 LCCAT,10,16 MSHKEY,0 MSHAPE,1,2D AMESH,6 ASEL,S,AREA,,7 !SMRTSIZE,0.5
ANSYS电磁场分析指南第十六章 发表时间：2007-9-20 作者: 安世亚太来源: e-works 关键字: ANSYS 电磁场分析 CAE教程 第十六章电路分析 16.1 什么是电路分析 电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定：源的类型分析方法 交流（AC）谐波分析 直流（DC）静态分析 随时间变化瞬态分析 要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS 程序对于电路分析有如下性能： ·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析 ·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合 ·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析 ·支持直流、交流和时间瞬态模拟 ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，： ·螺线管线圈 ·变压器 ·交流机械 16.2 使用CIRCU124单元 ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。 注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS单元手册》。 16.2.1 可用CIRCU124单元模拟的电路元件 对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。
A N S Y S电磁场分析指南第一章磁场分析概 述
第一章磁场分析概述 1.1磁场分析对象 利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS 可分析计算下列的设备中的电磁场，如： ·电力发电机·磁带及磁盘驱动器 ·变压器·波导 ·螺线管传动器·谐振腔 ·电动机·连接器 ·磁成像系统·天线辐射 ·图像显示设备传感器·滤波器 ·回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： ·磁通密度·能量损耗 ·磁场强度·磁漏 ·磁力及磁矩· S-参数 ·阻抗·品质因子Q ·电感·回波损耗 ·涡流·本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。 1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算 ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。 1.3静态、谐波、瞬态磁场分析
利用ANSYS可以完成下列磁场分析： ·2-D静态磁场分析，分析直流电(DC)或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书“二维静态磁场分析” ·2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流(AC)或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书“二维谐波磁场分析” ·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的效应，用矢量位方程。参见本书“二维瞬态磁场分析” ·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）” ·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。参见本书“三维静态磁场分析（棱边元方法）” ·3-D谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法）” ·3-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维瞬态磁场分析（棱边元方法）” ·基于节点方法的3-D静态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D静态磁场分析” ·基于节点方法的3-D谐波磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D谐波磁场分析” ·基于节点方法的3-D瞬态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D瞬态磁场分析” 1.4关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 什么时候选择2－D模型，什么时候选择3－D模型？标量位方法和矢量位方法有何不同？棱边元方法和基于节点的方法求解3-D问题又有什么区别？在下面将进行详细比较。 1.4.12-D分析和3-D分析比较 3-D分析就是用3-D模型模拟被分析的结构。现实生活中大多数结构需要3-D模型来进行模拟。然而3-D模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。所以，若有可能，请尽量考虑用2-D模型来进行建模求解。
静电场练习题专题 一、单选题：（每题只有一个选项正确，每题4分） 1、以下说法正确的是：（ ） A ．只有体积很小的带电体，才能看做点电荷 B ．电子、质子所带电量最小，所以它们都是元电荷 C ．电场中A 、B 两点的电势差是恒定的，不随零电势点的不同而改变，所以U AB ＝U BA D ．电场线与等势面一定相互垂直，在等势面上移动电荷电场力不做功 2、在真空中同一直线上的A 、B 处分别固定电量分别为＋2Q 、－Q 的两电荷。如图所示，若在A 、B 所在直线上放入第三个电荷C ，只在电场力作用下三个电荷都处于平衡状态，则C 的电性及位置是( ) A ．正电，在A 、B 之间 B ．正电，在B 点右侧 C ．负电，在B 点右侧 D ．负电，在A 点左侧 3、如图所示，实线为不知方向的三条电场线，从电场中M 点以相同速度飞出a 、b 两个带电粒子，仅在电场力作用下的运动轨迹如图中虚线所示。则（ ） A ．a 一定带正电，b 一定带负电 B ．a 的速度将减小，b 的速度将增加 C ．a 的加速度将减小，b 的加速度将增加 D ．两个粒子的电势能一个增加一个减小 4、某静电场的电场线分布如图所示，图中P 、Q 两点的电场强度的大小分别为E P 和E Q ，电势分别为φP 和φQ ，则( ) A ．E P
实验报告 实验名称基于ANSYS平台的电磁场数值仿真课程名称工程电磁场 院系部：电气与电子工程学院学生姓名： 同组人： 指导教师： 实验日期：专业班级：试验台号：学号： 成绩： 华北电力大学
实验二基于ANSYS平台的电磁场数值仿真 一、实验目的 1.在仿真过程中学会使用ANSYS软件。 2.学会边值问题的建模方法。 3.学会用仿真软件检验对电磁场分布的猜测。 二、实验类型 本实验为验证型教学实验。 三、实验仪器 配备有ANSYS软件平台的台式计算机。 四、实验原理 本实验是在ANSYS平台上开发的。ANSYS是国际上著名的有限元软件包，可对结构力学、流体力学、传热学和电磁学等领域的问题进行求解。其特点是图形界面友好，易学，前后处理功能强大。在ANSYS平台上开发电磁场数值仿真实验，只需将问题的求解过程描述清楚，按照给定步骤上机操作，即可得到预期结果。 五、实验内容 图1 仿真计算模型（图中a、D可自定） 仿真实验包括静电场试验和恒定磁场试验，可任选一个（本实验选作静电场试验）。对于静电场试验，图1中两导体点位分别为100V和-100V；对于恒定磁场试验，图1中两导体电流密度分别为10000A/㎡和-10000A/㎡。根据几何结构和源分布的对称性，仿真实验可选用1/4或1/2平面进行建模。 实验分为两步：第一步，按照给定步骤和给定参数上机操作；第二步，尝试改变某些参数，观察仿真结果的变化。
六、实验步骤及结果 1、打开ANSYS软件，并熟悉各项操作。 2、给定材料相对介电常数，设定内部单元类型，设定外部无限单元类型，并创建几何模型。 3、选择模型各部分之间集合运算，删除导体部分，定义区域属性。 4、进行外部无限单元划网格和内部有限单元划网格。 5、在导体表面加电位，左侧导体加-100V电位，右侧导体加100V电位。 6、给无限边界加标志。 7、求解。 网格剖分图 8、显示电位9色云图 电位云图