实验指导书

实验项目名称：螺线管电磁阀静磁场分析

实验项目性质：综合性实验

所属课程名称：电磁场与微波技术实验

实验计划学时：4

一、       实验目的

      掌握二维静磁场分析方法。

二、    实验内容和要求

生成几何模型；设定模型；设定执行参数；设定求解选项

磁场力与磁通密度分析

三、    实验主要仪器设备和材料

   计算机

四、    实验方法、步骤及结构测试

  一、生成项目

1、生成项目目录

用鼠标左键双击Maxwell控制面板的【Projects】，屏幕上出现项目管理器。单击【Add】按钮，弹出【添加新项目】对话框，在【Alias】编辑框中输入新的项目目录getstart，选择【Use Current Directory】，单击【OK】，返回。

2、生成螺线管项目

①在【Project Directories】列表框中选择【getstart】，单击【New】

②在【Name】编辑框内输入solenoid，单击【OK】，返回

③在【Note】编辑框内输入一些文字信息，以便以后查询

④单击【Save Notes】按钮，保存信息

3、打开新项目与运行Maxwell 2D

双击上面建立的【solenoid】，进入到执行命令菜单

  二、生成螺线管模型

1、选择求解器类型

①单击螺线管执行命令窗口【Solver】右边的按钮，菜单上出现所有可以使用的求解器

②选择【Magnetostatic】命令

2、定义画图平面

①单击【Drawing】左边按钮，出现绘图类型菜单

②选择【RZ Plane】命令

3、建立螺线管几何模型

1）访问建模器

  从执行菜单对话框选择【Define Model】︱【Draw Model】，屏幕上将弹出2D建模器对话框。

2）设定绘图区域

①选择【Model】︱【Drawing Unit】

②左键单击【inches】按钮

③选择【Rescale to new units】命令，将绘图区域单位转变为英寸

④ 单击【ok】

3）改变绘图区尺寸

①选择【Model】︱【Drawing Size】命令

②【Minima】下面的R、Z表示矩形区域左下角坐标值，R＝0，Z＝－35是默认值，通过键盘输入，将－35改成－1.5

③【Maxima】下面的R、Z表示矩形区域右上角坐标值，R＝100，Z＝35是默认值，通过键盘输入，100改为4，35改为1.5

④单击【OK】

4）改变网格间距

①选择【Windows】︱【Grid】

②选择【CARTESIAN】，在dU处输入0.05，dV处输入0.05

5）生成几何模型

Plugnut

①选择【Object】︱【Rectangle】命令，这时光标变成十字形

②选择左上角点，移动鼠标直到状态栏的U和V坐标为（0，-0.2），单击鼠标左键选择改点

③选择右下角点：移动鼠标到坐标（0.3,-1.2）处，单击鼠标左键选择改点

④完成上述步骤，键盘输入【Plugnut】替代默认的Object1,选择黄色作为Plugnut的颜色。单击【OK】按钮返回

Core

①选择【Object】︱【Polyline】命令，这时光标变成十字形

②选择第一个点，移动鼠标直到状态栏的U和V坐标为（0.1，1.2），③选择下一个点，移动鼠标直到状态栏的U和V坐标为（0.1,-0.15）④以同样的方式选择以下各点：(0.2,-0.15), (0.2,-0.1), (0.3,-0.1),(0.3,1.2),(0.1,1.2)

⑤在点(0.1,1.2)处双击鼠标左键，屏幕上弹出新对象定义对话框，按照类似Plugnut的方法，制定改物体的名字为Core，颜色为亮绿色。

⑥单击【OK】按钮返回

Coil

①选择【Object】︱【Rectangle】命令

②选择线圈的第一个角点：在状态栏【U】的编辑框输入0.375

③按【Tab】移动光标到状态栏【V】处，输入0.7

④按【Tab】移动光标到状态栏【Enter】按钮，执行回车命令。

经过上述步骤，屏幕底部将提示输入第二个角点

⑤按【Tab】移动光标到状态栏【dU】处，输入0.4

⑥按【Tab】移动光标到状态栏【dV】处，输入-1.5

⑦按【Tab】移动光标到状态栏【Enter】按钮，执行回车命令。

⑧指定该物体名字为Coil,物体颜色为红色

注意要定期存储几何模型【File】|【Save】

Yoke

选择【Object】︱【Polyline】命令，按照下表依次生成各点。指定物体的名字为Yoke，物体颜色为红色

表1 生成Yoke各点坐标

Bonnet

模仿上面的方法，选择【Object】︱【Polyline】命令，按照表2依次输入各点坐标。指定物体的名字为Bonnet，物体颜色为亮蓝色

表2 生成Bonnet各点坐标

三、指定材料属性

1、访问材料管理器

选择【Setup materials】命令，进入材料管理器,只有background被默认为vacuum，其他物体对应的材料都是unsigned

2、指定Coil的材料属性――铜

①在【Object】列表框中选中coil

②在材料数据库中选择copper

③选择【Assign】

3、指定Bonnet和Yoke的材料属性――冷轧钢（ColdRolledSteel）

①通过【Multiple Select】选择bonnet和yoke

②选择【Material】|【Add】

③在【Material Properties】框中，将Material80改为ColdRolledSteel

④选择【BH Nonlinear Material】命令

⑤选择【BH Curve】命令，进入BH曲线编辑器

⑥定义B和H的最大值和最小值

  在【Minimum H】中输入0

在【Minimum B】中输入0

在【Maximum H】中输入35000

在【Maximum B】中输入2

选择【Accept】

⑦加入BH曲线点：

   选择【Add Point】命令

   在H、B处输入点（0，0）

   单击【enter】

⑧重复上述操作，依次输入表3中各点

表3 ColdRolledSteel的BH曲线点

⑨在输入最后一个点后，双击鼠标左键，软件将自动拟和数据点为曲线，单击【exit】推出材料生成器，返回到【Material Setup】对话框

⑩单击【Enter】，完成ColdRolledSteel新材料的生成。

  选择【Assign】，将ColdRolledSteel指定给bonnet和yoke

4、指定Core的材料属性――NEO35

①通过【Select】选择core

②选择【Material】|[Add]命令

③在【MaterialProperties】中，将Material81改为NEO35

  本处需要更改默认值

单击【options】按钮，弹出选项窗口。单击鼠标取消Hc，选择Br,然后单击OK退出

分别输入1.05和1.25到【RelPermeability(Mu)】和【MagRententivity(Br)】编辑框内，单击【enter】，生成材料NEO35

单击【Assign】，将材料NEO35赋给core，在屏幕上弹出指定坐标系框，选择【Align with a given direction】，在【Angle】框内填入90，单击【OK】回到【Setup Material】对话框

5、指定Plugnut的材料属性――SS430

其建立过程与ColdRolledSteel类似。 

在【Minimum H】中输入0

在【Minimum B】中输入0

在【Maximum H】中输入40000

在【Maximum B】中输入2.0

SS430的BH曲线点

  四、建立边界条件和激励源

在【执行命令】对话框，通过【Setup Boundaries/Sources】访问边界条件管理器

1、给背景指定气球边界条件

①选择background(Edit-select-object-by clicking)

②指定边界条件(Assign-boundary-balloon)

2、给线圈施加源电流

（1）施加电流源

包括两部分：选择线圈coil和指定电流。采用与background相同的方法选择线圈

①选择【Assign】︱【Source】︱【Solid】

②在【Value】编辑框输入10000

③选择【Assign】

（2）保存并退出边界管理器

  五、设定求解参数

①在【执行命令】对话框选择【Setup Executive Parameters】︱【Force】

②在【Object】列表框内选中Core

③单击窗口右下角的“Include selected objects?”后面的【Yes】

④单击【Exit】，保存并退出

  六、求解分析

设定求解参数后，，选择【Solve】︱【Nominal Problem】命令，启动求解过程。

1、解的监控

2、观察收敛情况

单击【Excutive commands】菜单顶部的【Convergence】按钮

3、画收敛数据

可以通过【Convergence Display】菜单中的命令以图形的方式直观地表述

①三角单元与收敛次数关系【Plot Triangles】

②总能量与收敛次数关系【Plot Total Energy】

③能量误差百分比与收敛次数关系【Plot Percent Error Energy】

④磁场力与收敛次数关系【Plot Force】

4、观察统计信息

选择【Excutive commands】菜单顶部的【Profile】命令，通过弹出的【统计信息】对话框，可以观察求解过程计算资源的使用情况。

  七、磁场力与磁通密度分析

1、力

选择【Solution】︱【Force】命令，得出自适应求解后的最终磁场力

2、画磁通量等势线

在后处理器中，使用【Plot】︱【Field】，弹出【创建新图形】对话框。对话框分为3个列表栏。

①在第一栏选择【Flux Lines】命令，在第二栏选择【Surface all】命令，在第三栏选择【all】命令，单击【OK】按钮确定

②弹出绘图设置对话框，进行设置，然后单击【OK】按钮确定

③显示磁力线分布

3、材料饱和度

为了分析Plugnut的磁饱和问题，第一步需要画出螺线管内的磁通密度B，借此可以观察螺线管哪一部分有高的B值。然后选择饱和程度最高的对象，用【Plot】︱【BH curves】命令画出它的BH曲线。

4、退出软件

五、    实验报告要求

  实验目的、实验内容和要求、实验方法、步骤及结果测试、在相应步骤附上计算结果和仿真图，并适当分析结论。

六、    思考题

    无

 

第二篇：通电螺线管的磁场

   通电螺线管的磁场

通电螺旋管：
通电螺线管外部的磁感线是从螺线管的北极发出并回到南极。但是，在通电螺线管内部的磁场方向是从螺线管的南极指向北极。通电螺线管对外相当于一个条形磁铁。通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场相似。

通电螺线管的磁极极性可用安培定则(右手螺旋定则)来判定：
用右手握螺线管，让四指弯向螺线管中电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的N极，如图所示。

记忆方法：
以通电螺线管正面电流为例，电流向上，N极在左端，电流向下，N极在右端，便于记忆，可简化为”上左，下右”。

通电螺线管绕线方法及其画法：
要画通电螺线管的绕线，需要抓住两点：
第一点：找准起点
起点非常重要，如果第一根线画错了，那么答案正好相反。在绕制时，可按“正上左N，正下右N”的原则，意思是如果向上的电流在螺线管正面，那么左边是 N极；如果向下的电流在螺线管正面，那么右边是 N极。
第二点：抓住终点
最后一根线是从正面绕过去接导线，还是从反面绕过去接导线，如果画错了，会导致导线衔接不上，出现错误。解决结尾问题，可采用“二一，一二”原则。
①意思是出线和入线在螺线管的两侧(即螺线管上下都有导线)，则在同一面上(同正面或同反面)，如甲图所示。
②如乙图所示，出线和人线在螺线管的一个侧面上(都在上面或都在下面)，则出线和入线会分布在螺线管两个面上(一个正面，一个反面)。