Maxwell仿真圆柱体电容器

电磁场与电磁波项目训练报告

仿真求解圆柱形电容器

班 级： 通信13-2 姓 名： 闫振宇 学 号： 1306030222 指导教师： 徐维老师 成 绩：

电子与信息工程学院 信息与通信工程系

项目训练一 仿真求解圆柱形电容器

1. 实验目的和任务

1）掌握用ANSYS Maxwell软件仿真的方法；

2）学会利用所学的场强，电容，电场的知识来解决实际现实生活中的计算问题； 3）利用ANSYS Maxwell软件仿真圆柱形电容器。

2. 实验内容

1）学习ANSYS Maxwel有限元分析步骤； 2）学习ANSYS Maxwel的基本仿真操作步骤；

3）对圆柱体电容器计算理论值和实验的仿真值进行比较，得出结论。

3. 实验原理

电容是反映电容器储存的电荷本领大小的物理量。

电容的定义：一个电容器所带的电量Q总与其电压U成正比，比值Q/U叫电容器的电容。以C表示电容器的电容，就有公式：

CQ U电容器的电容决定于电容器的本身结构，即是导体的形状，尺寸以及两导体间电介质的种类等，而与它所带的电量无关。

首先，假设本题中圆柱体电容器的内部的外表面，和外部的内表面分别带有绝对值为Q的电量。两筒之间充满相对介电常数为

的电介质。（o8.85531310r12Fm）

所以，在距离轴线为r的电介质中一点的电场强度E为：

EQ2rrL

对E进行积分，可以得到两圆筒间的电压U为：

QQRU2dr=lnR2

R12rrL2rLR1就得到了圆柱形电容器的电容C为：

C2rLln(R2

R)1 1

根据以上的公式，代入R2=1mm，R1=0.6mm，得出长度为L的圆柱形电容器电容。

4. 实验步骤

4.1 建模（Model）

Project > Insert Maxwell 3D Design

File>Save as>Cylinder Cap（工程命名为“Cylinder yuanzhuti”）

选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic（静电的）

4.1.1 创建中心圆柱体导体

Draw > Cylinder（中心圆柱体导体） 圆柱中心点坐标：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0.6, 0.6,0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）mm 将圆柱体重命名为 Cylinder5

Assign Material > copper（设置材料为铜copper）

4.1.2 创建内外导体间空心圆柱体介质

Draw > Cylinder（中心圆柱体导体） 圆柱中心点坐标：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0.6, 0.6,0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）mm 将圆柱体重命名为 Cylinder1

Draw > Cylinder（中心圆柱体导体） 圆柱中心点坐标：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（1.0, 1.0,0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）mm 将圆柱体重命名为 Cylinder2

选中Cylinder1，Cylinder2

Modeler （建模）> Boolean > Sbutract（分离） Blank park：Cylinder1 Tool park：Cylinder2

将分离出的圆环命名为Cylinder4

2

Assign Material > air（设置材料为空气air）

4.1.3 创建外空心圆柱体导体

Draw > Cylinder（中心圆柱体导体） 圆柱中心点坐标：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（1.0, 1.0,0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）mm 将圆柱体重命名为 Cylinder6

Draw > Cylinder（中心圆柱体导体） 圆柱中心点坐标：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（1.2, 1.2,0）mm 坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）mm 将圆柱体重命名为 Cylinder7

选中Cylinder6，Cylinder7

Modeler （建模）> Boolean > Sbutract（分离） Blank park：Cylinder6 Tool park：Cylinder7

将分离出的圆环命名为Cylinder3

Assign Material > copper（设置材料为铜copper）

图4-1仿真效果图

4.2 设置参数

3

4.2.1 创建设置区域（Region）

Draw > Region

Padding Percentage：0%

减少电场的边缘效应（fringing effect）

4.2.2 设置激励电压（Assign Excitation）

选择Cylinder5

Maxwell 3D> Excitations > Assign>Voltage > 5V 选择Cylinder3

Maxwell 3D> Excitations > Assign >Voltage > 0V

4.2.3 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 > 10 误差要求：Percent Error > 1%

每次迭代加密剖分单元比例： Refinement per Pass > 50%

4.2.4 设置计算参数（Assign Executive Parameter）

Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix > Voltage1, Voltage2

4.2.5 check，计算，查看结果

Maxwell 3D > Reselts > Solution data > Matrix

图4-2仿真数据图

4

5. 数据

取电容器长度L为：2mm，则有： 电容值：C=0.2186pF

表 4-1 理论及仿真的值

理论计算值 0.2179pF

仿真输出值 0.2186pF

图5-1电压分布图

6. 心得体会

通过利用Maxwell软件制作圆柱体电容器，了解了Maxwell软件的基本操作和使用方法。了解了利用所学到的知识来解决现实生活中的实际问题，更加深入了解了学到的理论知识。在仿真的过程中，碰到了很大的问题，但是经过与同学的讨论和参考书的查阅明白了问题的所在。

5