电磁场与电磁兼容研讨-基于Maxwell 2D的实例研讨讲解 - 图文

电磁场与电磁兼容 -基于Maxwell 2D的实例研讨

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摘要：随着计算机软件技术的发展，越来越多的CAE软件被应用于工业产品的研发中，在这些产品的设计开发过程中发挥着举足轻重的作用。在电气设备行业，ANSYS公司的ANSOFT MAXWELL软件作为世界知名的商用低频电磁场有限元分析软件已经在业界得到了广泛的应用。本文所述结合电磁场与电磁兼容课程相关知识，基于Maxwell14.0电磁仿真软件，通过了“尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响”与“研究永磁同步电机静磁场分布”两个研究论题，着重阐述了利用Maxwell14.0进行2D电磁仿真的基本过程以及通过分析电磁场有关问题的基本方法对所研究论题得出一般性结论。

关键词：尖端放电、永磁同步电机、电磁仿真

正文：

一、尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响【原理解释】

强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电，他属于一种电晕放电。他的原理是物体尖锐处曲率大，电力线密集，因而电势梯度大，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。如果物体尖端在暗处或放电特别强烈，这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。

通常情况下，空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了，空气电离后产生的负电荷就是负离子，失去原子的电荷带正电，叫做正离子。（对孤立导体）导体表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关。在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位小，在尖的部位最大。当电荷密度达到一定的量值后，电荷产生的电场会很大，以至于把空气击穿（电离），空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和，出现放电火花，并能听到放电声。

【尖端放电的应用】

尖端放电在我们的生活中应用广泛，例如：如高压线有轮廓的地方，就会出现尖端放电。由于接到电源上，它一边放电，一边不停的提供放电需要的电荷，这种放电会持续下去。

避雷针是另外一个好的例子。高大建筑物上安装避雷针，当带电云层靠近建筑物时，建筑物会感应上与云层相反的电荷，这些电荷会聚集到避雷针的尖端，达到一定的值后便开始放电，这样不停的将建筑物上的电荷中和掉，永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电，在放电的过程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端与大地相连，与云层相同的电荷就流入大地。显然，要使避雷针起作用，必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好，一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。 【建模】

建立如下模型仿真其放电情况：

? 尖端和圆端的电场分布图为：

? 尖端和圆端的能量分布图为：

【仿真分析】

1、从电场分布图中我们可以看出，无论是哪种尖端模型，电场都集中分布在导体表面，并且在尖端处明显要比其他位置集中。圆弧尖端模型在尖端处的电场强度比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的电场在尖端处更为集中。

2、从能量布图中我们可以看出，能量只集中分布在导体尖端附近，圆弧尖端模型在尖端处的能量比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的能量大的范围更广。

所以在导体表面，越尖锐的位置，导体尖端的电荷密度越大，附近的场强很强，能量也集中分布在尖端附近。这就是尖端放电模型。

【拓展比较】

由于我们进行的圆弧尖端模型和三角尖端模型模拟实验太少，无法得出尖端角度和弧度的大小对放电的影响，所以我组对不同的角度的三角尖端模型和不同曲率半径的圆弧尖端模型分别进行了多组测试，并得出了一般性的结论。

（1）当尖端角度变小时，得到尖端1、尖端2和尖端3的电场分布图为：