工程電磁場數(shù)值分析1(概述)

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1、工程電磁場數(shù)值分析（0）華中科技大學(xué)電機與控制工程系陳德智2011.11推薦教材或參考書雷銀照.電磁場.高等教育出版社，2010謝德馨.工程電磁場數(shù)值分析與綜合.機械工業(yè)出版社，2008湯蘊璆.電機電磁場的分析與計算.機械工業(yè)出版社,2010程志光.電氣工程電磁熱場模擬與應(yīng)用.科學(xué)出版社,2009金建銘.電磁場有限元方法.西安電子科技大學(xué)出版社,1998Mathematica在電磁理論中的應(yīng)用.合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2004章本照.流體力學(xué)數(shù)值方法.機械工業(yè)出版社,2003軟件方面的參考書閻照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術(shù)與實

2、例詳解.中國水利水電出版社,2006（電磁場概念闡述較清楚）孫明禮.ANSYS10.0電磁學(xué)有限元分析實例指導(dǎo)教程.機械工業(yè)出版社,2006（有軟件操作動畫）曹善勇.AnsoftHFSS磁場分析與應(yīng)用實例.中國水利水電出版社,2010第0章緒論為什么要做電磁場的分析電磁場分析所要解決的問題電磁場分析的主要方法電磁場數(shù)值方法的現(xiàn)狀和趨勢本課程的內(nèi)容與定位1.為什么要做電磁場的分析電磁現(xiàn)象的兩種分析方法：電磁場與電路感應(yīng)電機在不同轉(zhuǎn)差下的磁通分布1.為什么要做電磁場的分析1.為什么要做電磁場的分析路與場分析的是同一種對象。路采用集成參數(shù)

3、化方法，簡單，近似。場是分布式的，復(fù)雜，但是更加本質(zhì)，給出更多更加真實的信息，揭示問題的實質(zhì)。場是路的基礎(chǔ)，路是從場中抽象出來的。路中的元件參數(shù)經(jīng)常依靠場的分析獲得。場側(cè)重于元件內(nèi)部，路側(cè)重于系統(tǒng)。場路聯(lián)合給出完整的仿真，是現(xiàn)代電磁系統(tǒng)仿真的一大特點。1.為什么要做電磁場的分析很多時候必須知道場的分布，并對之加以控制?；匦铀倨鞔盆F的三維有限元分析1.為什么要做電磁場的分析傳統(tǒng)的電機也許已積累了充分的經(jīng)驗，但即便如此，想比別人出色一點，就離不開場的研究。各種新型電磁裝置的設(shè)計都離不開場的分析。電磁兼容問題、集成電路設(shè)計、雷達與隱身問

4、題、核磁診斷，等等都離不開場的分析與計算。場的計算還是認識復(fù)雜電磁現(xiàn)象的幾乎唯一的技術(shù)途徑。右：F35戰(zhàn)機2006年首飛RCS=0.001m2左：F117隱形戰(zhàn)機1981年首飛，RCS=0.25m22.電磁場分析所要解決的問題電磁場的正問題：給定場的計算區(qū)域，各區(qū)域材料的組成和特性，以及激勵源的特性，求場域中場量隨時間、空間分布的規(guī)律。（由源求場）工程問題物理模型數(shù)學(xué)模型求解方法結(jié)果分析2.電磁場分析所要解決的問題電磁場的逆問題：給定電磁裝置理想的性能指標(biāo)或參數(shù)、場型分布等，通過對裝置的優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)這一目標(biāo)。實際上就是電磁裝置的綜

5、合設(shè)計問題。（由場溯源）逆問題的求解一般都是將其化為一系列的正問題，通過某種優(yōu)化算法，不斷的修正源（包括邊界條件、介質(zhì)等）的分布，逐漸逼近所需要的場。逆問題的求解過程（優(yōu)化）回旋加速器主磁鐵：磁場精度要求10－4電磁場問題研究方法計算法實驗法作圖法解析法數(shù)值法實測法模擬法定性定量積分法分離變量法鏡像法、電軸法微分方程法保角變換法有限差分法有限元法邊界元法矩量法模擬電荷法數(shù)學(xué)模擬法物理模擬法3.電磁場分析的主要方法3.電磁場分析的主要方法作圖法：定性分析，粗糙實驗法：成本高昂，有時無法實現(xiàn)實測法模擬法計算法：解析法數(shù)值法分離變量法、格

6、林函數(shù)法、積分變換法等。解析法：求解偏微分方程的經(jīng)典方法主要優(yōu)點：解是精確的；具有一定的普適性，當(dāng)問題中的某些參數(shù)變化時不必重新求解；具有明確的解析表達式，能夠反映參數(shù)之間的依賴關(guān)系；解連續(xù)可微。主要缺點：適用的范圍非常有限，僅有極少數(shù)的問題可以直接求解。解析法主要用于理論分析，獲取簡單、但具有典型意義問題的解答，建立概念，得到定性理解。數(shù)值法的基本思想是，把求解的場域劃分成許多細小的網(wǎng)格（剖分），網(wǎng)格與網(wǎng)格之間通過網(wǎng)格邊邊界和節(jié)點連結(jié)在一起。以節(jié)點上的場量值（或位函數(shù)值）為待求未知量，根據(jù)函數(shù)滿足的微分方程確定節(jié)點未知場量之間的關(guān)

7、系，這種關(guān)系用代數(shù)方程來描述。每個未知量建立一個代數(shù)方程，所有的代數(shù)方程聯(lián)立得到代數(shù)方程組，求解得到節(jié)點上的函數(shù)值。只要節(jié)點足夠密，這些節(jié)點上的函數(shù)值就能很好的反映場的分布（離散解）。數(shù)值法（離散法）：三要素網(wǎng)格節(jié)點代數(shù)方程組主要步驟：場域離散方程離散解方程組后處理數(shù)值法（離散法）代表方法：有限差分法、有限元法數(shù)值法：主要優(yōu)點：適用的范圍廣泛，原則上可以求解任何問題。缺點是：計算量大，因此數(shù)值法的發(fā)展是與高性能計算機技術(shù)同步發(fā)展的。當(dāng)今科學(xué)中，科學(xué)計算被認為是與科學(xué)理論和科學(xué)實驗并列的三種基本科學(xué)方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，從天氣預(yù)

8、報到導(dǎo)彈發(fā)射、到飛機設(shè)計，幾乎所有領(lǐng)域問題的解決都離不開數(shù)值計算方法。在電磁場領(lǐng)域，電磁場數(shù)值分析技術(shù)已經(jīng)成為解決工程實際問題的主要手段。4.電磁場數(shù)值方法的現(xiàn)狀和趨勢數(shù)值法的發(fā)展與計算機技術(shù)的發(fā)展不可分離；目前已開發(fā)出大量的商用軟件