工程电磁场数值分析1(概述)

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1、工程电磁场数值分析（0）华中科技大学电机与控制工程系陈德智2011.11推荐教材或参考书雷银照.电磁场.高等教育出版社，2010谢德馨.工程电磁场数值分析与综合.机械工业出版社，2008汤蕴璆.电机电磁场的分析与计算.机械工业出版社,2010程志光.电气工程电磁热场模拟与应用.科学出版社,2009金建铭.电磁场有限元方法.西安电子科技大学出版社,1998Mathematica在电磁理论中的应用.合肥工业大学出版社，2004章本照.流体力学数值方法.机械工业出版社,2003软件方面的参考书阎照文.ANSYS10.0工程电磁分析技术与实

2、例详解.中国水利水电出版社,2006（电磁场概念阐述较清楚）孙明礼.ANSYS10.0电磁学有限元分析实例指导教程.机械工业出版社,2006（有软件操作动画）曹善勇.AnsoftHFSS磁场分析与应用实例.中国水利水电出版社,2010第0章绪论为什么要做电磁场的分析电磁场分析所要解决的问题电磁场分析的主要方法电磁场数值方法的现状和趋势本课程的内容与定位1.为什么要做电磁场的分析电磁现象的两种分析方法：电磁场与电路感应电机在不同转差下的磁通分布1.为什么要做电磁场的分析1.为什么要做电磁场的分析路与场分析的是同一种对象。路采用集成参数

3、化方法，简单，近似。场是分布式的，复杂，但是更加本质，给出更多更加真实的信息，揭示问题的实质。场是路的基础，路是从场中抽象出来的。路中的元件参数经常依靠场的分析获得。场侧重于元件内部，路侧重于系统。场路联合给出完整的仿真，是现代电磁系统仿真的一大特点。1.为什么要做电磁场的分析很多时候必须知道场的分布，并对之加以控制。回旋加速器磁铁的三维有限元分析1.为什么要做电磁场的分析传统的电机也许已积累了充分的经验，但即便如此，想比别人出色一点，就离不开场的研究。各种新型电磁装置的设计都离不开场的分析。电磁兼容问题、集成电路设计、雷达与隐身问

4、题、核磁诊断，等等都离不开场的分析与计算。场的计算还是认识复杂电磁现象的几乎唯一的技术途径。右：F35战机2006年首飞RCS=0.001m2左：F117隐形战机1981年首飞，RCS=0.25m22.电磁场分析所要解决的问题电磁场的正问题：给定场的计算区域，各区域材料的组成和特性，以及激励源的特性，求场域中场量随时间、空间分布的规律。（由源求场）工程问题物理模型数学模型求解方法结果分析2.电磁场分析所要解决的问题电磁场的逆问题：给定电磁装置理想的性能指标或参数、场型分布等，通过对装置的优化设计来实现这一目标。实际上就是电磁装置的综

5、合设计问题。（由场溯源）逆问题的求解一般都是将其化为一系列的正问题，通过某种优化算法，不断的修正源（包括边界条件、介质等）的分布，逐渐逼近所需要的场。逆问题的求解过程（优化）回旋加速器主磁铁：磁场精度要求10－4电磁场问题研究方法计算法实验法作图法解析法数值法实测法模拟法定性定量积分法分离变量法镜像法、电轴法微分方程法保角变换法有限差分法有限元法边界元法矩量法模拟电荷法数学模拟法物理模拟法3.电磁场分析的主要方法3.电磁场分析的主要方法作图法：定性分析，粗糙实验法：成本高昂，有时无法实现实测法模拟法计算法：解析法数值法分离变量法、格

6、林函数法、积分变换法等。解析法：求解偏微分方程的经典方法主要优点：解是精确的；具有一定的普适性，当问题中的某些参数变化时不必重新求解；具有明确的解析表达式，能够反映参数之间的依赖关系；解连续可微。主要缺点：适用的范围非常有限，仅有极少数的问题可以直接求解。解析法主要用于理论分析，获取简单、但具有典型意义问题的解答，建立概念，得到定性理解。数值法的基本思想是，把求解的场域划分成许多细小的网格（剖分），网格与网格之间通过网格边边界和节点连结在一起。以节点上的场量值（或位函数值）为待求未知量，根据函数满足的微分方程确定节点未知场量之间的关

7、系，这种关系用代数方程来描述。每个未知量建立一个代数方程，所有的代数方程联立得到代数方程组，求解得到节点上的函数值。只要节点足够密，这些节点上的函数值就能很好的反映场的分布（离散解）。数值法（离散法）：三要素网格节点代数方程组主要步骤：场域离散方程离散解方程组后处理数值法（离散法）代表方法：有限差分法、有限元法数值法：主要优点：适用的范围广泛，原则上可以求解任何问题。缺点是：计算量大，因此数值法的发展是与高性能计算机技术同步发展的。当今科学中，科学计算被认为是与科学理论和科学实验并列的三种基本科学方法。随着计算机技术的发展，从天气预

8、报到导弹发射、到飞机设计，几乎所有领域问题的解决都离不开数值计算方法。在电磁场领域，电磁场数值分析技术已经成为解决工程实际问题的主要手段。4.电磁场数值方法的现状和趋势数值法的发展与计算机技术的发展不可分离；目前已开发出大量的商用软件