Maxwell教程02-螺线管3D静磁场仿真

文章目录
  1. 1. 建模
    1. 1.1. 直接建三维模型
    2. 1.2. 在二维模型基础上建三维模型
  2. 2. 材料
  3. 3. 激励
  4. 4. 边界
  5. 5. 网格
  6. 6. 求解
  7. 7. 后处理
  8. 8. 参考资料

基于B站视频手把手教你Maxwell-【案例B202】螺线管3D静磁场仿真整理的学习笔记,视频原作者为搞仿真的晴博
为了节约流量,使网页更快打开,整理的笔记以文字为主,不会有太多图片,所以最好配合视频来看笔记
我使用的软件版本为2023R1,与原视频软件版本2022R1不同,也有个人操作问题,会使实验结果与原视频不同,一切以原视频为准。

建模

直接建三维模型

在上期视频的工程基础上,Project Manager窗口工程文件右键Insert->Insert Maxwell 3D Design新建一个三维模型。
点击Draw菜单栏中的圆柱体图标,画一个线圈的内径(线圈内径10mm,外径12mm,高20mm),第一次点击点击确定圆心,第二次点击确定半径,第三次点击确定圆柱高。双击CreateCylinder进入属性界面,Radius设置为10,Height设置为20。
Number of Segments指的是多边形边数,这里设置为36,也就是将圆柱体近似为正三十六棱柱体。使用棱柱是为了保持模型的对称性,计算电场不要将圆柱近似为棱柱,计算磁场等物理量建议将圆柱近似为棱柱。

再以相同方法画一个圆柱(线圈外径),Radius设置为12,Number of Segments也设置为36。
选中两个圆柱体,做减法操作。右键Edit->Boolean->Subtract,弹出窗口界面中左侧Blank Parts是减数(大的),右侧Tool Parts是被减数(小的)。这里需要调换一下,让Cylinder2做Blank Parts,Cylinder1做Tool Parts。

接下来画电枢铁芯(半径8mm,长度30mm),点击Draw菜单栏中的圆柱体图标下面的棱柱体,画出一个棱柱,弹出的Number of Segments设置为24。属性Center Position设置为“0 ,0 ,-5”,Start Position设置为“8 ,0 ,-5”,Height设置为30。

画一个空气域,点击Draw菜单栏中的Create Region(红色边框空心正方体)图标,这次设置Percentage Offset值为200,表示在已经画出来的几何模型基础上扩大200%的区域内建立空气域。

在二维模型基础上建三维模型

Project Manager窗口右键上期视频建立的二维工程“Maxwell2DDesign1”点击Create 3D Design。弹出“Sweep Around Z Axis”窗口,旋转角度Angle of Sweep保持为360度,Number of Segments设置为36,就能得到相同的三维模型。

需要修改一下空气域,100改成200。
同理,三维模型取一个截面后也可以转化为二维模型。

材料

和上期视频操作一致。线圈命名为Coil,材料为Copper;铁芯命名为Core,材料为steel_1008。

激励

给线圈加一个电流。可以做一个截面,在截面上给电流。点击线圈,右键Edit->Surface->Section,弹出窗口选择YZ或XZ平面。(视频中选择了YZ平面)
这里产生了两个截面,需要去掉一个,选中截面右键Edit->Boolean->Separate Bodies将其一分为二,然后删掉两个截面中的一个。(视频中删除了Y轴负半轴上的截面)
选取Coil右键Assign Excitation->Current,选择电流为1000A,Type选择Standard(绞线圈)。这里点击Swap Direction可以调换电流方向。
可以在Project Manager窗口Excitation->Current1看到这个电流。

边界

空气域最外侧使用默认的纽曼条件,使用默认的H平行边界,不需要去设置。

网格

为使仿真结果更为准确,需要自己设置网格。
选中线圈,右键Assign Mesh Operation->Inside Selection->Length Based,弹出窗口设定尺寸为2mm。
再选中铁芯,右键Assign Mesh Operation->Inside Selection->Length Based,弹出窗口设定尺寸为5mm,再右键Assign Mesh Operation->On Selection->Length Based,弹出窗口设定尺寸为2mm。

求解

右键Project Manager中的Analysis->Add Solution Setup,进入求解设置界面,使用默认设置即可,直接确认。
收敛误差Percent Error默认为1%,如果要做精细计算,可以修改为0.1%。
点击菜单栏Maxwell 2D->Analyze All开始求解。

后处理

和上期视频一样,按照“先源量后场量、先定性再定量”的原则观察实验数据。
先看线圈电流,选中线圈后右键Fields->J->J_Vector查看电流矢量。如下图所示:
图1 线圈电流
观察到其电流方向正确,大小正常,说明线圈电流没有问题。
嵌入一个截面,点击Draw菜单栏中的Draw Rectangle(矩形)图标,弹出的窗口点Yes。将Draw菜单栏中Grid(网格)下面的下拉菜单选为YZ,这样就能在YOZ平面上画矩形,画好矩形后修改其属性使截面的位置更合适。(这里设置Position为0,30,-20,YSize为-60,XSize为60)
接下来看截面上的磁通密度,选中截面后右键Fields->B->Mag_B。
接下来看截面上的磁通矢量,选中截面后右键Fields->B->B_Vector。
图2 磁通密度
图3 磁通矢量
接下来看穿过螺线管的某个路径的磁力大小变化。点击菜单栏Draw->Draw Line(直线)绘制一条z轴上的线段。点击CreateLine可以修改点的坐标。(这里设置Point1为0,0,30,Point2为0,0,-10)
在Project Manager窗口Create Fields Report->Rectangular Plot。弹出的窗口Context->Geometry选择Polyline1,X轴坐标保持默认Distance(距离),Y轴坐标选择Mag_B(磁通密度)。点击New Report就可生成随线段路径上的点的位置变化的磁通密度曲线,如下图所示。
图4 磁通密度曲线

曲线图可以导出,右键Export即可,可以保存为图片,也可以保存为图表(csv)格式。

参考资料