电磁场分析书籍推荐--《Ansoft 工程电磁场有限元分析》

作译者： 刘国强等编著

　　 本书共分为18章，主要介绍了ANSOFT公司的Maxwell 2D与3D电磁场计算软件集成环境及其操作与使用方法。书中列举了大量的工程应用实例，深入浅出地讲述了如何应用Maxwell软件进行仿真设计。
本书适合电工、冶金等电磁场应用领域的工程师阅读参考，也可作为电气工程专业的大学生、研究生与博士生的参考资料。

序言/前言
前 言
随着我国市场同国际市场的逐步接轨，各种电工及电子产品的市场竞争将不可避免地越来越激烈，产品在国际市场上的竞争力已成为企业生死存亡的关键。绝大多数的电工设备、电子元件、电气及电磁物理装置的工作状态和性能均由电磁场和其他物理场来决定。例如电机、变压器、电力传输系统、电力开关系统、雷电防护系统、电磁铁、永磁磁体、集成电路、晶体管及晶闸管、显像管、电磁测量仪器、电磁医疗装置、磁悬浮列车、核磁共振成像系统、超导储能系统、高能加速器、空间站反物质探测器、磁悬浮轴承、磁推进及磁分离装置等。由于电磁场数值分析和计算机仿真模拟可为产品的设计和优化提供最可靠的依据，许多花费巨大的模型试验可以由数值模拟取而代之。它在国内外企业、研究单位和高校已受到非常普遍的重视并得到广泛的应用，成为提高产品国际竞争力的重要手段。
ANSOFT公司正是在这样一种大前提下，应运而生。ANSOFT公司推出的大型电磁场有限元分析软件Maxwell已成为工程设计人员和研究工作者在电子产品设计流程中必不可少的重要工具。随着Maxwell版本的不断更新，其应用领域也日益扩大，目前被广泛应用于电机、电子、电力电子、交直流传动、电源、电力系统、汽车、航空、航天、船舶、生物医学、石油化工、国防军工等领域，已经在通用电气、Rockwell、ABB、西门子、通用汽车、宝马、NASA（National Aeronautics and Space Administration）等世界知名企业与机构得到广泛应用和验证。
本书通过简明扼要的电磁场理论、工程相关电磁参数计算方法介绍及大量的实例，详细讲述了如何利用Maxwell有限元软件求解电气工程、电子工程领域中的电磁场分析问题。
本书适合包括电子工程和电气工程等电磁场应用领域的工程技术人员，大学物理学的授课教师及相关专业的本科生，电子工程和电气工程专业的研究生与博士生阅读参考。电磁应用领域的工程技术人员，可利用功能强大、方便易用的电场、静磁场、涡流场、瞬态场分析模块，分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。物理课教师和本科生，可结合电磁场理论的学习，利用Maxwell软件提供的形象直观的电力线分布或磁力线分布矢量图与等位线云图，加深对电磁场的理解。本书还可满足电子工程、电气工程专业的研究生与博士生从事毕业设计的需要。
Maxwell SV是Ansoft公司二维电磁场分析软件Maxwell 2D中的最常用功能组合包，没有节点和使用时间的限制，非常适合于二维电场、磁场的有限元分析。电气工程师可以用该软件来学习有关电磁部件基于电磁场的设计分析，包括电机、变压器、电磁阀、激励器等，下载网址为http://www.ansoft.com.cn/download.htm。
本书由中国科学院电工研究所的刘国强博士、赵凌志硕士和北京市科技情报所的蒋继娅硕士共同执笔编写。
最后，对ANSOFT公司对本书的大力支持表示衷心的感谢！
由于时间仓促，书中难免存在错误和疏漏之处，恳请读者批评指正。

编 著 者
2005年6月

　　 第1章 电磁场有限元分析简介
1.1 电磁场基本理论
1.1.1 麦克斯韦方程组
1.1.2 麦克斯韦方程组各方程之间的关系
1.1.3 本构关系
1.1.4 二阶电磁场微分方程
1.1.5 电磁场求解的边界条件
1.2 电磁场求解的有限元方法
1.2.1 一维有限元法
1.2.2 电磁场解后处理
1.3 Ansoft电磁场分析软件简介
1.3.1 Maxwell 3D/2D电磁场求解器分类
1.3.2 电磁分析软件应用领域
第2章 Maxwell 2D开发环境
2.1 【执行命令】对话框
2.2 几何建模器
2.2.1 【2D建模器的主框架】对话框
2.2.2 菜单栏
2.2.3 工具栏
2.3 边界条件管理器
2.3.1 菜单栏
2.3.2 工具栏
2.4 材料管理器
2.4.1 材料库
2.5 网格生成器
2.5.1 菜单栏
2.5.2 工具栏
2.6 参数列表器
2.7 后处理器
2.7.1 后处理命令
2.7.2 菜单
2.8 场计算器
2.8.1 界面描述
2.8.2 例〖2.1〗输出场计算结果到均匀网格
第3章 二维静磁场分析
3.1 二维静磁分析理论
3.1.1 磁矢势方程的导出
3.1.2 磁链和电流
3.1.3 静磁力和力矩的计算
3.2 二维静磁分析中源的处理
3.3 二维静磁分析中的边界条件
3.3.1 默认边界条件
3.3.2 狄里克莱边界（Value Boundary）
3.3.3 气球边界
3.3.4 对称边界
3.3.5 匹配边界
3.4 〖例3.1〗螺线管电磁阀静磁场分析
3.4.1 生成项目
3.4.2 生成螺线管模型
3.4.3 指定材料属性
3.4.4 建立边界条件和激励源
3.4.5 设定求解参数
3.4.6 设定求解选项
3.4.7 求解分析
3.4.8 磁场力与磁通密度分析
3.5 〖例3.2〗电磁体设计
3.5.1 问题的提出
3.5.2 解析解描述
3.5.3 Maxwell 2D静磁求解器计算
第4章 二维涡流场分析
4.1 二维涡流分析理论（A-F法）
4.1.1 A-F方程组的导出
4.1.2 涡流与趋肤深度
4.1.3 阻抗矩阵
4.1.4 电磁力
4.1.5 电磁转矩
4.1.6 电流
4.2 二维非线性涡流场理论
4.2.1 正弦B
4.2.2 正弦H
4.2.3 磁导率
4.3 二维涡流分析中源的处理
4.3.1 主动导体
4.3.2 被动导体
4.3.3 指定单相或多相系统的相位
4.4 二维涡流分析中的阻抗边界条件
4.5 〖例4.1〗母线阻抗涡流分析
4.5.1 生成几何模型
4.5.2 设定模型
4.5.3 设定执行参数
4.5.4 设定求解选项
4.5.5 阻抗分析
4.6 〖例4.2〗同轴线电感分析
4.6.1 生成几何模型
4.6.2 设定模型
4.6.3 设定执行参数
4.6.4 设定求解选项
4.6.5 计算电感
第5章 二维轴向磁场涡流分析
5.1 二维轴向磁场涡流分析理论
5.1.1 轴向磁场涡流方程
5.1.2 电流密度和电场强度的计算
5.2 二维轴向磁场涡流分析源的处理
5.3 〖例5.1〗叠片钢涡流损耗分析
5.3.1 仿真分析
5.3.2 数值计算结果
第6章 二维静电场分析
6.1 二维静电分析理论（标势法）
6.1.1 静电场求解方程的导出
6.1.2 电容
6.1.3 电场力和转矩的计算
6.2 二维静电分析中的边界条件
6.2.1 默认边界条件
6.2.2 狄里克莱边界
6.2.3 气球边界
6.2.4 对称边界
6.3 二维静电分析中源的加载
6.3.1 实体电压源
6.3.2 边缘电压源
6.3.3 实体电荷源
6.3.4 电荷片
6.4 〖例6.1〗微波集成电路中的微带线分析
6.4.1 生成几何模型
6.4.2 设定模型
6.4.3 设定执行参数
6.4.4 设定求解选项
6.4.5 电容与电场强度的分析
第7章 二维直流传导稳恒电场分析
7.1 二维稳恒电场理论
7.1.1 求解方程
7.1.2 电导矩阵
7.1.3 恒定电流
7.2 二维稳恒电场分析中的边界条件
7.2.1 默认边界条件
7.2.2 狄里克莱（Value Boundary）边界
7.2.3 气球边界
7.2.4 对称边界
7.2.5 电阻边界
7.2.6 匹配边界
7.3 二维稳恒电场分析中源的处理
7.4 〖例7.1〗同轴线漏电导分析
7.4.1 指定边界条件和源
7.4.2 电容与电场强度的分析
第8章 二维交变电场分析
8.1 二维交变电场分析理论
8.2 二维交变电场分析中的边界条件与源的处理
8.3 〖例8.1〗同轴线特性阻抗分析
第9章 二维瞬态场分析
9.1 二维瞬态分析理论
9.1.1 时变磁场方程组
9.1.2 铰链导体（Stranded Conductor）
9.1.3 实体导体（Solid Conductor）
9.1.4 带有电流源的实体导体
9.1.5 带有电压源的实体导体
9.1.6 平移运动
9.1.7 转动
9.1.8 相量图
9.1.9 实部和虚部
9.2 二维瞬态分析中源的处理
9.2.1 实体电流（Solid Current）
9.2.2 实体电压（Solid Voltage）
9.2.3 表面电流（Current Sheet）
9.2.4 外部连接（External Connection）
9.2.5 Schematic Capture and Diodes
9.3 二维瞬态分析中的边界条件
9.4 〖例9.1〗电磁激励器瞬态分析实例
9.4.1 生成几何模型
9.4.2 指定材料属性
9.4.3 指定边界条件和源
9.4.4 定义求解选项
9.4.5 生成解
第10章 二维温度场分析
10.1 二维热分析理论基础
10.2 二维温度场边界条件
10.2.1 强加温度（Enforce Temperature）
10.2.2 表面热流密度（Surface Heat Flux）
10.2.3 热对流（Convection）
10.2.4 辐射（Radiation）
10.3 〖例10.1〗带有集中热源绝缘棒的温度场分析
10.3.1 问题分析与解析解
10.3.2 Maxwell 2D温度场仿真分析
10.4 〖例10.2〗导电棒的温度场分析
10.4.1 问题描述与解析解
10.4.2 Maxwell 2D温度场仿真分析
10.5 〖例10.3〗方形截面导体温度场计算检验
10.5.1 建立Maxwell 2D工程项目
10.5.2 创建2D模型
10.5.3 设定材料属性
10.5.4 设定边界条件和激励源
10.5.5 求解
10.5.6 分析求解结果及检查能量守恒
10.6 〖例10.4〗单一导体温度场分析
10.6.1 建立Maxwell 2D工程项目
10.6.2 创建2D模型
10.6.3 设定材料属性
10.6.4 设定热边界条件和激励源
10.6.5 求解
10.6.6 结果分析
10.7 〖例10.5〗线圈温度场分析
10.7.1 问题分析
10.7.2 Maxwell 2D仿真过程
第11章 二维参数化电磁场分析
11.1 〖例11.1〗螺线管电磁阀的参数化求解
11.1.1 施加几何约束
11.1.2 建立模型
11.1.3 磁场力与线圈电感数值结果
11.1.4 磁场力、电感随位置变化的函数图
11.1.5 磁场力、电感随电流变化的函数图
11.2 〖例11.2〗冶金选矿领域磁选机的设计
11.2.1 比磁力的计算
11.2.2 求解步骤
11.2.3 磁场强度分布和磁选力的计算
第12章 三维静电场分析
12.1 〖例12.1〗质谱仪静电场分析
12.1.1 生成几何模型
12.1.2 指定材料属性
12.1.3 指定边界条件和源
12.1.4 设定求解选项
12.1.5 数值计算分析
第13章 三维静磁场分析
13.1 三维静磁场分析理论
13.1.1 传导电流求解
13.1.2 静磁场求解
13.1.3 电感理论与计算
13.1.4 磁场储能与伴随储能
13.1.5 洛仑兹力
13.1.6 洛仑兹力距
13.1.7 虚位移法计算磁场力
13.1.8 虚位移法计算磁场转矩
13.2 三维静磁分析中源的处理
13.2.1 电压
13.2.2 电压降
13.2.3 电流源
13.2.4 电流密度源
13.2.5 电流密度端口（Current Density Terminals）
13.3 三维静磁分析中的边界条件
13.3.1 默认边界条件
13.3.2 H磁场边界
13.3.3 对称边界
13.3.4 匹配边界
13.3.5 绝缘边界
13.4 〖例13.1〗静磁力分析
13.4.1 生成几何模型
13.4.2 指定材料属性
13.4.3 指定边界条件和源
13.4.4 设定执行参数
13.4.5 指定求解规范
13.4.6 磁场力与磁通密度的分析
第14章 三维涡流场分析
14.1 三维涡流场理论
14.1.1 直接方法和磁标势方法的导出
14.1.2 常用电磁参数公式
14.2 三维涡流分析中源的处理
14.2.1 电流源
14.2.2 电流密度源
14.2.3 电流密度端口（Current Density Terminals）
14.3 三维涡流分析中的辐射边界条件
14.4 〖例14.1〗正弦涡流分析（TEAM Workshop 7）
14.4.1 生成几何模型
14.4.2 设定模型
14.4.3 计算数据与测量数据对比
14.4.4 表面电流分布和磁通密度分布
14.5 〖例14.2〗训练后处理器的应用实例
14.5.1 仿真分析
14.5.2 后处理
14.6 〖例14.3〗母线阻抗分析
14.6.1 生成几何模型
14.6.2 设定模型
14.6.3 设定执行参数
14.6.4 指定求解规范
14.6.5 细化网格
14.6.6 阻抗分析
第15章 三维瞬态场分析
15.1 Maxwell V10.0 &ePhysicsTM
15.2 〖例15.1〗爪极电机瞬态场分析
15.2.1 生成几何模型
15.2.2 指定材料属性
15.2.3 指定边界条件和源
15.2.4 定义求解参数
15.2.5 定义求解选项
15.2.6 结果后处理
第16章 三维参数化电磁场分析
16.1 宏（3D Macros）
16.1.1 类型
16.1.2 主要功能
16.1.3 命令提示窗口
16.1.4 建模器宏
16.1.5 后处理器宏
16.1.6 全局宏
16.2 〖例16.1〗有隙感应器的参数化分析
16.2.1 生成几何模型
16.2.2 指定材料属性
16.2.3 指定边界条件和源
16.2.4 设定计算参数
16.2.5 设定求解选项
16.2.6 设定参数化变量
16.2.7 进行参数化求解
16.2.8 后处理
第17章 三维温度场分析
17.1 三维温度场理论基础
17.1.1 稳态温度场理论
17.1.2 瞬态温度场理论
17.1.3 边界条件
17.2 〖例17.1〗母线瞬态温度场分析
17.2.1 生成几何模型
17.2.2 指定材料属性
17.2.3 指定边界条件和源
17.2.4 设定求解参数
17.2.5 定义稳态温度场求解选项
17.2.6 定义瞬态温度场求解选项
17.2.7 求解
17.2.8 结果后处理
第18章 三维应力场分析
18.1 三维应力场理论基础
18.1.1 3D静态应力求解器
18.1.2 位移法
18.1.3 体积载荷和表面引力
18.1.4 热应力
18.1.5 位移约束
18.1.6 应变能
18.1.7 主应力
18.1.8 Von Mises等价应力
18.1.9 执行参数
18.2 〖例18.1〗通用电机应力场分析
18.2.1 生成几何模型
18.2.2 指定材料属性
18.2.3 指定边界条件和源
18.2.4 设定求解参数
18.2.5 定义求解选项
18.2.6 求解
18.2.7 结果后处理
参考文献