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第1页/共29页推荐教材或参考书 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,1998 Mathematica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第2页/共29页软件方面的参考书 阎照文.ANSYS10.0工程电磁分析技术与实例详解.中国
2、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. Ansoft HFSS磁场分析与应用实例. 中国水利水电出版社, 2010第0章 绪 论1.为什么要做电磁场的分析2.电磁场分析所要解决的问题3.电磁场分析的主要方法4.电磁场数值方法的现状和趋势5.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。路采用集成参数化方法，简单，近似。场是分布式的
3、，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
4、。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，
5、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104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积分法分离变量法分离变量法镜像法、电轴法镜像法、电轴法微分方程法微分方程法保角变换法保角变换法有限差分法有限差分法有限元法有限元法边界元法边界元法矩量法矩量法模拟电荷法模拟电荷法数学模拟法数学模拟法物理模拟法物理模拟法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
6、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
7、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
8、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，可以满足工程电磁场分析的部分要求；新的问题仍然存在，新的方法仍在不断提出；目前的难点和热点：多物理场的耦合问题；逆问题；并行计算方法；可能从根本上改变数值分析的模式。新材料、新领域“强电磁工程与电气新技术国家重点实验室”电磁场方向的部分研究内容 多种空间尺度并存的复杂电磁场分析理论与方法； 电磁、热、力等多场耦合分析理论与方法； 器件与系统的场路耦合综合分析与仿真； 非线性、各向异性电磁电工材料的电磁特性研究； 带电粒子束、等离子体产生场与外加场的相互作用对场型优化的影响； 电磁装置中复杂电磁场位形的设计、优化与实现
9、； 大型复杂电磁装置的虚拟样机技术。5. 本课程的定位与内容基础性和实用性的平衡（1）电磁场分析理论；基础（2）应用电磁场软件解决工程问题。应用使用商用软件解决工程电磁场问题熟悉电磁场的基本概念：确定分析模型；解读分析结果，寻找有用信息了解算法的一般原理和思想：用最少的计算资源得到最好的结果6. 本课程的定位与内容强调电磁场的物理概念如何建模如何分析、解读结果算法的基本原理不过多关注程序不太多涉及软件以有限元方法为主也介绍其他方法，以扩大眼界必然涉及数学，但不过分强调数学本身作业：1. 翻一翻电磁场理论基础方面的书，熟悉有关的数学符号，特别是“三度”（梯度、散度、旋度）的概念；2. 请说一下你对这门课的理解和期望。下次课内容预告：电磁场基本理论：场与源，基本方程，位函数等
