Разработка и моделирование электрических систем и устройств

Разработка и моделирование электрических систем и устройств

Что такое моделирование электрических систем?

Моделирование все шире используется в электротехнической отрасли при разработке электрических систем, компонентов и устройств. Для разработки и оптимизации таких систем и компонентов часто требуется хорошо понимать и точно учитывать влияние статического электричества, а также низко- и высокочастотных электромагнитных волн. Это относится к системам самого разного масштаба – от силовых кабелей для передачи электричества между странами до полупроводниковых диодов в нанометровом диапазоне. Благодаря моделированию разработчики могут анализировать все эти переменные в единой программной среде и быстрее выводить электрические системы на рынок.

Видео: Быстрая разработка электрических устройств для ускорения вывода на рынок

 

AC/DC электромагнетизм

Электрические устройства существенно различаются по форме и размеру, часто они должны подключаться и синхронизироваться со множеством других устройств в электрической системе. К ним относятся индукторы, конденсаторы, катушки, двигатели и изоляционные материалы, для которых нужно измерять и оптимизировать параметры, чтобы описать ключевые свойства – индукцию, емкость, импеданс, силу, крутящий момент и сопротивление. Все это требует моделирования электрических, магнитных и электромагнитных полей каждого устройства в низкочастотной области, а также согласования полученных решений с другими устройствами системы или электрической цепи. Также при моделировании часто приходится учитывать кривые магнитного гистерезиса и другие нелинейные характеристики материала.

Избранная история успеха

Улучшение рабочих характеристик линии электропередачи

POWER Engineers, Inc

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная модель

Трансформатор с Ш-образным сердечником Однофазный многовитковый трансформатор моделируется с учетом кривой магнитного гистерезиса нелинейного материала и влияния подключенной внешней цепи.

Читать документацию к модели (англ.) PDF
Selector Assembly Mechanism

Избранная история успеха

Моделирование механического напряжения в диэлектрике помогает ABB оптимизировать конструкцию переключателей ответвлений для интеллектуальных электросетей

ABB Alamo

Читать историю успеха (англ.) PDF

Для моделирования электрических, магнитных и электромагнитных полей используются: Модуль AC/DC

Электро- и магнитостатика

Проводники, диэлектрики и магниты часто моделируются посредством электростатических и магнитостатических полей внутри и вокруг них. Токопроводящая среда в таких задачах может быть толстой или тонкой, а для достижения точных результатов применяются различные методы моделирования, такие как уравнения постоянного тока в тонких пленках. Не менее важную роль играет и электромагнитное экранирование, которое нужно учитывать при адаптации устройств к требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС) и интерференции (ЭМИ).

Избранная история успеха

Как реле перезапуска обеспечивают устойчивую подачу энергии: все дело в магните

ABB AG

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Лечение рака с наблюдением опухоли по МРТ

Cross Cancer Institute

Читать историю успеха (англ.) PDF
Magnetic Signature of a Submarine

Избранная модель

Профиль магнитного поля подводной лодки На основе функций магнитного экранирования моделируется профиль магнитного поля подводной лодки относительно магнитного поля Земли.

Читать документацию (англ.) PDF

Для моделирования электро- и магнитостатики используются: Модуль AC/DC

Джоулев нагрев и индукционный нагрев

Электрическая система, через которую проходит ток, неизбежно выделяет тепло. Джоулев нагрев наблюдается при прямом прохождении тока через проводник, а индукционный нагрев обусловлен вихревыми токами в устройстве, возникающими под действием электромагнитного поля. Джоулев нагрев и индукционный нагрев могут оказывать как положительный, так и отрицательный эффект, но в любом случае этот эффект нужно анализировать в модели и учитывать в конструкции. Температурные колебания могут изменять проводимость материала, а тепловое напряжение часто приводит к деформации и разрушению.

Избранная история успеха

Трансформатор тока, разработанный на основе конечно-элементного анализа и моделирования электрических цепей

ABB AG

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Инновационная сверхпрочная упаковка для электронных устройств

Arkansas Power Electronics International

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Miele оптимизирует конструкцию индукционных плит за счет мультифизического моделирования

Miele

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Моделирование помогает создавать силовые трансформаторы и шунтирующие реакторы следующего поколения

Siemens

Читать историю успеха (англ.) PDF

Для моделирования джоулева нагрева и индукционного нагрева используются: Модуль AC/DC Модуль «Теплопередача»

Разработка микроволновых и радиочастотных устройств

В радиомагнитных и микроволновых устройствах, включая волноводы, антенны, фильтры и объемные резонаторы, необходимо точно моделировать явления резонанса, решая уравнения Максвелла для распространяющейся электромагнитной волны. Чтобы сэкономить ресурсы при моделировании таких систем, в схеме дискретизации обычно применяют специальные элементы, алгоритмы предварительной обработки и прямые или итеративные решатели. Для расчета таких характеристик, как S-параметры, рассеивание мощности, коэффициенты передачи и отражения, импеданс и распределение электромагнитного поля, при моделировании больших систем и выполнении развертки по частоте иногда используют параллельные вычисления на многоядерных процессорах.

Избранная история успеха

Выбор диаграммы направленности для скрытой антенны

Altran

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Стократный прирост разрешающей способности литографии благодаря «идеальной» системе построения изображений, которой уже больше 150 лет

Политехнический университет Cedint (Мадрид)

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Рассеяние электромагнитных волн частицами

AltaSim Technologies

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная модель

Делитель мощности Вилкинсона В этом примере моделируется делитель мощности Вилкинсона, который более эффективен, чем T-образное подключение без потерь и резистивные делители.

Читать документацию к модели (англ.) PDF

Для моделирования разработки радиочастотных и микроволновых устройств используются: Модуль Радиочастоты (RF)

Оптика и фотоника

Распространение высокочастотной электромагнитной волны в структурах, многократно превышающих ее по длине и размеру, достаточно трудно моделировать. Устройства таких типов обычно востребованы в оптике и фотонике, где иногда приходится изучать среды с анизотропией, нелинейностями и метаматериалами. Для надежного и точного моделирования таких систем, как оптические волокна, двунаправленные ответвители, плазмонные устройства и лазеры, часто нужны специальные методы дискретизации уравнений Максвелла, позволяющие рассчитывать все аспекты передачи и отражения лучей.

Избранная история успеха

Новые инструменты для описания свойств нанорезонаторов

Лаборатория фотоники, информатики и нанотехнологий при Университете Бордо

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Моделирование позволяет удовлетворять энергетические потребности высокоскоростных коммуникаций

Bell Labs Research

Читать историю успеха (англ.) PDF
Model of a self-focusing Gaussian beam created using a lens with an intensity-dependent index of refraction.

Избранная модель

Самофокусировка оптического луча Показатель преломления нелинейного оптического материала зависит от интенсивности луча света, которая позволяет выполнять самофокусировку луча.

Читать документацию (англ.) PDF

Для моделирования оптики и фотоники используются: Модуль Волновая оптика (Wave Optics)

Геометрическая оптика

Распространение электромагнитной волны в системах с размерами на несколько порядков больше длины волны эффективно моделируется с помощью трассировки лучей. Лучи могут распространяться по прямым линиям в однородной среде, отражаясь и преломляясь на границах, или двигаться по кривой в материалах с градиентным показателем преломления. По мере распространения лучей часто приходится анализировать изменения в их интенсивности, поляризации и фазе. В лазерах высокой мощности очень важно точно учитывать затухание лучей в абсорбирующих средах, а также колебания температуры и структурную деформацию в соседних областях.

Избранная модель

Монохроматор Черни – Тернера с помощью системы зеркал и дифракционных решеток разлагает полихроматический свет на элементарные монохроматические лучи, каждый из которых фокусируется в определенной точке на детекторе.

Читать документацию к модели (англ.) PDF

Избранная модель

В этой модели лазерной системы лучи высокой мощности сфокусированы в целевой точке. При прохождении лучей через линзы тепловое расширение и вызванное им изменение показателя преломления приводят к смещению фокуса луча в сторону от целевой точки.

Читать документацию к модели (англ.) PDF
A solar flux incident on the concave surface of the Vdara® hotel is reflected down
to the pool area beneath.

Избранная модель

В этой модели изучаются каустические поверхности на фасаде отеля Vdara®. В определенные периоды года солнечный свет в течение дня отражается от волнистой поверхности фасада отеля и фокусируется на некоторых областях вокруг бассейна.

Читать документацию к модели (англ.) PDF

Для моделирования геометрической оптики используются: Модуль Геометрическая оптика

Радиочастотный и микроволновой нагрев

Потери электрической энергии в радиочастотных и микроволновых компонентах неизбежно приводят к выделению тепла, которое используется в таких устройствах, как микроволновые печи и биомедицинское оборудование. С другой стороны, тепло, поступающее из окружающей среды, тоже может влиять на электромагнитные свойства таких устройств, как волноводы, антенны и фильтры. Все эти характеристики нужно учитывать до того, как начнется производство и внедрение подобных устройств. Нередко при моделировании требуется одновременно анализировать поведение электромагнитной волны в частотной области и теплопередачу в стационарной или временной области.

At Fermi National Accelerator Laboratory, upgrading the 40-year-old RF cavities in the
                    Booster synchrotron will provide a twofold improvement in proton throughput for high-intensity
                    particle physics experiments that could lead to breakthrough discoveries about the universe.

Избранная история успеха

Лазер удвоенной интенсивности открывает уникальные возможности для исследований в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми

Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми

Читать историю успеха (англ.) PDF
 

Избранное видео (обучающее)

В этом примере радиочастотного нагрева электромагнитные потери в блоке из диэлектрика (при диэлектрическом нагреве), помещенном внутрь волновода или между его стенками, приводят к росту температуры. Так как электромагнитные свойства зависят от температуры, эта проблема становится мультифизической.

Для моделирования радиочастотного и микроволнового нагрева используются: Модуль Радиочастоты (RF) Модуль «Теплопередача»

MEMS и пьезоэлектрические устройства

При моделировании микроэлектромеханических систем (MEMS) и пьезоэлектрических устройств необходимо учитывать как электрические, так и механические особенности этого оборудования. Приводы, датчики, гироскопы и резонаторы – вот лишь некоторые компоненты микро- и наноуровня, для моделирования которых нужно рассматривать эти два явления совместно. Нередко приходится учитывать и другие факторы: затухание в газах и тонких пленках, потери из-за анизотропии в твердых веществах и пьезоматериалах, затухание в опорах и термоупругое затухание. Для этого необходимы мощные средства и методы анализа стационарных и переходных областей, полносвязного анализа собственных частот, а также анализа квазистатических и частотных характеристик. Дополнительные модели микроэлектромеханических систем и истории успеха можно найти на демонстрационной странице MEMS.

Избранная история успеха

Моделирование помогает оптимизировать пьезоэлектрический источник энергии в автомобильных шинах

Siemens

Читать историю успеха (англ.) PDF

Избранная история успеха

Проникаем в суть пьезоэлектрических материалов для акустического потока

Университет штата Нью-Йорк, Олбани, США и компания SEMATECH, штат Нью-Йорк, США

Читать историю успеха (англ.) PDF
 

Избранное видео (обучающее)

Для электрических устройств с подвижными элементами нужно одновременно выполнять и структурный, и электрический анализ. В этом пошаговом учебном видео показано, как с помощью интерфейса Electromechanics (Электромеханика) в COMSOL Multiphysics моделировать и решать задачи механики твердого тела и электростатики.

Для моделирования микроэлектромеханических систем и пьезоэлектрических устройств используются: Модуль MEMS

Моделирование полупроводников

Моделирование полупроводниковых устройств, таких как МОП-транзисторы (MOSFET), полевые транзисторы со структурой металл-полупроводник (MESFET) и диоды Шоттки, а также p-n переходов основано на решении уравнения смещения диффузии для расчета переноса электронов и дырок. Для этого часто применяются модели переноса, описывающие распределение носителей в материале полупроводника. На характеристики полупроводника часто влияют мультифизические эффекты, так как в готовом изделии всегда есть остаточное тепловое напряжение, а большинство устройств выделяют тепло во время работы. Данные эффекты сказываются на свойствах проводимости и переноса в полупроводниках, поэтому модели должны их учитывать.

Избранная модель

Полевой МОП-транзистор (MOSFET) В этом примере вычисляется пороговое напряжение полевого МОП-транзистора (MOSFET), а также определяются линейные области и области насыщения для устройства.

Читать документацию к модели (англ.) PDF

Избранная модель

Светодиод на основе нитрида галлия: Оптимальные рабочие условия светодиода определяются путем вычисления интенсивности излучения и спектра, а также расчета КПД как функции тока.

Читать документацию к модели (англ.) PDF
This model shows how to set up a simple Bipolar Transistor model.

Избранная модель

Биполярный транзистор В этом примере определяется вольт-амперная характеристика биполярного транзистора с общим эмиттером и вычисляется усиление по току на общем эмиттере.

2D: Читать документацию к модели (англ.) PDF
3D: Читать документацию к модели (англ.) PDF

Для моделирования полупроводников используются: Модуль Полупроводники

Физика плазмы

Источники и системы низкотемпературной плазмы обладают высокой степенью нелинейности, поэтому даже малейшие возмущения на химических или электрических входных контактах могут сильно изменить характеристики разряда. При моделировании таких объектов нужно учитывать влияние механики жидкости, химических реакций, физической кинетики, теплопередачи и массообмена, а также электромагнетизма. Только комплексный подход ко всем аспектам мультифизических связей в физике плазмы позволяет эффективно моделировать разряды постоянного тока, а также индуктивно-связанную и микроволновую плазму.

Избранная модель

Диэлектрический барьерный разряд В этой модели имитируются электрические характеристики диэлектрического барьерного разряда (ДБР). Между двумя параллельными пластинами из диэлектрика, одна из которых заземлена, а другая находится под синусоидальным напряжением, периодически образуется плазма.

Документация к рекомендованной модели (англ.) PDF

Избранная модель

Микроволновая плазма в плоскости В этом примере волна подается в реактор, что приводит к образованию аргоновой плазмы. Затем плазма абсорбирует волну и тем самым усиливает разряд.

Документация к рекомендованной модели (англ.) PDF
GEC ICP Reactor, Argon Chemistry

Избранная модель

ИСП-реактор GEC В этой модели изучаются электрические характеристики эталонного элемента для химии аргона, предложенного на Конференции по газовой электронике (Gaseous Electronics Conference, GEC).

Документация к рекомендованной модели (англ.) PDF

Для моделирования физики плазмы используются: Модуль AC/DC Модуль Плазма

Приступайте к разработке и моделированию электрических систем и устройств

  • Моделирование электромагнитных свойств электрических систем, компонентов и устройств позволяет эффективнее разрабатывать и оптимизировать продукты, а также быстрее выводить их на рынок.
  • Для этого отлично подходит ПО COMSOL Multiphysics и входящие в его состав модули для моделирования электромагнитных явлений и разработки электрических устройств.
  • Испытайте его в деле на любом из наших мини-курсов COMSOL и получите бесплатную пробную версию.

COMSOL LLC стремится защищать конфиденциальность своих клиентов и посетителей веб сайта. Подробную информацию о нашей политике конфиденциальности можно прочесть по этой ссылке

Спасибо! Представитель COMSOL скоро свяжется с вами.