电气系统及电子设备的设计&仿真

什么是电气系统仿真?

通过仿真来设计电气系统、电子元件和设备是一个正在快速地被工程师们采用的手段。设计和优化这些系统和元件往往需要很好地理解和判断影响它们的静电、低频或高频电磁现象,这些现象既有可能是很大的尺度,例如从一个城市向另一个城市输电线路,也有可能是在纳米尺度下的半导体器件设计。仿真使得设计者可以在一个统一的环境中分析这些现象的影响,缩短电气产品的上市时间。

视频:仿真分析缩短了电气设备的上市时间

 

AC/DC 电磁场

电气设备具有各种各样的形状和尺寸,常常用来连接和关联电气系统中的其他各种设备,包括电感器、电容器、线圈、马达,以及绝缘材料等,其中有很多参数需要测量和优化来描述它们的性能,包括电感、电容、电抗、力、扭矩,以及阻抗等。为此需要仿真单个设备在低频的电场、磁场,以及电磁场,并将这些结果与系统中的其他设备或电路相互连接。在这些仿真中,常常需要考虑 BH 曲线和其他材料非线性。

专题用户故事

提高输电线路的性能

POWER Engineers, Inc

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专题模型

E-芯变压器:模拟多匝单相变压器,包含材料的非线性 BH 曲线,以及外接电路。

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Selector Assembly Mechanism

专题用户故事

电介质应力仿真帮助推进 ABB 智能电网 Grid-Ready 调压分接开关的设计和研发

ABB Alamo

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仿真电场、磁场、以及电磁场: AC/DC 模块

静电场和静磁场分析

导体、绝缘体和磁体是通过仿真其内部及周围的静电场和静磁场来描述的设备。这些应用领域中的载流介质可厚可薄,经常需要使用特殊的仿真技术来获得精确的结果,例如直流建模的薄壳公式等。电磁屏蔽也是一个重要的现象,在优化电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)设备时,通常需要详细分析此现象。

专题用户故事

如何通过自动重合器确保稳定供电:磁场设计是关键

ABB AG

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专题用户故事

减少重量反应球可以增大卫星的有效载重

CSEM

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Magnetic Signature of a Submarine

专题模型文档

潜艇的磁场特性:通过磁屏蔽仿真分析来模拟潜艇的磁场特性。

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模拟分析静电场和静磁场: AC/DC 模块

焦耳热和感应热

只要电气系统中开始传导电流,就会发热。焦耳热由导体中通过电流产生,感应热则是由设备在电磁场感应出来的涡电流产生。焦耳热和感应热都有可能产生有益或有害的后果,不管怎样,都有必要在产品设计时,通过仿真来理解和分析这些效应。焦耳热和感应热带来的温度的变化还可能会改变材料的电导率,热应力也可能导致材料变形和实效。

专题用户故事

耦合有限元分析和电路仿真的交流变压器设计

ABB AG

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专题用户故事

极端环境下电气设备包装的创新设计

Arkansas Power Electronics International

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Multiphysics Simulation Helps Miele to Optimize Induction Stove Designs

专题用户故事

多物理场仿真帮助 Miele 优化电磁炉设计

Miele

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仿真分析焦耳热和感应热: AC/DC 模块 传热模块

微波和 RF 工程

RF 和微波设备,例如波导、天线、滤波器,以及腔体等,需要通过求解电磁波传播的 Maxwell 方程来精确地仿真它们的谐振行为。将专用的单元与离散方案结合,通过合适的预条件器算法和直接或迭代式求解器仿真这些往往需要很大计算量的系统。有时候,在多核计算机上进行并行运算可以用来仿真大型模型或运行频率扫描计算各种属性,例如 S 参数、功率耗散、透过率、反射率、阻抗,以及电磁场分布等。

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找出隐形天线的模式

Altran

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专题用户故事

实现具有150年历史的“完美成像”方案将光刻解析度提高100倍

Cedint Polytechnic University of Madrid

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专题用户故事

分析螺旋谐振滤波器

AltaSim Technologies

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专题模型

Wikinson 功率分配器:本例显示一个 Wikinson 功率分配器仿真,其性能远高于 T 型和电阻分配器

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微波和 RF 工程仿真: RF 模块

光学和光子学

仿真分析高频电磁波在远大于波长的结构中传播极具挑战性,这种类型的器件常见于光学和光子学研究领域,有时甚至还需要考虑材料的各向异性,非线性和超材料介质等等。对这样的系统,其中包含光纤、双向耦合器、等离激元器件,以及激光束等,精确的仿真分析往往需要使用特殊的方法来离散 Maxwell 方程,计算全透射和反射特性。

专题用户故事

表征纳米谐振器的新工具

LABORATOIRE PHOTONIQUE, Numérique, et Nanosciences of the Université de Bordeaux

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专题用户故事

超材料把物理变成了魔术

Duke University
NASA Glen Research Center
Naval Postgraduate School

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Model of a self-focusing Gaussian beam created using a lens with an intensity-dependent index of refraction.

专题模型文档

光束自聚焦:一种非线性光学材料具有随光强变化的折射率,使光束形成自聚焦。

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仿真分析光学和光子学: 波动光学模块

RF 和微波加热

RF 和微波器件中的电子能损耗不可避免的会导致发热,这种特性被应用在类似微波炉的设备和医学治疗仪器中。另一方面,从环境中吸收的热可能影响这类设备中的电磁属性,包括波导、天线,以及滤波器等。在生产和投放这种设备之前需要考虑以上所有这些特征,这类问题的仿真分析往往需要同时求解频域下的电磁波行为,以及稳态或时域下的传热方程。

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.

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费米国家加速器实验室中电子束强度加倍为探索发现创造了新的宝贵机会

Fermi National Accelerator Laboratory

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专题视频(教程)

在这个RF加热的案例中,放置在波导中的电介质块以及波导壁的电磁损耗(介电加热)使得温度升高,由于材料的电磁属性是温度的函数,因此这是一个多物理场耦合的问题。

仿真 RF 和微波加热: RF 模块 传热模块

MEMS 和压电器件

仿真微机电系统(MEMS)和压电器件常常需要对驱动器、传感器、陀螺仪,以及谐振器等等许多微米和纳米尺度器件进行电和力学分析。除了需要在仿真时耦合这两种现象之外,研发人员往往还需要额外考虑其他的现象,例如薄膜气体阻尼,固体和压电材料的各向异性损耗因子,以及热弹性阻尼等等。这些都为微机电系统的仿真提出了特殊的要求,仿真的工具也必须提供静态和瞬态分析,以及全耦合的本征频率,准静态,以及频率响应分析。请访问 MEMS 陈列室,了解更多关于MEMS模型和用户故事。

 

专题视频(教程)

对于通过运动部件实现电子操作的器件,有必要同时进行结构和电气分析。通过此教学视频,您将会学习如何使用 COMSOL Multiphysics 中的机电接口通过仿真来求解固体力学和静电问题。

A 2-D FSI simulation showing the velocity field caused
                by feeding mechanical cantilever energy into the disordered kinetic
                energy of the surrounding gas

专题用户故事

建模优化用于汽车轮胎的压电能量采集器

Siemens

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仿真 MEMS 和压电器件: MEMS 模块

半导体仿真分析

在基本原理级别上模拟半导体器件,例如 MOSFET 和MESFET,Schottky 二极管,以及PN结等涉及到求解飘移-扩散方程,模拟电子和空穴的传递。为此,您经常需要使用描述半导体材料中的载流子分散的迁移率模型。多物理场效应往往会影响半导体的性能,例如制造过程中产生的残余热应力,器件工作时会发热,等等。这些都会影响半导体中的迁移和传递属性,在模型中必须考虑到这些。

This model calculates the DC characteristics of a simple MOSFET.

专题模型

MOSFET 晶体管:计算了一个MOSFET 的阈值电压,然后识别出器件的线性和饱和区。

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This model shows how to set up a simple Bipolar Transistor model.

专题模型

双极晶体管:计算了一个共发射极双极晶体管中的输出电流-电压特征,并计算得到共发射极的电流增益。

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半导体仿真分析: 半导体模块

等离子体

低温等离子体源和系统具有高度非线性,不管是化学,还是电子输入上有细微的扰动都有可能导致放电特征出现巨大的变化。对它们进行仿真需要综合考虑流体动力学、化学反应工程、物理动力学、传热和传质,以及电磁场的影响。多物理场耦合分析是模拟直流放电、感性耦合等离子体和微波等离子体等的唯一途径。

专题模型文档

介质阻挡放电:本模型仿真介质阻挡放电(DBD)的电子特征,在一板接地,另一板施加正弦电压的两个平行板之间的电介质中产生周期性的等离子体。

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面内微波等离子体:本例中,一个微波导入到反应器中,产生了氩等离子体,其中等离子体吸收微波的能量,维持放电过程。

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GEC ICP Reactor, Argon Chemistry

专题模型文档

GEC ICP 反应器:本模型研究气体电子学会议(GEC)参考池中氩化学的电子特征。

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模拟等离子体物理现象: AC/DC 模块 等离子体模块

开始对电气系统及电子设备进行设计与仿真

  • 仿真电气系统、电子元件和设备的电磁行为可以有效地改进和优化设计,缩短产品上市时间。
  • COMSOL Multiphysics 及其电磁仿真的模块和电气设计仿真是实现这个目标的完美平台。
  • 在我们的 COMSOL workshop 上动手操作和了解软件,可以获得免费的试用版本。
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