电气系统及电子设备的
设计 & 仿真

什么是电气系统仿真?

目前,电气工程界正快速习惯于借助仿真的力量来设计电气系统、组件及设备。要设计和优化这些系统及组件,往往需要能够较好地理解和评估将对其产生影响的静态、低频或高频电磁现象。这可能是针对大尺度,例如从一个城市到另一个城市的输电线路,也可能仅是针对半导体二极管的纳米尺度。仿真使设计者能够在统一的环境中考虑这些变量,缩短了这些电气系统的上市时间。

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,常用于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、电机,以及绝缘材料等。为了描述这些设备的性能,例如电感、电容、电抗、力、扭矩,以及阻抗等,必须对其中的很多参数进行测量和优化。为此,我们需要模拟单个设备在低频下的电场、磁场和电磁场,并将这些结果与系统或电路内的其他设备相连接。很多情况下,我们还需要在这些仿真中加入并考虑 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 型磁芯变压器:模拟了多匝单相变压器,并考察了引入材料非线性 BH 曲线及连接至外接电路后的情况。

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Selector Assembly Mechanism

专题用户故事

电介质应力仿真帮助 ABB 改进了智能电网分接开关的设计

ABB Alamo

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电场、磁场、以及电磁场仿真: AC/DC 模块

静电场和静磁场

通过模拟导体、绝缘体和磁体内及周围的静电场和静磁场,我们能够描述这些设备。这些应用中的载流介质可厚可薄,往往需要特殊的仿真技巧才能获得精确结果,例如针对直流电的薄壳公式等。此外,优化电磁兼容 (EMC) 和电磁干扰(EMI)类设备时,电磁屏蔽是另一个需要考虑的重要现象。

专题用户故事

如何通过自动重合闸保证稳定的供电:磁场设计是关键

ABB 集团

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专题用户故事

MRI - 通过追踪肿瘤治疗癌症

交叉癌症研究所

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Magnetic Signature of a Submarine

专题模型

潜艇的磁信号:使用磁屏蔽特征模拟了潜艇在地球磁场中的磁信号。

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静电场和静磁场应用仿真: AC/DC 模块

焦耳热和感应热

当电气系统中有电流传过时,就会发热。向导体中直接通入电流就会产生焦耳热,设备在电磁场中感应出的涡电流会产生感应热。焦耳热和感应热可以带来正面或负面的影响,但在所有情况下,我们都应借助仿真来理解这些效应,并据此调整设计。温度变化可能会改变材料的电导率;而热应力则可能导致材料变形和破坏。

专题用户故事

耦合了有限元分析与电路仿真的交流变压器设计

ABB 集团

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专题用户故事

极端环境下电子封装的创新设计

Arkansas Power Electronics International (APEI)

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专题用户故事

多物理场仿真帮助 Miele 优化电磁炉设计

德国美诺

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专题用户故事

仿真使下一代电力变压器和并联电抗器成为可能

西门子

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焦耳热和感应热仿真: AC/DC 模块 传热模块

微波和 RF 工程

对于 RF 和微波类设备,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 方程来精确模拟其谐振行为。要模拟这类系统,通常需要结合使用离散方案中的专用单元、合适的预条件器算法,以及直接或迭代式求解器,因此计算量极大。在某些情况下,可以利用多核计算机的并行运算来模拟大型模型或运行频率扫描,以计算各种属性,例如 S 参数、功率耗散、透射率、反射率、阻抗,以及电磁场分布等。

专题用户故事

找出隐形天线的模式

Altran

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专题用户故事

150 年前制造的“完美成像”系统的光刻解析度提高了 100 倍

西班牙马德里理工大学 (Cedint)

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专题用户故事

由粒子造成的电磁波散射

AltaSim Technologies

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专题模型

Wikinson 功率分配器:本示例显示了对 Wikinson 功率分配器的仿真,其性能远高于无损型 T - 接头和电阻分配器。

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微波和 RF 工程仿真: RF 模块

光学和光子学

对于高频电磁波在远大于波长的大型狭长结构中的传播现象,模拟难度通常很高。这类器件常见于各类光学和光子学应用,有时甚至需要考虑材料的各向异性,非线性和超材料介质等等。要精确、稳健地模拟这类系统,例如光纤、双向耦合器、等离激元器件和激光束等,往往需要使用特殊的方法来离散 Maxwell 方程,从而计算完整的透射和反射特性。

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表征纳米谐振器的新工具

法国波尔多大学的光子学、数值和纳米科学实验室

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专题用户故事

通过仿真满足高速通信中的能量需求

贝尔实验室

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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

光束自聚焦:非线性光学材料的折射率会随光束的强度变化,并使光束产生自聚焦。

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光学和光子学仿真: 波动光学模块

射线光学

当电磁波在比波长大几个量级的系统中传播时,可以使用射线追踪方法高效模拟。射线既可以直线传播通过均匀介质,在边界处发生反射及折射;或沿渐变介质中的弯曲路径传播。在射线的传播中,常常需要分析射线强度、极化和相位的变化。在高能激光应用中,能够精确处理射线在吸收介质中的衰减、以及周围域中的温度变化和结构变形非常重要。

专题模型

Czerny-Turner 单色仪结合反光镜与衍射光栅将多色光分解成单色光分量,每一束射线均在探测器的不同点发生聚焦。

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专题模型

在本激光系统模型中,高能射线聚焦至目标处。随着射线经过透镜,热膨胀和温度导致折射率改变,使光束的聚焦点偏离目标。

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A solar flux incident on the concave surface of the Vdara® hotel is reflected down
to the pool area beneath.

专题模型

Vdara® 酒店模型对焦散面进行了探讨。在一年中特定日期内每天的特定时间段,太阳辐射会被酒店的曲面发射,并在游泳池旁的某些位置发生聚焦。

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射线光学仿真: 射线光学模块

RF 和微波加热

RF 和微波组件中的电能损耗必将造成发热,这一特性可应用于微波炉和医疗类设备。另一方面,从环境中吸收的热可能会影响这类设备中的电磁属性,设备包括波导、天线,以及滤波器等。因此,需要在生产和部署这种设备之前综合考虑以上所有特征。通常情况下,这类问题的仿真需要同时求解频域中的电磁波行为,以及稳态或瞬态下的传热方程。

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.

专题用户故事

加倍电子束强度 - 费米国家加速器取得更多发现的良机

费米国家加速器实验室 (FNAL)

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专题视频(教程)

在本 RF 加热示例中,放置在波导中的电介质块以及波导壁中的电磁损耗(介电加热)使温度上升。由于材料的电磁属性是温度的函数,因此这变为一个多物理场问题。

RF 和微波加热仿真: RF 模块 传热模块

MEMS 和压电器件

微机电系统 (MEMS)和压电器件的仿真常常需要同时分析器件中的电学和力学属性。执行器、传感器、陀螺仪,以及谐振器仅是众多微米和纳米尺度组件中的几类,模拟这类器件时,研究人员不仅要耦合这两种现象,还需要额外考虑其他一些现象,例如薄膜气体阻尼,固体和压电材料的各向异性损耗因子,锚阻尼,以及热弹性阻尼等等。因此,需要一些高级技巧来进行稳态和瞬态域仿真,以及执行全耦合的特征频率,准静态,以及频率响应分析。访问 MEMS 和压电器件的设计 & 仿真,了解更多 MEMS 模型及用户故事。

专题用户故事

仿真优化了汽车轮胎所用的压电能量采集器

西门子

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专题用户故事

针对声流现象深入理解压电材料

纽约州立大学奥尔巴尼分校 (美国纽约)和半导体制造技术联盟 (美国纽约)

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专题视频(教程)

对于通过运动部件实现电学操作的器件,有必要同时进行结构和电学分析。在该教学视频中,我们通过逐步操作的方式演示了如何使用 COMSOL Multiphysics 的机电接口仿真,来求解固体力学和静电问题。

MEMS 和压电器件仿真: MEMS 模块

半导体仿真

要在基本原理级别上模拟半导体器件,例如 MOSFET 和 MESFET、肖特基二极管,以及 PN 结等,就需要求解漂移-扩散方程,以模拟电子和空穴的传递。为此,您经常需要使用迁移率模型来描述半导体材料中载流子的分散。多物理场效应通常会影响半导体的性能,例如制造完成后的残余热应力,以及器件工作时的发热等。这些都会影响半导体中的迁移和传递属性,因此应在模型中考虑。

专题模型

MOSFET 晶体管:本示例计算了 MOSFET 的阈值电压,并识别出了器件的线性区域和饱和区域。

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专题模型

GaN 基 LED:将发射强度、光谱和能效作为电流的函数进行计算,得到 LED 的最佳工作条件。

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

专题模型

双极场效应管:计算了共发射配置下双极场效应管中的输出电流-电压特征,以及共发射极的电流增益。

2D: 阅读模型文档 PDF
3D: 阅读模型文档 PDF

半导体仿真分析: 半导体模块

等离子体物理现象

低温等离子体源和系统具有高度非线性特点,化学或电学输入上的细微扰动都可能导致放电特征的极大变化。对它们进行模拟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。考虑等离子体物理中耦合的物理场是模拟直流放电、感应耦合等离子体和微波等离子体的唯一手段。

专题模型

介质阻挡放电:本模型模拟了介质阻挡放电 (DBD) 的电气特征,两块介电板平行放置,一块接地,并向另一块施加一个正弦电压,它们之间会周期性产生等离子体。

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专题模型

面内微波等离子体:本示例中,微波被导入反应器内,并产生了氩等离子体,等离子体吸收微波,从而维持放电过程。

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GEC ICP Reactor, Argon Chemistry

专题模型

GEC ICP 反应器:本模型研究了气态电子会议 (GEC) 氩化学参考池中的电气特征。

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等离子体物理现象仿真: AC/DC 模块 等离子体模块

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