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高科技电子行业西门子电磁解决方案

发布日期:2020/08/14
01
西门子电磁仿真的由来和应用


西门子在原有NXCAE的基础上,通过不断的并入优势仿真软件,其中包括2013年收购LMS,提升声学和多体动力学仿真优势,2016年收购CD adapco提升流体动力学仿真优势,2017收购Mentor,包括旗下低频电磁仿真Infolytica软件,同时融入IDS公司的高频电磁仿真能力。目前西门子形成了新的集成结构、热、流体、电磁等一体化的仿真平台Simcenter3D,在一个 界面风格的平台下,轻松完成高、低频电磁仿真和多物理场仿真。

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Simcenter3D电磁解决方案可对整个电磁频谱进行电磁分析,包括低频电磁仿真和高频电磁仿真。

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Simcenter低频电磁仿真本质上是将能量从一种形式转换为另一种形式:例如,通过发电机将电动机和执行器电能转换为机械能。变压器将高压电能转换为较低电压电能。低频电磁仿真可以使工程师优化系统,使其能够以低损耗,高效率进行能量转换,并考虑到材料非线性、磁滞、热、运动部件等。低频电磁仿真支持静态,谐波和瞬态求解器,在高科技行业主要的应用有:电动马达,电源,音响和家电产品等。

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在我们身边,电磁波无处不在。手机没信号的时候,为找不到电磁波苦恼;打开微波炉的时候,又害怕释放的电磁波把我们给“烧坏”了。电磁波的传输势必伴随着电磁波与周围环境的相互串扰,信号越强,干扰往往越大。高频电磁仿真本质上是关于“电磁波传播”应用的电磁分析。Simcenter 3D高频电磁软件允许您从Simcenter 3D图形界面创建,编辑和后处理高频电磁分析。 用户可以定义复杂的材料,单元属性,边界条件和激励,包括高性能等效天线模型,同时保持与CAD的关联性。在高科技行业主要的应用有:电子产品的EMI/EMC分析,天线的设计,选址和干扰等。

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02
高科技电子行业电磁领域的挑战和应对方案


2.1

通过丰富的功能捕捉现实

电子产品越来越智能化,电动化,我们需要去深入了解电子产品中使用的机电组件(如电动机,泵,风扇等)的性能,以及一些新的技术(如无线充电等)的挑战。Simcenter 3D低频电磁仿真可以基于电磁场或纯电场有效地模拟机电设备的操作,其具有高保真度损失和性能模拟,以及丰富的材料数据库,同时考虑到任何数量的运动部件(直线电机,电磁齿轮)的多学科仿真,如下图相机镜头马达的电磁仿真。


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2.2

提高现场可靠性

电子设备中,变压器也是非常重要的部件。变压器的设计和变压器的漏磁场密切相关,如果设计不当,将会造成变压器的局部过热,使变压器热性能变坏, *终导致绝缘材料的老化与击穿。因此电磁热耦合分析,对变压器的设计非常重要。Simcenter 3D低频电磁仿真具有电磁热耦合的功能,可以在所有运行场景下确保变压器有效的设计并帮助提高现场可靠性。

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2.3

*大化连接性–减少停机时间

如何 *大化电子设备性能并保证设备的连续性,减少停机时间是电子产品面临的主要挑战之一。有效的天线设计,在保证设备连续性上起到非常重要的作用。通过Simcenter 3D高频电磁仿真,进行天线设计和选址的优化,提升天线的性能,从而保证我们电子产品的可连接性,保证电子产品的正常运行,提升客户的体验。

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2.4

现代“家庭连接”环境中的EMC / EMI问题

现代家庭环境中有越来越多的电子设备的存在,如何减少电子产品直接的互相干扰,也变得越来越重要。一方面保证电子产品的正常运行,另一方面又要使其传感器或物联网设备的存在不得干扰电磁环境,通过通过Simcenter 3D高频电磁仿真,可以有效地模拟和解决电气和电子系统的兼容性和干扰(EMC / EMI)问题。

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03
Simcenter 3D高保真低频电磁解决方案


Simcenter3D低频电磁仿真是全面的高保真电磁场仿真解决方案,可以基于电磁场或纯电场有效地模拟设备的运行,通过丰富的功能捕捉现实,电磁场仿真可以基于静磁场,时域谐波或瞬态求解器;电场模拟可以基于静电,直流电流,时域谐波或瞬态磁场求解器;具有丰富的电磁材料数据库,可记录任意数量的运动部件。

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Simcenter 3D低频电磁解决方案使用 算法来增强获得的材料数据,因此模拟结果与测试数据和预期性能一致性高。 其材料建模能力包括基于制造过程的建模,温度依赖性和磁化压印,可以对具有不常见的电磁特性的工程材料进行高保真建模。数据库包含200种材料,具有复杂的损耗模型,包括铁损,磁滞等参数特性。

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Simcenter 3D低频电磁仿真是变革性的CAE流程,内置NXCAD设计功能,可以从任何CAD来源构建,编辑,清理几何,而且可以方便地将分析与几何关联,进行参数化建模,利用同步建模技术进行快速更改几何,快速验证设计变更后的电磁性能。并使用集成的1D电路建模工具定义载荷。一旦求解完成,您可以方便地对结果进行复杂的后处理。

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内置NXCAD & 集成1D电路建模


低频电磁&振动&声学耦合多学科仿真

电机电磁噪声的问题,是典型的多学科仿真问题,传统方法都是需要多个独立软件联合才能完成这个多学科的分析,软件之间的转换比较繁琐,而且容易出错。西门子目前Simcenter3D新版本,可以从低频电磁开始,计算时变力后,以U N V格式导出。 然后将此数据映射到结构网格上。所有的过程都在Simcenter3D中完成,低频电磁仿真的加入大大增强了现有的Simcenter 3D 一体化声振耦合工作流程,实现了单一平台上实现电磁&振动&声学的多学科仿真,下图是具体的实现流程。

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04
Simcenter 3D全方位高频电磁解决方案


Simcenter 3D高频电磁仿真可以全方位地 *大化天线,雷达和传感器的性能,从微型(微带天线)到全平台(电子设备,船舶,汽车,飞机等)。同时可以有效地模拟和解决电气和电子系统的兼容性和干扰(EMC / EMI)问题。该解决方案是经过验证的针对特定问题的 *新解决方案,具有智能的材料设计,辐射发射和辐射敏感性。

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Simcenter 3D高频电磁软件允许您从Simcenter 3D图形界面创建,编辑和后处理高频电磁分析。利用电磁性能和CAD模型之间的关联性实现端到端的高效过程,能够方便地直接处理系统级模型,使用一系列专用求解器解决更宽频谱,拥有在高频电磁领域30年专业知识和经验,可以有效地获得可靠的高保真效果,可以执行多种电磁仿真分析:EMC / EMI,天线,SYZ参数,场结果(近场和远场,感应电流)等。

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Simcenter 3D高频电磁求解器嵌入了基于积分方法(MoM和FMLFMA)的全波求解器,用于求解麦克斯韦的电磁方程。 此外,可以采用基于UTD和IPO的渐近方法。 通过集成了多种求解器,可有效求解2.5D以及完整的3D场问题。 嵌入了求解器加速选项(基于MoM的多边界条件算法,通过MLFMA,DDM和其他快速算法加速),以加快大型系统的计算速度。

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05
高科技电子行业电磁仿真案例


5.1

电子设备制造商早期解决了EMC问题

目前电子产品需要应对的挑战是,如何确保电子设备在电磁环境中正常运行,如何避免电子设备之间的干扰,如何在设备上贴上正确的屏蔽层,以增强其抗扰性。Simcenter 3D高频仿真具有多种求解器的可用性,你可以选择 *合适的求解器进行求解,求解的同时可以通过解算加速器进一步提升求解速度,保证快速且高保真电磁分析。使用Simcenter3D高频电磁使我们去有效评估EMC问题成为可能,这可以帮助我们保证电子设备始终保持正常运行。

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5.2

Flyback PCB变压器减少损耗现象

过高的损耗可能会导致变压器局部过热,热性能变坏。在模拟变压器的损耗方面有很多困难,需要大量的单元,模型的网格数量可能接近2千万,使得计算非常昂贵。Simcenter 3D低频电磁环境中具有专业的电源变压器损耗分析的3D工作流程,自带电路协同仿真,涵盖典型结果(即通量密度分布和损耗)的模型后处理, Simcenter 3D低频电磁 的非线性能力和使用“表面阻抗”边界条件,可以大大提升求解效率,所需计算资源大幅减少。

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5.3

扬声器的性能和重量优化

对于许多应用而言,拥有轻巧的扬声器非常重要。 例如,扬声器从音乐厅到活动厅,需要在全球范围内移动。这些扬声器需要在运输,移动和放置到离地几米高,以便为观众提供 的声音体验。因此要 *大程度地减少扬声器的重量,同时又要保持高质量的声音,需要进行深入的工程设计。 借助Simcenter 3D低频电磁仿真,就可以 地做到这一点,使用低频电磁能够仿真1000个扬声器驱动器的设计,自动进行设计空间探索,从而使设计符合 *苛刻的要求。

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5.4

电磁炉优化线圈设计

电磁炉采用磁场感应涡流原理,利用高频电流通过环形线圈,产生封闭磁场力。当磁力线通过导磁的底部,既会产生无数小涡流,使锅体本身自行高速发热。通过Simcenter3D低频电磁仿真,可以非常方便的查看涡流的结果和涡流损耗的分布,帮助设计师快速优化线圈的设计。

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5.5

电子充电器设计仿真一体化提升效率

在设计电子产品电源时,需要从ECAD模型开始去逐步建立电磁仿真模型,这通常需要进行一系列的工作,包括准备CAD几何图形,网格划分,应用边界条件,电路协同仿真,材料非线性,瞬态分析等。为了能够进行高效的设计,客户希望能够有一个 仿真平台实现标准化,经过多次比较和验证, *后客户充分地认可西门子Simcenter3D设计分析一体化的平台,选择在Simcenter3D上实现仿真标准化。

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06
总结


正如大卫·里默所说:“设计满足EMI的电气系统仍然是一个反复试验的过程,该过程非常昂贵,耗时且没有设计完成日期。” 因此电磁仿真越来越被广泛应用,从毫米波电路,射频电路封装设计验证,到 PCB 板,天线设计,电子设备等等。西门子电磁仿真计算已经在众多领域的系统设计及仿真预测等方面都发挥着越来越重要的作用。