ansys电磁场分析解决方案

1自电子电气产品进入生活以来，产品设计师们就一致关心着能够满足用户各种需求的指标。对于产品性能的可靠性分析，由最初的经验预估、理论计算，发展到了如今的计算机仿真，产品设计朝着计算机实现虚拟设计、虚拟实验的必然方向前进。性能相对简单、测试成本较低的电子电气产品，可以通过原型或者简化实验完成性能评估。对于具有复杂性能和复杂结构的电子电气产品，往往要求昂贵的测试设备，较长的实验周期，并对周围的测试环境有较强的依赖性。这样条件下要完成某种产品在多种状态的性能评估，需要较高成本，并且难以满足一致性标准。而现代电子电气产品的复杂性，需要在产品设计阶段就能给出指导产品设计的原则和标准，并完成产品的优化、更新设计。计算机硬件条件的飞速发展和工程实际的市场需求，促进了计算机数值分析方法的不断进步，使计算机仿真对产品设计的指导意义愈加明显。1970年，市场的广泛需求促使了专业的仿真软件公司——ANSYS成立，并开始向用户提供在结构场、温度场、流体场和电磁场等领域的全面解决方案。复杂电子电气产品中的电磁场往往具有结构材料复杂、具有复杂的激励和边界条件等挑战，因此在工程实践和科学研究中出现了针对不同问题的分析方法：按照数学方程的不同，分为微分方程方法（代表性的如有限元FEM，时域有限差分方法FDTD等）和积分方程方法（代表性的如矩量法MOM等）；按照计算的电尺寸大小，分为高频渐近方法（物理光学方法PO，一致渐近绕射理论UTD等）和“低频”数值方法（有限元FEM，矩量法MOM）。对于复杂的电磁问题，往往单一的方法不能完全解决问题，需要多种方法，多种工具混合使用。▲完整的电磁分析技术▲独特的耦合场分析特性▲良好的易用性和统一的软件结构▲精确求解电大尺寸电磁辐射/散射问题▲系统级EMC/EMI注：电尺寸是指结构的几何尺寸与电磁波波长的比值，一般定义待分析结构尺寸大于十个波长的问题；高频渐近方法和“低频”数值方法最终都通过计算实现，区别在于高频渐近方法通过对物理现象的分析，对麦克斯韦方程组推导后，采用了相应的物理近似，因此可以处理远大于10个波长的电大尺寸问题。而“低频”方法严格根据麦克斯韦方程组进行计算，只存在数值技术上的误差，故一般情况下，只能处理电尺寸不大的高频问题。产品关键字概述电磁分析解决方案2ANSYS充分利用各种电磁计算方法的优点，发展了多个适用于不同领域的电磁分析模块，这些模块优势互补、在统一的软件界面（ANSYSPrepPost）下共同解决各种复杂的电磁分析问题。这些程序模块的相关信息如下所示：ANSYS提供的电磁产品分析对象的工作频率高低小大ANSYS提供的电磁产品及其应用领域分析对象的规模/尺度最完整的电磁分析技术产品特色最完整的电磁分析技术波导/同轴线/微带线滤波器/功分器/谐振腔电小天线辐射特性雷达散射截面积RCS微波电路和设备转接头/数字电路器件级EMC/EMI电大尺寸雷达天线辐射特性多天线系统/天线阵列载体上的天线布局/干扰/耦合大型目标雷达散射截面积RCS电磁辐射/散射的地面/水面效应同轴线/微带线/电磁屏蔽系统级EMC/EMI分析模块名称EmagEmagHF，EmaxFEKO简要描述低频电磁分析有限元法高频电磁分析矩量法及混合方法高频电磁分析计算方法有限元（FEM）边界元（BEM）有限元（FEM）矩量法(MM)快速多极子(FMM）物理光学方法(PO)一致性几何绕射理论（UTD）MM/PO/UTD多种方法混合主要特色非线性磁场场路耦合分析元器件库/高度自动化复杂介质/复杂结构计算精确，计算速度快善于处理各种电大尺寸问题主要应用领域电动机/发电机变压器/高压电器电磁开关/电磁致动电磁搅拌/电解漕感应加热/感应测试MEMS/电参数提取电磁力/力矩/发热3EMC/EMI特性是电子产品的关键指标，受多种因素影响，分析难度很大，对于整个产品系统来说尤其如此。ANSYS完整的电磁仿真技术尤其是高频精确算法和混合算法技术为系统级EMC/EMI分析提供了最完善和最有效的技术手段。电磁场分析获得的电磁力/电磁力矩、电磁发热等对电子结构的力学特性、温度分布等有直接的影响，ANSYS独具特色的多场耦合分析功能可直接将电磁分析的结果作为结构力学分析或温度场/流场分析的载荷和边界条件作进一步的分析，也可以反过来考虑结构变形、温度分布等对电子结构的电磁性能影响。这种耦合分析功能使得ANSYS电磁分析的意义得到更广泛的拓展。详情可参阅《ANSYS多物理场仿真》。ANSYS上述电磁分析模块均可由著名的ANSYS前后处理和GUI界面程序“ANSYSPrepPost”来建立分析模型，用户无需学习使用多个不同的软件界面，且该前后处理程序也通用于ANSYS多物理场分析。经历数十年发展，ANSYSPrepPost的易用性在全球广受赞扬：轻松建立复杂几何模型、智能化的网格划分、与CAD/EDA等软件良好的数据接口……，详情可参阅ANSYS相关技术文档。电大尺寸结构的电磁辐射/散射问题历来是高频电磁场分析领域的难点、也是现今电磁计算技术的发展重点。ANSYS以矩量法、快速多极子方法等为主的精确算法，以及这些算法的大规模并行计算技术，使得在现有的常用计算机条件下精确求解数十个波长甚至上百个波长的电大尺寸问题成为可能。再配上PO/UTD等高频近似技术以及MM/FMM/PO/UTD等混合计算技术，可以很好地解决现代电磁设计中的各种大型电磁仿真计算问题。梳状驱动器在静电力作用下的结构变形某弹载控制设备EMC性能分析70×50个波长的大型飞机上9付天线共同工作下的三维辐射方向图车载天线EMC性能分析独特的耦合场分析特性良好的易用性和统一的软件结构精确求解电大尺寸电磁辐射/散射问题系统级EMC/EMI电磁分析解决方案4电流传导分析■复杂导体结构中的电流分布■焦耳热生成■将计算出的分布电流作为磁场分析的激励条件在微电子封装领域，不同的封装工艺要求对各种IC引脚的焊接方式、焊点形状、材料进行电流传导模拟，并分析其周围的磁场分布情况。用电磁方法进行含杂质金属冶炼、分解、搅拌等过程中，大电流的具体分布、周围感应场的分析、能源损耗等需要进行电流传导和焦耳热生成的计算分析。金属冶炼中电流沿液流的分布高压开关管耐压分析梳齿结构静电场分析电容计算ANSYS低频电磁场分析由Emag模块完成，主要包含下列具体功能：静电场■H单元和P单元■Trefftz区域远场■开放边界■电容计算和提取■电场力计算■网格随移和重划H单元主要通过增加网格密度来提高计算精度，P方法通过自动改变单元的阶次来满足设定的计算精度要求。对于具有大纵横比的结构（典型应用领域为具有多薄层的IC和MEMS结构），使用混合有限元－边界元技术的Trefftz方法，可以实现用较少网格精确仿真静电场问题，实现对分布式电容的提取。ANSYS具备先进的静电－结构耦合功能，从而可直接耦合计算电场力－结构变形。同时，结构变形尤其是大变形后会引起电场计算模型的尺度变化，ANSYS的网格随移和重划功能为这种耦合计算的精确性提供了技术上的保障。静电场分析功能可以在高压开关、高压输电设备电子产品防击穿电子产品电容提取等领域发挥重要作用。汇流排电流传导－温度场－结构耦合分析IC电流传导分析分析功能低频电磁场分析最完整的电磁分析技术5ANSYS磁场分析功能和控制电路功能可以进行上述各种分析。在分析中，充分考虑到磁性材料的复杂性，ANSYS材料库在提供部分标准材料特性的基础上，允许用户输入特殊非线性材料曲线，并保存供下次分析调用。在三维矢量问题中，针对铁磁材料和永磁材料的连通情况，提供了基于不同简化方法的差分标量位方法（DSP）、减缩标量位方法（RSP）和通用标量位方法（GSP），在相同分析精度的情况下，提高了分析速度。对于需要更高精度的分析计算时，除了采用基于节点的方法以外，还提供基于棱边元的方法，可以更为准确地处理诸如复杂形状电流加载等问题。对采用绞线圈的加载情况，还提供绞线圈单元，通过说明实常数来描述不同的线圈形式。对于电机等分析对象中含用导条等块导体的情况，采用块导体单元进行模拟。对于运动部件切割磁力线产生的反电动势，可以通过设置单元的速度效应属性来进行控制。根据分析和工程实际的要求，提供基于电流和电压的加载方式，还可以根据复杂的控制电路，耦合加载点到二维或三维有限元区域，进行多相、多电路单元的控制电路加载。磁场求解后，可以在后处理中得到使用麦克斯韦方法和虚功方法计算的电磁力和力矩；可以计算绞线圈等部件的线圈电阻、电感和磁链，可以得到不同部件的储能及共能（非线性材料饱和会导致共能几倍于储能）；可以生成直接耦合到结构和温度场分析的力和焦耳热；并得到感生电流的分布和涡流损耗、线圈损耗等。专用机电式驱动电机矩角特性分析在高电压、大电流等操作人员难以到达的控制平台中，以及自动控制发展的需要，往往采用电磁铁等继电设备开关，需要进行电磁力等分析。在电机领域，需要根据永磁体、静态、交流等不同加载分析电机的力矩特性、材料饱和、极齿形状等对电机性能的影响，也需要根据控制电路，对电机运行情况进行分析，并给出静止、启动和运行状态下的各种指标。静磁场和低频交流、瞬态磁场分析电机磁力线和磁密分布磁悬浮装置的磁场分析■基于节点解的二维和三维矢量位方法■基于棱边元的三维矢量位方法■针对不同连通域和材料组成的三维标量位方法（DSP、RSP、GSP方法）■线性材料和非线性材料（程序自带/用户输入）■谐波分析和时变瞬态激励分析■绞线圈和块导体■速度效应■电流和电压激励■麦克斯韦方法与虚功方法计算电磁力和力矩■线圈电阻、电感和磁链■储能及共能■感生电流分布、涡流，启动电流■功耗（铜损、铁损）电解槽电流传导和磁场分析电磁分析解决方案6■类似SPICE模式的电路单元■电阻、电容、电感、二极管等各种元器件■电压和电流源（含受控源）■机电耦合单元■鼠标点击的电路创建工具■任意复杂放置模拟电路■与有限元区域的绞线圈和块导体耦合■静态、谐波和瞬态分析变压器场路耦合分析通常，诸如电机、变压器、电磁开关等分析对象的场特性是与其外部连接电路相关的，有限元分析时需要考虑电路的一体化建模和分析。ANSYS提供类似SPICE模式的电路建模方式，模拟包括电阻、电容、电感、独立源、受控源在内的线性电路和包含二极管、齐纳二极管在内的非线性电路。ANSYS自带的电路创建工具可以通过图形化的电路示意图，协助用户方便的建立电路分析模型，直接对有限元场分析区域施加电压、电流等激励载荷，真正实现电路和有限元区电磁场分析的耦合。由于基于计算机仿真，因此各个元器件可以任意放置，计算机自动判别其串连、并联形式，并通过计算得到各个节点的电压、电流值。在ANSYS中通过节点耦合，可以实现电路与包含了非线性材料在内的绞线圈和块导体有限元区域的耦合。另外，ANSYS电路分析还支持独特的机－电转换单元（传感器TRANS126单元），该单元能在电场－结构场之间进行能量转换和储存，为机电系统的电路分析提供独一无二的模拟手段。ANSYS还可通过结构分析提取出机电结构（尤其是MEMS系统）中相关部件的凝聚模型（力学响应特性），用一个单元代替（ROM144单元），以方便快捷地进行系统的电磁－结构耦合分析。电路分析和“电磁场－电路耦合（场路耦合）”分析在进行电场和磁场分析后，ANSYS可以实现对带有一定电荷、质量和初速度的粒子的运动轨迹进行跟踪。综上，ANSYS提供了一整套用于静态、交流、瞬态低频电磁场分析的完整工具，可以用于静电场、静磁场、电磁场、电路、电流传导等各种分析领域，可以计算各种电磁结构的电磁力、力矩、电感、电阻、电容和焦耳热、场泄漏、饱和、电场强度、磁场强度等各种关心的参数。■静电场和静磁场分析中的带电粒子轨迹■用户自定义单元、文件、宏命令、子程序■ANSYS参数化设计语言(APDL)■并行处理■优化设计和灵敏度分析■随机有限元分析（概率设计）■……粒子跟踪和其他三相交流感应电机场路耦合分析采用凝聚模式进行电磁－结构耦合分析场致发射器中的粒子轨迹最完整的电磁分析技术7在多种多样的高频电磁求解技术中，有限元方法（FEM）的优势在于：可