電磁電路耦合的案例
電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
01
案例背景
電磁爐是日常生活中常見的家用電器，它是利用電磁感應原理對食物進行加熱，電磁爐的托盤是陶瓷材料，交變電流在線圈中的產生磁場，電磁爐鍋底放到托盤上，鍋體底部切割磁力線產生渦流，從而使鍋體本身發熱，用來加熱食物。
本案例采用INTESIM-Multiphysics分析軟件，對電磁爐物體加熱模型進行電磁-熱耦合分析，首先建立渦流場分析，利用軟件的耦合模塊，模擬電磁生熱到熱場的物理量傳遞過程，查看整體的溫度分布，最終得到電磁爐渦流場生熱過程的溫度分布，及被加熱物體的溫升。
02
案例功能特點
案例所屬物理場：多物理場INTESIM-Multiphysics
案例功能：渦流分析、電磁-熱耦合、非匹配網格映射插值
分析類型：諧態分析、穩態分析
03
案例分析
網格模型
電磁爐有限元模型如圖1所示，電磁場網格與溫度場網格是兩套不同的網格，電磁場網格采用高階四面體單元，溫度場網格采用低階四面體單元，有限元模型如圖2所示。
展開 耦合在電路中的作用是什么？為什么需要耦合？
（篇幅限制，只展示3個課程）
復制這段話到TaoBao打開即可見↓
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我們在學習和生活中經常會遇見能量的相互傳送問題，其實在電路中，能量也是需要被相互傳送的，這里要提到“耦合”的概念。
耦合是指把能量從一個電路傳送另外一個電路中去，耦合在模擬電路和數字電路中非常常見，微弱的信號可以耦合到放大電路進行放大，經過放大的信號同樣可以通過耦合進行輸出。
耦合是兩個功能電路的連接橋梁，可以實現信號和能量的傳遞。常見的耦合電路有直接耦合電路、電容耦合電路、光電耦合電路和變壓器耦合電路。
下面通過一些實例，來跟大家一起探討下耦合在電路中的作用。
展開 繼電器型電磁抱閘制動控制電路
繼電器型電磁抱閘制動控制電路
電路工作原理：
啟動控制：按下按鈕SB1--接觸器吸合--電動機通電運行--松開按鈕接觸器自鎖（接觸器吸合同時電磁制動器YB線圈得電--YB產生磁場吸引銜鐵--拉動閘瓦--閘瓦與閘輪脫離電機正常運行）
制動控制：按下按鈕SB2--接觸器與閘瓦同時斷電--電機停止運行同時制動器YB拉桿下拉閘瓦緊密解除閘輪
先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
Anand答復說： “RaptorH桌面對當前RaptorX和HFSS用戶而言并不陌生，3D設計幾何結構和電磁場可視化解決方案使用了現有的Ansys桌面界面。”
Anand繼續說道： “S參數和電路網表模型都已提供。特別值得注意的是，該分析是在LVS之前開展的，而設計仍在進行中。”
我問道：“對于一般電磁分析，HFSS通常需要掌握大量的控制專業知識。例如，模型端口的定義和布局。在RaptorH中又該如何管理呢？”
Anand答復道： “RaptorH流程以芯片為中心的特性意味著我們需要為芯片設計人員提供一個熟悉的環境。我們不需要支持自由空間電磁、波導、天線等等，所有金屬生而平等。設計人員設置電路端口如同在實驗室中放置端口。”
我問道：“這些2.5D和3D封裝模型數據庫可能非常龐大。RaptorH工具的性能如何？”
Yorgos回答說： “RaptorH旨在為電磁分析呈現完整版圖，無需修剪數據通道，希望采樣的拓撲能夠表示完整接口。該工具能夠快速分析設計尺寸、端口和技術文件堆疊數據，以提供所需的計算資源指南。算法分析只占用總計算時間的一小部分，電磁模型生成是高度并行化的。對于極大型問題，RaptorH可利用多處理云資源，在使用多個處理器時實現出色的加速性能。”
如果您正在尋求一款2.5D/3D封裝解決方案，精確的信號和電源分配模型提取是絕對必要的，也歡迎您深入研究Ansys RaptorH解決方案的獨特功能。
來源于：ANSYS
展開 
先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
Yorgos答復道： “Ansys HFSS是電磁分析的黃金標準，其應用范圍從無線傳播一直延伸到PCB級信號與電源完整性仿真。上一代產品RaptorX則重點關注片上結構的寄生計算，例如螺旋電感、電源網格、芯片上MIM去耦電容器。我們已將HFSS和RaptorX整合到RaptorH中，兩種引擎集成在一起。這樣設計人員能便捷地發揮這兩種算法的優勢，該工具將最佳方法應用到模型的每個單元。”
Anand補充道： “RaptorH產品研發中有幾個不可或缺的考量因素。以芯片為中心的設計環境是這些2.5D和3D封裝的基礎，GDS-II或OASIS數據可表達設計。技術文件堆疊定義使用了代工廠提供的工藝說明，所有層和維度信息都是加密的，工藝角定義使用了與傳統芯片環境相同的定義。”
我問道：“Yorgos重點強調易用性，那么易用性對產品研發有什么影響呢？”
Anand答復說： “RaptorH桌面對當前RaptorX和HFSS用戶而言并不陌生，3D設計幾何結構和電磁場可視化解決方案使用了現有的Ansys桌面界面。”
Anand繼續說道： “S參數和電路網表模型都已提供。特別值得注意的是，該分析是在LVS之前開展的，而設計仍在進行中。”
我問道：“對于一般電磁分析，HFSS通常需要掌握大量的控制專業知識。例如，模型端口的定義和布局。在RaptorH中又該如何管理呢？”
Anand答復道： “RaptorH流程以芯片為中心的特性意味著我們需要為芯片設計人員提供一個熟悉的環境。我們不需要支持自由空間電磁、波導、天線等等，所有金屬生而平等。設計人員設置電路端口如同在實驗室中放置端口。”
我問道：“這些2.5D和3D封裝模型數據庫可能非常龐大。RaptorH工具的性能如何？”
展開 先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
Yorgos答復道： “Ansys HFSS是電磁分析的黃金標準，其應用范圍從無線傳播一直延伸到PCB級信號與電源完整性仿真。上一代產品RaptorX則重點關注片上結構的寄生計算，例如螺旋電感、電源網格、芯片上MIM去耦電容器。我們已將HFSS和RaptorX整合到RaptorH中，兩種引擎集成在一起。這樣設計人員能便捷地發揮這兩種算法的優勢，該工具將最佳方法應用到模型的每個單元。”
Anand補充道： “RaptorH產品研發中有幾個不可或缺的考量因素。以芯片為中心的設計環境是這些2.5D和3D封裝的基礎，GDS-II或OASIS數據可表達設計。技術文件堆疊定義使用了代工廠提供的工藝說明，所有層和維度信息都是加密的，工藝角定義使用了與傳統芯片環境相同的定義。”
我問道：“Yorgos重點強調易用性，那么易用性對產品研發有什么影響呢？”
Anand答復說： “RaptorH桌面對當前RaptorX和HFSS用戶而言并不陌生，3D設計幾何結構和電磁場可視化解決方案使用了現有的Ansys桌面界面。”
Anand繼續說道： “S參數和電路網表模型都已提供。特別值得注意的是，該分析是在LVS之前開展的，而設計仍在進行中。”
我問道：“對于一般電磁分析，HFSS通常需要掌握大量的控制專業知識。例如，模型端口的定義和布局。在RaptorH中又該如何管理呢？”
Anand答復道： “RaptorH流程以芯片為中心的特性意味著我們需要為芯片設計人員提供一個熟悉的環境。我們不需要支持自由空間電磁、波導、天線等等，所有金屬生而平等。設計人員設置電路端口如同在實驗室中放置端口。”
展開 comsol三維電磁攪拌，熱-電磁-流體耦合 ￥100
<p>此<a href="https://www.yqgqt.org.cn/service/PlanarTransformer" rel="noopener noreferrer" target="_blank">電磁</a>攪拌模型為clem式電磁攪拌裝置，實現固體<a href="https://www.yqgqt.org.cn/qa/2756" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流體</a>傳熱，<a href="https://www.yqgqt.org.cn/qa/2756" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流體</a>流動和電磁場全耦合，下圖為<a href="https://www.yqgqt.org.cn/qa/2756" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流體</a>攪拌效果的切面圖。
展開 電磁爐加熱水—電磁 熱 結構耦合分析
電磁爐加熱水—電磁 熱 結構耦合分析
ANSYS作為一個強大的耦合場分析軟件，其多個場的模擬分析可以很好的結合，下面以電磁爐加熱一碗水為例，模擬耦合場的經典應用.
注意：模擬中用到的分析數據包括電磁線圈頻率、電流、線圈圈數、導線面積、電流密度、材料參數和散熱系數等相關分析均為假設數據，真實數據請查閱相關資料或根據產品性能添加。
實例介紹：
電磁爐是應用電磁感應原理對食品進行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板，交變電流通過陶瓷板下方的線圈產生磁場，它利用高頻的電流通過環形線圈，從而產生無數封閉磁場力，當磁場那磁力線通過導磁（如：鐵質鍋）的底部，會產生無數小渦流（一種交變電流，家用電磁爐使用的是15-30KHZ的高
頻電流），使鍋體本生自行高速發熱，達到加熱食品的目的。
1.分析模型介紹
模型建立為一個底部圓環模擬線圈，其上一個平板模擬陶瓷板，其上鐵碗，碗中半碗水，為了便于網格劃分和后續的分析，將模型分割為對稱的4個部分如圖3所示.
2.分析過程
在Workbench中建立耦合場的分析流程，使用Magnetostatic建立磁場分析模塊，使用瞬態熱分析模塊讀取磁場分析的功耗，查看水升溫的時間，建立結構分析模塊讀取熱分析的溫度分布，來獲取結構相關的結果。
展開 仿真案例｜三維電磁仿真的整合封裝和PCB電路板仿真
翻譯：上海安世亞太
前言
多年來，設計人員一直在仿真中考慮封裝寄生效應package parasitics 的影響，從使用簡單的一階模型（如理想電感+電阻）到更復雜的spice梯形網絡，最后到使用三維電磁仿真器充分提取封裝的s參數。對于封裝加PCB通道，目前最常用的方法是將封裝和電路板作為s參數或寬帶SPICE模型獨立地提取出來，并在電路仿真器中結合這兩種模型。但由于工作頻率高、信號速度快、集成器件復雜等因素，這種方法的局限性越來越大。
封裝與PCB（或封裝與電路）之間的耦合對性能有著不可忽視的影響。實現復雜封裝和PCB，或封裝和電路的仿真有幾個挑戰:電磁求解器的容量和精度，自動化，易用性，可接受的仿真時間。
PCB和封裝設計人員深知在更高層次的系統仿真中，提取其精確的設計模型是多么重要。采用三維全波電磁仿真和自動自適應網格劃分方案，可提供提取全波s參數模型所需的精度水平。然而，設計人員在嘗試使用三維電磁仿真來解決復雜的設計時面臨著一些挑戰，如圖1所示。電路板和封裝器件通常采用電子設計自動化（EDA）工具進行設計，需要引入到三維電磁仿真工具中。這些設計包括多個介質層、電源和接地層、信號層、大量過孔（與焊盤定義相關）和鍵合線。
第一個挑戰是從EDA工具中導入數據庫，但不包括應用于設計的手動修改，但要保留跟蹤、焊盤、焊線、網絡和引腳的數據庫信息。導入幾何體后，其他仿真模擬設置（例如，端口定義）需要易于使用，避免耗時的工程工作，并為非專業用戶提供可訪問性。最后，三維電磁仿真工具需要強大的網格、求解器和高性能計算功能，以將仿真時間縮短到可接受的水平，同時提供準確度。本文詳細介紹了一種用ANSYS?HFSS?3D Layout進行整合了封裝和PCB電路板的三維電磁仿真的新流程。
圖1.
展開 干貨 | buck穩壓器如何降低電磁干擾和節省電路板空間
保證高效和緊湊的設計同時遵守國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 等組織提出的嚴格電磁干擾 (EMI) 要求是一項挑戰。因此，元件的選擇成為了設計過程的關鍵。與大多數設計決策一樣，在不同組件之間進行選擇幾乎總是歸結為基于您最關鍵設計目標的權衡評估。以高效及良好的熱性能著稱的buck穩壓器，通常不被視為降低電磁干擾候選項。幸運的是，您有多種選擇來降低此類穩壓器產生的EMI。幸運的是，仍然有多種措施用以減少這類穩壓器所帶來的電磁干擾。圖1為buck穩壓器的示意圖。
圖1. Buck穩壓器示意圖
電路板布局注意事項
當設計必須符合EMI要求時，除了選擇適當的無源元件值以確保功能設計之外，電路板布局應該是進行設計時需要考慮的首要因素。有兩個buck穩壓器電路板布局通用規則可將電磁干擾降至最低：
使輸入電容器和自舉電容器盡可能地靠近集成電路的VIN和GND引腳，以最大限度地減少高瞬態電流 (di/dt) 環路面積；
通過最小化開關節點的面積來最小化高瞬態電壓 (dv/dt) 節點的表面積。
集成輸入電容器
在EMI要求限制之下進行開關穩壓器的設計時，減小高瞬態電流環路的面積非常重要。在buck穩壓器中，需要從EMI的角度考慮輸入電壓對地環路。buck穩壓器通過開啟和關閉與電源的開關器件將較高的直流電壓降為較低的電壓，從而在高壓側產生MOSFET電流，如圖 2 所示。
圖2. Buck穩壓器作用下的輸入電流變化
MOSFET快速開啟和關閉，產生由輸入電容器提供的非常尖銳且幾乎不連續的電流。
展開 電磁爐加熱水分析—電磁 熱 結構耦合分析
ANSYS作為一個強大的耦合場分析軟件，其多個場的模擬分析可以很好的結合，下面以電磁爐加熱一碗水為例，模擬耦合場的經典應用.
注意：模擬中用到的分析數據包括電磁線圈頻率、電流、線圈圈數、導線面積、電流密度、材料參數和散熱系數等相關分析均為假設數據，真實數據請查閱相關資料或根據產品性能添加。
實例介紹：
電磁爐是應用電磁感應原理對食品進行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板，交變電流通過陶瓷板下方的線圈產生磁場，它利用高頻的電流通過環形線圈，從而產生無數封閉磁場力，當磁場那磁力線通過導磁（如：鐵質鍋）的底部，會產生無數小渦流（一種交變電流，家用電磁爐使用的是15-30KHZ的高 頻電流），使鍋體本生自行高速發熱，達到加熱食品的目的。
圖2 電磁爐加熱基本原理
1.分析模型介紹
模型建立為一個底部圓環模擬線圈，其上一個平板模擬陶瓷板，其上鐵碗，碗中半碗水，為了便于網格劃分和后續的分析，將模型分割為對稱的4個部分如圖3所示.
2.分析過程
在Workbench中建立耦合場的分析流程，使用Magnetostatic建立磁場分析模塊，使用瞬態熱分析模塊讀取磁場分析的功耗，查看水升溫的時間，建立結構分析模塊讀取熱分析的溫度分布，來獲取結構相關的結果。
2.1電磁場分析
底板線圈使用電流密度添加電流模擬線圈電流，這樣在線圈上不會產生渦流效應導致的電流分布不均勻現象，其值為 I=單根導線電流*線圈圈數/線圈截面積，由于線圈為高頻交流電，根據電磁理論在碗底的鐵質體上產生渦流，靠渦流生成的電流來加熱碗底，并可以讀取相應的熱生成功率。
展開 
電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
電磁閥額定電壓為27V DC，額定工作壓力為10MPa，線圈匝數為2500匝，線圈電阻為55Ω。
電磁閥零件名稱及材料
多物理場耦合計算分析流程
ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。并可將壓力分布和噴油燃料和電磁閥結構的之間的換熱系數導入ANSYS Mechanical作為邊界條件進行電磁閥的結構力學分析。另外，ANSYS Fluent計算的壓力結果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計算。
整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：
Workbench多物理場耦合仿真流程
根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：
因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。
所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖
線圈繞組焦耳損耗分布
Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical
然后進行流體分析計算。
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
電磁閥零件名稱及材料
多物理場耦合計算分析流程
ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。并可將壓力分布和噴油燃料和電磁閥結構的之間的換熱系數導入ANSYS Mechanical作為邊界條件進行電磁閥的結構力學分析。另外，ANSYS Fluent計算的壓力結果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計算。
整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：
Workbench多物理場耦合仿真流程
根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：
因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。
所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖
線圈繞組焦耳損耗分布
Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical
然后進行流體分析計算。本案例中的原始CAD模型只包含了固體區域，比如活門，彈簧，銜鐵，墊圈，頂桿等，做CFD仿真分析需要事先將流體域（通流域）抽出來，并設定相應的邊界條件。
展開 軌道電磁炮技術的多場耦合仿真----電熱 結構 溫度耦合
軌道電磁炮技術的多場耦合及溫度仿真
作者：范文哲（fwz0703@163.com，公眾號：CAE_ANSYS)
電磁炮是利用電磁發射技術制成的一種先進動能殺傷武器。與傳統大炮將燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場產生的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標所需的動能，與傳統的化學推動的大炮相比，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。
2007年1月16日，美國海軍研究辦公室剪彩用一門90毫米口徑的試驗型電磁炮發射1發高速炮彈穿透了儀式彩帶。這發炮彈在炮口的初始動能達到7.4兆焦，初速度達每秒2146米；2008年，美國海軍測試的電磁炮樣炮的動能達到10.64兆焦，初速達到每秒2520米；2010年12月，美國海軍的電磁炮測試中，一門測試的電磁炮取得了33兆焦的最大動能，創下了已經公開的電磁炮的世界紀錄。
電磁炮的基本原理如圖所示，利用兩根通電平行金屬軌道產生的電磁力來推動無裝藥炮彈射擊.
炮彈的出口速度理論上最大可達到7馬赫，射程最遠超過400公里，目前多國海軍都在積極發展電磁軌道炮，電磁炮是用電磁系統中的電磁場所產生的洛倫茲力來推動炮彈發射。理論上，只要足夠的電力，足夠的線圈，足夠硬度和熔點的材料，電磁炮的威力就沒有極限。但是由于炮彈后面部分必須為導體，傳遞導軌兩側的電流，電流過大導致導軌發熱嚴重，兩次發射必須有足夠的時間間隔，以降溫和為電容充電，準備下一次的發射。
展開 Ansys RaptorH憑2.5D/3D集成電路和系統領域抗電磁效應獲三星Foundry認證
Ansys與三星的深入合作將加速AI、高性能計算和5G半導體設計的2.5D/3D IC驗證
Ansys? RaptorH?電磁（EM）仿真解決方案已通過三星Foundry的認證，該解決方案用于研發高級片上系統（SoC）和2.5維/三維集成電路（2.5D/3D-IC）。此次認證使得Ansys能夠幫助三星設計人員及三星Foundry客戶在采用三星新的簽核流程時更準確地分析并降低電磁效應帶來的風險，從而大幅加速先進人工智能（AI）、高性能計算（HPC）以及5G半導體設計的發展。
三星的一系列高級納米硅和2.5D/3D-IC技術需要一種驗證電磁干擾的簽核方法，避免其影響到復雜的多芯片裝配體，而傳統工具在設計上難以滿足這一要求。工程師需要高容量電磁分析工具來準確建模超大型SoC和2.5D/3D裝配體的信號完整性，這些裝配體能以極高的數據速率處理信號。2.5D/3D-IC中信號之間難以量化的相互作用是關鍵故障點，限制了新技術的推廣。
將Ansys? HFSS?的高保真度高頻電磁求解器與Ansys? RaptorX?的高速魯棒性架構結合之后，RaptorH高度集成的分析解決方案有助于三星設計師對電磁現象建模，提高其2.5D/3D芯片裝配體中的頻率，同時確保寄生效應不會影響系統。這將推動這些新型封裝技術更快地進入主流生產，并大幅降低風險。
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