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什麼是電氣系統仿真?

目前,電氣工程界正快速習慣於借助仿真的力量來設計電氣系統、組件及設備。要設計和優化這些系統及組件,往往需要能夠較好地理解和評估將對其產生影響的靜態、低頻或高頻電磁現象。這可能是針對大尺度,例如從一個城市到另一個城市的輸電線路,也可能僅是針對半導體二極管的納米尺度。仿真使設計者能夠在統一的環境中考慮這些變量,縮短了這些電氣系統的上市時間。

AC/DC 電磁場

電氣設備具有各種各樣的形狀和尺寸,常用於連接和關聯電氣系統中的其他各種設備,包括電感器、電容器、線圈、電機,以及絕緣材料等。為了描述這些設備的性能,例如電感、電容、電抗、力、扭矩,以及阻抗等,必須對其中的很多參數進行測量和優化。為此,我們需要模擬單個設備在低頻下的電場、磁場和電磁場,並將這些結果與系統或電路內的其他設備相連接。很多情況下,我們還需要在這些仿真中加入並考慮BH 曲線和其他材料非線性。

Enhancing Transmission Line Performance: Using Simulation to Optimize Design

用戶專案

提高輸電線路的性能

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Transformers are electrical components that are used for power transmission

用戶專案

E 型磁芯變壓器:模擬了多匝單相變壓器

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Selector Assembly Mechanism

用戶專案

電介質應力仿真幫助ABB 改進了智能電網分接開關的設計

ABB Alamo

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靜電場和靜磁場

通過模擬導體、絕緣體和磁體內及周圍的靜電場和靜磁場,我們能夠描述這些設備。這些應用中的載流介質可厚可薄,往往需要特殊的仿真技巧才能獲得精確結果,例如針對直流電的薄殼公式等。此外,優化電磁兼容(EMC) 和電磁干擾(EMI)類設備時,電磁屏蔽是另一個需要考慮的重要現象。

Reclosers are an integral part of our power grid, and with the help of modeling, a group of engineers discovered how to improve the development process for this crucial component

用戶專案

如何通過自動重合閘保證穩定的供電:磁場設計是關鍵

ABB 集團

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Passive shielding for a perpendicular Linac MR orientation (magnetic field lines perpendicular to electron trajectories).

用戶專案

MRI - 通過追蹤腫瘤治療癌症

交叉癌症研究所

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Magnetic Signature of a Submarine

專案模型

潛艇的磁信號:使用磁屏蔽特徵模擬了潛艇在地球磁場中的磁信號。

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焦耳熱和感應熱

當電氣系統中有電流傳過時,就會發熱。嚮導體中直接通入電流就會產生焦耳熱,設備在電磁場中感應出的渦電流會產生感應熱。焦耳熱和感應熱可以帶來正面或負面的影響,但在所有情況下,我們都應藉助仿真來理解這些效應,並據此調整設計。溫度變化可能會改變材料的電導率;而熱應力則可能導致材料變形和破壞。

Current Transformer Design That Combines Finite Element Analysis and Electric Circuit Simulation

用戶專案

耦合了有限元分析與電路仿真的交流變壓器設計

ABB 集團

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 Setup of a test campaign performed by staff scientists Werner Klose (left) and Mikhail Tolstykh (right). Because the stovetop has been removed, you can see the internal workings of the stove

用戶專案

多物理場仿真幫助Miele 優化電磁爐設計

德國美諾

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Multiphysics Simulation Helps Miele to Optimize Induction Stove Designs

用戶專案

極端環境下電子封裝的創新設計

APEI

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  The thermo–fluid dynamics simulation of the new design

用戶專案

仿真使下一代電力變壓器和並聯電抗器成為可能

西門子

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微波和RF 工程

對於RF 和微波類設備,例如波導、天線、濾波器,以及腔體等,需要通過求解電磁波傳播的Maxwell 方程來精確模擬其諧振行為。要模擬這類系統,通常需要結合使用離散方案中的專用單元、合適的預條件器算法,以及直接或迭代式求解器,因此計算量極大。在某些情況下,可以利用多核計算機的並行運算來模擬大型模型或運行頻率掃描,以計算各種屬性,例如S 參數、功率耗散、透射率、反射率、阻抗,以及電磁場分佈等。

Picking the Pattern for a Stealth Antenna

用戶專案

找出隱形天線的模式

Altran

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Analysis of Spiral Resonator Filters

用戶專案

由粒子造成的電磁波散射

AltaSim Technologies

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A 100-Fold Improvement in Lithography Resolution Realized with a 150-Year-Old “Perfect Imaging” System

用戶專案

150 年前製造的“完美成像”系統的光刻解析度提高了100 倍

西班牙馬德里理工大學

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Wilkinson Power Divider

用戶專案

Wikinson 功率分配器:案例顯示了對Wikinson 功率分配器的仿真,其性能遠高於無損型T - 接頭和電阻分配器。

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光學和光子學

對於高頻電磁波在遠大於波長的大型狹長結構中的傳播現象,模擬難度通常很高。這類器件常見於各類光學和光子學應用,有時甚至需要考慮材料的各向異性,非線性和超材料介質等等。要精確、穩健地模擬這類系統,例如光纖、雙向耦合器、等離激元器件和激光束等,往往需要使用特殊的方法來離散Maxwell 方程,從而計算完整的透射和反射特性。

Intensity of the electric field around a single silver sphere with a radius of 20 nm illuminated by a plane wave incident from the top

用戶專案

表徵納米諧振器的新工具

法國波爾多大學奈米實驗室

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Simulation of the energy harvester, showing von Mises stress.

用戶專案

通過仿真滿足高速通信中的能量需求

貝爾實驗室

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

專案模型

光束自聚焦:非線性光學材料的折射率會隨光束的強度變化,並使光束產生自聚焦。

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射線光學

當電磁波在比波長大幾個量級的系統中傳播時,可以使用射線追踪方法高效模擬。射線既可以直線傳播通過均勻介質,在邊界處發生反射及折射;或沿漸變介質中的彎曲路徑傳播。在射線的傳播中,常常需要分析射線強度、極化和相位的變化。在高能激光應用中,能夠精確處理射線在吸收介質中的衰減、以及周圍域中的溫度變化和結構變形非常重要。

Wavelength separation on the CCD detector.

專案模型

Czerny-Turner 單色儀結合反光鏡與衍射光柵將多色光分解成單色光分量,每一束射線均在探測器的不同點發生聚焦。

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Ray trajectories and surface temperature for the 3 kW source case.

專案模型

在本激光系統模型中,高能射線聚焦至目標處。隨著射線經過透鏡,熱膨脹和溫度導致折射率改變,使光束的聚焦點偏離目標。

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

專案模型

Vdara® 酒店模型對焦散面進行了探討。在一年中特定日期內每天的特定時間段,太陽輻射會被酒店的曲面發射,並在游泳池旁的某些位置發生聚焦。

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RF和微波加熱

RF 和微波組件中的電能損耗必將造成發熱,這一特性可應用於微波爐和醫療類設備。另一方面,從環境中吸收的熱可能會影響這類設備中的電磁屬性,設備包括波導、天線,以及濾波器等。因此,需要在生產和部署這種設備之前綜合考慮以上所有特徵。通常情況下,這類問題的仿真需要同時求解頻域中的電磁波行為,以及穩態或瞬態下的傳熱方程。

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.

用戶專案

加倍電子束強度- 費米國家加速器取得更多發現的良機

費米國家加速器實驗室(FNAL)

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MEMS 和壓電器件

微機電系統(MEMS)和壓電器件的仿真常常需要同時分析器件中的電學和力學屬性。執行器、傳感器、陀螺儀,以及諧振器僅是眾多微米和納米尺度組件中的幾類,模擬這類器件時,研究人員不僅要耦合這兩種現象,還需要額外考慮其他一些現象,例如薄膜氣體阻尼,固體和壓電材料的各向異性損耗因子,錨阻尼,以及熱彈性阻尼等等。因此,需要一些高級技巧來進行穩態和瞬態域仿真,以及執行全耦合的特徵頻率,準靜態,以及頻率響應分析。訪問MEMS和壓電器件的設計&仿真,了解更多MEMS模型及用戶故事。

Intensity of the electric field around a single silver sphere with a radius of 20 nm illuminated by a plane wave incident from the top

用戶專案

仿真優化了汽車輪胎所用的壓電能量採集器

西門子

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 Superimposed images of material displacements for simulations conducted at multiple orientations, corresponding to orientations of fabricated devices.

用戶專案

針對聲流現象深入理解壓電材料

紐約州立大學奧爾巴尼分校和半導體製造技術聯盟

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半導體仿真

要在基本原理級別上模擬半導體器件,例如MOSFET 和MESFET、肖特基二極管,以及PN 結等,就需要求解漂移-擴散方程,以模擬電子和空穴的傳遞。為此,您經常需要使用遷移率模型來描述半導體材料中載流子的分散。多物理場效應通常會影響半導體的性能,例如製造完成後的殘餘熱應力,以及器件工作時的發熱等。這些都會影響半導體中的遷移和傳遞屬性,因此應在模型中考慮。

This model calculates the DC characteristics of a simple MOSFET.

專案模型

MOSFET 晶體管:本示例計算了MOSFET 的閾值電壓,並識別出了器件的線性區域和飽和區域。

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This model calculates the DC characteristics of a simple MOSFET.

專案模型

GaN 基LED:將發射強度、光譜和能效作為電流的函數進行計算,得到LED 的最佳工作條件。

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

專案模型

雙極場效應管:計算了共發射配置下雙極場效應管中的輸出電流-電壓特徵,以及共發射極的電流增益。

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等離子體物理現象

低溫等離子體源和系統具有高度非線性特點,化學或電學輸入上的細微擾動都可能導致放電特徵的極大變化。對它們進行模擬需要綜合考慮流體動力學、化學反應工程、物理動力學、傳熱和傳質,以及電磁場的影響。考慮等離子體物理中耦合的物理場是模擬直流放電、感應耦合等離子體和微波等離子體的唯一手段。

Dielectric Barrier Discharge

專案模型

介質阻擋放電:本模型模擬了介質阻擋放電(DBD) 的電氣特徵,兩塊介電板平行放置,一塊接地,並向另一塊施加一個正弦電壓,它們之間會周期性產生等離子體。

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In-Plane Microwave Plasma

專案模型

面內微波等離子體:本示例中,微波被導入反應器內,並產生了氬等離子體,等離子體吸收微波,從而維持放電過程。

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GEC ICP Reactor, Argon Chemistry

專案模型

GEC ICP 反應器:本模型研究了氣態電子會議(GEC) 氬化學參考池中的電氣特徵。

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