+31 88 115 2000 info@demcon-bunova.nl

Electromagnetische simulaties

De interactie tussen elektrische en magnetische velden in de natuur is essentieel voor het functioneren van vele types apparaten, van bijvoorbeeld antennes tot electromotors. Maxwell’s vergelijkingen beschrijven het gedrag van deze velden en kunnen opgelost worden met finite element analyisis tools. Zulke simulaties zijn waardevol omdat ze kunnen zorgen voor inzicht in het functioneren van een systeem, of voor nauwkeurige specificatie of validatie van een ontwerp. Bij het optimaliseren van een ontwerp is simulatie bijna onmisbaar. DEMCON Bunova kan voorzien in de theoretische expertise en simulatie-skills die nodig zijn bij elektromagnetische engineering problemen. Enkele voor de hand liggende voorbeelden zijn:

  • Electromotoren en actuatoren
  • Inductieve, capacitieve en resistieve systemen
  • Magnetische afscherming
  • Magnetische circuits
  • Supergeleidende systemen

Bij het opzetten van een simulatie is het essentieel dat alle relevante effecten worden meegenomen, maar het is ook belangrijk dat het model niet onnodig complex wordt. Vaak spenderen engineers maar een gedeelte van hun tijd aan FEM simulaties. Daardoor kunnen complexe simulaties uitdagend en tijdrovend zijn, of zelfs onhandelbaar. Ook kunnen de resultaten onbetrouwbaar blijken. Wij hebben jarenlange ervaring, toegewijd aan het bouwen van simulaties en het helpen van onze klanten om hun problemen op te lossen. Dat betekent dat we op een efficiente en betrouwbare manier om kunnen gaan met complexe vraagstukken.

Multiphysics – thermisch

De meest voor-de-hand-liggende multiphysics koppeling met elektromagnetisme, is warmtetransport. In veel gevallen is warmtetransport bepalend bij het vaststellen van beperkingen van een systeem, bijvoorbeeld de maximale stroom die door een spoel gestuurd kan worden. Een aantal gerelateerde onderwerpen zijn:

  • Inductieverhitting
  • Joule verwarming in resistieve systemen
  • Thermische analyse van spoelen

Bij het modelleren van inductieverwarming is het essentieel om warmtetransport via straling mee te nemen. Daarbij zullen er temperatuursafhankelijke materiaaleigenschappen zijn, wat dit system sterk gekoppeld en sterk niet-lineair maakt. Hetzelfde is waar voor Joule heaters die bij hoge temperaturen werken.

Het plaatje links is van een resistieve verwarmingselement die gebruikt wordt in een pulsed laser deposition (PLD) apparaat. Warmte onstaat via het Joule-effect in een verwarmingselement dat met stralingsschilden is afgeschermd. Straling is het meest belangrijke mechanisme voor warmtetransport hier (vanwege hoge temperatuur en vacuum condities). The technische uitdaging is om de temperatuur in de wafer zo homogeen mogelijk te krijgen en het apparaat goed te laten functioneren bij erg hoge temperaturen.

Een ander voorbeeld is de thermische analyse van een spoel. In een spoel zitten vele koperen windingen die de warmte goed geleiden langs de lengterichting van de draad. In de andere richtingen moet de warmte door de potting diffuseren. Het is niet triviaal om dit anisotrope effect mee te nemen. Als we dit combineren met het elektromagnetische probleem met een temperatuursafhankelijke geleidbaarheid, krijgen we een sterk gekoppeld multiphysics probleem. Links een plaatje van een actuator waarbij zo’n analyse relevant was.

Thermoelektrische effecten (Peltier, Seebeck en Thompson effect) zijn wat meer exotische voorbeelden van multifysica fenomenen. De toepassing van een thermocouple als temperatuursensor is echter alomtegenwoordig. Simulaties die rekening houden met deze effecten kunnen soms nodig zijn voor het ontwerp van thermoelektrische toepassingen.

Multiphysics – mechanisch

De koppeling tussen mechanica en electromagnetisme via de Lorentzkracht is behoorlijk alledaags. Dit is namelijk relevant in elektromotoren en generatoren. Echter, een hele simple beschrijving van de mechanica is meestal genoeg voor zulke systemen. Men kan bijvoorbeeld met Newton’s tweede wet voor rotatie de beweging van de rotor van een electromotor beschrijven. Voor akoustische toepassing is zo’n simpele beschrijving meestal niet genoeg en moet de structurele dynamica volledig meegenomen worden.

Bij het koppelen met mechanica is een tijdsafhankelijke beschrijving meestal inherent. Tijdsafhankelijke simulaties van elektromotoren of generatoren zijn vaak uitdagend, in het bijzonder in 3D. Dat komt doordat het mesh bestaat uit een stilstaand en een bewegend deel. Hiertussen moet een mapping plaatsvinden. De gevolgen van deze mapping zijn vaak nadelig voor de solver performance. Veel ervaring is nodig om hiermee om te gaan.

Een koppeling tussen elektromagnetisme en mechanica kan plaatsvinden via veel andere elektromechanische effecten. The Coulomb kracht (elektrostatische kracht) is relevant in microelectromechanical systems (MEMS), of in bepaalde akoustische transducers. Andere effecten zijn: electrostrictie, magnetostrictie, het piezoelektrisch effect en het piezoresistief effect. Van deze effecten is het piezoelektrische waarschijnlijk het meest toegepast, bijvoorbeeld in akoestische transducers.