CC BY
308
УДК 621.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ РАДИОЭЛЕМЕНТОВ В
СРЕДЕ ANSYS
Судариков Алексей Владимирович, Ромащенко Михаил Александрович
Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж
e-mail: webartel@mail.ru
394026, Воронеж, ул. Московский пр-т, д.14, тел. (473) 243-77-06
В данной статье проводится электромагнитный анализ катушки индуктивности без сердечника и анализ катушки индуктивности с ферритовым сердечником в программном комплексе ANSYS и сравнение полученных результатов. Результатами моделирования является графическое представление в векторном виде магнитной индукции В, отображение модуля магнитной индукции и распределение магнитного потока
Ключевые слова: моделирование; анализ электромагнитное поле; САПР, катушка индуктивности, радиоэлектронное средство.
Стремительное развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) приводит к сокращению времени проектирования, повышению качества проектирования и снижения удельного веса экспериментальных исследований. При проектировании РЭС с учетом электромагнитной совместимости большое значение имеет моделирование печатных плат и радиоэлектронных компонентов. Для данной цели может использоваться различные пакеты САПР, одним из которых, является программный комплекс ANSYS, данный комплекс позволяет проводить электромагнитный анализ. Электромагнитный анализ осуществляется с помощью модуля ANSYS/Emag. Данный модуль производит расчеты в области магнитостатики, электростатики, электропроводности, а также низкочастотный и высокочастотный анализ. Продукты низкочастотного электромагнитного анализа
используются для установившегося, переходного, гармонического изучения низкочастотного электрического и магнитного поля. Можно моделировать низкочастотные электрические токи и электрические поля в проводящих и емкостных системах, так же как магнитные поля от токов или постоянных магнитов. Построитель цепи позволяет приложить гармонические, переходные по времени нагружения током и напряжением непосредственно к конечно-элементной модели через графически сгенерированную схему цепи. Связь цепи с конечно-элементной областью позволяет моделировать питаемые цепью устройства, где нелинейные эффекты (насыщение) должны быть учтены. ANSYS Multiphysics предоставляет возможность высокочастотного или полноволнового электромагнитного моделирования, применимого к явлениям резонанса, распространения, излучения и рассеяния в частотной области. Приложения включают разработку микроволновых пассивных компонентов и цепей, проектирование антенн и обнаружение объектов.
Рассмотрим возможность моделирования катушки индуктивности в среде ANSYS, а также проведем сравнительный анализ катушки без сердечника и с ферритовым сердечником (магнитная проницаемость сердечника равна 1000). Необходимо получить распределение магнитного потока и величину магнитной индукции для катушки с ферритовым сердечником и без него. Размеры катушки высота 10 мм, радиусы внутренний 10 мм, внешний 20 мм. Катушка 3 (рис. 1) содержит 500 витков провода, намотана на каркас 4 из пластмассы, коэффициент заполнения равен 0,9. В катушке протекает ток 1 А, напряжением 50 В и частотой 1000 Гц. Размеры сердечника диаметр 15 мм, высота 10 мм. Свойства материалов: для катушки, воздуха и каркаса примем магнитную проницаемость равную 1. Диэлектрическая проницаемость катушки равна 2,3. Удельное сопротивление провода р=3*10- Ом/м. Учитывая симметричность катушки, проведем 2D моделирование одной четверти катушки [1]. Для воздуха, каркаса и сердечника будет использоваться тип элемента PLANE 53 для моделирования затухания поля на бесконечности - элемент INFIN110. Для разбиения площади сечения катушки используется элемент PLANE53 с применением степеней свободы - ток и Z-составляющая векторного магнитного потенциала. Типы элементов выбираются в Main Menu> Preprocessor Element Type> Add/Edit/Delete, в опциях элементов для каждого в разделе Element Behavior выберите поле Axisymmetric, для элемента
2 в разделе Element degrees of freedom выберите AZ CURR. Далее производится задание свойств материалов для катушки без сердечника задается 3 материала, для катушки с сердечником 4 материала. Выбор свойств материалов производится в Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models, для 1-го материала (воздух) выбираем свойство относительная магнитная проницаемость MURX =1, для 2-го материала (провод) удельное сопротивление RSVX устанавливаем равным 3.0E-08 и MURX =1, для 3-го материала (сердечник) MURX =1000, для 4-го материала (каркас) MURX =1 и PERX=2.3. Далее с помощью пунктов в Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create» создаем области соответствующие представленным на рисунке 1 а,б. А также произведем удаление перекрытия областей и включим нумерацию плоскостей.
1
2
3
4
А) Б)
Рис. 1. Модель катушки и внешней среды:
А) Катушка без сердечника; Б) Катушка с фериттовым сердечником;
1 - Внешняя среда (воздух) моделирующая затухание на бесконечности;
2 - Внешняя среда (воздух);
3 - Катушка;
4 - Каркас;
5 - Сердечник.
Следующим шагом является назначение типов элементов и свойств материалов для областей, поочередно выбирая область Main Menu > Prepocessor >Meshing Attributes > Picked Areas в поле “Material number” выбираем номер
материала, в поле "Element type number" выбераем тип элемента. Для области 1 материал №1, тип элемента №3, области 2 материал №1, тип элемента №1, области 3 материал №3, тип элемента №1, области 4 материал №2, тип элемента №2 и области 5 материал №4, тип элемента №1. Далее производится разбиение на конечные элементы, все области кроме 1 и 3 разбиваются в режиме автоматического разбиения с размером 2 в поле Smart Size панели Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool. Для разбиения областей 1 и 3 поменяем активную координатную систему с прямоугольной на цилиндрическую, далее зададим количество разбиений области в радиальном направлении равным 1, в угловом направлении равным 12. В окне MeshTool в секции Mesh выберите Areas, Quad, Map, and 3/4 sided и нажмите Mesh.
Когда сетка построена приступаем к установке параметров катушки в меню Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add/Edit/Delete, далее необходимо произвести объединение токовых степеней свободы и перейти к заданию начальных условий и выбору типа анализа, в данном случае описывается гармонический анализ
Main Menu> Solution> Analysis Type> New Analysis>> Harmonic.
Заключительными этапами являются запуск на решение Main Menu> Solution> Solve> Current LS и просмотр результатов Main Menu> General Postproc> Read Results> First Set. Рассмотрим и сравним распределение магнитного поля в катушке с сердечником и без сердечника (рис. 2). Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> 2D Flux Lines.
ANSYS 11.0SP1 JAN 31 2011 00:53:46 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 FREQ=10 0 0 AZ
RSYS=0
SMX =.440E-07 . 814E-0 9 .244E-08 . 4 07E-0 8 .570E-08 . 733E-0 8 . 106E-07 . 122E-07 . 138E-07 . 155E-07 . 187E-07 .204E-07 .220E-07 .236E-07 . 2 69E-0 7 . 2 85E-0 7 .301E-07 . 318E-0 7 . 350E-0 7 . З 66E-0 7 .383E-Q7 . З 99E-0 7 . 431E-07
ANSYS 11.0SP1
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 FREQ=10 0 0 AZ
RSYS=0
SMX =.227E-07 . 420E-09 . 126E-08 . 210E-0 8 . 2 94E-0 8 .378E-08 . 547E-0 8 . 631E-08 . 715E-0 8 . 7 99E-0 8 . 967E-08 . 105E-07 . 114E-07 . 122E-07 . 139E-07 . 147E-07 . 156E-07 . 164E-07 . 181E-07 . 189E-07 . 198E-07 . 2 0 6E-07 . 223E-07
А)
Б)
Рис. 2. Распределения магнитного потока и величина магнитной индукции
А) Катушка без сердечника; Б) Катушка с сердечником;
В программном комплексе Ansys расчет величины магнитной индукции и распределения магнитного потока производится методом конечных элементов. Как известно, число линий, пересекающих единицу поверхности, перпендикулярной к ним, пропорционально индукции магнитного поля в данном месте. Из рис. 2 видно что густота линий у катушки с сердечником (рис.2Б) значительно больше чем у катушки без сердечника (рис.2А), следовательно, и величина магнитной индукции больше. На рис. 2 А, Б в колонках отображена величина магнитной индукции.
А)
Б)
Рис. 3. Просмотр результата расчета модуля магнитной индукции А) Катушка без сердечника; Б) Катушка с сердечником
На рис. 3 представлены результаты расчета модуля магнитной индукции Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot>Nodal Solu> Magnetic Force> Magnetic Force vector sum., цветом показана величина модуля магнитной индукции. Также сравнив данные величины получаем, что модуль магнитной индукции у катушки с ферритовым сердечником практически в 1,5 раза больше, чем модуль магнитной индукции у катушки без сердечника при одинаковых значениях напряжения и частоты [2,3].
Список литературы
1. Чигарев А.В. Ansys для инженеров / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. - М.: Машиностроение, 2004. 512 с.
2. http://www.ansys.com/
3. http://www.emp.ru/
MODELLING OF ELECTROMAGNETIC FIELDS OF RADIOELEMENTS IN THE
ENVIRONMENT OF ANSYS.
Sudarikov Alexey Vladimirovich, Romashchenko Michael Aleksandrovich
The Voronezh state technical university, Russia, Voronezh e-mail: webartel@mail.ru
In given article the electromagnetic analysis of the coil of inductance without the core and the analysis of the coil of inductance with the ferrite core in program complex ANSYS and comparison of the received results is carried out. Results of modelling is graphic representation in a vector kind of a magnetic induction In, display of the module of a magnetic induction and distribution of a magnetic stream
Keywords: modelling; the analysis an electromagnetic field; САПР, the inductance coil, radio-electronic means.
