Was ist eine Software zur Magnetfeldanalyse?
Bei einer Software zur Magnetfeldanalyse handelt es sich um die Simulation von Magnetfeldern, die in elektronischen Geräten usw. erzeugt werden, mit Hilfe numerischer Analysemethoden.
Zu den Methoden der Software zur Magnetfeldanalyse gehören Methoden der Zeitbereichsanalyse, der Frequenzbereichsanalyse und des äquivalenten konzentrierten konstanten Netzes. Software zur Magnetfeldanalyse wird bereits in der Entwurfsphase elektronischer Geräte eingesetzt, um Interferenzen zwischen elektronischen Geräten usw. zu vermeiden.
Das Magnetfeld wird durch die numerische Lösung der Maxwell-Gleichungen auf einem Computer nachgebildet, wobei die Bedingungen der Struktur und die zu gebenden Ströme nachgebildet werden.
Anwendungen der Software zur Magnetfeldanalyse
Software zur Magnetfeldanalyse wird häufig bei der Konzeption und Entwicklung von Produkten wie elektronischen Geräten eingesetzt, um EMV-Maßnahmen durchzuführen. Sie bezieht sich auch auf die Auslegung von Produkten, damit sie keine elektromagnetischen Störungen verursachen oder nicht gestört werden und damit sie auch bei Störungen korrekt funktionieren.
Angesichts der rasanten Entwicklung elektronischer Geräte muss die EMV-Maßnahme sofort am Computer sichergestellt werden. Daher spielt die Simulation durch Software zur Magnetfeldanalyse eine wichtige Rolle in der Entwurfsphase von Schaltungen, Platinen und Gehäusen.
Funktionsweise der Software zur Magnetfeldanalyse
Im Folgenden werden die Grundlagen der Softwares zur Magnetfeldanalyse am Beispiel der Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode erläutert:
1. Finite-Differenzen-Zeitbereich-Methode
Die Maxwell-Gleichungen werden mit Hilfe der Differenzmethode (Zeitdivision durch endliche Zeit) vereinfacht und das Zeitverhalten des elektromagnetischen Feldes wird durch numerische Berechnung ermittelt. Der gesamte zu untersuchende Raum wird in ein Netz unterteilt und die Maxwell-Gleichungen und die Differenzmethode werden auf jeden unterteilten Block angewendet. Sie eignet sich hervorragend für die Modellierung der transienten Reaktion von Magnetfeldern und inhomogenen Strukturen.
2. Differenzmethode
Hierbei handelt es sich um eine der Diskretisierungsmethoden, bei der die Ableitung durch eine Differenzapproximation (Differenzquotient) ersetzt wird. Diese Methode wird seit langem als numerische Analysemethode verwendet. Die Differentialgleichung wird als Differenzgleichung bezeichnet, wenn die Ableitung der Differentialgleichung durch die Differenz ersetzt wird.
Bei der Finite-Differenzen-Zeitbereich-Methode wird das Zeitverhalten elektromagnetischer Felder numerisch ermittelt, indem die Maxwell-Gleichungen in Differenzgleichungen erweitert werden.
3. Maxwell-Gleichungen
Dies sind die Grundgleichungen des klassischen Elektromagnetismus, die das elektromagnetische Feld beschreiben. Sie bestehen aus vier Gleichungen, die im Folgenden erläutert werden:
- Gleichung 1
Das Gaußsche Gesetz besagt, dass die Anwesenheit einer elektrischen Ladung elektrische Kraftlinien aus der Umgebung erzeugt. - Gleichung 2
Der magnetische Fluss ist eine Schleife, die besagt, dass der magnetische Fluss, der entstanden ist, immer zu seiner Quelle zurückkehrt. - Gleichung 3
Das Faraday’sche Gesetz der elektromagnetischen Induktion besagt, dass bei einer Änderung des magnetischen Flusses ein elektrisches Feld erzeugt wird, um die Änderung zu verhindern, und eine elektromotorische Kraft erzeugt wird. - Gleichung 4
Das Ampere’sche Gesetz besagt, dass, wenn ein Strom fließt, ein magnetisches Feld um ihn herum erzeugt wird.
3. Modellierung
Bei der Durchführung einer Analyse wird ein Modell erstellt, indem der zu analysierende Bereich in ein Netz eingeteilt wird. Die Feinheit und der Maßstab des Netzes beeinflussen die Analysefrustration bei der Modellerstellung.
Je feiner das Netz unterteilt ist, desto genauer können die Berechnungsergebnisse sein. Auf der anderen Seite hat dies den Nachteil, dass der Rechenaufwand höher ist, was eine höhere Rechenleistung erfordert oder mehr Rechenzeit in Anspruch nimmt.
Obwohl es notwendig ist, ein Netz mit einer angemessenen Grobkörnigkeit einzurichten, ist Vorsicht geboten, da das Netz zwischendurch von der Berechnung ausgeschlossen wird.
Arten der Softwares zur Magnetfeldanalyse
Typische Simulationsmethoden, die in der Software zur Magnetfeldanalyse verwendet werden, sind entweder Zeitbereichs- oder Frequenzbereichsmethoden. Zu den ersteren gehören die Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode (FDHD), zu den letzteren die Momentenmethode (MoM) und die Methode der finiten Elemente.
1. Finite-Differenzen-Zeitbereich-Methode
Dies ist hervorragend geeignet für die Analyse von instationären Zuständen durch die Analyse im Zeitbereich. Sie zeichnet sich durch ihre intuitiven und leicht verständlichen Berechnungen aus. Andererseits hat sie einen großen Speicherbedarf und lange Berechnungszeiten, da ein großer Raum als Berechnungsziel verwendet wird.
2. Moment-Methode
Der zu analysierende Leiter wird in eine Maschenform unterteilt und die Stromwerte der Preisblöcke werden unter Berücksichtigung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Blöcken berechnet. Sie ist geeignet für die EMV-Analyse gleichförmiger Leiter, aber schwierig für die Modellierung ungleichförmiger Strukturen. Diese Methode wird häufig zur Berechnung der Strahlung von Antennen verwendet.
3. Finite-Elemente-Methode
Bei dieser Methode wird der gesamte Bereich der zu analysierenden Struktur in ein Netz eingeteilt. Sie hat den Vorteil, dass ungleichförmige Strukturen modelliert werden können, lässt sich aber nur schwer auf die Strahlungsberechnung ausdehnen, wie es bei der Methode der Momente der Fall ist.