CST EM STUDIO - электромагнитное моделирование низкочастотных устройств

CST EM STUDIO – изначальное название программы, объединяющей в себе набор специализированных вычислительных модулей для электромагнитного анализа статических и низкочастотных задач в частотной и временной областях. Продукт используется для моделирования актуаторов, тормозных систем, генераторов, двигателей, экранов, датчиков, измерителей. Вычислительные модули сгруппированы в два набора: S (static, статические) и LF (Low-Frequency, низкочастотные).

В настоящий момент продукт полностью интегрирован в систему проектирования CST STUDIO SUITE и для автономного использования недоступен.

---

Статические вычислители

Модуль решения задач электростатики  служит для моделирования распределений векторов напряженности и индукции статического электрического поля. Вычислителем поддерживаются следующие формы источников поля: фиксированные, плавающие (заряд равен нулю) или градиентные потенциалы, граничные потенциалы, заряды на идеально проводящих объектах, а также равномерное объемное и поверхностное распределение зарядов. Для пользователя доступен расчет на этапе постобработки емкостной матрицы группы источников, действующей силы и крутящего момента.

Экстракция емкостной матрицы на примере расчета сенсора.

Магнитостатический солвер  применяется для расчета векторов напряженности и индукции статического магнитного поля. В роли источников могут выступать линии тока, катушки с током, постоянные магниты, сторонние однородные магнитные поля, а также распределения токов, полученные вычислителем стационарных токов. Для учета нелинейных свойств материала в магнитостатическом вычислителе предусмотрен итерационный метод расчета распределения магнитной проницаемости.

 

Учет насыщения ярма квадрупольного магнита. На рисунке представлен 2D и 3D режим моделирования.

Вычислитель стационарных токов  используется для моделирования плотности токов проводимости и соответствующей им напряженности электрического поля. В роли источников могут выступать порты тока, линии тока, потенциалы и граничные потенциалы. Солвер нацелен на проведение конечно-элементного анализа сопротивления по постоянному току, а также на вычисление падений напряжения (IR Drop) внутри плат питания и плотности тока автоматов прерывания цепи.

---

Низкочастотные вычислители

Низкочастотный вычислитель  предназначен для моделирования гармонических процессов электромагнитной задачи. Солвер поддерживает три возможных способа аппроксимации задачи:

Квази-магнитостатический	Пренебрежение током смещения в теореме о циркуляции магнитного поля.
Квази-электростатический	Пренебрежение изменением потока магнитного поля в законе  Фарадея.
Полноволновый	Учет всех временных зависимостей, однако, такой  способ, как правило, требует больших затрат времени.

 

Моделирование вихревых токов и скин-слоя для группы витков.

Низкочастотный вычислитель во временной области  предназначен для проведения электромагнитного временного моделирования, в котором могут быть применимы квази-статические аппроксимации без значительного снижения точности результатов.

Вычислитель поддерживает две схемы дискретизации по времени: постоянную и адаптивную. Последний тип автоматически регулирует величину временного шага для оптимального расчета низкочастотной задачи, руководствуясь точностью результатов, установленной пользователем.

Функционал позволяет рассматривать одно из следующих приближений: квази-магнитостатическое (MQS) и квази-электростатическое (EQS). Первый способ предназначен для задач моделирования объектов с высокой проводимостью, в которых длина волны значительно превышает размер анализируемой области и существует возможность пренебрежения емкостными эффектами. В таких случаях изменение магнитной энергии значительно превышает изменение электрической.

Квази-электростатическое моделирование во временной области пренебрегает изменением плотности потока магнитного поля в процессе решения закона Фарадея. Консервативное поведение такого приближения позволяет вычислять электрическое поле через функцию скалярного потенциала, что снижает количество неизвестных в решаемой системе уравнений. Такое приближение используется для расчета узлов ввода высокого напряжения или изоляторов.

В случае 2D или 3D квази-магнитостатического временного анализа доступна возможность получения параметров эквивалентной схемы, представленной в форме модели пространства состояний и описывающей физическое поведение полей. Данный инструмент широко используется для экспорта в системные проектировщики моделей пониженного порядка электрических машин и актуаторов.

 

Пример использования технологии скользящей сетки при моделировании электрической машины.