Elektromágneses és termikus csatolt szimuláció - avagy az ANSYS Maxwell/HFSS/Q3D és ANSYS Icepak összekapcsolása

Minden elektromos berendezésben keletkezik veszteség, amely hő (nem kívánt melegedés) formájában jelenik meg az eszköznél. A veszteségből keletkezett hő megfelelő csökkentésével sok meghibásodás elkerülhető és növelhető a robusztusság. Tehát az elektromágneses (EM) és a termikus szimuláció összekapcsolásának fő célja, hogy a nemkívánatos melegedésről információt kapjunk és a melegedés csökkentésére a megfelelő hűtést létrehozzuk.

Az ANSYS-on belül régóta lehetőség van az elektromágneses és termikus szimuláció összekapcsolására, elég, ha például a Workbench-en belül egy Maxwell – Fluent szimulációra gondolunk. Akkor feltehető a kérdés, mégis mi az új ennek a két fizikának az összekapcsolásában. Az újdonság nem csak az ANSYS Icepak szoftverben rejlik, hanem abban, hogy az ANSYS EM Suite 2019 R1 verziótól az ANSYS Electronics Desktopon belül elérhető ez a szoftver. Ez pedig annyit jelent, hogy az ANSYS Maxwell, HFSS vagy Q3D Extractor szoftvereknél már megszokott grafikus felületen keresztül lehet áramlástani szimulációt végezni a vizsgált eszközre. Ezen kényelmi szempont mellett pedig peremfeltételként lehet átvinni az elektromágneses szimulációból származó veszteséget az Icepakba, illetve egy beállítással definiálható a kétirányú csatolás (two-way coupling).

A következőkben három szimulációs példán keresztül mutatjuk be, milyen lépései vannak és mennyire egyszerű az elektromágneses és a termikus szimuláció összekapcsolása az ANSYS Electronics Desktopon belül. Emellett szimulációs eredményekkel demonstráljuk, hogy sok múlhat az eszközben felhasznált anyagok hőmérsékletfüggésének figyelembevételén.

***

Az első példa a Maxwell alaptréningben szereplő háromdimenziós örvényáramú (Eddy current) példa. Az elektromágneses szimuláció megoldásának menetét és beállításait itt nem részletezzük (ez érvényes a másik két példára is), koncentrálva inkább az Icepak áramlástani szoftverre. Az elektromágneses szimulációval kapott eredmények láthatóak az 1. ábrán.

**1. ábra** – A lemez tekercs felőli oldalán kialakuló örvényáram vektorai és a két vezető részben (σ≠0) a veszteség Wattban.

A Maxwell-lel elvégzett szimulációt követően az első lépés a geometria átvitele Icepakba. Ennek módja a Ctrl + C (másolás) és Ctrl + V (beillesztés) billentyűkombináció használata. Az Icepak esetében automatikusan történik a lezárás (Region) hozzáadása. Így a Maxwellben használt lezárást nem kell átmásolni, és a geometriával az anyagtulajdonságok is átkerülnek Icepakba. A termikus szimuláció szempontjából lényegtelen részek a vonalak (Lines) és a felületek (Sheets), így ezeket érdemes törölni.

Tehát a geometria már készen van és az anyagtulajdonságok is definiáltak. Ezt követően a feladat típusát (Solution Type) és annak alapbeállításait (Design Settings) kell megadni. Ezeket az EM szoftvereknél már megszokott helyen (Icepak > Solution Type… és Icepak > Design Settings…) lehet megtenni. A típus tekintetében három lehetőség közül (lásd. 2. ábra) az EM feladatokra a „Temperature and Flow” amit célszerű használni, mert tartalmazza a hővezetés és a hőáramlás jelenségét és a hősugárzás is figyelembe vehető. Emellett, ahogy a 2. ábrán látható, az ANSYS EM Suite 2019 R3 verziótól már időfüggő feladatokat is tud kezelni az Electronics Desktopba integrált Icepak. A Design Settings-nél a környezeti hőmérsékletet és gravitáció irányát tudjuk definiálni.

**2. ábra** – A „Solution Type”, a „Design Settings” és a „Mesh Settings” ablaka.

A hálósűrűség beállítása is az előzőekben már látott egyszerűségre törekszik. Az Initial Mesh Settings vagy Surface Approximation használatánál megszokott csúszka, amit elsődlegesen használhatunk. De ennél jóval szofisztikáltabb beállítások is rendelkezésre állnak a feladat felbontásának definiálásához az „Advanced” fülön, ahogy a 2. ábrán látható. A peremfeltételek között az összes olyan típus megtalálható, ami egy elektromos eszköz természetes hűtésének vagy kényszerhűtésének definiálásához szükséges. Ezek között található az EM Loss…, ami az elektromágneses szimulációból származó veszteségeket jelenti. A használatánál a 3. ábrán látható ablak jelenik meg, ahol kiválasztjuk a szimulációt és a megoldó beállítását, aminek az eredményét a termikus szimulációban használni szeretnénk.

**3. ábra** – Az elektromágneses veszteség definíciós ablaka.

Ezek megadását követően pedig látjuk, hogy melyik objektumokra, milyen veszteségek (térfogati vagy felületi) lesznek forrásként használva. Itt drag & drop módszerrel tudunk változtatni, hogy melyik testnél melyik veszteségeket (felületi vagy térfogati) szeretnénk figyelembe venni. Ezt követően pedig már csak a megoldó definiálása van hátra és futtatható a szimuláció.

A visszajelzések alapján, sok felhasználó hiányolta az áthozott veszteségek megjelenítését. Erre az Electronics Desktopban található Icepaknál már van lehetőség. A veszteség kirajzoltatásával és a Solution Data > Profile-nál lehet ellenőrizni, mennyire egyezik az eredeti veszteség és az interpolációt követően a forrásként használt veszteség. A 4. ábrán az eredményül kapott hőmérsékleteloszlás látható az elrendezés keresztmetszetében.

**4. ábra** – A hőmérsékleteloszlás a feladat keresztmetszetében és a veszteségek (Lemez = Fazek).

***

A következő példa az ANSYS Q3D Extractor – Icepak összekapcsolást mutatja be. Az Icepak szimulációs lépései teljesen azonosak a Maxwelles példánál leírtakkal. A Q3D példa az 5. ábrán látható, ami két vezetőből és a hozzájuk tartozó GND-ből áll, közöttük pedig dielektrikum van (ez nem látható az ábrán). Itt annyi különbség lesz az előző példához képest, hogy összehasonlítjuk a kétirányú csatolás (two-way coupling) eredményét az egyirányúval (one-way coupling). Ennél a példánál a térfogati veszteségeket használjuk a termikus szimulációban gerjesztésként. Az első összehasonlítás az 5. ábrán látható, hogy a kétirányú csatolásnál 23%-kal megnőtt a veszteség.

**5. ábra** – A térfogati áramsűrűség a vezetőkben 10 MHz frekvencián és az összes veszteség a két csatolásnál.

**6. ábra** – A kétirányú csatolás (two-way coupling) definíciós ablaka.

A kétirányú csatolást a megoldónál lehet beállítani jobb egérgombbal a Setupra kattintva, ahogy a 6. ábrán látható. A felugró ablakban az iteráció számát (Number of Coupling Iteration) és az Icepak iteratív megoldójának a lépésszámát (Max. Icepak Iteration per Coupling) lehet beállítani. Ezen felül a kétirányú csatoláshoz a Q3D Extractorban (ANSYS Maxwell-ben és ANSYS HFSS-ben ugyanígy kell eljárni) az anyagtulajdonság(ok) hőmérsékletfüggését kell még beállítani, és a Q3D Extractor > Set Object Temperature menüben bekapcsolni az Include Tenperature Dependence és az Enable Feedback kapcsolókat. A kétféle csatolással kapott eredményt a 7. ábra mutatja.

**7. ábra** – A hőmérsékleteloszlás egyirányú (bal) és kétirányú (jobb) csatolásnál.

***

A harmadik csatolt példának egy szűrőt (waveguide filter) vizsgálunk, amin keresztül bemutatjuk az HFSS – Icepak csatolás működését. A feladat elrendezése és a szimulációval kapott eredmények a 8. ábrán láthatóak. Ebben a példában csak a felületi áramokat vesszük figyelembe, mivel a behatolási mélység kisebb mint 0,5µm.

**8. ábra** – A szűrő geometriája és az elektromos térerősség TE10 modusnál, valamint az S11 és S21 paraméterek a frekvencia függvényében.

A HFSS szoftverrel kapott megoldást a 8. ábra mutatja. Itt is az előzőekkel teljesen azonosak a csatoláshoz szükséges lépések. Ez is mutatja, hogy a három szoftver esetében teljesen azonos a csatolás mechanizmusa. A kétféle csatolással kapott eredmény látható a 9. ábrán, ahol jól látható, hogy elég jelentős hőmérsékletkülönbség van a két megoldás között. Tehát ennél a feladatnál is, ahogy a Q3D Extractorral megoldott példánál, szükség van a kétirányú csatolásra ahhoz, hogy megfelelő információt kapjunk a vizsgált eszköz melegedéséről.

a) Egyirányú csatolás (one-way coupling).

b) Kétirányú csatolás (two-way coupling).
**9. ábra** – A hőmérsékleteloszlás a szűrő felületén.

Szerző: Marcsa Dániel, PhD – az eCon Engineering Kft. szoftvertámogató mérnöke

***

A fenti leírás nem tartalmaz minden technikai részletet a példák megoldásához. Azok a beállítások, amik a csatolás szempontjából irrelevánsak vagy az ANSYS Help menüben megtalálhatóak, terjedelmi okok miatt kimaradtak.

Amennyiben bármilyen kérdése van a leírtakkal vagy általában az ANSYS szoftvereivel kapcsolatban, forduljon hozzánk bizalommal a support@econengineering.com e-mail címen keresztül!

Érdekes híreinkért addig is kövessen minket LinkedIn és Facebook oldalainkon!