电磁兼容与仿真

电磁全系列仿真分析软件

Integrated Engineering software(IES) 公司成立于1984年，致力于低频、高频电磁场分析以及电磁与热和应力耦合场分析软件的开发及应用。从最初的二维静电版本到现在的一整套电磁设计工具覆盖了静电、静磁、时谐涡流、带电粒子运动轨迹模拟和高频全波电磁仿真等领域。

IES的软件产品除了高频�？橐酝�，采用了电磁场分析中强大有效的两种通用算法——边界元（BEM）法和有限元（FEM）法以及这两种方法的混合算法。IES的高频软件采用了强大的矩量法（MOM）、有限元法（FEM）与物理光学（PO）理论，全面解决高频领域内的各种问题。

IES 精确的场求解器，易用的Windows图形用户界面以及强大的后处理功能可以帮助您：

◇ 减少设计时间与费用：避免在原型机或制造阶段的过多实物实验，将设计风险转移到计算机的数值模拟阶段。

◇ 提高产品的效能：对于复杂的几何模型，能够实现与CAD软件的无缝连接，提供快速、准确的计算结果。

◇ 降低投入市场的时间：参数化功能可以减少繁琐、重复性的计算，方便的优化和设计产品。

◇ 提高企业利润：易学易用，让工程师快速掌握软件，集中精力做产品研发，而不是软件培训。

目前IES软件已被广泛应用于工业、汽车、医疗、电信、电力及航空等领域。

IES技术优势

强大的模型导入功能

IES不仅拥有强大的建模功能，为了方便用户建模，IES还提供了丰富的模型导入接口，可以读取IGES、DXF、IXF、3DM等格式的模型；此外，IES还开发了独特的内存导入功能，即通过读取另一个建模软件在内存中开辟的模型数据，直接将模型从CAD软件导入到IES中。可以读取内存的CAD软件包括ProEngineer、SolidWorks、Solid Edge、Inventor、I-DEAS等，通过这种方法转化后的图形没有丝毫失真。另外，IES可以对读取的模型进行自动修正来完善模型或直接进行分析。

边界元法与有限元法的结合使用

边界元法与有限元法各有特点，互相补充。使用边界元法求解电磁问题时，只在模型边界划分网格，不必再去关心空间区域的情况；所以边界元适于求解有限元法难以解决的大长宽比问题、大曲面问题以及开放区域问题等。同时在电磁场突变点也有比有限元更加灵活的处理手段。但是边界元法与有限元法相比较也有一些缺点，例如边界元法所产生的矩阵是一个满阵，对于同一个模型，边界元法的网格比有限元少，但是边界元法解矩阵的过程可能比有限元还要慢。另外，在介质非线性区域、存在体电流和体电荷的区域，有限元法都更加适合。因此IES把这两种方法综合在了一起，这样就能够更快更精确地求解每一个电磁分析问题。

革命性的快速多极子算法

IES为了解决边界元法解矩阵困难的问题，专门引进了快速多极子算法。

所谓的快速多极子算法是一种专门用于边界元算法的快速计算方法。由于边界元法产生的矩阵是一个满阵，这样在矩阵求逆的过程中，就会十分困难。对于同样的模型，其求解速度在某些情况下甚至会比有限元还要慢。为了解决此问题，近年来，学术界提出了这种革命性的快速算法，IES及时将这种理论运用到工程计算软件中，因而使IES求解器远远领先于其他同类软件。采用了这种快速算法之后，边界元法产生的矩阵就可以变成一个稀疏矩阵，其求逆过程就大大简化了。

强大的优化设计工具—参数扫描

IES给电磁设计提供了很强大的工具—参数扫描，运用这一功能，设置参数变量，一次就可以计算多种相似工况下的电磁结果，大大减少了烦琐、重复性的计算工作。运用参数扫描功能，设置方便，计算速度快，是优化设计的好方法！

IES产品系列

静电场分析软件：用于分析电场，应用的领域从高压设备的静电应力分析到集成电路的特性描述。

软件名称：Electro (二维/旋转对称) Coulomb (三维)

应用领域：

§Motors(电机) §Insulators(绝缘体)

§MEMS(微机电系统) §Bushings(衬套)

§High voltage shielding (高压屏蔽) §Insulator assemblies (绝缘组件)

§Lightning arrestors (避雷针) §Capacitance calculations (电容计算)

§Grounding(接地) §Electrodes(电极)

§Electric Shielding(电场屏蔽) §……

【静电分析案例1】变压器工作状态下电场分析问题

此变压器模型是一个轴对称模型（如图1.1所示），首先采用Electro(2D/RS)解决此案例。模型中黄色的细长矩形为纸，红色的两个较大的矩形区域为铜，其余区域充满了绝缘油。观察此模型，可以看出此模型中大量存在大长宽比的矩形，这样的模型使用边界元法解决比较合适，使用BEM划分的网格如图1.2所示。计算得到的电位分布如图1.3所示。

接着使用Coulomb求解3D模型：

由于变压器的线圈和铁心部分高度对称，因此可以将变压器简化为八分之一模型，这样不仅仅能够保证与全模型相同的精度，还可以大大减少计算时间。

模型（如图1.4所示）中绿色部分是铁心，红色部分为线圈，黄色部分是纸板，橙色部分是油。计算得到某截面上的电场分布如图1.5所示。

【静电分析案例2】高压输电线+复合式绝缘子模型

【静电分析案例3】高压输电绝缘子电场计算模型

模型包括绝缘子串、杆塔和高压输电线，在杆塔的两侧，各悬挂着一串绝缘子，每串绝缘子中绝缘子个数为50个，在绝缘子串下面悬挂着八根高压输电线，输电线上传输1000KV的高压电，由于杆塔接地，因此杆塔上电压为0。为了保证传输的安全性和稳定性，需要计算绝缘子上的电压分布，以确定绝缘设计是否合理。为了在不影响整体精度的情况下尽量减小计算量，省略了对电压分布影响不大的塔身，只留下塔顶的横梁。又由于模型及边界对称，所以只建立了四分之一模型（如图3.1所示）：

做网格时，在杆塔和输电线上，离绝缘子较近的部分，网格需要划分得密一些。比如在杆塔顶部，网格剖分如图3.3所示，导线和金具上的网格划分如图3.4所示，模型总共划分了23000个三角形网格。计算大约需要90分钟。计算后得到交流/直流绝缘子分压百分比曲线分别如图3.5和3.6所示。

为了降低高压侧绝缘子分压比，在模型上安装了均压环，均压环一般都装在高压侧绝缘子周围。本模型中为了简化计算，用一个完整的金属导体代替均压环，其直径为1m，位于输电线一侧第二个绝缘子高度位置，加上均压环的模型如图3.7 所示。计算后得到两种工况下绝缘子串分压曲线对比如图3.8所示，图中红色曲线为加上均压环之后绝缘子串上从低压侧到高压侧的电压分布曲线，黑色曲线为没有均压环的曲线。由图中曲线对比可知，均压环对高压侧影响较大，对低压侧的电压曲线几乎没有影响。

【静电分析案例4】套管案例

套管模型在CAD软件中构建（如图4.1所示），然后保存成iges格式的文件，导入到COULOMB软件（如图4.2所示）中，计算后得到的电压分布如图4.3所示。

【静电分析案例5】变电站交流电场分析模型

静磁分析软件：为磁场仿真方面的广阔应用提供了求解方法。典型应用包括电动机、螺线管和磁记录设别。

软件名称：Magneto (二维/旋转对称) Amperes (三维)

应用领域：

§ Motors（电动机） §Solenoids（螺线管）

§ Transformer（变压器） §Magnetic shielding（磁屏蔽）

§ Recording heads（磁头） §Coils（线圈）

§ Sensors（传感器） §……

【静磁分析案例1】旋转电机模型

【静磁分析案例2】螺线管电磁阀静磁场分析

螺线管包括Core、Bonnet、Coil、Plugnut和Yoke，它实际是三维模型，由于模型具有旋转对称性，所以可以简化成图2.1所示。Plugnut为磁饱和非线性材料，其B-H曲线如图2.2所示。图2.3示出了螺线管磁力线分布，图2.4显示了Plugnut的磁场强度云图，结合其B-H曲线可以看出，其模型绝大部分均工作在磁饱和区域。

【静磁分析案例3】磁头

【静磁分析案例4】永磁电动机

考虑到模型呈角周期对称，所以只构建1/4模型，如图4.1所示，模型中红色部分为线圈，粉色部分为永磁体，永磁体磁化方向如图4.2所示，计算得到的磁感应强度云图如图4.3所示。

涡电流和时谐场：对所有涡流和集肤效应明显的器件的操作给予彻底的观察�？杉扑阄辛魉鸷摹⒋胖退鸷牡�，时域频域轻松转换。

软件名称： Oersted (二维/旋转对称) Faraday (三维)

应用领域：

§Sensors(传感器) §Motor (电机)

§Induction motors (感应电机) §Induction heating (感应加热)

§Crack fault detection (缺陷检测) §Transformers (变压器)

§Reclosures (继电器) §Busbars (母线装置)

§Skin depth and proximity study (集肤深度和邻近效应) ……

【时谐涡流案例1】电动悬浮设备

电动悬浮设备模型（如图1.1所示）由两个同轴线圈和一块固体铝盘组成，两个线圈分别施加60HZ的交流电，相位差为180度，基于楞次定律，线圈产生的时谐场会在铝盘上感应出涡流，铝盘上涡流场产生的磁场会抵制线圈电流产生的磁场，因此使铝盘悬浮在上面。铝板上涡流分布截面图如图1.2所示。

【时谐涡流案例2】微发电机模

微发电机模型（如图2.1所示）的工作原理是磁性薄膜在金属线圈上方做简谐振动，因此在线圈中产生涡旋电场。图中绿色部分的材料为永磁体，红色部分为铜导线线圈，计算得到线圈感应电动势随磁性薄膜上下振动位置变化曲线如图2.2所示。

【时谐涡流案例3】TEAM7

Team Workshop问题7是用来检验三维线性正弦涡流场分析方法计算精度的试验模型。问题7的定义如图3.1所示，模型由一个带孔的铝板和铝板上方的一个工频载流交流线圈组成。线圈安匝量为2742安培（幅值）。铝板与线圈被空气环绕。在FARADY中建立的模型如图3.2所示，这是一个开域问题，使用FEM求解时，通常要将求解区域取为线圈尺寸的10倍左右，而使用FARADY软件求解时，在铝板上，剖分了1108个2D三角形网格，而在线圈上，剖分了169个3D三维六面体网格。网格划分如图3.3所示。

计算得到的导体表面电流密度分布矢量图如图3.4所示；在直（y=0.072m,z=0.034m）上，Bz沿着x坐标变化曲线如图3.5所示。

【时谐涡流案例4】TEAM15（NDE无损评估模型）

使用Faraday软件来模拟NDE (Non-Destructive Evaluation)模型，考虑到模型的对称性，只建立一半模型，如图5.1所示，模型由带狭缝的铝板和位于铝板上面的线圈组成。使用参数化功能求解当线圈从中心沿着绿色箭头方向以每步0.5 mm移动时，计算得到的线圈电感随着线圈移动位置变化的曲线（如图5.2所示）。