Feld-Schaltungs-Kopplung (Co-Simulation)
Zweiweg-Kopplung für präzise Transienten- und AC-Analysen
Schaltungskopplung in EMWORKS
Die Schaltungskopplung integriert das 3D-elektromagnetische Feldmodell mit einem elektrischen Schaltplan, um eine präzise Systemsimulation zu ermöglichen.
Funktionsweise der gekoppelten Simulation
Während der Berechnung interagieren zwei Solver kontinuierlich miteinander:
Elektromagnetischer Solver: Berechnet Flussverkettung, induzierte Spannung, Stromverteilung und Leistungsverluste in der 3D-Geometrie.
Schaltungssolver: Nutzt diese elektromagnetischen Größen als Portgrößen im Schaltplan. Ströme und Spannungen aus der Schaltung werden dann als Randbedingungen für die nächste elektromagnetische Berechnung verwendet.
Dieser Austausch erzeugt eine bidirektionale Wechselwirkung, die reale Effekte wie Sättigung, Gegen-EMK (Back-EMF) und nichtlineare Induktivitäten erfasst.
Simulationsablauf
3D-EM-Modell definieren: Materialien, Spulen- und Leiterbereiche, Quellen und Randbedingungen der Geometrie zuweisen.
Schaltungsports zuweisen: Spulen oder leitende Pfade in der 3D-Geometrie als elektrische Anschlüsse definieren. Diese Ports tauschen Spannung und Strom mit dem Schaltungsmodell aus.
Externe Schaltung erstellen: Schaltplan mit Quellen, Lasten, passiven Elementen, Schaltgeräten und Steuerungen erstellen. EM-Ports mit den entsprechenden Knoten im Schaltkreis verbinden.
Gekoppeltes Problem lösen:
Zeitbereich: EM- und Schaltungssolver tauschen Werte bei jedem Zeitschritt aus (Transientenanalyse).
Frequenzbereich: EM-Solver liefert Impedanz- oder Portparameter für AC-Analysen.
Ergebnisse nachbearbeiten: Schaltungs- und Feldwerte gleichzeitig auswerten.
Hauptfunktionen
Bidirektionale Feld–Schaltungs-Interaktion: Schaltungsbedingungen treiben das EM-Modell an, während EM-Größen (z. B. induzierte Spannung) in die Schaltung zurückgespeist werden.
Analyseunterstützung: Unterstützt Transientenanalysen für Motoren, Konverter und Schaltsysteme sowie stationäre AC-Analysen (Frequenzbereich) für Impedanz- und Resonanzstudien.
Darstellung von Wicklungen und Ports: Spulen, Leiter und Anschlüsse im 3D-Modell werden als elektrische Ports mit definierten Strom- und Spannungsgrößen dargestellt.
Multiphysik-Integration: Schaltungskopplung kann mit anderen Studien (Bewegung, Thermik, Struktur) kombiniert werden, um vollständig gekoppelte physikalische Wechselwirkungen zu analysieren.
Typische Anwendungen
Schaltungskopplung ist erforderlich, wenn die Leistung eines elektromagnetischen Geräts direkt vom angeschlossenen elektrischen System abhängt:
Transformatoren und Induktoren: Analyse von Magnetisierungsstrom, Streuinduktivität und Kernverlusten bei Anschluss an Gleichrichter oder Schaltkreise.
Motoren und Generatoren: Untersuchung von Back-EMF, Drehmoment und transientem Anlauf bei Verbindung der Wicklungen mit Invertern, Antrieben oder Steuerungen.
Drahtlose Energiesysteme: Simulation von Resonanztankkreisen und Kompensationsnetzwerken an Sender-/Empfängerspulen zur Bestimmung von Effizienz und Empfindlichkeit.
Induktive Sensoren und Messspulen: Berechnung von Ausgangsspannung oder -strom der Pickup- oder Sensorelemente basierend auf dem gemessenen elektromagnetischen Feld.
Ergebnisse und Ausgabedaten
Gekoppelte Simulationen liefern ein vollständiges Set an Schaltungs- und Feldgrößen:
Schaltungsgrößen: Spannung, Strom, Leistungsfluss, Verluste und Effizienz über Zeit oder Frequenz.
Feldgrößen: Felder, Verluste (Wirbelstrom, Hysterese, Kupfer) und Fluss im elektromagnetischen Modell.