電極にたまる電荷を求めたい

概要:

  • 圧電解析実行時に電極にたまる電荷を求めたい場合がある。
  • 電位境界で指定した電極の電荷は「テーブル」に出力されている。
  • 電位を指定していない電極(「浮き電極」)については電位は一定として計算されるが、+電荷と-電荷が同数出現するため、結果的に電荷の合計は0となる。そのため「テーブル」には電荷は0と出力される。以下の図のように「浮き電極」に「外部抵抗」を接続することで、電荷が移動することができる(電流が流れる)ようになり、その結果「浮き電極」にたまる電荷を求めることができる。回路図

計算例:圧電素子に上下から圧力を加えた時に電極にたまる電荷

解析条件:

  • 圧電調和解析
  • 周波数: 1e3[Hz]
  • 円盤のサイズ:半径: 10[mm]、厚み: 1[mm]
  • 材料(圧電素子:P-4材、材料DBのデータを使用)
  • 分極軸(Z+方向)
  • 境界条件

上下面に別々の「浮き電極」境界を設定し、それぞれグランドとの間の抵抗(5000[Ω])を接続する。

上面は圧力(-1[N/m2])を設定、下面はZ方向の変位を拘束model

解析結果と考察:

  • 「浮き電極」の「電荷」はテーブルに出力されているQ=1.8e-14[C]
  • 電束密度ベクトルを見ると均等(57e-12[C/m2])に分布しているのが分かる。電束密度を積分すると電荷になるので検算すると、円盤の面積S=0.01*0.01*3.14=3.14e-2[m2]より、電荷Q=57e-12*3.14e-2=1.79e-14[C]となり、テーブルの値(1.8e-14[C])とほぼ一致する。
  • テーブルには「浮き電極」の電位も出直されているので、電位差を取ることで圧電素子に発生する「電圧」を取り出すこともできる(電圧=+5.68e-7[V] – (-5.68e-7[V]) = 11.36e-7[V]=1.14[μV])

fieldtable

誘電体と導体の両方が含まれるモデルの電界解析を行いたい

  • 電場調和電場で駆動する周波数をして解析する事で「誘電体」と「導体」両方が含まれる形での解析ができます。
  • 「誘電体」(=ε)と「導体」(導電率=σ)が含まれる場合の計算は「導電率」を複素数で表した形で計算され、内部では「複素導電率」(σ+jωε)で表現された複素数計算を行います(ω=角周波数,j=虚数単位)。
  • 「複素導電率」は周波数が低いと「導体」に近い挙動を示し、周波数が高くなると、「誘電体」に近い挙動を示します。モデル図計算結果コンター図
  • 解析の結果、電極間の容量と抵抗が同時に得られます。計算結果テーブル

[よくある質問-GUI] よく使う条件(ボディ属性、材料定数、境界条件)を別のプロジェクトに流用したい。

Femtetのユーザーデータベース機能を使うと便利です。

ユーザーデータベース機能は次のような手順で使用できるようになります。

1.Femtetの全体設定⇒データベースタブでデータの保存先を指定

2.登録したいデータをプロジェクトツリーで選択 ⇒右クリックメニューのデータベースに転送メニュー実行

3.【材料定数を使う場合】材料定数設定時に材料DBのユーザーDB内から登録したデータを選択する

3.【ボディ属性、境界条件を使う場合】プロジェクトツリーのユーザーDB内から登録したデータを選択し、カレントモデルで使用するを実行 ⇒条件名設定ウィンドウでドロップダウンリストから、登録したデータを選択する

 

 

[よくある質問-GUI] Femtetのモデラで作図可能な領域と分解能はどれくらいですか?

Femtetで作図可能な領域と分解能は、解析条件で指定している解析空間によって変化します。

【解析単位がm、mmの場合】

作図可能な領域は(-500[m],-500[m],-500[m])から (500[m],500[m],500[m])までの範囲になります。

分解能は1.0e-8[m]になります。

【解析単位がμmの場合】

作図可能な領域は(-500[μm],-500[μm],-500[μm])から (500[μm],500[μm],500[μm])までの範囲になります。

分解能は1.0e-8[μm]になります。

[新機能紹介] 自然対流機能のご紹介(ヒートシンク解析)

Femtet2020で実装された『自然対流解析機能』の機能紹介をおこないます。

これまでのFemtetでは扱えなかった自然対流解析ができるようになりました。

今回は基板上のICに発熱量を与えた時の熱流体解析をおこないました。

発熱を逃がすために配置したヒートシンクの上方に温度の高い領域があり、

主に上方に熱が伝わっている様子が確認できます。

【ヒートシンク解析結果/温度分布】

また、解析タイプを熱伝導解析から流体解析に切り替え、流速ベクトル図を表示することで、ICにより暖められた空気が上方へ移動している様子も確認できます。

以下のFemtet例題をご参照ください。

ホーム / 例題集 / 連成解析 / 熱流体解析[Bernoulli/Watt] / 例題6 自然対流による基板上のICの放熱

熱流体解析をおこなうためには、熱流体オプションが必要となります。

2か月無料の試用版でご評価ください。

https://www.muratasoftware.com/trial/starter/

 

[新機能紹介] MATLAB/Simulinkモータドライブ解析との連携

Femtet2020で実装された『Femtetモータ解析とMATLAB/Simulinkモータドライブ解析との連携』の機能紹介をおこないます。

Femtetではモータ基本特性をさまざまな条件で解析し、
MATLAB形式のスクリプトファイル(モータ特性ファイル)としてエクスポートします。
MATLAB/Simulinkではモーター特性ファイルをインポートし、
モータ制御を考慮した解析(モータードライブ解析)を実行します。

FEM解析によって得られたモータ特性ファイルを使用することにより、
単純化されたPMSM(永久磁石同期モータ)モデルでは捉えることができない、詳細なモータ特性を考慮したモータドライブ解析が可能となります。

【Femtet-MATLAB/Simulink連携概念図】


Femtetでは、解析条件の設定から、[MATLAB/Simulink]タブ、および、[回転機]タブの設定を行います。
指定の変数を設定し、パラメトリック解析をおこなうことで、
MATLAB形式のモータ特性ファイルの作成を実行します。

【モータ特性ファイル出力設定画面】


作成したモータ特性ファイルを使用し、Simulink解析を行います。
Simulink側の『Fem-Parameterlized_PMSM』モータモデルに

3次元鎖交磁束データ|熱端子なしでFemtetのモータ特性ファイルを読み込みます。

【Simulink回路図】

【モータ特性ファイルの指定】

解析を実行し、結果の確認を行います。
Simulink解析モデルのScope1ブロックをダブルクリックすると、解析結果が表示されます。
Scope1はモータからの出力電圧(誘起電圧)をモニタリングしています。
誘起電圧は単純な正弦波にはなっておらず、モータの非線形性が現れているのが分かります。

【解析結果確認/誘導電圧】

詳細な手順はFemtetヘルプをご参照ください。

ホーム / チュートリアル / MATLAB/Simulinkモータドライブ解析との連携 /

MATLAB® 、Simulink® に関する情報は Mathworks様のウェブサイト(https://www.mathworks.com) よりご確認ください。

 

MATLAB/Simulink連携をおこなうためには、

磁場拡張オプションが必要となります。

2か月無料の試用版でご評価ください。

https://www.muratasoftware.com/trial/starter/

[お知らせ] EV-tech.jpに掲載されました。

FemtetがEV-tech.jp様(https://ev-tech.jp/)に掲載されました。

EV-tech.jp様はEV・PHV・PHEV(電気自動車・ハイブリッド自動車)に関する総合情報サイトです。車載機器などの製品カタログや、基礎技術、電気自動車に関わる情報を掲載されていますので、興味のある方は、ご覧ください。

 

円柱らせんと多角柱らせん(磁場解析)

コイルやトランスの設計をおこなうときに、
FemtetではらせんコマンドをCAD機能として用意しております。
Femtetのユーザ様の多くは、実際の銅配線の断面形状が円となっている
「円柱らせん」を使用されることが多いです。
しかしながら、曲面を多用することでメッシュ生成に失敗することがあります。
今回はメッシュ生成の成功率が向上する「多角柱らせん」を
ご紹介いたします。

「円柱らせん」と「多角柱らせん」の違いはその名の通り、
断面形状が「円」か「多角形」であることです。
(今回は正六角形となるようにしています。)
曲面が減ることでメッシュ生成の成功率があがります。
さらに、多角柱らせんでは、「側面を平面化」というオプションがあり、
よりメッシュ生成の成功率の向上が見込めます。

実際に磁場解析例題11のモデルを2つのらせんモデルで描画しました。
見た目はたしかに「円柱らせん」のほうが、実際のモデルに近い感じがあります。

解析をおこなったメッシュを表示します。
Femtetは三角形や三角錐でメッシュを生成するため、
実際の解析では円柱らせんが多角柱らせんとして模擬されます。

電流密度分布とインダクタンス値をみると、ほぼ同等の結果が得られていることがわかります。
メッシュサイズをより細かくすることで両者はより漸近すると思います。

「こんな解析をするにはどうしたらいいの?」といったご意見お待ちしています。

差動線路の解析設定方法(電磁波解析)

伝送の高速化が進む中で、基板設計や高周波回路設計者にとって
課題となるのが「ノイズ」です。
ノイズに対する1つのアプローチとして、「差動伝送」技術があります。

Femtetの電磁波解析では差動線路解析に対応しております。
今回は差動線路の設定についてご紹介させていただきます。
解析条件の設定で、オプション設定-「・・・」をクリックし、
伝搬モード変換機能を使うにチェックを入れます。

ポートの設定画面で、差動ペアを組む設定をおこないます。
ここで、差動インピーダンスを設定します。

解析を実行し、結果表示画面で、フィールド表示-電流密度でモードごとに
電流の流れ方を確認していただくことができます。

ミックストモードのSパラをバランス変換不要で得ることができます。

差動線路の解析については、こちらからご覧いただくことができます。

「こんな解析をするにはどうしたらいいの?」といったご意見お待ちしています。

ループコイルで粗密のあるコイルを扱う方法(磁場解析)

コイルの設計や、誘導加熱などの設計において、シミュレーションが使われることが非常に多くなっています。
Femtetに限らず、FEMでは、多巻き、粗密を有する複雑なコイル形状の場合、メッシュが切れなかったり、解析規模が大きくなり、多くのメモリ量や解析時間を必要とするケースがあります。
解決方法としてループコイルを使用することが多いのですが、
今回はFemtetでもループコイルを分割することにより、粗密を考慮したループコイルが扱えることを紹介します。

■ 解析モデル例

軸対称モデルで検証しました。粗密に合わせてループコイルを切断するのがポイントです。
Femtetでは、3次元モデルから簡単に2次元モデル/軸対称モデルを生成可能です。

切断したコイル(Coil_a, b, c)に巻き数を設定し解析を実行しました。
コイルを切断する前のインダクタンス(12巻き)は301nHでした。
均等に分割した(4-4-4)モデルとインダクタンスが一致しました。
巻き数の変更により、インダクタンスが変化する様子がわかります。

参考までに、巻き数に応じた磁束密度分布を示します。
分割なし(12巻き)と均等に分割した(4-4-4)モデルとは、磁束密度分布はほぼ同等。
巻き数の変更により磁束密度分布が変化しました。

「こんな解析をするにはどうしたらいいの?」といったご意見お待ちしています。