低频电磁通常指的是频率在3Hz到30kHz范围内的电磁波。低频电磁辐射主要来源于各种电气设备，如电源配电箱、电线、变压器和整流器等。低频电磁的特点是其波长较长，穿透力较强，但能量较低。
低频电磁技术在多个领域都有应用。例如，资源探测、地震预测、电疗和脑电刺激等。同时在新能源汽车领域，低频电磁仿真可以帮助优化电机设计，提升电机性能。本文将围绕电磁仿真介绍相关的行业信息。
01 什么是电磁仿真
在计算机辅助工程（CAE）软件中，求解的是某个物理场对应的方程，比如流体仿真求解的都是Navier-Stokes方程，而电磁仿真求解的则是著名的Maxwell麦克斯韦方程组。
02 高频与低频
众所周知，电磁波在真空中的传播速度是光速c，而速度又等于频率乘以波长。
在电磁场的仿真分析中，如果要研究的物体几何尺寸与电磁波的信号波长在相同量级，或者波长远小于物体的几何尺寸，就需要使用高频电磁分析；反之如果波长比较长，就可以使用低频电磁分析。
在实际应用中，高频电磁分析主要关注电磁波的传播和干扰，如天线的布局、芯片的电磁干扰兼容性等；而低频电磁分析主要关注电流的磁效应，如电机、开关、无线充电等领域。
高频电磁（ANSYS HFSS）典型应用领域
低频电磁（ANSYS Maxwell）典型应用领域
由于高频和低频电磁仿真使用的底层求解算法有许多不同之处，许多国际知名的仿真软件公司，其高频电磁仿真软件和低频电磁仿真软件也都是各自独立的。如ANSYS公司（已被新思科技收购）旗下的高频电磁仿真软件叫HFSS（业内爱称海飞丝），低频电磁仿真软件叫Maxwell。Altair公司的高频电磁产品叫FEKO，低频仿真软件则为Flux。
03 低频电磁仿真的常见应用领域
如前所述，在低频电磁分析中，主要关注的是电流产生的电场、磁场，以及可能在导体中产生的热。因此低频电磁仿真常用于电动机、发电机、电源开关、变压器等电力设备、以及无线充电等领域。在某些场景下，通常还需要与结构力学分析耦合研究电磁力（如电机的扭矩、校验强度等）、与热分析、流体分析耦合研究电流产生的热效应以及散热情况等。
3.1 磁力电源开关
举一个很简单的例子，这是一个磁力电源开关，它可以在检测到电流过载时控制断电。相比于每次断电就会熔断的保险丝，这种电磁开关式的断路器可以重置，因而可以多次重复使用。
不通电的时候，上下两块铁芯之间是分离的，由一个弹簧撑着，开关断开；为中间的线圈通电，电流产生的磁场会吸引上方的铁柱塞，使其克服弹簧的阻力与下方铁芯接触，开关闭合。
通过低频电磁分析，我们就可以研究这个开关，在电流逐渐增大时，内部产生的磁场，以及最关键的——在什么条件下会让开关闭合。
开关还未闭合时内部的磁通密度
开关闭合时的磁通密度
通过计算铁芯中引起的感应电流，还可以研究感应电流在铁芯中引起的升温及热损耗。
不同条件下感应电流引起的铁芯损耗
3.2 电力系统高压开关
同样叫“开关”，在电力系统中的110 kV 高压开关，关注的就不仅仅是开关的连通状态那么简单了。在这个案例中，主要关心的是整个系统的电势和电场分布，以避免由于电场不均匀导致的放电等事故。
三相交流断路器和隔离开关的模型
电网交流电的频率一般为 50 Hz。在这个频率下，电磁波的波长显然远远大于这个开关系统的尺寸，所以可以使用低频电磁分析。
电力线与电势分布
这个案例中，Comsol官方还展示了使用深度神经网络训练代理模型，以近乎实时地根据输入电压得到整个开关系统电场分布的变化。
训练代理模型并封装为仿真APP
3.3 电动机与发电机
电动机和发电机的原理类似，只是一正一反的区别而已。电机的仿真是典型的磁-热-力多物理场耦合分析过程。在同一个模型中，可以研究磁场的分布、也可以研究电机的扭矩、应力，以及温度等。
电机的磁场分布
电机运转时的应力
管式永磁发电机工作时的磁通密度
3.4 无线充电
无线充电这件事，看似和前面的开关、电机差别很大，实际发生的物理过程都很类似——都是电磁感应，电生磁-磁生电的过程。
Qi标准的无线充电线圈
通过仿真分析，可以优化无线充电设备的设计，提高充电功率、降低设备的发热，并考虑对电子设备中其他器件的电磁屏蔽。
无线充电过程中的磁场H
磁芯中的磁滞损耗
无线充电时的气流温度与散热
发表评论 取消回复