通过电磁仿真优化平面线圈
责任编辑:王王木木     时间:2021-08-10     来源:转载于:COMSOL 中国
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时间:2021-08-10  来源:转载于:COMSOL 中国
分类: 知识问答
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       无论是血压传感器还是电子货币卡,平面线圈广泛应用智能电子设备中。这些线圈被制备在印刷电路板(PCB)上,是感应耦合的理想选择,尤其是在空间有限的情况下。在设计这些线圈时,计算它们的电感和电阻很重要,因为这些参数在设备性能中起着关键作用。借助 COMSOL® 软件中的多层壳特征,工程师能够在一个平面上对整个线圈进行建模。

 

平面线圈的优点及其应用

 

       平面线圈是因线圈导线主要位于同一平面上(几乎是平坦的)而得名的。与其他电感器相比,它们占用的空间更少,因此适用于任何尺寸受限的应用,例如 MEMS 或植入式医疗设备(例如心脏泵)。平面线圈可以在刚性和非刚性表面上制造,这意味着它们可以被集成到 PCBs 和柔性电路上。平面线圈也可以批量生产,从而实现低成本、高效益的制造过程。

 

     由于这些特性,平面线圈在高频领域有许多不同的应用。下面是一些应用示例:

  • 远程健康监控(例如血压传感器)
  • 无线电源传输(例如可穿戴/可植入医疗设备)
  • 射频识别(例如电子货币卡)
  • 感应加热(例如电磁炉)

 

平面线圈可用于可穿戴设备的 PCB 中,例如图中的健身追踪器。

 

       在设计平面线圈时,有两个重要参数:电感和电阻。电阻应极低(理想值为 0),因为任何电阻都会使线圈的效率降低。但是,电感应较高,以便在不同设备之间进行感应耦合。确定电阻和电感可能很复杂,因为我们需要考虑线圈材料、匝数以及电场和磁场之间的耦合等各方面因素。

 

       为了解决上述难题,工程师可以使用电磁仿真软件计算 PCBs 线圈中的电阻和电感。为了使建模过程更有效,我们可以使用 COMSOL Multiphysics 的附加产品 —— AC/DC 模块内置的壳内电流接口,将线圈设计看作(基本上是)平面进行分析。下面,我们来看一个简单的平面线圈模型的仿真示例。

 

平面线圈电磁仿真示例

 

       如下图所示,平面线圈模型由 PCBs 上的铜线组成。

 

       该线圈有三匝;两个通孔;两个端子,其中一个接电压,而另一个接地。电流从顶层的端子流入。然后,经过通孔流到底层导线,再经过另一个通孔返回到顶层,经过所有导线,最后到达接地端。线圈中的电流会产生磁场,电流与磁场的比值决定电感的大小。

 

平面线圈的几何形状和电势分布。

 

       由于铜线圈非常薄(厚度仅 0.1 mm,铜线的宽度和通孔高度为 0.5 mm),因此可以将通孔简化为二维表面而不是三维实体。我们可以使用 COMSOL®软件 5.4 版本中的壳内电流接口在一个平面上模拟线圈的几何形状。此外,我们可以使用该物理接口以及磁场接口来计算电流和磁场,并评估线圈的电阻和电感。此过程包括两个部分:

 

  1. 壳内电流 接口可计算整个线圈的集总电阻和表面电流密度。此接口求解边界上流动的电流。
  2.  
  3. 磁场 接口使用壳内电流 接口计算的表面电流密度来计算线圈周围空间中的磁场分布。
  4.  

此示例非常简单,如果您对此感兴趣,还可以对不同的和更复杂的几何形状使用相同的方法建模。有关建模的详细信息,请查看 COMSOL 案例库中的平面 PCB 线圈案例教程”。在这里,您可以查看建模步骤的说明。如果您有有效的软件许可证,请下载相关的 MPH 文件。

 

 

可视化电磁仿真的结果

 

       运行模型仿真后,自动生成的结果将显示常用物理量,例如电势(如上图所示)以及线圈电流产生磁场的分布(如下图所示)。除了这些可视化结果以外,我们还可以计算其他物理量例如,此示例中的电阻和电感。此线圈设计中,电感为 0.06μH,电阻为 21.6mΩ。

 

线圈周围的磁通密度(彩色图)以及电流密度(箭头图)。

 

       由上述示例可知,我们可以利用 AC/DC 模块中的多层壳功能对平面线圈建模并确定其电阻和电感。利用该仿真结果,工程师可以轻松地优化特定应用的线圈设计,例如通过增加匝数以获得更高的电感。如下图所示,当添加第4层线圈时,电感从 0.06μH 增加到 0.11μH。

 

3 匝线圈与 4 匝线圈的电阻和电感的仿真结果比较 ,以及一个 4 匝线圈的可视化仿真结果。

 


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舒洁  回复 2021-11-01 22:13:35
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