Verbessertes EMV-Verständnis durch Simulation

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Mit Simulationen das Systemverhalten besser verstehen

In dieser Artikelserie soll aufgezeigt werden, wie mit Hilfe numerischer Simulation ein besseres Verständnis über das Systemverhalten und potentieller Störmechanismen entwickelt werden kann, um bessere Produkte in kürzeren Zyklen zu entwickeln. Eine Stärke der Simulation liegt darin, dass sich einzelne kritische Untersysteme isolieren lassen, damit sie näher untersucht werden können. Hierbei werden Ergebnisgrössen bestimmt und dargestellt, die durch Messung kaum oder nur mit erheblichem Aufwand zu handhaben sind.

Die Ausbreitung und Einkopplung von Störungen folgt den üblichen Gesetzmäßigkeiten der Elektromagnetik, d.h. den Maxwellgleichungen. Dies ist der Ansatzpunkt der numerischen Simulation. Hier bietet ANSYS den Aufgabenstellungen angepasste Simulationssoftware.

Zum einen stehen Feldsimulatoren zur Verfügung, die alle Feldeffekte abbilden. Sie beherrschen Abstrahlung und Übersprechen genauso wie Effekte durch Schirmung und Absorption von elektromagnetischen Wellen. Moderne Simulationswerkzeuge können auch parasitäre Effekte einer 3D-Struktur extrahieren und für eine Schaltungssimulation verfügbar machen.

Die Schaltungssimulatoren werden genutzt, um Systeme auf unterschiedlichen Ebenen zu abstrahieren. Sie sind ideal zur Untersuchung von leitungsgeführten Störungen mit transienten Analysen. Mit der Kombination aus 3D-Feldlösungen und den Schaltungsanalysen lassen sich umfangreiche EMV-Untersuchungen durchführen, die als Ergänzung zur Messung eine große Bereicherung darstellen.

Koppelpfade mit Hilfe von Feldsimulatoren beschreiben

Anhand von Beispielen wird in dieser Artikelserie illustriert, wie verschiedene EMV-Aufgabenstellungen modelliert und auf diese Weise Simulationswerkzeuge effizient eingesetzt werden können, um Geräte und Komponenten zu bewerten und zu verbessern. Hier im ersten Teil der Serie soll gezeigt werden, wie sich Koppelpfade mit Hilfe von Feldsimulatoren beschreiben lassen, ohne auf die genaue Form der elektronischen Signale einzugehen.

Für feldgebundene Störungen werden oft Schirmungen als Gegenmaßnahme verwendet. Die Schirmungen basieren meist auf dem Wirbelstromverdrängungseffekt. Dabei werden in einem Metall (Schirmung) durch ein externes Magnetfeld Wirbelströme induziert, die wiederum ein weiteres Magnetfeld aufbauen, das dem ersten entgegenwirkt. Die charakteristische Eindringtiefe der Felder in den Leiter ist von der Frequenz, den magnetischen Materialeigenschaften und der Leitfähigkeit des Metalls abhängig.

Bei einer induktiven Ladestation, die bei einer Frequenz von 20 kHz arbeitet, ist die Eindringtiefe in eine Schirmplatte aus Aluminium 0,6 mm. Das Schirmblech muss also die entsprechende Dicke aufweisen, damit die gewünschte Schirmwirkung erzielt werden kann. Um jedoch den Effekt einer solchen Schirmung genau zu bestimmen, muss nicht nur untersucht werden, wie viel Magnetfeld den Schirm durchdringt, sondern auch, wie das Feld um den Schirm herumgreift (Bild 1).

Die ANSYS Feldsimulatoren erlauben es, die genaue Magnetfeldverteilung zu berechnen, die sich aus der Konstellation des Spulensystems, der Schirmbleche, Ferriten und auch angrenzender Bauteile ergeben. Anhand der Magnetfeldverteilung lassen sich nicht nur Grenzwerte der Feldstärken direkt überprüfen, sondern auch die Ausbreitungspfade der Felder besser verstehen und vergleichen:

• Welche Rolle spielt die Positionierung der Schirmung bzgl. des Spulensystems?

• Greift mehr Feld ums Blech herum oder diffundiert mehr durchs Blech hindurch?

• Wo lässt sich Material einsparen? In der Dicke oder in der Breite?

Aufgrund dieser Erkenntnisse können schnelle Designvariationen vorgenommen werden, um so eine optimale Geometrie des Schirms zu finden beziehungsweise die Grenzen des Umsetzbaren auszuloten.

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