Detail předmětu
Modelování elektromagnetických polí
FEKT-MMEMAk. rok: 2015/2016
Rekapitulace, rozšíření a aplikace základních teoretických principů využívaných při numerickém modelování elektromagnetických polí metodou konečných prvků. Simulace stacionárních a nestacionárních elektromagnetických polí, příklady technických aplikací parciálních diferenciálních rovnic. Na základě připravených zadání se v počítačových cvičeních naučit řešit základní úlohy v prostředí programů ANSYS Maxwell a ANSYS Workbench.
Jazyk výuky
Počet kreditů
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Prerekvizity
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Způsob a kritéria hodnocení
Test průběžných znalostí I. 10 b.
Test průběžných znalostí II. 10 b.
Vedení písemné dokumentace počítačových cvičení 10 b.
Závěrečná písemná zkouška 40 b.
Podmínky zápočtu:
Povinná a aktivní účast na všech počítačových cvičeních.
Z testů průběžných znalostí a vedení písemné dokumentace počítačových cvičení získat minimálně 15 bodů.
Projekt odevzdaný do 29. 4. 2016.
Podmínky udělení zkoušky:
Získání zápočtu.
Ze závěrečné písemní zkoušky získat minimálně 20 bodů.
Osnovy výuky
1. Úvod do modelování, základní pojmy, veličiny a rovnice pro analýzu polí.
2. Analýza elektrostatického pole I.: Poissonova rovnice, úplný matematický model, typy okrajových podmínek a jejich fyzikální význam.
3. Analýza elektrostatického pole II.: elektrostatické okrajové podmínky, druhy a interpretace fyzikálních veličin na elektrodách. Energie elektrostatického pole a kapacita soustavy elektrod.
4. Nestacionární elektrické a stacionární proudové pole.
5. Teplotní, termoelektrické a sdružené úlohy.
6. Magnetostatická analýza I.: Formulace magnetostatické úlohy, zdroje magnetického pole, typy magnetických okrajových podmínek a jejich fyzikální význam.
7. Magnetostatická analýza II.: Feromagnetické materiály a jejich vliv na magnetické pole.
8. Magnetostatická analýza III.: Princip zrcadlení, vlastní, vzájemná, vnitřní, vnější a parciální indukčnost. Výpočet indukčnosti cívek s feromagnetickými jádry. Energie a síly v magnetickém poli.
9. Analýza nestacionárního elektromagnetického pole I.: Maxwellovy rovnice pro nestacionární elektromagnetické pole. Elektrické pole vírové. Poyntingův vektor a rovnice výkonové rovnováhy.
10. Analýza nestacionárního elektromagnetického pole II.: Vlnová rovnice pro nevodivé, dobře vodivé a ztrátové prostředí. Povrchový jev a jev blízkosti. Frekvenční závislost impedance vodiče a vinutí. Ztráty v magnetických materiálech při střídavém magnetování.
11. Základní vztahy a principy pro vysokofrekvenční analýzy: Úvod do vysokofrekvenčních simulací, přehled aplikací a moderních simulačních technologií. Zdroje vysokofrekvenčních polí, základní typy okrajových podmínek a analýz. Rozptylové koeficienty, převodové vztahy mezi S, Z a Y parametry, syntéza náhradních ekvivalentních obvodů a jejích využití.
12. Technické aplikace parciálních diferenciálních rovnic, variační a přibližné metody řešení okrajových úloh: Parciální diferenciální rovnice jako matematický model. Klasifikace parciálních diferenciálních rovnic a jejich technické aplikace. Princip minima potenciální energie, energetický funkcionál a variační formulace. Variační metoda řešení okrajových úloh, Ritzova a Galerkinova přibližná metoda.
13. Metoda konečných prvků: charakteristika a princip metody. Formulace rovnic na úrovni prvků. Sestavení globální matice soustavy, její řešení a vyhodnocení výsledků.
Osnova počítačových cvičení
1. Seznámení se s programem ANSYS Maxwell, základy modelování - analýza rovinných kondenzátorů s děleným dielektrikem.
2. Numerické řešení Poissonovy rovnice programem ANSYS Maxwell.
3. Analýza elektrostatického pole VN průchodky (energie, kapacita, intenzita, náboj).
4. Elektrická analýza tranzistorové struktury IGBT (rezistivita, Jouleovy ztráty).
5. Teplotní analýza tranzistorové struktury IGBT (teplota, energetická bilence).
6. Elektromagnet nad feromagnetickým diskem (výpočet indukčnosti, sil).
7. Elektromagnet buzený napěťovým zdrojem a elektrickým obvodem.
8. Permanentní magnet a cívka v blízkosti feromagnetika, cívka nad vodivým diskem.
9. Cívka nad vodivým diskem ve 3D. Energie přenášená dvouvodičovým vedením.
10. Povrchový jev a jev blízkosti ve vodičích. Simulace oteplení vodičů.
11. Extrakce L a C parametrů vedení.
12. Stínění stacionárního a nestacionárního magnetického pole.
13. Náhradní cvičení, hodnocení projektů
Učební cíle
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Základní literatura
Dědková, J., Kříž T.: Modelování elektromagnetických polí. Skripta, VUTIUM, Brno 2012. (CS)
Haňka, L.: Teorie elektromagnetického pole, Praha, SNTL, 1982. (CS)
Zařazení předmětu ve studijních plánech
- Program EEKR-M1 magisterský navazující
obor M1-MEL , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba
obor M1-KAM , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba
obor M1-EEN , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba
obor M1-EST , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba
obor M1-SVE , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba - Program EEKR-M magisterský navazující
obor M-EVM , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba
obor M-EEN , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba
obor M-EST , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba - Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)
obor ET-CZV , 1 ročník, letní semestr, teoretická nadstavba