[문서] 정전식 터치센서 분석(Using CST)

본 자료에서는 최신 스마트워치에 사용되는 일반적인 정전식 센서의 설계 및 최적화를 위한 CST Studio Suite®의 전용 기능을 살펴봅니다. 소개 휴대폰의 터치스크린부터 스마트 가전제품 제어, 지하철 역의 자동 발권기에서 티켓 구매에 이르기까지 우리는 매일 수많은 터치스크린과 상호작용합니다. 이러한 스크린의 사용 편의성과 직관적인 반응은 모두 표면을 미끄러져 화면을 두드리는 손가락의 감지 품질에 달려 있습니다. 수년에 걸쳐 다양한 유형의 센서가 개발되어 왔으며 정전식 센서는 터치스크린 기술에서 가장 널리 사용되는 센서입니다. 정전식 센서는 전자기적 특성으로 사람의 손가락을 감지하는 데 가장 적합한 센서로, 손가락과 센서 사이에 여러 층의 유리 및 플라스틱 소재를 사용할 수 있습니다. 터치스크린 애플리케이션을 위한 정전식 센서 설계하기 이러한 센서를 설계할 때 고려해야 할 여러 가지 측면이 있습니다. 이러한 감지 시스템의 효율성과 관련하여 두 가지 주요 고려 사항은 감지 정확도(특히 화면이 작아지고 해상도가 높아질 때)와 감지 속도입니다. 스마트워치 정전식 센서 설계 및 모델링 스마트워치 화면에는 강도를 제공하고 정보를 표시하는 매체 역할을 하는 다양한 레이어가 포함되어 있습니다. 화면 어셈블리는 케이스에 들어 있고 센서는 화면 레이어 뒤에 있습니다. 센서 어레이는 그리드 형태로 배치되며 독립적으로 제어할 수 있는 전극의 행과 열로 구성됩니다. 그리드의 각 행과 열 사이에는 알려진 커패시턴스가 존재합니다. 사람의 손가락이 그리드에 접근하면 이러한 행과 열의 커패시턴스가 변경됩니다. 손가락이 없는 센서의 커패시턴스 분석 그리드의 개별 행과 열은 작은 간격으로 순차적으로 여기됩니다. 소프트웨어는 일련의 정전기 분석을 사용하여 서로 다른 전위에서 행과 열과 접지 사이의 커패시턴스를 자동으로 계산합니다. 결과 커패시턴스 행렬은 그리드의 정전기 거동을 완전히 특성화하며 회로 시뮬레이션 중에 FE 모델의 환원 차수 표현으로 사용할 수 있습니다. 정전식 센서로 손가락 감지하기 CST Studio Suite는 사람의 손가락 모델을 포함한 인체 모델 라이브러리를 제공합니다. 이러한 모델을 스마트워치 모델에 가져와 배치하는 것은 간단합니다. 일반적으로 손가락 전위는 접지와 동일합니다. 손가락이 전기장 분포와 커패시턴스 매트릭스에 미치는 영향을 모델에 통합할 수 있습니다. 화면 표면으로부터 다양한 거리에서 손가락의 8가지 위치에 대해 파라메트릭 연구를 수행했습니다(아래 이미지 참조). 센서 그리드의 개별 부분에 대한 커패시턴스 변화가 계산됩니다. 이 계산은 감지를 위한 감도 범위를 정의합니다. 예상대로 손가락이 화면에 가장 가까이 있을 때 용량 변화의 효과가 가장 크며 거리가 멀어질수록 그 효과는 감소합니다. 정전식 센서 감지 회로의 최적화 손가락이 없는 회로와 있는 회로의 정전용량 특성을 파악했다면, 다음 단계는 감지 회로를 최적화하여 감지 속도를 개선하는 것입니다. 센서 그리드의 각 행과 열은 전압 제어 스위치에 연결되어 전체 그리드를 초당 여러 번 순차적으로 여기시킬 수 있습니다. 회로 구성 요소의 최적화를 통해 센서 어레이에서 손가락의 움직임에 대한 사용자의 실시간 느낌에 해당하는 가장 빠른 응답 시간을 보장합니다. 회로의 응답은 회로 구성 요소의 전압 강하로 측정됩니다. 전압 강하가 빠를수록 손가락 위치를 더 빨리 감지하고 센서의 시간적 분해능이 향상됩니다. 아래 이미지에서 프로브 P1의 위치에서 전압 특성을 볼 수 있습니다. 회로는 주어진 시간 동안 충전되고 그 후 전원 연결이 중단되고 회로가 방전되도록 허용됩니다. 감지는 프로브 신호의 영점 교차점에서 수행됩니다. CST Studio Suite 회로도 도구를 사용하면 이전에 다양한 손가락 위치에 대한 일련의 FE 솔루션에서 계산된 등가 커패시턴스 행렬로 스마트워치 및 손가락 유한 요소(FE) 모델을 표현하는 빠른 회로 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 가장 빠른 감지 시간을 얻기 위해 다양한 회로 구성 요소(예: 저항기 및 커패시터)의 값을 최적화하기 위해 매우 빠른 최적화 연구를 수행할 수 있습니다. 새로운 유한 요소 솔루션을 다시 실행할 필요가 없으므로 몇 초 또는 몇 분 만에 최적화를 수행할 수 있습니다. 따라서 이러한 터치스크린 디바이스 제조업체는 새로운 유형의 기하학적 윤곽 및 화면 제조 공정에 맞게 정전식 감지 레이아웃을 신속하게 최적화하고 디바이스에서 가장 현실적인 반응을 얻을 수 있는 최상의 감지 특성을 보장할 수 있습니다. 결론 터치 스크린은 모든 유형의 소비자 디바이스에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 비용 절감과 감지 정확도 향상에 대한 압박이 커지면서 정전식 센서가 이러한 디바이스에 적합한 솔루션으로 떠오르고 있습니다. CST Studio Suite는 이러한 정전식 센서를 모델링하고 최적화할 수 있는 완벽한 기능을 제공합니다. 최첨단 유한 요소 솔버, 회로 시뮬레이터, 휴먼 모델을 통해 설계자는 빠르고 쉽게 설계를 검증하고 개선할 수 있습니다. 프로토타입의 수를 크게 줄일 수 있으며, 감지 정확도 및 지연 시간과 관련된 잠재적인 문제를 설계 초기 단계에서 해결할 수 있어 후반 단계에서 비용이 많이 드는 재설계 과정을 방지할 수 있습니다. 본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. 원본 : 다쏘시스템 커뮤니티 (Katie COREY, Capacitive Touchscreen Sensor Analysis)

관리자 2024.04.17 조회 66

[문서] 3DEXPERIENCE 플랫폼 및 CST Studio suite 제품군을 사용한 Quadrupole Magnet의 최적화

Magnet 설계는 물리학의 여러 분야를 포괄하며, Magnet 설계를 위한 통합 모델은 Magnet 개발 프로세스를 가속화하고 간소화하는 데 많은 이점을 제공합니다. 이 자료에 소개된 워크플로우를 통해 Quadrupole Magnet을 CATIA로 설계하고 SIMULIA CST Studio Suite로 시뮬레이션한 후 Process Composer로 최적화할 수 있었습니다. 이 워크플로우는 하나의 공통 환경인 3DEXPERIENCE 플랫폼에서 모두 수행되었습니다. 소개 엔지니어들은 오랫동안 Magnet 설계를 위한 단일 통합 모델에 대한 개념을 모색해 왔습니다. 의미 있는 Virtual twin 모델은 장치의 전자기, 열 및 구조적 성능을 시뮬레이션하는 기능을 구현할 뿐만 아니라 전체 기하학적, 재료 및 제조 정보를 유지해야 합니다. Virtual twin은 설계 변경에 대응할 수 있어야 하며, 설계 변경의 효과를 포착하기 위해 어떤 시뮬레이션을 반복해야 하는지 식별할 수 있어야 합니다. 최소한 가상 프로토타입의 이전 버전에서 시뮬레이션 결과가 생성된 경우 이를 확실하게 식별할 수 있어야 합니다. 여러 물리 영역의 입력을 고려하여 설계를 최적화하는 기능도 가장 중요합니다. 이 자료에서는 기계 설계자 역할, 전자기 시뮬레이션 툴인 CST Studio Suite® 및 Opera®, Process Composer에서 제공하는 최적화 기능을 사용하여 3DEXPERIENCE 플랫폼을 CAD와 결합하는 방법을 소개합니다. 이 연결된 워크플로우에서 전자기 Quadrupole Magnet의 pole 프로파일은 기계 설계자 역할을 사용하여 설계되고 파라미터화되었습니다. 그런 다음 파라미터화된 설계를 최적화를 위한 기초로 사용하고 3DEXPERIENCE 플랫폼을 통해 물리 결과를 시각화했습니다. 설계 먼저 3DEXPERIENCE 플랫폼의 CATIA 앱 파트 디자인을 사용하여 Magnet의 single pole을 모델링했습니다. pole은 완전히 파라미터화되었으며, 특히 다음 최적화의 초점이 될 pole 팁이 가장 중요했습니다. 그림 1: CATIA 파트 디자인 앱에서 Magnet pole을 설계하는 모습 시뮬레이션 3DEXPERIENCE 플랫폼을 사용하여 부품을 CST Studio Suite로 import했습니다. 대칭을 사용하여 나머지 Quadrupole를 생성했습니다. 코일, 메시, 경계 조건 및 해석 옵션이 추가되었습니다. M-static solver를 실행하고 후처리 조건을 정의했습니다. 그림 2. Quadrupole자 Magnet의 전자기 시뮬레이션 설정 및 풀이 최적화 최적화 프로세스 컴포저는 매개변수화된 CATIA 지오메트리로 구동되는 CST Studio Suite를 사용하여 최적화 프로세스를 구축하는 데 사용되었습니다. 최적화를 위한 목표 설정에는 CST Studio Suite 모델의 출력이 사용되었습니다. 그림 3: 프로세스 컴포저의 최적화 설정 후처리 퍼포먼스 스튜디오는 최적화 결과의 초기 경량 포스트 프로세싱을 수행하는 데 사용되었습니다. 초기 결과에서 후보 지오메트리를 선택했습니다. 그림 4: 최적의 후보 선택 후보 지오메트리 후보 지오메트리의 CAD 업데이트가 CST Studio Suite에서 자동으로 수행되고 결과 모델이 다시 시뮬레이션되었습니다. 이 모델은 모든 관련 기준에서 초기 모델보다 우수한 성능을 보였습니다. 후속 기계적 평가를 위해 폴과 코일에 발생하는 힘을 계산했습니다. 코일 변위에 대한 초기 계산이 이루어졌습니다. 그림 5: 최적화된 설계 검증 및 구조적 성능 계산 추가 작업 이 분석의 다음 단계는 다중 물리 분석을 확장하는 것입니다. 전자기 시뮬레이션의 힘은 3DEXPERIENCE 플랫폼에서 Abaqus 역할을 사용하여 구조 시뮬레이션을 구동하는 데 사용할 수 있습니다. 그런 다음 이러한 모델을 최적화 루프에 추가하여 전체 다중 물리 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 결론 Magnet 설계는 물리학의 여러 분야를 포괄하며, Magnet 설계를 위한 통합 모델은 Magnet 개발 프로세스를 가속화하고 간소화하는 데 많은 이점을 가져다 줍니다. 이 자료에 소개된 워크플로우를 통해 Quadrupole Magnet을 CATIA로 설계하고 SIMULIA CST Studio Suite로 시뮬레이션한 후 Process Composer로 최적화할 수 있었습니다. 이 워크플로우는 하나의 공통 환경인 3DEXPERIENCE 플랫폼에서 모두 수행되었습니다. 이 접근 방식은 설계 시간을 단축하고 최적의 Magnet 성능을 보장합니다. 또한 Magnet의 전자기, 열 및 구조적 기계적 특성과 이들 간의 상호 작용을 동시에 고려하여 Magnet 해석에 대한 다중 물리학 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 관련하여 보다 자세한 내용은 아래 Webinar를 통해 확인 가능합니다. Optimization of Quadrupole Magnet with 3DExperience Platform and CST Studio Suite | Dassault Systèmes® (3ds.com) ​본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. 출처 : https://blog.3ds.com/brands/simulia/optimization-of-a-quadrupole-magnet/ (Ben Pine, Optimization of a Quadrupole Magnet with the 3DEXPERIENCE Platform and CST Studio Suite)

관리자 2024.03.18 조회 144

[문서] Litz wire 기능 사용 (Using CST)

Litz wire은 최대 MHz 범위의 고주파수에서 Skin effect 및 근접 효과로 인한 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다. Litz 도체는 여러 가닥의 절연 구리선을 함께 엮거나 꼬아 만든 전선입니다. 본 자료에서는 Litz wire를 정확하게 모델링하고 시뮬레이션 할 수 있는 새로운 CST Studio Suite 기능을 소개합니다. 소개 Litz wire는 Solid 도체에서 표피 및 근접 효과가 중요한 문제가 되는 최대 MHz 범위의 고주파에서 교류(AC)를 전달할 수 있는 여러 장점으로 인해 저주파(LF) 어플리케이션에서 도체 권선으로 많이 사용됩니다. Litz wire 도체는 여러 가닥의 절연 구리선을 최적화된 방식으로 직조/꼬아 만든 것으로, 흐르는 전류가 균일하고 손실이 개선됩니다. LF 대역에서 Litz wire는 주로 변압기와 인덕터에 사용됩니다. 최근 Litz wire는 전기 기계의 권선이나 coil 등 더 광범위한 어플리케이션으로 그 용도가 확대되고 있습니다. Litz wire를 모델링하는 것은 표피 및 근접 효과로 인한 손실을 필요한 수준의 정확도로 계산할 수 있도록 하는 데 중요합니다. 그러나 Litz wire 도체의 각 가닥을 표현하기 위해 형상 모델링과 시뮬레이션 시간이 매우 많이 소요될 수 있으므로 대체 방법이 필요합니다. CST Studio Suite에서는 효과적인 와이어 모사 방식을 사용하여 도체의 가닥을 표현함으로써 모델링 및 시뮬레이션 시간을 단축할 수 있습니다. 이 문서에서는 모델링을 간소화하는 기능을 추가한 CST Studio Suite LF solver를 사용한 Litz wire 시뮬레이션에 중점을 둡니다. 예제를 통해 Litz wire 결과를 시연합니다. Litz wire 내의 물리적 효과 교류 전류가 고주파에서 솔리드 와이어에 흐르면 도체 내에서 전류의 재분배가 일어납니다. 전류 밀도는 도체의 외부 표면 근처에서 가장 크고 도체의 내부 축을 향해 기하급수적으로 감소합니다. 이러한 재분배를 표피 효과라고 합니다. 표피 깊이 δ에 대한 식은 (1)에 나와 있으며 그 효과는 그림 1에 나와 있습니다. 그림 1의 바깥쪽 빨간색 단면은 전류 크기가 가장 크고 중앙 파란색 단면은 전류 크기가 가장 작은데, 이는 도체의 전체 단면 내부에서 전류 흐름이 재분배되기 때문입니다. 따라서 표피 깊이 δ는 전류 밀도가 표면 값의 1/e인 깊이입니다. 식 1. 표피 깊이 그림 1. 교류 전달 도체의 표피 효과 이로 인해 전류 흐름의 단면적 감소로 인해 도체의 저항이 증가하여 열 손실이 증가합니다. 이러한 경우 Litz wire를 사용하면 표피 효과를 완화하는 데 도움이 되지만 제거할 수는 없으므로 반드시 고려해야 합니다. Litz wire를 사용할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 문제는 포장된 전선의 밀집으로 인한 근접 효과입니다. 근접 효과는 도체 내 전류의 재분배를 유발하여 AC 저항을 증가시켜 열 손실을 증가시킵니다. 그림 2는 근접 효과가 5회전 coil의 전류 분포에 어떤 영향을 미치는지 보여줍니다. 그림 2 (a)는 전체 coil을, 그림 2 (b)는 단면의 전류 분포를 보여줍니다. 적절한 배치 길이와 꼬임 수를 사용하여 전선 가닥을 한 묶음으로 꼬는 것은 근접 효과로 인한 손실을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 근접 효과를 제거하지는 못합니다. 따라서 이 또한 고려해야 합니다. (a) 5 회전한 전체 coil (b) YZ 평면에서 절단된 coil 그림 2. AC coil의 근접 효과 CST Studio Suite에서 Litz wire 모델링하기 앞서 설명한 손실은 Litz wire를 효과적으로 모델링하여 CST Studio Suite에서 계산할 수 있습니다. 사용자가 Litz wire의 각 가닥을 모델링할 필요 없이 표피 및 근접 손실의 근사치를 얻을 수 있는 새로운 기능을 추가했습니다. 도체는 단면 Profile과 개방형 경로로 모델링 된 coil에 Coil segment를 설정하는 방식을 통해 모델링할 수 있습니다. 이 기능은 향후 릴리스에서 폐쇄형 loop coil로 확장될 예정입니다. 이 기능을 사용하면 전류, 전기 전도도, Strand 수, Strand 직경, 와이어의 길이 연장 계수(Strand의 꼬임 및 직조 길이 고려) 등 Litz wire의 다양한 파라미터를 설정할 수 있습니다. 모델링 된 coil의 기하학적 구조와 관련된 기타 파라미터는 coil의 기하학적 치수와 앞서 나열된 파라미터를 사용하여 자동으로 계산됩니다. 여기에는 fill factor, (유효) conductor area, volume of coil, area of coil cross section, geometric length 및 DC resistance이 포함됩니다. 모델이 올바르게 설정되면 CST Studio Suite의 LF Frequency domain MQS solver를 사용하여 시뮬레이션 수 있습니다. 예제 설정 이 섹션에서는 그림 3과 같이 페라이트 C 코어의 다리에 Litz wire 도체를 감은 간단한 예제를 소개해 보겠습니다. 그림 3. Litz wire 도체가 있는 페라이트 C 코어의 예 페라이트 코어의 상대 자기 투자율은 그림 4와 같이 200으로 설정되어 있으며 분산 자기 특성을 갖습니다. 이를 통해 C 코어의 주파수 의존적 자기 손실을 계산할 수 있는데, 이는 이 문서의 범위를 벗어나므로 여기서는 자세히 설명하지 않습니다. 그림 4. 페라이트 C-코어의 자기 분산을 위한 디바이 1차 모델 coil은 'coil segment' 옵션을 사용하여 정의되므로 기본적으로 개방형 coil 루프입니다. coil에서 발산 없는 전류를 가지려면 완전 전기 도체(PEC)를 사용하거나 모델의 경계를 사용하여 coil을 닫아야 합니다. 이 경우 그림 3과 같이 PEC가 루프를 닫는 재료로 사용됩니다. 이는 모델의 손실에 영향을 미치지 않지만 나중에 두 전선 끝 사이의 전기 커넥터를 나타내기 위해 PEC material을 보다 사실적인 것으로 변경할 수 있습니다. coil이 생성되면 그림 5와 같이 대화 상자에서 속성을 정의할 수 있습니다. 표 1에서 이 예제에 사용된 Litz wire coil에 대한 자세한 내용을 확인할 수 있습니다. 그림 5. Litz wire 설정 (v2024 new feature) 표 1. Litz wire 속성 여기서 지정된 전류 진폭은 solver 창에서 선택한 항목에 따라 RMS 또는 peak값이 될 수 있습니다. 일반적으로 리츠 도체에서 발견되는 Strand의 수는 수십 개에서 수천 개까지 다양합니다. Strand 직경은 절연 두께 없이 제공되어야 하며 소프트웨어는 coil 형상의 단면적에 따라 fill factor와 conductor Area를 계산합니다. 일반적으로 선택되는 최대 Diameter of strand는 최고 작동 주파수에서 사용되는 전선 소재의 피복 깊이의 두 배입니다. 그러나 실제 전원 공급 장치에는 일반적으로 어플리케이션에 따라 더 높은 노이즈 고조파가 포함되어 있기 때문에 표피 손실을 제거하기에 충분하지 않습니다. Length extension factor는 Litz wire의 실제 총 길이(꼬이기 전)와 측정된 최종 길이(꼬인 후)의 비율입니다. 이 방법은 전류가 번들 수준에서 균일하다고 가정하게 됩니다. 대부분의 산업적으로 트위스트 Litz wire는 전류가 가능한 한 균일하도록 최적화된 방식으로 가닥을 꼬고 엮습니다. 이 모델은 50Hz~200MHz의 주파수 범위에 대해 시뮬레이션하였으며, 각 주파수 지점에 대한 결과는 그림 6(a)와 같이 Navigation tree에서 확인할 수 있습니다. 주요 관심 결과인 표피 및 근접 손실은 1D result/LF solver/loss 아래에서 확인할 수 있습니다. 이 예에서는 페라이트 C 코어의 손실도 확인할 수 있습니다. 그림 6은 각각 표피, 근접 및 총 손실을 보여줍니다. 그림 6. 탐색 트리의 결과 총 손실 그림 6에서 표피 손실은 100MHz 부근에서 약간의 하락을 제외하고는 주파수 범위 전체에서 비교적 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있습니다. 100MHz의 주파수까지 Strand 직경을 2δ(표피 깊이의 2배) 이하로 선택(표 1)하면 비교적 일정한 값을 예상할 수 있습니다. 그림 6에서 예상대로 주파수가 증가함에 따라 근접 손실이 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 근접 손실의 크기는 선택한 Strand의 직경으로 인해 예상대로 표피 효과에 비해 큽니다. 그림 6는 전체 광대역 범위의 값을 볼 수 있도록 페라이트 C-코어 손실을 포함한 총 손실을 로그 스케일로 표시한 것입니다. 범례는 시뮬레이션 된 가장 낮은 주파수인 50Hz에서 각 손실의 값을 보여줍니다. 기울기는 페라이트 손실이 지배적이지만 AC 전류 손실, 특히 근접 손실의 영향이 여전히 상당합니다. 그림 7(a)는 100MHz에서 전체 모델의 자기 손실 밀도를 보여주고, 그림 7(b)는 대부분 근접 효과에 의해 지배되는 coil의 손실 밀도만 보여줍니다. 페라이트 코어의 손실이 훨씬 더 높지만, 단면적이 더 작기 때문에 coil의 손실 밀도가 훨씬 더 높습니다. 그림 7. (a) 전체 모델, (b) 근접 손실이 지배적인 coil의 100MHz에서의 자기 손실 밀도(W/m3) Non-Litz wire coil의 손실 비교 Coil segment를 사용하여 CST Studio Suite에서 동일한 모델에 대해 Litz wire가 없는 평가를 수행한 경우, 비슷한 크기의 전선 도체에 대한 표피 및 근접 효과가 고려되지 않으므로 손실을 비교하는 것은 합리적이지 않을 수 있습니다. 소프트웨어는 도체의 옴 DC 손실만 계산하므로 유사한 비교를 제공하지 않습니다. 이는 또한 non-Litz wire 도체의 AC 손실이 Litz wire보다 작다고 보여질 수 있는데, 이는 잘못된 것입니다. 결론 Litz wire는 전력 손실을 줄이기 위해 저주파(LF) AC 어플리케이션의 고주파 스펙트럼에서 인기를 얻고 있습니다. 이 문서에서는 주파수가 높을수록 중요해지는 표피 및 근접 손실을 보다 효과적으로 계산하기 위해 CST Studio Suite의 새로운 Litz wire 기능에 대해 간략하게 설명했습니다. 또한 어플리케이션에서 발생하는 다양한 손실의 유형이 설명되어 있으며, CST Studio Suite에서 Litz wire를 사용하여 모델을 설정하는 간단한 예가 제시되어 있습니다. 결과적으로 도체에서 AC 손실을 계산하는 것이 중요함을 보여주었다고 볼 수 있습니다. 본 자료는 다쏘시스템 홈페이지의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. 원본 : 다쏘시스템 홈페이지 (다쏘시스템, Bilquis Mohamodhosen)

관리자 2024.03.06 조회 166

[문서] CST Studio Suite을 이용한 커패시티브 센서 분석

Dassault Systèmes 최근 우리는 휴대폰 터치스크린부터 스마트 가전제품, 지하철역의 자동 발권기 등에 이르기까지 매일 수많은 터치스크린을 접하게 됩니다. 이러한 스크린의 사용 편의성과 직관적인 반응은 모두 손가락 표면이 스크린을 두드릴 때 감지하는 품질에 달려 있습니다. 수년에 걸쳐 다양한 유형의 센서가 개발되어 왔고 그 중 커패시티브 센서는 터치 스크린 기술에서 가장 널리 사용되는 센서입니다. 커패시티브 센서는 전자기적 특성으로 사람의 손가락을 감지하는데 가장 적합한 센서로, 손가락과 센서 사이에 여러 층의 유리 및 플라스틱 소재를 사용할 수 있습니다. 터치스크린 어플리케이션을 위한 커패시티브 센서 설계 이러한 센서를 설계할 때 고려해야 할 여러가지 측면이 있습니다. 이러한 감지 시스템의 효율성과 관련해서는 감지 정확도(특히 화면이 작아지고 해상도가 높아질 때)와 감지 속도라는 두 가지 주요 고려 사항이 있습니다. 스마트워치 화면에는 강도를 제공하고 정보를 표시하는 매체 역할을 하는 다양한 레이어가 포함되어 있습니다. 그림 1과 같이 화면 어셈블리는 케이스에 들어있고 센서는 스크린 레이어 뒤에 있습니다. 그림1. 스마트워치 스크린 모델링 및 단면 센서 배열은 그리드로 배치되어 있으며 독립적으로 제어할 수 있는 전극의 행과 열로 구성됩니다. 그리드의 각 행과 열 사이에는 커패시턴스가 존재하며 사람의 손가락이 그리드에 접근하면 이러한 행과 열의 커패시턴스가 변경됩니다. 인체 모델이 포함된 커패시티브 센서 분석 그리드의 개별 행과 열은 순차적으로 excitation됩니다. 그림 2. 스마트워치 스크린 내부 전극의 그리드 배열 CST Studio suite은 정전기 분석을 사용하여 서로 다른 전위와 접지에서 행과 열 사이의 커패시턴스를 자동으로 계산합니다. 계산 결과로 도출된 커패시턴스 매트릭스는 그림 3에서 확인할 수 있으며 이로 인해 그리드의 정전기적 동작을 완전히 특성화하고 회로 시뮬레이션 중에 유한 요소 모델의 차수 감소 표현으로 사용할 수 있습니다. 그림 3. 커패시턴스 행렬 자동 계산 CST Studio Suite은 손가락 모델을 포함하여 인체 모델에 대한 라이브러리를 제공합니다. 이러한 모델을 스마트워치 모델로 import하고 배치하는 것은 간단합니다. 일반적으로 손가락의 전위는 접지와 동일합니다. 전기장 분포와 커패시턴스 매트릭스에 대한 손가락의 영향이 모델에 통합될 수 있습니다. 그림 4. 인체 모델(손가락)과 개별적인 행/열에 대한 전위 값 화면 표면으로부터 다양한 거리에 있는 손가락 위치에 대해 분석을 진행해보았습니다. 그림 5는 예상한 것처럼 손가락이 스크린에 가까울수록 커패시턴스가 커지고 거리가 멀어질수록 작아지는 결과를 보여줍니다. 그림 5. 손가락과 스크린 사이의 거리에 따라 달라지는 커패시턴스 값 커패시티브 센서 감지 회로 최적화 인체 모델(손가락)이 없는 회로와 있는 회로에 대해 커패시턴스 특성을 얻은 후, 감지 회로를 최적화하여 감지 속도를 향상시켜야 합니다. 센서 그리드의 각 행과 열은 전압 제어 스위치에 연결되어 전체 그리드를 초당 여러 번 순차적으로 excitation할 수 있습니다. 회로 구성 요소의 최적화는 사용자의 손가락 움직임에 대한 실시간 느낌에 해당하는 센서 어레이의 가능한 가장 빠른 응답 시간을 보장합니다. 그림 6. CST Studio Suite Schematic에서 일반적인 감지 회로 회로의 응답은 회로 구성 요소의 전압 강하에 의해 측정됩니다. 전압 강하가 빠를수록 손가락 위치 감지 속도가 빨라지고 센서의 주기해상도가 향상됩니다. 그림 6의 P1 (프로브1) 위치의 전압 특성은 그림 7에 나타납니다. 회로는 일정 시간 동안 충전되며, 그 후에는 전원 연결이 중단되고 회로가 방전됩니다. 감지는 프로브 신호의 제로 크로싱 지점에서 수행됩니다. 그림 7. 센서 그리드 섹션의 방전 특성 CST Studio Suite Schematic을 사용하면 이전에 다양한 손가락 위치에 대한 유한 요소 솔루션에서 계산된 등가 커패시턴스 매트릭스로 스마트워치 및 손가락 모델 표현을 포함하는 신속한 회로 시뮬레이션이 가능합니다. 매우 빠른 최적화 연구를 수행하여 다양한 회로 구성 요소(예: 레지스터 및 커패시터)의 값을 최적화하여 가장 빠른 감지 시간을 얻을 수 있습니다. 새로운 유한 요소 솔루션을 다시 실행할 필요가 없으므로 최적화는 몇 초 또는 몇 분 안에 수행될 수 있습니다. 따라서 이러한 터치스크린 장치 제조업체는 새로운 유형의 기하학적 윤곽선 및 화면 제조 공정에 맞게 커패시티브 감지 레이아웃을 신속하게 최적화하고 장치의 가장 현실적인 반응을 위한 최상의 감지 특성을 보장할 수 있습니다. 그림 8. 회로 구성 요소 값 및 감지 시간에 대한 파라메트릭 연구 결론 터치 스크린은 모든 유형의 소비자 장치에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 커패시티브 센서는 비용을 절감하고 감지 정확도를 향상시킬 수 있는 솔루션이라고 할 수 있습니다. CST Studio Suite은 이러한 커패시티브 센서를 모델링하고 최적화할 수 있는 완벽한 기능을 제공합니다. 유한 요소 솔버, 회로 시뮬레이터 및 인체 모델은 설계자에게 설계를 검증하고 개선할 수 있는 빠르고 쉬운 방법을 제공합니다. 프로토타입의 수를 크게 줄일 수 있으며 감지의 정확성 및 대기 시간과 관련된 모든 잠재적인 문제를 설계 초기 단계에서 해결할 수 있기 때문에 비용과 시간이 많이 드는 재설계 프로세스를 상당히 줄여볼 수 있습니다. 본 자료는 다쏘시스템 홈페이지의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. 원본 : 다쏘시스템 홈페이지

관리자 2023.11.03 조회 292

[문서] 전기기계 시뮬레이션

전기기계란 무엇인가요? 전기 기계는 발전기처럼 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 전기 에너지를 변환 및 분배하고, 모터처럼 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 데 사용됩니다. 전기 기계는 다양한 방식으로 현대생활을 지원하고 있으며 탄소 배출량을 줄이면서 지속 가능한 미래로 나아가기 위한 전기화에 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 전기 기계의 에너지 효율을 극대화하는 것은 자원 소비를 최소화하는 데 매우 중요합니다. 전기 기계 시뮬레이션의 이점은 무엇인가요? 전자기 시뮬레이션은 더 적은 자원을 사용하고, 더 높은 효율을 제공하며, 소음과 진동을 적게 발생시키는 기계를 제작하여 성능과 지속 가능성 목표를 지원합니다. 엔지니어는 설계를 최적화하여 필요한 운영 체제에서 최대 효율을 달성하고 경쟁하는 설계 요소 간에 최적의 절충점을 찾을 수 있습니다. 전기 기계는 어떻게 시뮬레이션되나요? 전기 기계는 정의상 다중 물리 시뮬레이션 기능이 필요한 복잡한 장치입니다. 모터의 전자기력은 토크로 변환되고, 반대로 발전기의 회전은 전자기력을 생성합니다. 이 둘 사이의 변환을 분석하려면 시간에 따른 기계의 변화하는 동작을 캡처하는 모션 분석이 필요합니다. 토크 곡선의 리플은 기계에서 소음과 진동을 일으킬 수 있습니다. 또한 전기 기계 내부의 큰 전류는 상당한 발열을 유발할 수 있습니다. 전기적 힘과 기계적 힘의 결합을 정밀하게 평가하려면 포괄적인 물성 모델링 옵션이 필요합니다. 사실적으로 모델링된 도체의 전통적인 전기 손실 외에도. 모델링 옵션에는 사용 중 자화 및 자화 제거 효과도 포함됩니다. 와전류, 히스테리시스, 초과/회전 손실과 같은 철 손실을 시뮬레이션 중에 명시적으로 고려할 수 있습니다. 이러한 손실은 기계의 열 분석에 사용할 수 있습니다. 전기 기계의 시스템 시뮬레이션 전기 기계는 항상 더 큰 시스템의 일부로, 한쪽에는 전기 회로와 컨트롤러가 있고 다른 한쪽에는 변속기 메커니즘과 기어박스가 있습니다. 시뮬레이션 모델은 컨트롤러를 포함한 전체 시스템의 표현에 기능적 목업 유닛으로 연결하여 실제 시나리오에서 기계의 동작을 시스템 시뮬레이션 할 수 있습니다. 전기 기계 KPI 시뮬레이션으로 계산할 수 있는 전기 기계 KPI는 다음과 같습니다: • 효율성 • 인덕턴스 • 포화 곡선 • 단락 분석 • 개방 회로 분석 • 돌입 전류/부하 테스트 • 스위치 온 과도 전류 • 손실 - 구리, 와전류, 히스테리시스 • 코일에 가해지는 동적 힘 Efficiency maps 에너지 효율은 운영 비용을 절감하고 차량 주행 거리를 늘리며 지속 가능성 목표를 달성하는데 굉장히 중요합니다. 시뮬레이션은 전기 기계를 최적화하여 효율성을 높일 수 있습니다. 효율성은 일반적으로 속도와 토크에 따라 달라지는데, 자동화된 시뮬레이션은 물리적 테스트에 드는 시간과 비용 없이도 전체 운영 체제에 걸쳐 효율성을 빠르게 계산하고 매핑할 수 있습니다. 스위치 켜기 과도 전류 및 돌입 전류 기계의 전원이 켜지면 코일에 전류가 흐릅니다. 이로 인해 기계의 정상 상태 작동과는 다른 과도 효과가 발생합니다. Time domain 시뮬레이션은 첫 번째 중요한 순간에 기계의 동작을 모델링하고 정지 상태에서 최적의 성능에 도달할 수 있도록 도와줍니다. 표유 필드 및 차폐 분석 대형 모터나 발전기 내부의 전계 강도는 엄청날 수 있으며, 이러한 전계는 민감한 장치에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 차폐는 전계 누출을 방지하지만 비용과 무게가 증가합니다. 시뮬레이션을 통해 전자파 적합성(EMC) 요구 사항과 무게 요구 사항을 함께 충족하기 위해 차폐가 가장 필요한 곳을 대상으로 차폐를 최적화할 수 있습니다. 본 자료는 다쏘시스템 홈페이지의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. 원본 : 다쏘시스템 홈페이지

관리자 2023.10.31 조회 255

[문서] 정전기, 자기장 및 저주파 전자기장 시뮬레이션

저주파 및 정전자기학을 위한 SIMULIA의 전문 시뮬레이션 도구는 자석 설계, 고전압 전력 장치, 전기 기계 개발 등의 과제를 해결할 수 있습니다. 에너지, 운송 및 모빌리티, 해양 및 해양 산업, 산업 장비 등의 산업에서는 저주파 시뮬레이션을 사용하여 최첨단 제품과 혁신적인 시스템을 설계합니다. 사용자 요구 사항에 맞게 조정할 수 있는SIMULIA 도구의 유연성 덕분에 SIMULIA 도구는 다양한 산업의 광범위한 응용 분야에서 성공적으로 사용되고 있습니다. 의료 기기나 입자 가속기의 백만 분의 1 부품당 현장 균일성을 살펴볼 때 가장 중요한 것은 정확성입니다. 고급 재료 모델링 및 솔루션 절차를 통해 영구 자석 또는 초전도 코일을 포함하는 장치에 대한 세부적인 연구가 가능합니다. 애플리케이션별 Front-end는 고효율 고성능 모터, 발전기 및 변압기를 시뮬레이션하고 최적화하는 복잡한 작업을 사용자에게 안내합니다. 저주파 시뮬레이션은 제품 개발 시 개발 시간, 비용 및 위험을 줄이고 엔지니어가 발전기, 선박 및 입자 가속기 규모의 크고 복잡한 시스템을 이해하고 최적화할 수 있도록 해줍니다. 고급 히스테리시스 및 자기 소거 재료 모델링은 설계자와 엔지니어가 가상 프로토타입 제작에 의존하고 설계에서 생산까지의 경로를 크게 단축할 수 있도록 필요한 수준의 정확도를 제공합니다. 열적, 기계적 효과와 전자기 효과의 강력한 결합은 대부분의 저주파 장치의 특징입니다. SIMULIA는 시스템 성능과 신뢰성에 대한 직관적은 성능 평가를 위해 필요한 물리적 동작 특성의 심층 분석을 위한 동급 최고의 도구를 제공합니다.​ 전력 생산 및 전송 변압기, 스위치 기어, 버스 바 및 이와 유사한 구성 요소는 위험한 플래시오버나 전류 누설 없이 큰 전류를 안전하게 전도해야 합니다. 시뮬레이션은 와전류와 열 발생을 포함한 구성 요소 주변의 필드와 전류를 보여 주므로 설계자는 고전력 시스템이 극한 부하에서도 안전하게 작동하는지 확인할 수 있습니다. 센서 설계 정전식 터치스크린부터 비파괴 테스트까지, 많은 센서가 정적 또는 저주파 필드를 사용하여 타겟을 감지하고 측정합니다. 시뮬레이션을 사용하여 간섭이나 오염이 있는 경우에도 다양한 테스트 대상에 대한 센서의 응답을 분석하고 최적화할 수 있습니다. Magnet design 자석은 의료 영상, 입자 연구 및 재료 과학과 같은 분야에서 많은 정밀 기기의 기초를 형성합니다. 시뮬레이션은 전계 분포, 전계 균질성 및 기울기, 푸리에 분석 계수, 관련 레제르 다항식 계수, 코일의 피크 전계 및 차폐 효과를 포함한 표준 자석 KPI는 물론 힘, 가열 및 응력을 포함한 다중 물리 결과를 제공합니다. 초전도 자석 초전도 자석은 매우 강한 자기장을 효율적으로 생성할 수 있지만 극저온 냉각수의 존재 여부에 따라 작동이 달라집니다. 자석이 고장 나면 냉각수가 끓어 초전도체가 저항성으로 전환되면서 격렬한 '퀜치'를 겪을 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 냉각 전파를 포함한 초전도 자석의 성능을 모델링할 수 있습니다. ​ ​ MRI magnets 자기 공명 영상(MRI)에는 정밀하게 제어되는 자기장을 가진 매우 강력한 자석이 필요합니다. SIMULIA 시뮬레이션 툴은 MRI 자석을 설계하는 데 필요한 정확성을 갖추고 있습니다. 시뮬리아의 솔버는 정적 및 LF 자기장 분석과 RF 코일 및 환자 안전 시뮬레이션을 결합할 수 있습니다. 스핀 시뮬레이션 도구로 연결되는 링크는 MRI 설계 워크플로우를 완성합니다. Particle beam optics 자기 렌즈와 기타 빔 방향 자석은 입자 가속기의 중요한 부분입니다. 입자 추적 시뮬레이션은 자기장을 통과하는 하전 입자의 움직임을 모델링하여 과학자가 가속기 구성 요소를 설계하고 최적화할 수 있도록 지원합니다. 자세한 내용은 입자 역학을 참조하세요. 자기 차폐 표유 자기장은 메모리의 데이터 손실, 전자 장비 손상, 심박 조율기를 이식한 사람에 대한 위험 등 전자기 호환성 및 간섭(EMC/EMI) 문제를 일으킬 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 사용자는 자기장을 안전하게 억제하기 위해 영구 자석 및 유도 코일(예: 무선 전기 자동차 충전)에 대한 자기 차폐를 설계할 수 있습니다. 음극 보호 선박, 석유 굴착 장치, 해상 풍력 터빈과 같은 해양 기반 장비는 바닷물에 의한 부식을 방지하기 위해 음극 보호 장치를 사용하여 금속 본체의 산화를 방지하는 희생 또는 인상 전류 양극을 사용합니다. 시뮬레이션은 선박 전체의 전위를 계산하여 음극 보호 시스템의 성능을 분석하고 양극 배치를 최적화하는 데 도움을 줍니다. ​ ​ 자기 서명 및 디가우징 전기장 및 자기장 시그니처의 완화는 해군 선박 설계 프로세스에서 중요한 부분입니다. SIMULIA의 LF 솔버는 비감쇠 및 감쇠 시그니처 평가를 위한 시뮬레이션 툴로 수년 동안 널리 사용되어 왔으며, 검증 작업에서 높은 수준의 정확도와 감쇠 코일의 위치 최적화를 위한 유연성을 보여줍니다. ​ 본 자료는 다쏘시스템 홈페이지의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. ■ 원본 : 다쏘시스템 홈페이지

관리자 2023.10.26 조회 325

[문서] CST Studio Suite을 활용한 Wireless Power Transfer Coil 해석 사례 소개

모바일 무선 충전을 위한 코일 설계와 CST Studio Suite을 활용하여 확인할 수 있는 결과에 대해 소개드립니다. 무선 충전은 모바일 충전 뿐만 아니라 전기자동차, 드론 등 wire를 이용한 유선 충전 제품에 모두 적용할 수 있습니다. 무선 충전 기술을 적용할 수 있는 Application은 무궁무진하며 앞으로도 우리 생활을 편리하게 해주는 핵심기술이 될 것입니다. 무선충전 기술의 동작 원리를 포함하여 CST Studio Suite의 제품 중에서도 CST EMS를 활용하여 코일 설계를 하고 결과를 도출하는 방법에 대한 내용을 소개합니다. CST Studio Suite을 활용한 Wireless Power Transfer Coil 해석 사례 소개 다쏘시스템코리아 무선 충전은 2012년과 2013년에 세계 경제 포럼 (World Economic Forum, WEF)의 10대 기술로 선정될 만큼 중요하게 다뤄지고 있는데요. 이것은 가까운 미래에 세상을 변화시키는데 기여할 것으로 전망되는 핵심 기술이라는 의미입니다. 오늘은 미래를 바꿀 핵심 기술이 적용된 무선 충전기와 동작원리 및 설계에 대해서 소개해 드리겠습니다. 누구나 한 번쯤은 보거나 사용해 본 무선 충전기는 어떻게 동작하는 것일까요? 그림 1과 같이 요즘 출시되는 무선 충전기는 대부분 kHz 주파수 영역에서 동작하는 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템입니다. 그림 1. 무선 충전기 동작 원리 (그림 2)는 자기장 (Magnetic field) 전송이 주요합니다. Spiral 형태로 다수의 턴을 가지는 송신 코일 (PTx coil)에서 발생한 자기장이 수신 코일 (PRx Coil)에 유기가 되고, 수신 시스템 내부의 AC to DC 컨버터와 DC to DC 거쳐 최종적으로 원하는 DC Voltage를 얻게 됩니다. [그림 3] 그림 2. IPT 무선 충전 그림 3. IPT 무선 충전 시스템 이러한 무선 충전 시스템에서는 자기장을 전달하는 코일 설계가 중요합니다. 코일 설계가 잘 이루어져야 우리가 원하는 영역 내에서 원하는 전력을 수신 받을 수 있고, 완전 충전 시간도 짧아지게 됩니다. 여기서 영역이라고 하는 것은 충전이 가능한 영역을 의미하며, 이 영역 내에서는 휴대폰과 같은 수신기가 좌우로 움직여도 충전되어야 합니다. IPT 시스템의 코일 설계는 대부분 WPC (Wireless Power Consortium)의 코일 모델을 활용합니다. WPC의 공식 문서에는 이미 검토가 끝난 여러 형태의 코일을 소개하고 있는데 WPC의 문서 중에 ‘ Part 4: Reference Designs’의 문서를 확인하면 다수의 코일 모델에 대한 dimension과 inductance가 표기되어 있습니다. Power Transmitter design (PTx)는 총 50개 모델, Power Receiver example은 총 5개가 나열되어 있습니다. 문서의 모델을 사용하면 코일에 대한 인증 절차를 거치지 않고 사용이 가능합니다. 그림 4. WPC의 코일 Reference Designs 코일 설계에 대한 설명을 위해 MPA-6 송신 코일과 Power Receiver example 4를 설명하려고 합니다. 각 코일의 dimension과 inductance는 그림 5와 같이 문서에 잘 표시되어 있으니 해석과 비교를 하여 설계가 잘 되었는지를 파악할 수 있는 자료로 활용하면 됩니다. 그림 5. MPA-6 코일과 Review example 4 dimension ​ 그러면 이제 코일을 drawing 하고 시뮬레이션 결과를 확인해야 하는데요. CST STUDIO SUITE의 제품 중에서 CST EMS를 활용하면 코일 설계가 쉽습니다. CST EMS는 저주파 해석에 특화되어 있는 CST STUDIO SUITE의 제품 중에 하나입니다. CST EMS의 모델링 기능을 활용하여, 도넛 형태의 코일을 그린 다음에 턴 수를 입력하면 N x N의 값을 가지는 inductance가 형성됩니다. 모든 것에 순서가 있는 법, 엔지니어는 해석 모델의 inductance와 표준 문서의 inductance 값을 반드시 확인해야 하고, 오차 범위에 내에 위치하는지 확인이 되어야 다음 순서로 넘어갈 수 있겠죠? ​ 그림 6. MPA-6 코일 modeling과 설정 그림 7. Receiver example 4 modeling과 설정 ​ 코일 Drawing이 끝난 다음에는 코일 간의 결합을 확인해야 됩니다. 코일 간의 결합도가 높으면 높은 전력을 수신기에 보낼 수 있는 것이고, 적다면 낮은 전력을 보낼 수가 있습니다. 당연히 높은 결합이 좋겠지요? 보통 coupling Coefficient, K-factor라고 불리는 값으로 많이 확인을 합니다. 시스템 설계 전 출력전압, 동작점 등 전반적인 설계값들이 정해져 있는 경우가 많기 때문에 코일 설계에서는 k-factor를 설계 point로 많이 가져가게 됩니다. ​ ​ K-factor는 위의 수식으로 구할 수 있습니다. 보통 무선 충전 시스템에서 코일 간의 k-factor는 0.3 이상의 값을 가지면 충분히 원하는 전력을 끌어갈 수 있습니다. 이 값 또한 송수신 코일 간의 거리와 load에 따라 달라집니다. 하지만 저 정도면 괜찮은 값입니다. 한편 K-factor는 수신기 위치에 따라 값이 많이 변하게 됩니다. 당연히 멀리 떨어져서 K-factor가 낮아지면 충전이 되지 않겠지요? 엔지니어가 일일이 측정을 하지 않더라도 수신기의 moving에 따른 k-factor를 확인함으로써 충전 가능 영역을 파악할 수 있습니다. 시뮬레이션의 장점이 이런 곳에서 나오게 됩니다. 아래 그림과 같이 수신기가 W, L 방향으로 이동했을 때의 k-fator의 추이를 확인할 수 있으며, 대략적인 충전 가능 영역이 나오게 됩니다. 우리가 K=0.3을 가지는 수신기 위치를 목표로 하였다면 그 값 이상으로 나오는 부분이 충전 가능 영역이 될 것입니다. 코일의 형태가 Symmetric 한 구조이기 때문에 수신기가 이동할 영역을 1/4만 해석하여도 전체를 파악할 수 있습니다. ​ 그림 8. Rx Moving 그림 9. Rx Moving (W방향) 그림 10. Rx Moving (L 방향) CST EMS를 이용하면 각 코일의 전자기장도 plot 할 수 있습니다. 주파수에 따라 해석된 전자기장의 분포를 확인할 수 있고, CST DES와의 co-simulation을 이용하여 circuit 구성에 따른 정합 회로 구성 및 정합 후 field 분포도 확인이 됩니다. 기구와 회로가 결합된 모델을 해석한다면 모델 주변으로 퍼지는 field의 분포도 확인이 되고 그 영향도도 확인할 수 있습니다. 그림 11. 전자기장 Plot (H-field@111kHz) 그림 12. CST DES를 활용한 circuit 구성 (정합회로) 앞서 설명을 드렸지만 Load 값은 무선 충전 시스템에서 상당히 중요합니다. Load 값에 따라 출력 전력 그래프의 변동이 생긴다든지, 동작점에서 충전이 되지 않는다든지 하는 문제가 생깁니다. Load는 15W 수신을 목표로 하는 시스템에서는 출력전압이 12V인 경우에는 load가 9.6옴이 되고, 5W 수신인 경우 출력전압이 5V인 경우는 5옴이 됩니다. Circuit이 구성되어 있다면 Load를 변수로 둔 다음, CST EMS와 CST DES co-simulation을 통해 Load variation에 따른 효율과 output power를 확인할 수 있습니다. 그림 13. CST DES를 활용한 무선 충전 circuit 구성 그림 14. Load 변화에 따른 Efficiency 그림 15. Load 변화에 따른 output power plot 무선 충전기는 코일 간의 거리가 효율과 output 전력에 상당히 큰 영향을 미치게 됩니다. 송수신 코일 간의 거리에 따른 효율과 출력 전력도 CST STUDIO SUITE을 활용하면 확인할 수 있습니다. 그림 16. 송수신 코일간 거리 변화에 따른 효율 그림 17. 송수신 코일간 거리 변화에 따른 output power plot 이처럼 CST STUDIO SUITE을 활용하면 실제 발생할 수 있는 상황, 즉 수신기 이동, 송수신기 간의 거리가 멀어짐, 주변의 기구 및 다른 물질에 의해 전자기장이 분포를 확인 등의 대부분의 상황을 해석할 수 있습니다. 오늘은 모바일 무선 충전을 위한 코일 설계와 CST STUDIO SUITE을 활용하여 확인할 수 있는 결과를 소개해 드렸습니다. 무선 충전은 모바일 충전뿐만 아니라, 전기자동차, 드론 등 wire를 이용한 유선 충전 제품에 모두 적용을 할 수 있습니다. 무선 충전 기술을 적용할 수 있는 Application은 무궁무진하며, 앞으로도 우리의 생활을 편리하게 해주는 핵심기술이 될 것입니다. ​ 본 자료는 다쏘시스템 코리아 블로그의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. 원본 : 다쏘시스템코리아 블로그

관리자 2021.10.22 조회 1202

[문서] 마그네트론 및 전자레인지 설계를 위한 다중 물리 해석

마그네트론의 설계와 전자레인지의 설계에 대한 전반적인 워크플로우에 대한 소개를 드리겠습니다. 전체 설계 시, 마그네트론은 CST MWS의 Eigenmode Solver를 이용하여 전자 빔이 없을 때의 공진 모드를 분석하고, CST PS의 PIC Solver를 이용하여 전자 빔을 포함한 해석을 진행합니다. 또한 CST EMS의 Electrostatic Solver와 Magnetostatic Solver를 이용하여 전극과 자석을 포함한 해석 또한 진행합니다. 이후 방열판에 대한 열해석 및 구조해석은 CST MPS를 이용하여 연계 해석을 진행하고 전자레인지의 전자파 적합성은 CST MWS를 활용하여 외부로 방출되는 전자기장 분포를 가시적으로 확인합니다. 이러한 워크플로우는 CST Studio Suite을 통해 하나의 사용자 환경에서 구성 가능하며 마그네트론의 설계 과정에서 다중 물리 분석을 효율적으로 진행할 수 있습니다. 마그네트론 및 전자레인지 설계를 위한 다중 물리 해석 다쏘시스템 마그네트론은 적은 비용과 높은 에너지 변환 효율(대략 75%)을 가지기 때문에 다양한 분야에서 많이 사용되는 고주파 파워 소스 원 중 하나입니다. 마그네트론은 자동화 생산 및 기술 개발로 인해 대량 생산이 가능해지면서 전자레인지와 같은 가전제품의 고주파 소스 원으로 사용되게 되었습니다. 그런데 Wi-Fi와 블루투스와 같이 마그네트론이 사용하는 주파수 대역과 동일한 주파수 대역에서 동작하는 근거리 무선통신 시스템이 각광받게 되면서 전자레인지는 컴퓨터 네트워크와 모바일 통신상에 방해가 될 수 있는 잠재적인 소스 원이 되어버렸습니다. <그림1. 마그네트론 형상> 전자레인지의 전자파 간섭 문제는 마그네트론 설계 시 간섭을 줄이도록 설계하면 측파대(sideband) 노이즈를 감쇠 시킬 수 있지만, 실제 마그네트론의 동작 모드에서의 방사를 줄이기는 어렵습니다. 이에 대한 대안 중 하나는 마그네트론의 공진 주파수를 변경하여 설계하는 것이지만 이는 전기적으로 주요 요인이 변경되는 것이기 때문에 전자기적, 열적, 기계적 그리고 전자파간섭적으로 얼마나 큰 영향이 있을지를 확인해야 합니다. ​ 전자빔이 없을 때의 공진 주파수 분석 <그림 2. 마그네트론의 공진모드> 그림 2는 마그네트론의 공진모드를 나타내며 베인(Vane)이 교차적으로 결선(strapping) 되어 있기 때문에 인접한 베인 간의 위상 차이가 180° 발생하는 π 모드에서 동작하는 것을 확인해 볼 수 있습니다. 마그네트론은 전자의 회전에 의해 생성된 전자 바퀴(Wheel of Electrons)가 양극(Anode)에서 전자파를 생성합니다. 양극의 구조를 변경하면 공진주파수를 변경할 수 있기 때문에 정확한 공진 주파수를 찾기 위해서 CST MWS (CST MICROWAVE STUDIO®)의 Eigenmode Solver를 활용하여 양극과 결선 사이에 간격을 변수로 지정하여 해석 전체 구조상의 커패시턴스를 변경하였습니다. 전자기장 분석 전자를 주입하기 전에 마그네트론의 주변의 전자기장 분포를 확인하기 위해 CST EMS(CST EM STUDIO®) Electrostatic Solver, Magnetostatic Solver를 이용한 해석을 진행하였습니다. 우선 마그네트론 내부의 영구 자석은 전자의 가속 운동 시 의도한 방향대로 자기장을 생성하기 위해 필요한 부품입니다. 내부에 존재하는 폴 피스(Pole piece)는 양극과 음극 사이에서 균일하고 강한 자기장이 분포하게 만드는 부품으로써 주변에 분포하는 자기장에 따라 물성 값이 달라지는 비선형 물성인 자기이력곡선의 물성입니다. 해당 물성에 대한 해석은 Magnetostatic Solver를 사용해 해석을 진행하였습니다. <그림3. (a) 마그네트론 내부의 자기장 분포 (b) 마그네트론의 자속 밀도> 그림 3(a)는 마그네트론 내부의 자기장 분포로써 자기장 결과를 벡터 형태로 보여줍니다. 그림 3(b)는 그림 3(a)에 표기한 노란 선의 위치에서 자기장의 양을 나타냅니다. 결과적으로 폴 피스 사이 공간에서 자기장이 가장 높게 나타남을 확인할 수 있습니다. 전기장과 자기장은 전자의 시선 운동(Radial motion)과 각운동(Angular motion)에 영향을 미치게 되고 결과적으로 전자의 유동 속도를 결정합니다. <그림4. 전자 방출 전의 마그네트론 내부의 전기장> 전자 빔 해석 전자 빔에 대한 해석은 CST PS(CST PARTICLE STUDIO®)로 진행하였습니다. <그림5. 전자 빔의 스포크> 그림 5는 전자 빔에 대한 결과로써 전자 빔은 스포크 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있습니다. CST PS의 PIC Solver는 전자와 전자기장의 상호작용을 고려하여 시간 영역에서 전자의 움직임을 해석합니다. 해당 과정은 전체 경로상에서 전자의 경로를 모델링 하며 장시간에 걸친 전자기장에 대한 분석이 가능합니다. 이를 통해 빔 부하에 따른 결과를 확인해 볼 수 있고, 실제 마그네트론 내의 전자 빔은 전자기장과 상호작용하여 공진 주파수를 변경하게 됩니다. <그림6. (a) 마그네트론의 출력 파워 그림 (b) 마그네트론의 주파수 스펙트럼> 그림 6(a)는 시간에 따른 마그네트론의 출력 파워입니다. 현재 결과는 초기 40ns까지는 스포크 형태의 전자 빔이 생성되지 않아서 출력 파워가 낮은 것을 확인할 수 있으며 일정 시간이 지나면 출력은 급격하게 증가하게 되고 공진이 시작되면 일정한 신호를 출력하게 됩니다. 결과적으로 출력 파워는 1095.12W이고 이는 1000W의 정격에 가까운 결과를 나타냅니다. 그림 6(b)는 마그네트론의 주파수 스펙트럼을 나타내고 이는 푸리에 변환을 통해 얻은 결과입니다. 결과적으로 2.471GHz에서 동작을 하는 것을 확인해 볼 수 있습니다. 앞서 계산한 전자 빔이 없을 때의 공진주파수는 2.49GHz이며 전자빔이 포함된 공진 주파수와는 20MHz 정도의 차이를 나타냅니다. 이를 통해 전자 빔이 실제 공진 주파수를 계산하는 데 있어서 주요한 요소임을 확인해 볼 수 있습니다. 방열판의 열 해석 및 구조 해석 마그네트론은 열로 인해 입력 에너지의 30%~50% 손실이 발생하게 됩니다. 내부의 세라믹 자석은 열에 매우 민감하기 때문에 자석이 퀴리 온도 이상으로 가열되면 자성이 없어지고 마그네트론은 더 이상 안정적인 전자 바퀴를 생성할 수 없게 됩니다. 이러한 문제 상황을 방지하기 위해서는 열에 대한 해석이 필요합니다. 방열판에 대한 해석은 열 해석 및 구조 해석을 진행할 수 있는 CST MPS(CST MPHYSICS® STUDIO)를 이용하여 42%의 효율로 동작하는 마그네트론이 발생시키는 열 손실을 해석을 진행하였습니다. <그림7. (a) 마그네트론의 온도 분포 (b) 열팽창된 마그네트론> 그림 7(a)는 열 해석 솔버에 의해 계산된 마그네트론 상의 온도 분포를 보여주고 있습니다. 세라믹 자석의 퀴리 온도는 약 450℃인데, 해석 결과 해당 예제에서 자석은 한계 값 이하로 유지되는 것을 확인해 볼 수 있습니다. 이후 열 해석을 통해 확인된 열 분포 결과를 통해서 구조 해석을 진행하는 Structural Mechanical Solver로 연계 해석을 진행하였습니다. 그림 7(b)의 그림은 열팽창된 마그네트론으로써 시각적인 이해를 높이기 위해 과장 시킨 형태의 그림입니다. 차폐 효과 및 간섭 효과 분석 전자레인지의 역할은 요리를 균일하게 익히는 것이기 때문에 설계자는 전자레인지의 케이스와 그 안에 조리되는 음식을 고려한 설계를 진행해야 합니다. 전자레인지 내부의 전기장은 균일해야 하지만 전자레인지의 구조 자체가 캐비티 구조이기 때문에 간섭 효과로 인해 복잡한 패턴의 전기장이 생성되게 됩니다. 이러한 현상 때문에 전자레인지 사용 시 열전도의 불균일성을 발생시킵니다. 해당 예제에서는 전자레인지 내부의 전기장이 균일하게 분포하는지를 확인해 보기 위해서 전자레인지 중앙에 실린더 형태의 물을 두었으며 전체 조리 과정에 대한 해석은 Time Domain Solver를 이용하였습니다. <그림8. 전자레인지 주변의 전기장> 그림 8은 전자레인지 주변의 전기장을 나타낸 그림입니다. 전자레인지는 도어와 케이스 사이의 경계 부분과 도어 쪽 패널에서 전자파가 새어나가는 현상이 생기게 됩니다. <그림9. (a) 문 앞의 5cm 상에서의 field 분포와 최대 파워 그림 (b) 1m 거리에서의 farfield 결과> 그림 9(a)는 문 앞쪽의 5cm 상의 근거리 상의 결과입니다. 해당 위치에서의 규제 확인이 필요하며 규제를 초과할 경우 반드시 전자레인지가 제작되기 전에 구조 설계 수정이 필요합니다. 그림 9(b)은 공진 주파수에서 전자레인지가 1m 거리상에 방출하는 3D farfield 결과를 나타냅니다. 이를 통해 설계자는 원거리 영역에서의 전자레인지의 차폐 효과를 확인할 수 있습니다. 맺음말 지금까지 마그네트론의 설계와 전자레인지의 설계에 대한 전반적인 워크플로우를 제시하였습니다. 전체 설계 시 마그네트론은 CST MWS의 Eigenmode Solver를 이용하여 전자 빔이 없을 때의 공진 모드를 분석하고, CST PS의 PIC Solver를 이용하여 전자 빔을 포함한 해석을 진행해 보았으며 CST EMS의 Electrostatic Solver와 Magnetostatic Solver를 이용하여 전극과 자석을 포함한 해석을 분석하였습니다. 이후 방열판에 대한 열해석 및 구조해석은 CST MPS를 이용하여 연계 해석을 진행하였고, 전자레인지의 전자파 적합성은 CST MWS를 활용하여 외부로 방출되는 전자기장 분포를 가시적으로 확인하였습니다. 이와 같은 워크플로우는 CST STUDIO SUITE®를 통해서 하나의 사용자 환경에서 구성 가능하며 마그네트론의 설계 과정에서 다중 물리 분석을 효율적으로 진행할 수 있습니다. ​본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다. 원본 : 다쏘시스템코리아 블로그

관리자 2021.10.22 조회 1232

[문서] ELECTRICAL MACHINES AND LOW FREQUENCY APPLICATIONS 소개자료

본 세미나에서는 CST STUDIO SUITE 및 OPERA에서 해석 가능한 전기, 기계에 대한 설계 기능을 소개하고자 합니다. 또한 일반적으로 이 툴들을 이용하여 Static, Low Freqeuncy 설계 기능에 대한 개요를 제공합니다. 자동차 산업에서 전기기계의 전기전자 시스템화는 산업의 변화에 ​​중요한 역할을합니다. 전기 화 추세는 점점 더 가속화되고 있습니다. 본 e-seminar에서는 전기기계 설계시 Opera 및 CST Studio Suite를 통해 어떤 부분을 활용해 볼 수 있는지에 대한 개요를 제공하고자합니다. 그 외에도 DC 및 저주파 Application 해석시 사용가능한 기능적인 부분을 데모를 통해 제공합니다. 본 동영상 자료에서는 DC, Low Freqeuncy Application 응용에 대해 전반적인 부분 을 포함하여 EV 또는 E-Drive 드라이브 및 베터리 시스템의 충전등도 소개하고 있습니다. 본 E-seminar 포함 내용 1. Overview Low Frequency Applications 2. Electrical Machine Design with Opera 3. Electric Drive Engineering: 4. Electromagnetic Performnace Study of an Electrical Machine 5. Nonlinear Reduced Order Modeling of an Electrical Machine on a System Level 6. Electric Drive Engineering: Optimization of an Electrical Drive Train 7. Wireless Charging 자세한 내용은 다쏘시스템 홈페이지에서 확인 가능합니다. https://events.3ds.com/simulia-electromagnetism-low-frequency-applications-day#_ga=2.267242122.582665369.1600991500-863a9eb0-f6df-11ea-a6f6-4324f0f93f0b

관리자 2021.09.27 조회 1137