simulation comme paradigme | Nouvelles de l’électronique

L’innovation n’arrive pas simplement parce que vous le voulez. Il est le résultat d’un processus de conception bien pensé, incorporant un changement radical d’attitude, la simulation faisant partie intégrante du processus.

Aujourd’hui, de nombreux aspects de l’innovation se concentrent sur l’électronique, qui a changé notre façon de communiquer, de travailler, d’apprendre et de nous amuser ; les innovations électroniques ont été à la base d’innombrables applications.
L’intelligence électronique redéfinit tout, de la fabrication juste à temps à la sécurité intérieure – pratiquement aucun produit n’est exempt de ces améliorations. Dans les applications évidentes et moins évidentes, il y a les téléphones ultra-intelligents, les réseaux à fibre optique et sans fil, les ordinateurs qui tiennent dans une poche ou sur votre poignet, les écrans LED qui imitent le papier et même les puces de suivi des animaux. Les voitures du deuxième millénaire regorgent d’appareils électroniques qui contrôlent les fonctions du moteur, empêchent les roues de patiner, aident à prévenir les accidents et guident la route.
Il est clair que ces appareils affectent la qualité de nos vies ; ce qui n’est pas si clair, c’est comment ils sont devenus des produits interconnectés et comment ils affectent notre sécurité.
Jamais auparavant l’opportunité pour les produits électroniques de se différencier sur le marché n’a été aussi prononcée. Dans le même temps, le risque d’échec et ses conséquences peuvent être catastrophiques. Une marque qui a mis des décennies à être exploitée peut être détruite en quelques secondes.

Modèle de rayonnement d'une antenne Wi-Fi fonctionnant à 850 MHz, placée sur le fuselage d'un avion.  Le modèle est résolu en combinant les méthodes FEM et BEM
figue. 1 – Modèle d’irradiation d’une antenne Wi-Fi fonctionnant à 850 MHz, placée sur le fuselage d’un avion. Le modèle est résolu en combinant les méthodes FEM et BEM

L’étude préliminaire pour atteindre l’intégrité du produit

Le comportement actuel des produits est complexe et souvent difficile à tester physiquement. Par exemple, les appareils électroniques créent une grande quantité d’émissions CEM ; un signal peut résonner et émettre des champs électromagnétiques qui provoquent des interférences dans le même produit ou dans d’autres produits à proximité.
Les concepteurs sont confrontés à des défis difficiles à prévoir et à reproduire, ainsi que coûteux à détecter ou à mesurer. Même s’ils ne sont pas intentionnels, des phénomènes liés à la mécanique des structures, aux transferts de chaleur et à l’électromagnétisme peuvent interagir et conduire à une défaillance.
Le dilemme des concepteurs est de savoir comment et à quel prix anticiper « l’effet système » d’un produit dont le tout est bien plus grand (et plus éphémère) que la somme de ses parties.
Une approche traditionnelle est coûteuse, prend du temps et limite considérablement l’innovation. L’alternative éprouvée est la simulation d’ingénierie, qui vous permet de tester virtuellement les performances d’une conception dans une grande variété de scénarios, dont certains sont difficiles à reproduire expérimentalement. La simulation permet à un ingénieur concepteur de comprendre exactement comment et pourquoi une conception fonctionne dans un scénario donné. L’analyse fonctionne mieux lorsqu’elle est utilisée pendant le processus de développement du produit, en particulier dans les premières étapes, lorsqu’elle peut avoir le plus grand impact.
Grâce à la simulation, les entreprises mettent leurs produits sur le marché bien à l’avance et avec des coûts de développement inférieurs à ceux de l’approche traditionnelle.

Fig2 : Simulation d'un moteur électrique avec COMSOL Multiphysics
Fig2 : Simulation d’un moteur électrique avec COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysique. Excellence en simulation

Le logiciel de simulation COMSOL Multiphysics permet aux concepteurs d’anticiper la réalité grâce à un travail virtuel de haut niveau.
Les ingénieurs et les concepteurs peuvent simuler des conceptions d’appareils et de processus pour comprendre à l’avance leurs limites et leur potentiel, et prévoir et optimiser leurs performances.
Cette plate-forme de simulation offre des capacités de modélisation multiphysique ainsi que des fonctions spécifiques pour la physique individuelle et se compose de trois parties : Model Builder, Application Builder et Model Manager.
Le Model Builder couvre toutes les étapes du flux de travail de modélisation pour produire des résultats précis, de la définition de la géométrie aux propriétés des matériaux et à la physique décrivant des phénomènes spécifiques, de la résolution au post-traitement du modèle.
Une fois le modèle développé, il peut être transformé en une application avec une interface utilisateur personnalisée grâce à l’Application Builder. Les applications peuvent être utilisées au sein de l’équipe de développement et également par des clients qui n’ont aucune expérience spécifique de la simulation.
Le Model Manager est l’outil utilisé pour gérer et archiver les modèles plus efficacement.
Plusieurs modules supplémentaires peuvent être intégrés à la plate-forme COMSOL Multiphysics, le résultat donnant accès, avec une interface utilisateur toujours identique, à des fonctions plus spécialisées visant à répondre aux besoins spécifiques de modélisation.
Il est également possible d’utiliser des logiciels tiers tels que le logiciel MATLAB, qui permet de gérer facilement les simulations grâce à ses scripts et fonctions. Les logiciels d’interface LiveLink pour MATLAB et LiveLink pour Simulink vous permettent d’accéder directement aux opérations COMSOL dans l’environnement MATLAB et de les intégrer à votre code et inversement.
Pour faciliter l’analyse des propriétés électromagnétiques et des dispositions électroniques, COMSOL a lié le module d’importation ECAD, le module d’importation CAO, le module de conception et les produits LiveLink aux principaux systèmes CAO dans le cadre de la suite de produits.
Les données de la feuille de calcul Microsoft Excel peuvent également être synchronisées avec les paramètres définis dans l’environnement COMSOL Multiphysics via le produit d’interface LiveLink for Excel.

Fig3 : La version 6.0 de COMSOL Multiphysics et le module RF contiennent une bibliothèque de matériaux magnétiques qui peuvent être utilisés dans des modèles de composants d'applications hyperfréquences, tels que des résonateurs et des circulateurs de ferrite.
Fig3 : La version 6.0 de COMSOL Multiphysics et le module RF contiennent une bibliothèque de matériaux magnétiques qui peuvent être utilisés dans des modèles de composants d’applications hyperfréquences, tels que des résonateurs et des circulateurs de ferrite.

Des circuits électriques aux champs électromagnétiques

COMSOL Multiphysics vous permet de créer des systèmes de modélisation de circuits avec des sources de tension et de courant, des résistances, des condensateurs, des inductances et des dispositifs à semi-conducteurs. De plus, les différentes topologies de circuit peuvent être exportées et importées au format SPICE netlist.
Les dispositifs résistifs et conducteurs peuvent être analysés efficacement en modélisant le courant continu, le courant alternatif ou les transitoires. Dans des conditions statiques et à basse fréquence et lorsque les champs magnétiques sont négligeables, la modélisation du courant électrique est suffisante pour obtenir des résultats précis. Les calculs, basés sur la loi d’Ohm, deviennent très efficaces et sur la base du champ de potentiel résultant, un certain nombre de valeurs peuvent être calculées : résistance, conductivité, champ électrique, densité de courant et dissipation de puissance.
Passant à l’analyse des systèmes et processus électromagnétiques, y compris la gamme statique et basse fréquence, le module AC/DC est un produit complémentaire à la plate-forme COMSOL Multiphysics qui fournit une large gamme de fonctions de modélisation et de modèles numériques pour l’étude de champs électromagnétiques et pour l’analyse EMI/EMC par la solution des équations de Maxwell. Avec le module AC/DC, il est également possible d’effectuer des analyses dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel, ainsi que des analyses de petits signaux. Les effets capacitifs peuvent également être pris en compte dans le domaine temporel et fréquentiel. Les capacités multiphysiques du logiciel COMSOL Multiphysics vous permettent d’étudier l’impact d’autres effets physiques sur le modèle électromagnétique, tels que le transfert de chaleur, la mécanique des structures et l’acoustique.
Lors de la modélisation de câbles, fils, bobines, solénoïdes et autres dispositifs inductifs, le champ magnétique qui génère des courants électriques dans les matériaux conducteurs doit être pris en compte. En général, pour les champs variant dans le temps avec des effets d’induction importants, il existe un couplage bidirectionnel entre les champs électriques et magnétiques. Lorsque la profondeur de pénétration est de l’ordre de la taille du dispositif, mais que la longueur d’onde est beaucoup plus grande, une formulation de champ vectoriel est nécessaire.
Le domaine fréquentiel, l’analyse des petits signaux et la modélisation dans le domaine temporel sont pris en charge en 2D et 3D. Une formulation spécifique est disponible qui est particulièrement adaptée à la modélisation magnétique dans le domaine temporel des matériaux avec un EJ fortement non linéaire, comme dans le cas des supraconducteurs.

Fig4 : Simulation de circuits imprimés (PCB) avec COMSOL Multiphysics
Fig4 : Simulation de circuits imprimés (PCB) avec COMSOL Multiphysics

Simulation de l’électrostatique et de la magnétostatique

Il est possible d’analyser des dispositifs capacitifs et électriquement isolants au moyen de calculs électrostatiques. Cette approche est applicable aux structures diélectriques où aucun courant ne circule et où les champs sont déterminés par le potentiel électrique et la distribution de charge. La méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments limites (BEM) sont disponibles pour résoudre le potentiel électrique, qui peuvent également être combinés dans un système hybride.
Sur la base du champ de potentiel obtenu, diverses quantités peuvent être calculées telles que les matrices de capacité, le champ électrique, la densité de charge et l’énergie électrostatique.
En choisissant parmi une vaste base de données de matériaux, qui comprend une grande variété de matériaux magnétiques non linéaires, vous pouvez calculer les champs magnétostatiques, les inductances parasites et les forces sur les bobines, les conducteurs et les champs magnétiques ou définir vos propres matériaux non linéaires.
Une variété de formulations sont disponibles en fonction de la présence de courants, de matériaux magnétiques ou des deux.
La méthode FEM et la méthode BEM sont également disponibles pour l’étude magnétostatique en l’absence de courants, également dans ce cas, elles peuvent être combinées l’une avec l’autre.
Dans le cas où à la fois des matériaux courants et magnétiques sont présents, une formulation de champ vectoriel permet de définir le potentiel électrique et les courants d’entrée et de calculer la répartition de la densité de courant, des champs magnétiques, des forces magnétiques, de la puissance dissipée et inductances mutuelles.
Les bobines peuvent être soit modélisées normalement, en calculant la répartition exacte du courant dans chaque fil, soit de manière homogénéisée, ce qui est très efficace pour les bobines à plusieurs spires. Les formes des bobines sont gérées automatiquement en calculant les répartitions de courant dans la bobine.
La fonctionnalité de COMSOL Multiphysics pour l’étude des machines tournantes simplifie la modélisation des moteurs et générateurs. Il permet d’étudier le comportement des moteurs à induction ou à aimants permanents, notamment en enregistrant les pertes par courants de Foucault qui se produisent dans les aimants. Dans tout modèle utilisé pour simuler un mouvement électromagnétique, il est possible d’étudier la dynamique de corps rigides ou flexibles sous l’influence de forces et de couples magnétiques, de courants induits, de charges mécaniques.
Une fonction générique de maillage flottant permet de modéliser le mouvement linéaire. Ceci est important pour comprendre le fonctionnement des composants mécaniques impliqués, comme dans le cas des interrupteurs de courant magnétiques, des solénoïdes et des actionneurs en général.

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