「ELFIN」電界解析/電場解析ソフトウェア

ELFIN　電界解析/電場解析

• • 空間メッシュ不要 （空間電場は高精度） 有限要素法はポテンシャルを変数としています。 したがって電極や誘電体などの物体だけでなく、解析対象の空間全域に要素が必要です。 一方、ELFINは電荷などのソースを変数としています。 したがってソースが存在している物体のみの要素で解析できます。 空間にはソースがないので要素は不要です。 メートルスケールの部品とマイクロメートルスケールの部品が混在するような解析モデルでも空間要素が不要なため、容易に解析できます。
  • 境界条件不要 ELFINでは解析領域は無限遠までを含んでいます。 したがって境界条件を指定する必要がありません。
  • 解析式による電位・電場の計算 ELFINでは要素の積分は複数の点での数値積分ではなく、 要素表面の解析式を使っています。 したがって面の近くまで精度の高い計算ができます。
  • 空間電場が高精度 有限要素法では空間電場の計算は、空間メッシュの電位から計算するので精度が落ちますが、ELFINでは電場をソースから直接計算するので精度が落ちません。 ソースが作る電場の計算は解析積分式を用いています。 したがって電場は要素近傍まで高精度です。 高精度の空間電場を使って高精度の力、トルク、荷電粒子軌道解析などができます。 スパッタリング、ブラウン管の解析などが精度良く解析できます。
• • 粗い要素分割でも高精度 電場は物体の外部で急激に小さくなっていきます。 そのためポテンシャルは物体の外部で複雑な変化をします。 有限要素法で使用するポテンシャルは、物体外部で大きく変化します。 したがって空間部は物体内部よりも細かな要素分割が必要です。 さらに、３次元の電場は３方向に広がるので２次元の電場よりも急激に変化しますから、３次元解析は２次元解析よりも細かな要素分割が必要です。 一方、ELFINで使用するソースは、物体の内部や表面にのみ存在し、 物体の外部には存在しません。 たとえポテンシャルが複雑に変化する場所であっても、そこにソースが存在しなければ要素そのものが不要です。 また、要素を必要とする物体内や表面でのソースの変化は緩やかです。 したがってELFINでは一般に有限要素法ほど細かな要素分割を必要としません。
  • ３次元計算が高速 有限要素法は２次元計算は高速ですが、３次元計算は時間がかかります。 その理由は ・空間部も含めて要素数が奥行き方向に増えます。 ・マトリックスのバンド幅が増えます。 ・２次元解析より細かい要素分割が必要です。 ・ELFINでは電位を与える金属は表面だけの要素分割で解析できます。

解析の種類

• • 静電場解析 時間的に変化をしない電場を解析します。 誘電体の飽和が扱えます。
• • 定常電流解析 時間的に変化をしない電流の流れを解析します。 導電率を誘電率に置き換えます。

モデルの種類

• • 3次元モデル 3次元形状の物体の電場解析をします。3次元形状のソースが作る電位、電場の解析積分式を使って計算します。ELFINの基本的な解析です。
  • 2次元モデル Z方向に無限に長い形状の物体の電場解析をします。XY平面に物体の断面を定義することにより、Z方向に無限に長いソースが作る電位、電場の解析積分式を使って計算します。
• • 軸対称モデル 円柱、円筒などのような軸対称形状の物体の電場解析をします。XY平面に物体の断面を定義することにより、軸対称形状のソースを配置して解析します。

電場解析事例　ELFIN

• • 空間電場計算 空間電場の計算例です。大きさの異なる2枚の四角形電極を対向させます。小さい電極に円形の穴が設けてあり、100Vを与えます。大きい電極はOVとします。

• • 計算時間：1秒

    空間電場をベクトルとコンター図で表しています。電極のコンター図は電荷密度になります。小さい電極のすべての場所で100Vになるように、電極の縁に電荷が集まっています。

• • 2個のドーナツ型電極

    計算時間：6秒 (Core i7 9700K)

    2つの電極に1000Vと-1000Vを与えています。電極の要素数は9600個です。
• • 3個の球型電極

    計算時間：9秒 (Core i7 9700K)

    3つの電極に左から0Vと1000Vと1000Vを与えています。電極の要素数は12000個です。