目录

1. 简介

2. 建模过程

2.1 基本的仿真配置

2.2 构建两个圆环体和旋转轴

2.3 切分圆环体

2.4 衔接内外环

2.5 保留衔接部分

2.6 绘制内螺旋

2.7 绘制外螺旋

2.8  查看完整体

2.9 绘制引脚

2.10 设置端口

2.11 仿真结果

3. 使用Digilent AD2进行测试

3.1 进行短路补偿

3.2 扫描电感曲线

3.3 结果分析

4. 总结

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1. 简介

在《口袋实验室--电子学霸神器-Digilent AD2/3-电感测量》一文中，我对比了使用CST软件仿真的一个三维的螺旋结构与使用AD2工具来实际测量其感值，以验证仿真结果的准确性。实验步骤花费较多的是去调整和优化测量系统，其中最主要的原因是《电磁仿真--基本操作-CST-(3)-CSDN博客》中仿真的电感太小，只有约0.265uH。

本文将分享更为复杂的建模技巧，旨在构建一个线圈数更多的空心电感器，借助RLC求解器进行电感量的计算。我们也将获得更加平滑的电感测试曲线。

电感图片引用自：立创商城

2. 建模过程

2.1 基本的仿真配置

求解器：Low Frequency -> Partial RLC Slover

频率范围：DC至10MHz

背景材料：Normal，distance=20

边界条件：Ht=0

2.2 构建两个圆环体和旋转轴

铜导线直径：1.2mm

外环导线半径：6.9mm（导线中心）

内环导线半径：5.6mm（导线中心）

2.3 切分圆环体

使用Local WCS工具切分圆环体。

2.4 衔接内外环

使用Loft工具衔接内外环。

• 选择端面
• 选中Shapes中Loft工具
• 平滑度大约为0.18

2.5 保留衔接部分

其余部分均删除。

2.6 绘制内螺旋

• 选择面F和旋转轴E
• 使用 Shapes 集中的 Rotate Face 工具
• 通过调整角度和方向的正负，可以改变方向

2.7 绘制外螺旋

• 隐藏内螺旋体，简化视图
• 选择面（F）和旋转轴（E）
• 使用 Shapes 集中的 Rotate Face 工具
• 通过调整角度和方向的正负，可以改变方向

2.8  查看完整体

快捷键 CTRL+U 显示全部实体。

2.9 绘制引脚

• 延长螺旋体两个端面0.4mm
• 绘制一个3mm的导体
• 选择两个特征点（P），并选中引脚实体
• 使用 Tool 集下的 Transform 工具完成平移

平移后的位置关系如下，此时还不能使用 Loft 工具，软件会提示有交集，需将引脚向偏移0.4mm。

• 再次使用 Transform 工具

• 删除0.4mm的断面延长区域
• 使用 Loft 工具完成衔接
• 平滑度约0.2即可

2.10 设置端口

配置RLC端口并开始仿真。

2.11 仿真结果

3. 使用Digilent AD2进行测试

3.1 进行短路补偿

3.2 扫描电感曲线

扫描结果相比于上次测量电感，要平滑的多，得益于电感值较大，从而能分得更多的测量分压。 

3.3 结果分析

根据电感官方提供的Datasheet，此电感的标称值为4uH。

从仿真和实测的曲线来看，仿真的结果比起实测小约0.5uH。

不过二者出现差异，是比较常见的现象。

这种差异可能由多种因素导致：

• 建模准确性：我使用尺子测量可能不够精确。建模时的细微差异，如线圈的直径、线径、线圈间距等，都可能对仿真结果产生影响。
• 材料属性：仿真时所用的材料属性可能与实际使用的材料属性有所不同，如电磁性能（如磁导率、电导率）。
• 边界条件和环境因素：仿真中设置的边界条件可能与实际应用环境有所区别。

另外，需要理解下，空心螺旋线电感的感值随着频率的变化而改变：

• 趋肤效应（Skin Effect）：随着频率的增加，电流趋向于在导体表面流动，导致电感器的有效截面积减小，从而影响其感值。在较高频率下，这种效应更加显著。
• 近端效应（Proximity Effect）：在电感线圈中，相邻的导线之间会相互影响，使得电流分布不均匀。这种效应在频率较高时更为明显，也会导致感值的变化。
• 寄生电容：线圈的绕组间存在寄生电容，随着频率的增加，这些寄生电容的影响变得更加明显，会导致电感的阻抗特性随频率改变。

4. 总结

本文分享了一个更为复杂空心螺旋电感的建模过程，CST软件工具提供 Loft 工具非常有用，通过对比仿真与实测结果的差异，我分析了影响仿真结果的几个可能的因素，并分析了空心螺旋线电感的感值随着频率的变化而改变的原因。