Computational Electromagnetics 1
Computational Electromagnetics 1

Die computerorientierte Lösung der Maxwell-Gleichungen spielt eine immer wichtigere Rolle. Die sukzessiven Verbesserungen, sowohl in der Computertechnologie als auch bei den numerischen Algorithmen selbst, tragen dazu bei, dass heutzutage sehr viele Elektromagnetik-Probleme aus der Praxis gelöst werden können.

Die „virtuelle Optimierung" mit Hilfe eines Computers ist sehr viel kostengünstiger und effizienter als das traditionelle Vorgehen mittels Bau und Prüfung von Prototypen-Reihen.

Die möglichen Einsatzbereiche finden sich in diversen Sparten der Elektrotechnik: Etwa bei Wirbelstromproblemen in elektrischen Maschinen, Hochfrequenz-Schaltungen und -Antennen, optischen Komponenten, Radarsystemen, Streuungsproblemen und der elektromagnetischen Kompatibilität, um nur einige Anwendungsbeispiele zu nennen.

Der Kurs Computational Electromagnetics 1 (CEM-1) hat zwei wesentliche Ziele:

1. Die Vermittlung von Grundkenntnissen über die drei wichtigsten Methoden zur numerischen Lösung von elektromagnetischen Feldproblemen, namentlich die Finite-Differenzen Methode (FDM, auch FDTD = Finite-Difference Time-Domain), die Finite-Elemente Methode (FEM) und die Momenten-Methode (MoM, auch BEM = Boundary Element Method).

2. Die „sichere" und effiziente Benutzung von (kommerziellen) Simulations-Werkzeugen auf Basis der o.g. numerischen Methoden, namentlich die Software EMPIRE XPU™ (http://www.empire.de) von der IMST GmbH, das open-source FDTD Programm openEMS (http://openems.de), die beiden FEM-solver COMSOL Multiphysics™ (https://www.comsol.de/) und ANSYS HFSS (http://www.ansys.com), sowie das MoM-basierte tool FEKO™ (https://www.feko.info) von Altair Engineering. Die entsprechenden Kenntnisse werden durch das selbstständige Durcharbeiten von sog. Tutorials (Übungen am PC) unter fachkundiger Anleitung vertieft.

Die Kurs-TeilnehmerInnen sind abschließend in der Lage, die geeignetste Software (das geeignetste numerische Verfahren) für „ihr" Elektromagnetik-Problem auszuwählen und diese effizient und „sicher" anzuwenden.

Die Studierenden sind abschließend in der Lage die geeignetste Software (das geeignetste numerische Verfahren) für „ihr" Elektromagnetik-Problem auszuwählen und diese effizient und „sicher" zu benutzen.

Weiterführende Literatur:

[FDTD] Allen Taflove, Susan C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Norwood: Artech House, 2005.

[FEM] Jianming Jin, The Finite Element Method in Electromagnetics. New York: John Wiley & Sons, 2002.

Grundlagen der Elektrotechnik, grundlegende Vektoranalysis, Grundkenntnisse zur numerischen Mathematik.

Computational Electromagnetics 1 (CEM-1)

The computer-based solution of Maxwell‘s equations plays an increasingly important role. Due to the successive improvements in the computer technology and the numerical algorithms themselves a lot of practical electromagnetic problems can be solved nowadays.

The "virtual optimization" using a computer is much more cost effective and efficient than the traditional approach based on building and testing of prototypes-series.

The possible application areas can be found in various sectors of electrical engineering, e.g., eddy current problems in electrical machines, high-frequency circuits and antennas, optical components, radar systems, scattering problems and electromagnetic compatibility, to name just a few.

The course Computational Electromagnetics 1 (CEM-1) has two main objectives:

1. To teach the basic knowledge about the three main methods for the numerical solution of electromagnetic field problems, including the finite difference method (FDM, also FDTD = Finite-Difference Time-Domain), the Finite Element Method (FEM) and the Method of Moments (MoM, also BEM = Boundary Element Method).

2. The "safe" and efficient use of (commercial) simulation tools based on the above-mentioned numerical methods, especially the software EMPIRE XPU ™ (http://www.empire.de) by IMST GmbH, the open-source FDTD Program openEMS (http://openems.de), the two FEM solver COMSOL Multiphysics ™ (https://www.comsol.de/) and ANSYS HFSS (http://www.ansys.com), and the MoM -based tool FEKO ™ (https://www.feko.info) of Altair Engineering. The corresponding knowledge is deepened by working through so-called software tutorials (exercises on the PC) under expert guidance.

The course participants are finally able to select the most appropriate software (the most suitable numerical methods) for "their" electromagnetic field problem and use the corresponding tool efficiently and "safely".

Students are finally in a position to select the most appropriate software (the most suitable numerical method) for "their" electromagnetic problem and to use the tool in an efficient and "safe" manner.

Weiterführende Literatur:

[FDTD] Allen Taflove, Susan C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Norwood: Artech House, 2005.

[FEM] Jianming Jin, The Finite Element Method in Electromagnetics. New York: John Wiley & Sons, 2002.