AC/DC 模块:静态和低频电磁仿真

适用于低频电磁场建模和机电元件分析的仿真软件

要分析涉及静态和低频范围的电磁系统和过程,离不开功能强大且灵活的仿真工具。“AC/DC 模块”是 COMSOL Multiphysics® 平台的附加模块,为用户提供了各类建模特征和数值方法,您可以通过求解麦克斯韦方程来研究电磁场和 EMI/EMC。

借助 COMSOL® 软件的多物理场功能,您可以研究其他物理效应(比如传热、结构力学和声学)对电磁模型的影响。

AC/DC 模块带来的优势

当您添加了“AC/DC 模块”对 COMSOL Multiphysics® 进行功能扩展后,除了可以访问 COMSOL Multiphysics® 软件平台的核心功能,还能使用低频电磁建模的专用特征。

“AC/DC 模块”提供了针对以下对象进行建模所需的各类工具:

  • 电容器
  • 电感器
  • 绝缘体
  • 电介质应力
  • 线圈
  • 电动机
  • 传感器
  • 螺线管
  • 电路参数提取(R 矩阵、L 矩阵和 Z 矩阵)
  • 寄生电容和电感
  • SPICE 电路与物理场组合仿真
  • 电焊
  • 电绝缘
  • EMI/EMC
  • 电磁屏蔽
  • 电容触摸屏
  • 磁轴承
  • 电迁移
  • 感应炉
  • 感应测井
  • 电介质
  • 发电机
  • 永磁体
  • 电磁铁
  • 执行器
  • 柱塞
  • 变压器
  • 传输线
  • 石墨烯
  • 机电设备
  • 电子产品可靠性
  • 接触电阻
  • 多孔介质中的电磁场
使用“AC/DC 模块”为变压器建模的示例。 这是一个 E 磁芯变压器示例模型,其中分析了非线性 B-H 曲线对软铁芯的影响。结果包含磁场和电场、磁饱和效应、瞬态响应等。

多物理场耦合

AC/DC 模块包含:

  • 感应加热
  • 焦耳热和电阻热
  • 电磁力和扭矩引起的变形和应力
  • 固体和流体中的洛伦兹力

与其他模块结合时包含:

  • 热辐射
  • 热接触电阻
  • 生物热
  • 静电变形
  • 压电效应
  • 压阻效应
  • 电致伸缩
  • 磁致伸缩
  • 热电效应
  • 电感耦合等离子体
  • 电容耦合等离子体
  • 组织消融
  • 带电粒子追踪
  • 介电泳
  • 常规的单物理场和多物理场优化
使用“AC/DC 模块”模拟钢坯加热的示例。 图中显示了钢坯的温度,以及线圈周围的磁场及其内部的电流。

AC/DC 模块特征和功能

请阅读以下各节内容,深入了解“AC/DC 模块”的特征和功能。
“AC/DC 模块”附带了一组物理场接口,可用于为众多应用领域的仿真建立分析模型,例如静电场、电流、静磁场以及包含感应作用的时变电磁场。您可以组合使用这些接口,获取适用范围更广的建模功能。

Did You Know? 物理场接口是针对特定物理领域的用户界面,用于定义方程以及有关网格生成、求解器、可视化和结果的设置。

AC/DC 模块中的物理场接口:

  • 满足电流守恒的“电流”接口
  • 电流,壳
  • 采用 SPICE 网表导入的“电路”接口
  • 满足电荷守恒的“静电”接口
  • 磁场和电场
  • 磁场公式
  • 磁场
  • 磁场,无电流
  • 粒子-场相互作用,相对论
  • 二维和三维旋转机械,磁
  • 静电,边界元
  • 磁场,无电流,边界元
使用 COMSOL 软件为可调电容器建模时的 GUI 屏幕截图。 本例采用混合 FEM-BEM 方法为可调电容器进行建模,通过这两种方法的自动耦合来计算电势。

模块中不仅包含基本的边界条件(例如电势、电流、电荷和场值),还提供了一系列高级边界条件,其中的终端悬浮电位电路终端 等边界条件可用于从二维或三维模型中提取等效电路参数,例如电阻、电容、电感,以及阻抗值和矩阵。

AC/DC 模块中的边界条件:

  • 电路终端
  • 接触电阻
  • 介电屏蔽
  • 分布电容
  • 分布阻抗
  • 分布电阻
  • 电屏蔽
  • 电接触
  • 集总端口
  • 周期性边界条件
  • 扇区对称
  • 表面阻抗
  • 表面磁流
  • 薄低磁导率间隙
  • 过渡
  • 线圈激励
  • 均匀多匝
  • 单导线
  • 悬浮电位
  • 磁场
  • 磁通密度
  • 磁绝缘
  • 磁势
  • 完美磁导体
  • 表面电流
  • 边界电流源
  • 连续性
  • 位移场
  • 电绝缘
  • 电势
  • 接地/零电势
  • 法向电流密度
  • 表面电荷密度
  • 零电荷
  • 磁屏蔽
  • B-H 和 H-B 曲线输入
用于分析触摸屏设备设计的模型示例。 触摸屏设备模型。人们通常使用固定电位、电荷或电流值为电极建模,并对电位未知的金属表面应用悬浮电位条件。

薄结构建模

您可以使用壳公式为薄结构进行建模,这些公式可用于直流、静电、静磁和感应仿真。电磁壳建模支持使用表面物理属性代替 CAD 模型中薄实体的厚度,大幅提升了建模效率。

无界域或大型域

通过对电场和磁场使用无限元方法进行分析,可精确模拟无界或大型的建模域。在对静电场和静磁场建模时,边界元法(BEM)可以与基于有限元法(FEM)的物理场接口结合使用,作为大型区域或无限区域建模的备选方法。

线圈建模

专用的线圈特征可以有效简化一系列静磁模型和低频电磁模型的线圈设置过程。在众多此类应用中,磁场由导电材料中的电流产生;导电材料包括电缆、电线、线圈或螺线管等。专用的线圈特征可用于轻松模拟这些结构,并将电流和电压等集总物理量转换成电流密度和电场等分布物理量。单导线和均匀多匝线圈可以在全三维或二维轴对称模型中进行定义。

旋转机械和线性运动

借助内置的旋转机械接口,您可以轻松为电动机和发电机建模。举例来说,您可以通过捕获磁体内产生的涡流损耗等方式,了解感应电机或永磁电机的特性。在所有模拟电磁流动的模型中,您都可以研究受磁力和扭矩、感应电流以及机械载荷和弹簧构型影响的刚体或柔体动力学。

通用的动网格功能支持为线性运动建模。这对于理解含柱塞部件(例如磁力开关和通用执行器)的工作原理起着至关重要的作用。

COMSOL 软件 GUI 中显示的潜艇模型。

本例使用薄结构通过磁屏蔽 边界条件为潜艇建模。采用边界元法可以在远距离检测到磁信号。

 

模块中提供了大型材料数据库供您选择,其中包含:

  • 铁磁材料
  • 亚铁磁材料
  • B-H 曲线
  • H-B 曲线

此外,您还可以使用其他附加产品的材料库中提供的材料。

材料属性可以随空间变化、随时间变化、呈各向异性、有损耗、为复值,以及不连续。只需很少的额外工作,您便可以轻松扩展仿真的应用范围。您可以使用数学表达式、查找表或两者的组合来定义自己的材料,不仅如此,您还可以使用 C 代码编写的外部库来定义材料。

总体来说,使用基于方程的建模功能,您可以修改边界条件、材料属性和方程,并根据自己的具体需求定制仿真。

使用“AC/DC 模块”(其中包含定制材料)的基于方程建模功能的示例。 本例使用 Jiles-Atherton 各向异性磁滞材料模型为 E 磁芯模型中的磁场建模,结果显示了 B-H 曲线和磁通密度模。

“AC/DC 模块”支持生成自动、半自动和自适应网格。在底层实现上,“AC/DC 模块”通过使用有限元法、边界元法或这两种方法的组合,并结合最先进的求解器对麦克斯韦方程进行求解。模块提供了多种类型的有限元和边界元网格单元。

AC/DC 模块中的数值方法:

  • 有限元法
  • 边界元法
  • 线性离散化、基于高阶节点的离散化和边单元离散化
  • 四面体、棱柱、金字塔、六面体、三角形和四边形单元的组合
  • 线性和非线性求解器

AC/DC 模块中的研究类型:

  • 静态
  • 频域
  • 时域
  • 用于电路参数提取的自动终端扫描
使用“AC/DC 模块”求解电场和磁场模型的示例。

通过添加研究,可以轻松包含多个求解器步骤。在这个发电机示例中,按顺序一次性添加了线圈几何分析稳态瞬态 研究。

软件会根据您使用的接口自动选择合适的默认可视化功能,其中包含电场和磁场、电流、电荷及电压等绘图。您可以轻松添加任何场物理量的定制可视化效果,以及这些物理量及其导数的复合表达式。

后处理工具可用于生成电容矩阵或阻抗矩阵等集总参数矩阵,以及积分值、平均值、最大值和最小值。例如,您可以计算最大电场,确保模型任何位置的场强都不超过电介质强度,或通过对一组表面的电荷密度进行积分来得到总电荷。通过使用截线和截面,您还可以研究模型任意横截面上的场值。

AC/DC 模块中的后处理和可视化特征:

  • 电压图
  • 电场图
  • 磁场图
  • 电流密度图
  • 电荷密度图
  • 物理量的任意表达式
  • 派生的表格物理量,如 R 矩阵、L 矩阵、C 矩阵、Z 矩阵、Y 矩阵和 S 矩阵
  • 总电荷和总电流
  • 力和扭矩 vs. 时间
使用“AC/DC 模块”生成可视化电磁绘图的示例。 本例对电源开关的打开和闭合进行建模,然后使用后处理工具生成可视化效果。图中同时显示了三个不同时间点的电损耗。

您可以使用内置的“App 开发器”将模型转化为具有定制化输入输出的专用 App,实现更高效的仿真过程。您还可以将开发的 App 分发给不具备仿真经验的同事,让他们能够自行反复运行分析,从而简化设计过程。

工作流程非常简单:

  1. 将电磁模型转化为专用的用户界面(App)
  2. 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
  3. 添加可选代码,实现用户界面逻辑操作或其他非标准操作
  4. 使用 COMSOL Server™ 产品将 App 部署给其他团队成员或外部人员
  5. 让您的团队成员能够在无需任何帮助的情况下,自行运行设计分析

通过构建和使用仿真 App,您可以在整个团队、机构、课堂或客户/供应商群体中扩展仿真功能。

为高效模拟触摸屏而构建的 App 示例。 “触摸屏模拟器”App 通过 COMSOL Multiphysics® 和附加的“AC/DC 模块”创建。构建这样的 App,可以帮助您简化电磁设备的设计过程。

如果您使用的是 MATLAB® 软件,则可以通过 MATLAB® 脚本和函数轻松运行 COMSOL Multiphysics® 仿真。借助 LiveLink™ for MATLAB® 接口产品,您可以通过 MATLAB® 命令访问 COMSOL® 操作,并直接在 MATLAB® 环境中将这些命令与现有的 MATLAB® 代码混合使用。

为了便于您分析 CAD 模型和电子布局的电磁属性,COMSOL 提供了 ECAD 导入模块CAD 导入模块设计模块以及用于衔接主流 CAD 系统的 LiveLink™ 产品,这些接口都包含在我们的产品套件中。借助 LiveLink™ 产品,可以保持参数化 CAD 模型在其原生环境中不变的同时,在 COMSOL Multiphysics® 软件控制几何尺寸,并同时基于多个模型参数进行参数化扫描。

借助 LiveLink™ for Excel® 接口产品,您还可以将 Microsoft® Excel® 电子表格数据和 COMSOL Multiphysics® 环境中定义的参数进行同步。

提供的接口产品包括:

  • LiveLink™ for MATLAB®
  • ECAD 导入模块
  • CAD 导入模块
  • 设计模块
  • 针对主流 CAD 软件的 LiveLink™ 产品
  • LiveLink™ for Excel®

请在产品库部分查看所有可用的接口产品。

将 IPC-2581 测试文件导入 COMSOL Multiphysics 的示例。 模型中使用“ECAD 模块”将六层 PCB 的 IPC-2581 测试文件导入 COMSOL Multiphysics® 进行仿真分析。测试用例由楷登电子科技有限公司友情提供。

设计满足实际应用的电磁设备和系统

当您设计在静态或低频范围下工作的产品、设备和元器件时,需要确保它们能够在实际应用中安全运行。您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件及其附加的“AC/DC 模块”来了解多种物理现象对设计的影响,从而对各种影响因素进行全面的分析。

大多数电磁元件、设备和产品都会受传热、结构力学、声学等其他物理分支的影响。为了尽可能准确地进行研究,您可以同时分析这些物理现象产生的影响。COMSOL Multiphysics® 平台支持您在一个软件环境中对多种物理效应进行耦合分析。

使用 COMSOL Multiphysics 软件设计实际电磁设备的示例。 感应电动机通过“AC/DC 模块”和“多体动力学模块”进行建模,支持分析机电效应。图中显示了外壳中的 von Mises 应力分布。

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每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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