AC/DC 模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本为“AC/DC 模块”的用户引入了新增的磁场,仅电流 接口、经验性损耗模型,并对现有的电路 接口进行了各种改进。请阅读以下内容,进一步了解“AC/DC 模块”的新增功能及其他更新。

用于电感矩阵计算的新物理场接口

新增的磁场,仅电流 接口旨在有效地计算复杂三维电路(例如印刷电路板 [PCB] 上常见的电路)的集总电感矩阵,可用于计算由开路(也称为非螺线管导体)产生的磁场部分的贡献。对于需要求解互感矩阵的用户来说,处理开路的能力大大降低了建模复杂性。

该接口使用磁矢势作为因变量,在假设所有区域都是非磁性的情况下(换句话说,它们具有均匀的相对磁导率 "1")计算电流产生的磁场。这个新公式不要求导体电流无散度,在自由空间中,它返回 Biot–Savart 积分的值。该接口支持稳态稳态源扫描 研究步骤,其中后者是扫描许多终端的有效方式。新增的 PCB 线圈的电感矩阵计算教学案例和更新的亥姆霍兹线圈的磁场模型中使用了这一接口。

一组铜制 PCB 线圈,用深蓝色到白色的颜色渐变显示磁通密度模,用箭头显示磁场。 PCB 线圈 PCB 线圈的电感耦合阵列,使用 磁场,仅电流接口进行线圈扫描,所得的 L 矩阵可用于构建 PCB 的集总电路。

电机和变压器中叠片铁芯和轭铁的损耗模型

新增的损耗计算 特征使用经验模型(SteinmetzBertotti用户定义 )来计算磁滞、涡流及其他效应(例如电机和变压器中的叠片铁芯或轭铁)引起的损耗。作为铜等材料的后备选项,它能够提供周期平均电阻损耗。

在“模型开发器”中,损耗计算 可作为安培定律 节点、域线圈 节点、法拉第定律 节点和磁通量守恒 节点的子节点,可用于瞬态频域 研究。对于瞬态 研究,损耗计算 特征设计为与专用的时域到频域损耗 研究步骤结合使用,该研究步骤确定了瞬态解中存在的不同谐波,并将它们插入一个频率相关的经验损耗模型。以下更新的模型演示了这一新特征:

COMSOL Multiphysics 5.6 版本用户界面,显示“损耗计算”设置,其中已选择 Steinmetz 损耗模型,“图形”窗口中显示 PM 电机模型。 演示 Steinmetz 损耗模型 经验损耗 Steinmetz 模型用于计算定子叠片轭铁中的周期平均(频率相关)损耗,可以单独分析不同的谐波。

广泛支持特征频率分析

现在,大多数“AC/DC 模块”接口都支持特征频率 研究:电流壳内电流多层壳中的电流电路静电磁场。除了支持磁场 接口中的全波腔模式分析之外,还可以对涉及电路的模型运行特征频率分析。这种特征频率分析主要是为“AC/DC 模块”开发,但提供受此影响的相关物理场接口的其他模块也将从中受益。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面,显示了“模型开发器”、“全局计算”设置(其中展开了“数据”和“表达式”栏),以及 RLC 电路特征频率分析的探针图。 特征频率分析示例 一个简单 RLC 电路的共振峰,其中分析了特征频率和 Q 因子,并将结果与解析解进行比较。

新增和增强的“电路”接口功能

电路 接口为瞬态 研究配备了一个“基于事件”的开关 特征,这使您可以对电路中某些连接的“瞬时”开关建模。开关可以由电流、电压或用户定义的布尔表达式控制。

此外,新版本还添加了参数化子电路定义,将其与子电路实例 结合使用,您可以创建包含较小电路的构建块,并在较大的电路中使用这些构建块的各种参数化变体。最后,状态、事件和求解器的机制得到了改进,特别是非线性(半导体)元件的瞬态建模变得更加稳定。

电路改进主要是为“AC/DC 模块”开发,但其他提供电路 接口的模块也将受益。以下更新的模型演示了这一新功能:

新增的磁物理场接口的默认绘图

专门开发的新默认绘图支持磁场相关的物理场接口:磁场磁场,无电流旋转机械,磁场 多物理场接口。磁通密度模被绘制为多切面或表面图,用流线或等值线表示场方向。在二维和二维轴对称模型中,流线显示无散度磁场。在可能的情况下,从等值线闭合的意义上说,应包括面外磁矢势的云图,它比流线更精确,而且等值线密度与局部磁通密度成正比。在三维中,磁场被投影到切面,然后绘制流线。生成的图样不一定是无散度的,但仍可以清晰直观地指示三维场的外观。以下模型使用了这一新绘图功能:

拓扑优化的磁路模型,在体积图中以白色到深蓝色的颜色渐变显示磁通密度模。 演示扬声器的新默认绘图 “磁路的拓扑优化”模型中扬声器上的新默认绘图。
发电机二维模型,以白色到深蓝色的渐变颜色显示表面图中的磁通密度模。 演示电机和发电机的新默认绘图 “发电机二维模型”中的电机和发电机上的新默认绘图。

静电中的铁电材料模型

对于静电 接口中的电荷守恒 特征,已使用铁电 材料选项扩展了介电材料模型。铁电材料模型是 Jiles Atherton 磁滞模型的介电等效,它以时变极化代替了时变磁化。您将在新增的铁电材料的磁滞现象教学案例中看到此特征的应用演示。

这种材料模型是新增的铁电弹性 多物理场接口的静电部分,用于分析具有非线性压电属性的铁电材料。铁电 材料选项包含在“AC/DC 模块”中,但是,铁电弹性 多物理场接口还需要“MEMS 模块”或“结构力学模块”。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本用户界面,显示“电荷守恒”特征设置,其中“本构关系 D-E”和“铁电材料属性”栏为展开状态,右侧显示磁滞曲线。 演示铁电材料模型 “铁电材料的磁滞现象”教学案例屏幕截图,显示了使用的材料模型和所得的磁滞曲线。

来自 Bomatec 的磁性材料

AC/DC 材料库进行了扩展,现在包含来自 Bomatec 的磁性材料,其中包括所有 NdFeB 标准等级(“常规”、M、H、SH、UH、EH、AH、BH、/S、M/S、H/S、SH/S、UH/S、EH/S、AH/S、BH/S、H/ST、SH/ST、UH/ST、EH/ST、AH/ST 和 BH/ST);NdFeB(黏合、注塑成型和拉伸);铁氧体(各向同性、各向异性和注塑成型);SmCo(注塑成型);SmFeN(注塑成型);SmCo5 等级;Sm2Co17 等级;以及 AlNiCo(铸造和烧结)。

这些材料包括电磁属性 - 相对介电常数 、回复磁导率 和剩余磁通密度模 ;以及与热建模相关的多个属性:导热系数 、密度 和恒压热容

增强特征:支持斜切的线圈特征

线圈 域特征(用于单导体 模型和均匀多匝 案例)现在支持斜切。通过斜切 设置,您可以放宽用于确定线圈几何形状的约束(它“平均地”而不是局部地应用输入/输出边界约束)。对于电流(或导线)的自然方向与输入或输出法向成一定角度的情况,需要放宽约束。一个典型的示例是螺旋线圈,其中输入/输出边界表示一个周期性平面,如三相双绞线电缆,或完全解析的利兹线或分割导体的情况。您将在更新的电缆系列教学案例中看到这一新特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本用户界面,显示为海底电缆模型选择“斜切”选项的“输入”设置,其结果显示在“图形”窗口中。 在电缆模型中演示斜切选项 在三相电缆模型中演示的斜切设置。
COMSOL Multiphysics 5.6 版本用户界面,显示为螺旋线模型选择“斜切”选项的“输入”设置,其结果显示在“图形”窗口中。 在电线模型中演示斜切选项 右图中的电线显示了斜切设置对电流方向的影响。

更快地进行电缆分析:新教学案例

电缆系列教学案例新增了短扭曲周期示例模型,通过这种周期,您可以减少完全解析的三维绞合线模型所需的计算量,从大型集群系统上的数小时减少到笔记本电脑上的约一分钟。这一系列案例详细解释了所使用的周期性背后的逻辑,包括涉及两个以上绞距的情况,例如具有完全解析的分割导体的电缆、绞合屏蔽或双铠装。

绞合线理论和适当的网格划分的使用遵循数值研究的最新进展,适用于大型绝缘海底电缆和脐带电缆、电动汽车充电电缆,完全解析的利兹线以及架空电力线路中使用的裸电缆。此外,该系列案例还讨论了电缆系统的电阻、电容、电感和热属性,以及不同的黏合方案:单点黏合、固体黏合和交叉黏合。您将在更新的电缆系列教学案例中看到这个新特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本用户界面,显示三维绘图组设置,其中“数据”、“绘图设置”和“颜色图例”栏为展开状态,“图形”窗口中显示一个双铠装海底电缆模型。 带双铠装的海底电缆模型 显示双铠装的演示模型,直接基于电缆系列教学案例中讨论的设计和理论。(请注意:双铠装模型并未明确包含在该系列案例中,而是直接从中衍生而来。)

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的“AC/DC 模块”引入了多个新的教学案例。

铁电材料的磁滞现象

显示不同 Vmax 下磁滞回线的点图:蓝色表示 600 V,绿色表示 800 V,红色表示 1000 V,青绿色表示 1600 V。 磁滞回线模型 新增的模型,演示了如何分析铁电材料的非线性极化现象。图中显示在不同的最大外加电压下,经过三个周期后完全建立的磁滞回线。

“案例库”标题:

ferroelectric_hysteresis

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高压绝缘体

高压绝缘体电势的彩虹色模型。 高压绝缘体模型 图中显示典型高压绝缘子上的电势分布。绝缘子广泛用于高压输电线路支撑悬挂导线的重量,同时阻止电流通过塔架流向地面。

“案例库”标题:

high_voltage_insulator

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均压环的位置优化

显示切向电场的线图:无均压环情况为蓝色;带均压环情况为绿色;最佳位置带均压环情况为红色。 均压环位置优化模型 这是一个新模型,它扩展了高压绝缘体模型,演示如何使用 优化接口确定均压环的最佳位置。图中比较了不同情况下沿从线端开始的前六个屏蔽表面的切向电场的 z 分量

“案例库”标题:

grading_ring_optimization

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PCB 线圈的电感矩阵计算

从深蓝色到白色的颜色渐变中的电感矩阵计算。 PCB 线圈的电感矩阵计算模型 一个新模型,演示如何使用 磁场,仅电流接口计算一系列导体的电感矩阵。图中显示了由 12 个独立导体组成的 PCB 的电感矩阵计算结果。

“案例库”标题:

inductance_matrix_pcb_coils

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