AC/DC模組更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對AC/DC 模組的用戶新增了一個靜電,邊界元素素物理場(Electrostatics, Boundary Elements)介面、一個穩態源掃描(Stationary Source Sweep)研究步驟以及多個教學模型。請閱讀以下內容,進一步了解AC/DC 模組的所有更新。

 

新的物理場介面:靜電,邊界元素

新增的靜電,邊界元素介面用於構建和求解不適宜採用有限元素法(FEM) 的模型,此介面基於邊界元素法(BEM),可用於二維和三維模型中,它使用標量電位作為因變數,對電位求解拉普拉斯方程。這個新介面可用作靜電介面的替代,計算電介質中的電位分佈,對於難以生成網格的結構,使用這個介面尤其方便。請注意,邊界上的電位分佈必須精確定義,因此您需要使域內的材料數據保持恆定。

 

通過使用邊界電位耦合多物理場節點,靜電,邊界元素介面還可與基於有限元素的靜電介面結合使用。例如,您可以耦合使用這兩個介面考慮無限空間的效應,而不必使用無限元素域特徵。

 

An example of a model created with boundary elements in COMSOL Multiphysics version 5.3.使用邊界元素模擬的可調電容器的靜電特性。電場和電位顯示為箭頭圖,感應的表面電荷密度繪製在電極表面。此模擬中使用邊界元素法可避免定義有限建模域和邊界,還避免了對電容器的薄體積生成網格

有關使用靜電,邊界元素素介面的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:
ACDC_Module/Capacitive_Devices/capacitor_tunable

新的研究步驟:穩態源掃描

一個新的穩態源掃描定制研究可用於更快速計算靜電,電流介面和靜電,邊界元素介面中的集總參數。對於直接求解器,此研究重用系統矩陣的LU分解,由此速度比之前的埠掃描實現快了數倍。使用迭代求解器時的速度也得到了提升。

A screenshot of the COMSOL software GUI showing the underlying model of the Touchscreen Simulator app.AC/DC模組的“案例庫”中的觸摸屏模擬App 計算了手指(表示為造影)接觸到觸摸螢幕時產生的電容矩陣。手指的位置和方位通過輸入參數進行控制,計算了產生的電容矩陣。圖中顯示了用於構建“觸摸屏模擬”App 的底層模型。此模型現在使用 穩態源掃描 研究步驟,使求解的速度快了許多

有關使用穩態源掃描研究步驟的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

ACDC_Module/Applications/touchscreen_simulator

 

混合BEM/FEM問題的求解器支援

有時,多物理場問題可以透過同一種數值方法來求解,然而,有些時候,對不同物理場使用不同數值方法(邊界元素法 (BEM) 和有限元素法 (FEM))可以得到最佳求解。如果矩陣儲存時,FEM部分採用最佳稀疏格式,BEM部分採用密集矩陣或無矩陣格式,則可使用混合BEM/FEM模型。這樣可以對矩陣的各個FEMBEM部分使用單獨的預處理器/平滑器。

 

例如,可以使用帶有混合預處理器的有效迭代求解器。FEM 部分可以照常進行自由預處理,而BEM 部分可以與上述一個預處理器共同用於近場矩陣。迭代方法藉由基於混合矩陣的方法/無矩陣方法來計算殘值,從而優化利用各種快速矩陣向量積。

 

新教學模型:電容式位置感測器(邊界元素和有限元素)

AC/DC 模組的“案例庫”中新增了兩個靜電教學模型,解釋瞭如何通過新增的穩態源掃描研究步驟粹取集總矩陣,同時還展現了使用 BEM的優勢。

 

其中計算了五終端系統的電容矩陣,將其用於標識金屬物體的位置。還展示了額外的研究特徵和建模技術,如對終端子集進行掃描。這兩個模型中還比較了使用直接求解器和迭代求解器如何影響研究的性能。

 

其中使用以下兩個不同的物理場介面比較了FEMBEM:靜電和靜電,邊界元素。在使用FEM時,需要對一部分周圍空氣體積進行網格生成;而使用BEM時則不需要。BEM僅要求對導體表面以及電介質屬性發生變化的界面進行網格生成。

 

A results plot from the Capacitive Position Sensor tutorial model.電容式位置感測器模型中使用靜電,邊界元素介面的結果。電場顯示為箭頭方向和大小;電位顯示為箭頭和感測器表面色(彩虹色圖)。在測試金屬塊上繪製了感應的表面電荷密度(“木星北極光”顏色圖)

如需“電容式位置感測器”模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

ACDC_Module/Tutorials/capacitive_pressure_sensor

ACDC_Module/Tutorials/capacitive_pressure_sensor_bem

 

新教學模型:三維電感器的軸對稱近似

高頻的感應裝置會在導體之間感應出電容耦合。要模擬這一現象,要求所描述的電場具有與導線平行和垂直的分量。

 

這一考慮可能會產生這樣的結論,即模擬這種現象始終需要三維模型,即使線圈呈螺旋狀時也是如此,但事實並非如此。

 

此三維電感案例展示如何透過軸對稱模擬來粹取與三維電感器的自諧振有關的訊息。

 

為了得到正確的二維軸對稱模型,此案例中創建了一個有效的軸對稱鐵心,並利用了RLC 線圈組特徵。

 

這個精益方法特別適合研究如感測器或變壓器等包含成千上萬匝線圈的系統,由此降低了計算成本。

 

The Axisymmetric Approximation of a 3D Inductor tutorial, new with COMSOL Multiphysics version 5.3.電感的旋轉二維軸對稱模擬的三維視圖。模擬顯示了 6.5 MHz 時的結果,接近於自諧振。圖中顯示鐵心中的磁通密度(彩虹色圖)和繞組表面的損耗密度(單位:W/m3)(“熱攝影機”顏色圖)。箭頭圖顯示了電場

如需三維電感器的軸對稱近似模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

ACDC_Module/Inductive_Devices_and_Coils/axisymmetric_approximation_of_inductor_3d

 

新教學模型:三維永磁馬達

永磁(PM) 馬達用於電動汽車和混合動力汽車等許多高端應用中,它其中有一個重要的設計局限,即在電流引起熱損耗(尤其是渦電流)進而導致高溫時,磁體對此相當敏感。

 

這個模型模擬了三維18極永磁馬達,用於準確捕獲永磁體中的渦電流損耗。幾何的中心部分包​​含轉子和部分空氣間隙,以相對於定子坐標系旋轉的方式建模。利用扇區對稱和軸向鏡像對稱來減少計算量,同時仍能確保捕獲設備的全三維特性。

 

還使用了一個因變數來計算和儲存磁體中的渦電流損耗密度的時間積分。結果後續用作單獨熱傳分析中的分佈式、時間平均熱源,其中的熱時間尺度通常比渦流損耗中的大得多。

 

A permanent magnet motor modeled in 3D using the AC/DC Module.永磁馬達的全幾何描述,其中包含線圈(銅);轉子和定子(灰色)以及永磁體(紅色和藍色,具體取決於徑向的磁化)。磁通密度 B 顯示為包含相關顏色圖例的箭頭圖
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永磁馬達的動畫,其中包含線圈(銅);轉子和定子(灰色)以及永磁體(紅色和藍色,具體取決於徑向的磁化)。磁通密度 B顯示為包含相關顏色圖例的箭頭圖

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扇區循環的動畫,其中顯示磁體中的渦電流(白色)、磁通密度 B (“熱光”顏色圖)和線圈電流(灰色)的箭頭圖。表面圖(“熱攝影機”顏色圖)顯示了磁體中的時均渦電流損耗密度

如需三維永磁馬達模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

ACDC_Module/Motors_and_Actuators/pm_motor_3d

新教學模型:磁力開關的電動力學

過電流或過載等電事故會嚴重地破壞電路或輸電線。為避免損害關鍵零件,可以安裝電路開關斷路器。只要電流達到臨界值,斷路器立即移動柱塞,從而以機械方式切斷強大的電流。斷路器與保險絲完全不同,在為保護周圍的電氣部件而啟動後,保險絲必須替換掉,而斷路器只需重置即可。

 

此教學模型的主要目的是模擬磁路開關這種斷路器,研究其工作原理和可能的解。在這個機電裝置中,繞在鐵柱塞上的線圈中流過電流,產生磁引力,從而移動鐵柱塞。切斷驅動電流就可以使開關重置回其初始狀態。

 

此模型模擬磁力影響下的剛體動力學、感應電流和維持柱塞在其平衡位置的彈簧/約束佈置。銅線圈置於下方E鐵心的中心臂上,保持固定。當電流流經線圈時,在上方E鐵心中產生磁引力(移動柱塞),由預應力彈簧維持適當控制。當磁引力達到門檻值時,柱塞移向下方的E鐵心,使空氣間隙閉合。此模型展示瞭如何正確模擬與彈簧剛度相關的移動和閉合時間。

Wistia video thumbnail - Animation_power_switch_001_small3
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Transient behavior of a magnetic power switch. As the coil current increases, the iron plunger is pulled down. After the plunger comes to a halt, magnetic flux continues to saturate the core.

磁力開關的暫態特性。當線圈電流增加時,鐵柱塞受力下移。柱塞停止時,磁通量繼續使鐵心飽和

如需磁力開關模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

ACDC_Module/Motors_and_Actuators/power_switch

 

新教學模型:具電容負載的運算放大器

運算放大器 (op-amp) 是一種差動電壓放大器,在模擬電子學方面有著廣泛應用。此教學案例模擬了與反饋迴路及電容負載相連的運算放大器。

 

運算放大器模擬為電路介面中插入到外部電路的等效線性子電路。此模型部分基於SPICE格式。模擬時間為10 ms,每隔0.05 ms輸出一次數據。運算放大器的內部動力與反饋網格發生相互作用,產生輸出訊號的振鈴(步階響應)。

A plot from the Operational Amplifier with Capacitive Load tutorial model.

輸入步階電壓 0.5 V,測量通過負載電容器的輸出電壓。負載電容器上測得的電壓表現為阻尼振盪

如需具電容負載的運算放大器模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

ACDC_Module/Tutorials/opamp_capacitive_load

 

新教學模型:電纜教學案例系列

新版本中增加一組教學案例,研究標準三核心鉛護層XLPE HVAC(交聯聚乙烯、高壓交流電)海底電纜(500 mm2, 220 kV) 的電容屬性、電感屬性和熱屬性,包含六個模型及其文件。此系列教學案例旨在使專業人士迅速了解如何在 COMSOL Multiphysics® 中模擬這類應用,也適用於對涉及電纜的電磁現象及其模擬方式感興趣的學生和工程人員。

 

此系列教學案例中,首先介紹了相關的物理基本原理,然後加入須考慮的物理因素和特性,逐漸提高了複雜度。其中除了討論有關電纜的電磁模擬(如充電電流、接合類型、鎧裝扭轉及溫度依存性)以外,還提供了模擬電磁學及相關方法時的許多要點。

A screenshot from the Cable Tutorial Series, new with COMSOL Multiphysics version 5.3.模擬的三核心鉛護層電纜,同時考慮了地表周圍的環境。電纜內部的溫度分佈顯示為幾何上方的三維顏色圖。

 

“案例下載”連結:電纜教學案例系列

Cable Tutorial Series