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AC/DC 模組:靜態和低頻電磁模擬

適用於低頻電磁場建模和機電元件分析的模擬軟體
要分析涉及靜態和低頻範圍的電磁系統和過程,離不開功能強大且靈活的仿真工具。“AC/DC模組”是COMSOL Multiphysics ®平台的附加模組,為用戶提供了各類建模特徵和數值方法,您可以通過求解麥克斯韋方程來研究電磁場和EMI/EMC。

借助COMSOL ®軟體的多物理場功能,您可以研究其他物理效應(比如傳熱、結構力學和聲學)對電磁模型的影響。

AC/DC 模組帶來的優勢

當您添加了“AC/DC模組”對COMSOL Multiphysics ®進行功能擴展後,除了可以訪問COMSOL Multiphysics ®軟體平台的核心功能,還能使用低頻電磁建模的專用特徵。

“AC/DC 模組”提供了針對以下對象進行建模所需的各類工具:

▲電容器
▲電感器
▲絕緣體
▲電介質應力
▲線圈
▲電動機
▲感測器
▲螺線管
▲電路參數提取(R 矩陣、L 矩陣和Z 矩陣)
▲電容和電感
▲SPICE 電路與物理場組合仿真
▲電焊
▲電絕緣
▲EMI/EMC
▲電磁屏蔽
▲電容觸摸屏

▲電遷移
▲感應爐
▲感應測井
▲電介質
▲發電機
▲永磁體
▲電磁鐵
▲執行器
▲變壓器
▲傳輸線
▲石墨烯
▲磁軸承
▲機電設備
▲電子產品可靠性
▲接觸電阻
▲多孔介質中的電磁場

多物理場耦合
AC/DC 模組包含:

▲感應加熱
▲焦耳熱和電阻熱
▲電磁力和扭矩引起的變形和應力
▲固體和流體中的洛倫茲力

與其他模塊結合時包含:

▲熱輻射
▲熱接觸電阻
▲生物熱
▲靜電變形
▲壓電效應
▲壓阻效應
▲電致伸縮
▲磁致伸縮
▲熱電效應
▲電感耦合等離子體
▲電容耦合等離子體
▲組織消融
▲帶電粒子追踪
▲介電泳
▲常規的單物理場和多物理場優化

E 磁芯變壓器示例模型,其中分析了非線性BH 曲線對軟鐵芯的影響

顯示了鋼坯的溫度,以及線圈周圍的磁場及其內部的電流


AC/DC 模塊特點和功能

“AC/DC模組”附帶了一組物理場介面,可用於為眾多應用領域的仿真建立分析模型,例如靜電場、電流、靜磁場以及包含感應作用的時變電磁場。您可以組合使用這些介面,獲取適用範圍更廣的建模功能。

AC/DC 模組中的物理場介面:

  • 滿足電流守恆的“電流”介面
  • 電流,殼
  • 採用SPICE 網表導入的“電路”介面
  • 滿足電荷守恆的“靜電”介面
  • 磁場和電場
  • 磁場公式
  • 磁場
  • 磁場,無電流
  • 粒子-場相互作用,相對論
  • 二維和三維旋轉機械,磁
  • 靜電,邊界元
  • 磁場,無電流,邊界元

採混合FEM-BEM 方法為可調電容器進行建模,透過這兩種方法的自動耦合來計算電勢


用於電磁建模的邊界條件

模組中不僅包含基本的邊界條件(例如電勢、電流、電荷和場值),還提供了一系列高級邊界條件,其中的終端、懸浮電位和電路終端等邊界條件可用於從二維或三維模型中提取等效電路參數,例如電阻、電容、電感,以及阻抗值和矩陣。

AC/DC 模組中的邊界條件:

  • 電路終端
  • 接觸電阻
  • 介電屏蔽
  • 分佈電容
  • 分佈阻抗
  • 分佈電阻
  • 電屏蔽
  • 電接觸
  • 集總端口
  • 週期性邊界條件
  • 扇區對稱
  • 表面阻抗
  • 表面磁流
  • 薄低磁導率間隙
  • 過渡
  • 線圈激勵
  • 均勻多匝
  • 單導線
  • 懸浮電位
  • 磁場
  • 磁通密度
  • 磁絕緣
  • 磁勢
  • 完美磁導體
  • 表面電流
  • 邊界電流源
  • 連續性
  • 位移場
  • 電絕緣
  • 電勢
  • 接地/零電勢
  • 法向電流密度
  • 表面電荷密度
  • 零電荷
  • 磁屏蔽
  • BH 和HB 曲線輸入

觸摸螢幕模型。人們通常使用固定電位、電荷或電流值為電極建模,並對電位未知的金屬表面應用懸浮電位條件


電磁專用建模工具

薄結構建模
您可以使用殼公式為薄結構進行建模,這些公式可用於直流、靜電、靜磁和感應模擬。電磁殼建模支援使用表面物理屬性代替CAD 模型中薄實體的厚度,大幅提升了建模效率。

無界域或大型域
透過對電場和磁場使用無限元方法進行分析,可精確模擬無界或大型的建模域。在對靜電場和靜磁場建模時,邊界元法(BEM)可以與基於有限元法(FEM)的物理場介面結合使用,作為大型區域或無限區域建模的備選方法。

線圈建模
專用的線圈特徵可以有效簡化一系列靜磁模型和低頻電磁模型的線圈設置過程。在眾多此類應用中,磁場由導電材料中的電流產生;導電材料包括電纜、電線、線圈或螺線管等。專用的線圈特徵可用於輕鬆模擬這些結構,並將電流和電壓等集總物理量轉換成電流密度和電場等分佈物理量。單導線和均勻多匝線圈可以在全三維或二維軸對稱模型中進行定義。

旋轉機械和線性運動
借助內置的旋轉機械介面,您可以輕鬆為電動機和發電機建模。舉例來說,您可以透過捕獲磁體內產生的渦流損耗等方式,了解感應電機或永磁電機的特性。在所有模擬電磁流動的模型中,您都可以研究受磁力和扭矩、感應電流以及機械載荷和彈簧構型影響的剛體或柔體動力學。

通用的動網格功能支援為線性運動建模。這對於理解含柱塞部件(例如磁力開關和通用執行器)的工作原理起著至關重要的作用。

使用薄結構透過磁屏蔽邊界條件為潛艇建模。採用邊界元法可以在遠距離檢測到磁信號。


非線性材料和定制功能

模組中提供了大型材料數據庫供您選擇,其中包含:

  • 鐵磁材料
  • 亞鐵磁材料
  • BH 曲線
  • HB 曲線

此外,您還可以使用其他附加產品的材料庫中提供的材料。

材料屬性可以隨空間變化、隨時間變化、呈各向異性、有損耗、為複值,以及不連續。只需很少的額外工作,您便可以輕鬆擴展模擬的應用範圍。您可以使用數學表達式、查找表或兩者的組合來定義自己的材料,不僅如此,您還可以使用C 代碼編寫的外部庫來定義材料。

總體來說,使用基於方程的建模功能,您可以修改邊界條件、材料屬性和方程,並根據自己的具體需求定制模擬。

本例使用Jiles-Atherton 各向異性磁滯材料模型為E 磁芯模型中的磁場建模,結果顯示了BH 曲線和磁通密度模


適用於電磁場模型的自動網格劃分和數值方法

“AC/DC 模組”支援生成自動、半自動和自適應網格。在底層實現上,“AC/DC 模組”透過使用有限元法、邊界元法或這兩種方法的組合,並結合最先進的求解器對麥克斯韋方程進行求解。模組提供了多種類型的有限元和邊界元網格單元。

AC/DC 模組中的數值方法:

  • 有限元法
  • 邊界元法
  • 線性離散化、基於高階節點的離散化和邊單元離散化
  • 四面體、棱柱、金字塔、六面體、三角形和四邊
  • 單元的組合
  • 線性和非線性求解器

AC/DC 模組中的研究類型:

  • 靜態
  • 頻域
  • 時域
  • 用於電路參數提取的自動終端掃描

透過添加研究,可以輕鬆包含多個求解器步驟。在這個發電機案例中,按順序一次性添加了線圈幾何分析、穩態和瞬態研究。


任意電磁場物理量的後處理和可視化

軟體會根據您使用的介面自動選擇合適的默認可視化功能,其中包含電場和磁場、電流、電荷及電壓等繪圖。您可以輕鬆添加任何場物理量的定制可視化效果,以及這些物理量及其導數的複合表達式。

後處理工具可用於生成電容矩陣或阻抗矩陣等集總參數矩陣,以及積分值、平均值、最大值和最小值。例如,您可以計算最大電場,確保模型任何位置的場強都不超過電介質強度,或通過對一組表面的電荷密度進行積分來得到總電荷。透過使用截線和截面,您還可以研究模型任意橫截面上的場值。

AC/DC 模組中的後處理和可視化特徵:

  • 電壓圖
  • 電場圖
  • 磁場圖
  • 電流密度圖
  • 電荷密度圖
  • 物理量的任意表達式
  • 派生的表格物理量,如R 矩陣、L 矩陣、C 矩陣
  • Z 矩陣、Y 矩陣和S 矩陣
  • 總電荷和總電流
  • 力和扭矩vs. 時間

本例對電源開關的打開和閉合進行建模,然後使用後處理工俱生成可視化效果。圖中同時顯示了三個不同時間點的電損耗。


基於模型建立專用產品APP

您可以使用內置的“App 開發器”將模型轉化為具有定制化輸入輸出的專用App,實現更高效的模擬過程。您還可以將開發的App 分發給不具備模擬經驗的同事,讓他們能夠自行反復運行分析,從而簡化設計過程。

工作流程非常簡單:

  1. 將電磁模型轉化為專用的用戶界面(App)
  2. 為App 用戶選擇輸入和輸出,實現按需定制App
  3. 添加可選代碼,實現用戶界面邏輯操作或其他非標準操作
  4. 使用COMSOL Server™產品將App部署給其他團隊成員或外部人員
  5. 讓您的團隊成員能夠在無需任何幫助的情況下,自行運行設計分析

通過構建和使用模擬App,您可以在整個團隊、機構、課堂或客戶/供應商群體中擴展模擬功能。

“觸摸螢幕模擬器”App透過COMSOL Multiphysics ®和附加的“AC/DC模組”建立。建構這樣的App,可以幫助您簡化電磁設備的設計過程。


COMSOL Multiphysics ®介面產品實現MATLAB ®、CAD軟體及Microsoft ® Excel ®同步

如果您使用的是MATLAB ®軟件,則可以透過MATLAB ®腳本和函數輕鬆運行COMSOL Multiphysics ®模擬。借助LiveLink™ for MATLAB ®介面產品,您可以透過MATLAB ®命令訪問COMSOL ®操作,並直接在MATLAB ®環境中將這些命令與現有的MATLAB ®代碼混合使用。

為了便於您分析CAD模型和電子佈局的電磁屬性,COMSOL提供了ECAD導入模組、CAD導入模組、設計模組以及用於銜接主流CAD系統的LiveLink™產品,這些介面都包含在我們的產品套件中。借助LiveLink™產品,可以保持參數化CAD模型在其原生環境中不變的同時,在COMSOL Multiphysics ®軟件控制幾何尺寸,並同時基於多個模型參數進行參數化掃描。

借助LiveLink™ for Excel ®介面產品,您還可以將Microsoft ® Excel ®電子表格數據和COMSOL Multiphysics ®環境中定義的參數進行同步。

提供的介面產品包括:

  • LiveLink™ for MATLAB ®
  • ECAD 導入模組
  • CAD 導入模組
  • 設計模組
  • 針對主流CAD 軟件的LiveLink™ 產品
  • LiveLink™ for Excel ®

模型中使用“ECAD模組”將六層PCB的IPC-2581測試文件導入COMSOL Multiphysics ®進行模擬分析。測試用例由楷登電子科技有限公司友情提供。


設計滿足實際應用的電磁設備和系統

當您設計在靜態或低頻範圍下工作的產品、設備和元器件時,需要確保它們能夠在實際應用中安全運行。

您可以使用COMSOL Multiphysics ®軟體及其附加的“AC/DC模體”來了解多種物理現像對設計的影響,從而對各種影響因素進行全面的分析。

大多數電磁元件、設備和產品都會受傳熱、結構力學、聲學等其他物理分支的影響。為了盡可能準確地進行研究,您可以同時分析這些物理現象產生的影響。

COMSOL Multiphysics ®平台支持您在一個軟體環境中對多種物理效應進行耦合分析。

感應電動機透過“AC/DC 模組”和“多體動力學模組”進行建模,支援分析機電效應。圖中顯示了外殼中的von Mises 應力分佈。


軟體展示需求

每一間公司對於模擬的需求不盡相同,為了能有效地評估COMSOL Multiphysics®軟體是否能符合您的需求,請您與我們聯繫!

我們的業務與技術人員將根據您的需求,提供您完整的案例並協助您進行評估,以選擇最適合您的模組。

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