Моделируйте электротехнические системы в статике и на низких частотах с помощью модуля AC/DC

Модель нагревательного контура. визуализированы потери на поверхности (цветовая шкала Rainbow) и распределение температуры (цветовая шкала Heat Camera).

Электрические токи

Эффективно анализируйте характеристики резистивных и проводящих устройств, моделируя их работу в стационарном (DC), гармоническом (AC) или в переходном режимах. В статике или на низких частотах и в случае пренебрежимо малых магнитных полей простого расчёта электрических токов достаточно для получения точных результатов. Вычисления, основанные на законе сохранения тока и законе Ома, очень эффективны и подразумевают нахождение распределения скалярного электрического потенциала в системе. Зная распределение электрического потенциала на этапе обработки результатов можно рассчитать и другие величины, а именно сопротивление, проводимость, электрическое поле, плотность тока, рассеиваемую мощность.

С помощью модуля «AC/DC» вы можете проводить стационарные расчёты, расчёты в частотной и временной областях, а также анализ в режиме слабых сигналов. При проведении динамических исследований во временной и частотной областях вы также можете учитывать емкостные эффекты.

Электростатика

Исследуйте работу емкостных систем и электрических изоляторов с помощью электростатических расчётов. Такая формулировка применима для диэлектрических структур, в которых токи не протекают, а поля определяются электрическим потенциалом и распределением заряда. Для получения решения доступны как метод конечных элементов (FEM), так и метод граничных элементов (BEM), и их можно комбинировать по границе раздела в рамках одной модели. На основе вычисленного электрического потенциала можно рассчитать ряд величин: матрицы емкостей, электрическое поле, плотность заряда, электростатическую энергию и другие.

Высоковольтный изолятор, визуализировано распределение электрического потенциала в цветовой шкале Rainbow.

Магнит и стержень: показаны перемещения и магнитная индукция.

Массив катушек индуктивности на печатной плате: визуализировано распределение магнитной индукции.

Магнитостатика

Рассчитывайте магнитостатические поля, паразитную индуктивность и магнитные силы в системах катушек, проводников и магнитов. Вы можете использовать встроенную обширную библиотеку магнитных, в том числе нелинейных материалов, или задать свой собственный материал. Доступны формулировки для задач, в которых нет источников тока и/или магнитных материалов.

Для магнитостатических расчётов можно использовать FEM или BEM методики, а также их комбинацию по границе раздела.

В общем случае при необходимости учёта тока и магнитных материалов доступна векторная формулировка, в рамках которой можно задать источники тока или напряжения и рассчитать распределение тока, магнитных полей, сил, рассеянную мощность и взаимную индуктивность.

Катушки самой различной формы и топологии могут быть описаны либо в явном виде с прорисовкой витков и расчётом распределения токов в них, либо в гомогенизированном представлении, эффективном для многовитковых конфигураций.

Электромагнитные поля

При моделировании кабелей, катушек индуктивности, соленоидов и других индуктивных устройств рассматривается магнитное поле, создаваемое током в проводящих материалах. В общем случае при гармоническом режиме и сильных индукционных эффектах существует двусторонняя связь между электрическим и магнитным полем. В этом случае, если толщина скин-слоя сравнима с размером устройства, но намного меньше длины волны, для моделирования потребуется векторная формулировка.

Поддерживаются исследования в частотной области, в режиме слабых сигналов и гармонического возмущения, во временной области в рамках 2D и 3D постановок. Доступна также специальная формулировка для расчёта систем с нелинейными E-J зависимостями, что актуально при моделировании во временной области сверхпроводящих материалов.

Стальная заготовка в процессе индукционного нагрева: визуализация магнитного поля и температуры.

Визуализация электрических потерь в силовом выключателе.

Резистивные и магнитные потери в силовом подводном кабеле.

Вращающиеся электрические машины

Встроенные специальные инструменты для описания вращающегося оборудования позволяют с легкостью моделировать двигатели и генераторы. Вы можете исследовать работу асинхронных двигателей или двигателей на постоянных магнитах, в том числе с учётом вихретоковых потерь в последних. В любой модели с двигающимися электромагнитными компонентами будет доступен расчёт динамики упругого или жесткого тела, на которое воздействуют магнитные силы и моменты, индукционные токи, механические нагрузки и пружины.

Для описания линейного движения доступны универсальные инструменты подвижной сетки. Они позволят исследовать работу плунжеров, выключателей и других магнитных актуаторов.

Электрические цепи

Доступен специальный интерфейс для описания сосредоточенных электрических цепей, включающих источники тока и напряжения, резисторы, конденсаторы, индуктивности, полупроводниковые устройства и другие элементы. Сосредоточенные электрические цели могут подключаться к распределённым двумерным и трёхмерным моделям электротехнических устройств, например для задания нагрузки или питания. Цепи можно подгружать из SPICE-списков.

Одномерный график выходного напряжения на операционном усилителе как функции от времени.

Основные функциональные возможности модуля «AC/DC»

Ниже систематизированы и описаны ключевые инструменты модуля «AC/DC» для типовых областей его применения.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбран узел Coil для описания 3d-индуктора, который визуализирован в графическом окне.

Встроенные физические интерфейсы

Модуль «AC/DC» содержит встроенные физические интерфейсы для всех направлений электротехнических расчётов, указанных выше, а также несколько их специализированных вариаций. Данные интерфейсы включают модели материалов, граничные и начальные условия, условия для описания источников. Под них подстраиваются параметры сеток, исследований и используемых конфигураций солверов для расчётов в статике и динамике, а также инструменты визуализации и обработки результатов.

Доступны также условия для связки интерфейсов между собой, что может использоваться для удобного моделирования, например индукторов, катушек или двигателей.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Coil, в графическом окне визуализирована модель силового трансформатора.

Катушки и обмотки

В программе доступны специальные инструменты для упрощенного описания проводов и обмоток, в т.ч. для преобразования сосредоточенных величин, например тока и напряжения, в распределенные по проводнику, типа плотности тока и электрического поля. Есть версии условия как для одиночных проводников, так и для многовитковых катушек в 3D, 2D и двухмерных осесимметричных постановках. Для удобной и простой отрисовки геометрии трансформаторов, индукторов, двигателей и актуаторов доступна библиотека CAD-заготовок — Part Library — с параметризованными формами обмоток и сердечников.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбран интерфейс Electrostatics, Boundary Elements, в графическом окне визуализирована модель перестраиваемого конденсатора.

Открытые границы или большие области

Для точного моделирования неограниченных или больших областей и имитации открытых границ при расчете электрических и магнитных полей доступно использование т.н. доменов с бесконечными элементами — инструмент Infinite Element Domain. В электростатических и магнитостатических расчетах в качестве альтернативы можно для этих целей использовать формулировки на основе метода граничных элементов (BEM), в том числе и в комбинации с физическими интерфейсами, основанными на методе конечных элементов (FEM).

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбран интерфейс Electric Currents in Layered Shell, в графическом окне визуализирован нагревательный контур.

Тонкие структуры и многослойные материалы

Для моделирования очень тонких конструкций можно использовать формулировки для двумерных оболочек, которые доступны при расчётах постоянного тока, электростатики, магнитостатики и индукционных эффектов. Кроме того, возможно моделировать протекание тока в многослойных композитных структурах с помощью технологии Layered Shell. Указанные инструменты позволяют перейти от тонкого 3d объекта конечной толщины к эквивалентной поверхности и заданию толщины в качестве физического параметра, что позволит получить более эффективную с расчётной точки зрения модель.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбран узел Ampère's Law, в графическом окне визуализирована петля гистерезиса для магнитной индукции.

Нелинейные материалы

В процессе моделирования вы можете использовать обширную базу материалов, в т.ч. ферромагнитные, ферримагнитные, на основе кривых намагниченности B-H или H-B и т.п.

Свойства материалов могут быть неоднородными в пространстве, анизотропными, меняться с течением времени, быть комплекснозначными и т.п. С минимум дополнительных настроек можно перейти к исследованию более сложной системы. С помощью модели Джилса-Аттертона можно задать анизотропные материалы для квазистационарных задач и расчётов во временной области. Вы можете задать свои собственные материалы, в которых свойства будут описаны через математические выражение, интерполяционные таблицы или их комбинации. Кроме того, модель материала можно описать как код на C и добавить как т.н. внешний материал.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Loss Calculation, в графическом окне визуализирована секция электрического двигателя в 3D.

Потери в электрических машинах и трансформаторах

Моделирование и учёт потерь в шихтованных нелинейных сердечниках и магнитопроводах силовых машин и трансформаторов является критически важным этапом для оценки их эффективности и производительности.

В частности для ламинированного железа (электротехнической стали) эмпирические модели потерь предпочтительны, т.к. учёт исключительно резистивного или индукционного нагрева не позволяет описать все эффекты, вызывающие потери в системе. В то же время, явная прорисовка всех слоев нецелесообразна с практической точки зрения.

В модуле «AC/DC» теперь доступен инструмент Loss Calculation, в котором реализованы популярные эмпирические модели, которые дают отличную оценку потерь без необходимости проведения детализированных расчётов с большими затратами вычислительных ресурсов. Формулировки позволяют учесть эффект магнитного гистерезиса, вихревых токов, а также других релевантных эффектов.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели показаны настройки исследования Stationary Source Sweep, в графическом окне показан результат расчета матрицы индуктивности.

Паразитная индуктивность и извлечение параметров

Для пользователей доступен специальный метод для расчёта паразитных индуктивностей в печатных платах, который особенно эффективен для вычисления больших матриц индуктивности в 3D-постановках. Интерфейс Magnetic Fields, Currents Only используется для расчета вклада в магнитные поля от незамкнутых проводников, что сокращает вычислительную сложность задачи.

Расчёт проводится относительно векторного магнитного потенциала, определяются магнитные поля, создаваемые токами. Используется предположение наличия только немагнитных материалов, т.е. среды с относительной магнитной проницаемостью равной единицы. В качестве исследования обычно используется Stationary Source Sweep, т.е. свип с переключением по очереди всех терминалов.

Мультифизические эффекты в низкочастотных электротехнических системах

Электромагнитные поля и некоторые другие физические процессы взаимосвязаны. В COMSOL Multiphysics^® расчёт таких постановок практически не отличается от моделирования отдельных эффектов.

Распределение температуры в токопроводящей шине.

Джоулев или резистивный нагрев¹

Исследование джоулева нагрева твердых тел (в т.ч. оболочек или многослойных оболочек), жидкостей и газов.

Распределение температуры в стальной арматуре, нагреваемой системой из трёх катушек.

Индукционный нагрев

Учёт индукционного нагрева важен при моделировании линейных нагревателей и систем для обработки металлов

Визуализация магнита, падающего в медной трубе.

Электромагнитные силы и моменты

Определение электрических и магнитных сил, моментов и механических напряжений с помощью FEM или BEM-постановок.

Сила Лоренца

Анализ индуцированной током силы и механической нагрузки на проводники при моделировании задач электроакустики.

Линии тока и распределение температуры в электрическом выключателе.

Контактное электрическое сопротивление

Протекание тока через область контакта. Исследование может сочетаться с расчетом тепловых² и механических³ контактов.

Гистерезис в ферроэлектрическом материале.

Ферроэлектричество

Исследование нелинейных эффектов и гистерезиса в диэлектриках при изменении поляризации или приложенного напряжения.

Механические напряжения и магнитные поля в магнитострикционном преобразователе.

Магнитострикция⁴

Изменение формы магнитных материалов в магнитном поле. Актуально при расчёте сонаров и шума трансформаторов.

Детализированное изображение плазмотрона с визуализацией распределения температуры.

Плазма с индуктивной связью⁵

Расчёт плазменных индуктивных систем, используемых при производстве полупроводниковых устройств.

Визуализация электростатической высоковольтной линзы: показаны траектории частиц и распределение электрического потенциала.

Трассировка заряженных частиц⁶

Движение электрически заряженных или магнитных частиц под действием электромагнитных сил.

Диэлектрофоретический фильтр для сепарации частиц.

Диэлектрофорез⁶

Движение нейтральных частиц при наличии градиента электрического поля.

Не требуется модуль "AC/DC"
Дополнительно требуется модуль "Теплопередача"
Дополнительно требуется модуль "MEMS" или "Механика конструкций"
Дополнительно требуется модуль "Акустика", "MEMS" или "Механика конструкций"
Дополнительно требуется модуль "Плазма"
Дополнительно требуется модуль "Трассировка частиц"

Использование COMSOL Multiphysics^® совместно со сторонним программным обеспечением

При использовании программы MATLAB^® вы можете использовать созданные в ней скрипты и функции в рамках моделирования с помощью COMSOL Multiphysics^®. Продукт LiveLink™ for MATLAB^® позволит запускать операции COMSOL^® из среды MATLAB^® и сочетать их с другими кодом, например циклами в MATLAB^®.

Для упрощенного исследования электродинамических процессов на основе сторонних CAD-геометрий или топологий печатных плат, COMSOL предлагает использования таких своих модулей для интеграции как «ECAD-импорт», «CAD-импорт», «CAD-импорт и CAD-операции», а также продуктов группы LiveLink™ для синхронизации с рядом ведущих сторонних CAD-пакетов.

Кроме того, доступна синхронизация параметров и результатов COMSOL Multiphysics^® с таблицами Microsoft Excel^® с помощью продукта LiveLink™ for Excel^®.

Пример импорта в COMSOL Multiphysics топологии печатной платы из ODB++ архива для создания 3D-геометрии.