Семейство продуктов COMSOL®

Программное обеспечение для низкочастотных электродинамических систем и электромеханических компонентов

Для анализа электродинамических систем и процессов в статике и на низких частотах требуются многофункциональные и гибкие инструменты моделирования. Модуль AC/DC, являющийся расширением платформы COMSOL Multiphysics®, предоставляет множество возможностей для расчета электромагнитных полей, электромагнитных помех и электромагнитной совместимости (EMI/EMC) путем решения системы уравнений Максвелла с помощью современных численных методов.

С помощью пакета COMSOL® можно исследовать влияние на электротехническую модель связанных физических явлений, относящихся, например, к теплопередаче, механике конструкций и акустике.

Возможности и области применения модуля AC/DC

При наличии модуля AC/DC вы расширяете базовый функционал COMSOL Multiphysics®, за счет инструментов для специализированного моделирования низкочастотных электромагнитных явлений.

Благодаря ему могут быть исследованы следующие эффекты и устройства:

  • Конденсаторы
  • Катушки индуктивности
  • Изоляторы
  • Диэлектрическое напряжение
  • Обмотки
  • Электродвигатели
  • Датчики
  • Соленоиды
  • Сосредоточенные параметры для электротехнических приборов (матрицы R, L, Z)
  • Паразитная ёмкость и индуктивность
  • Комбинации распределенных расчетов и SPICE-цепей
  • Электродуговая сварка
  • Электрическая изоляция
  • Электромагнитные помехи / электромагнитная совместимость (EMI/EMC)
  • Электромагнитное экранирование
  • Емкостные сенсорные экраны
  • Магнитные и электродинамические подшипники
  • Электромиграция
  • Индукционные печи
  • Индукционный каротаж
  • Диэлектрики
  • Генераторы
  • Постоянные магниты
  • Электромагниты
  • Приводы
  • Сердечники
  • Трансформаторы
  • Линии электропередачи
  • Графен
  • Электрические машины
  • Функциональнаяой надежность радиоэлектронных средств
  • Контактное электрическое сопротивление
  • Электромагнитные поля в пористых средах
Пример моделирования трансформатора в модуле AC/DC. Пример модели трансформатора с Ш-образным сердечником, в которой учитывают нелинейные эффекты, обусловленные формой кривой намагничивания B-H сердечника из мягкого железа. На выходе доступны данные по распределению магнитных и электрических полей, оцениваются эффекты насыщения, импульсные характеристики и многое другое.

Доступные мультифизические связи

Доступные непосредственно в модуле AC/DC:

  • Индукционный нагрев
  • Джоулев и резистивный нагрев
  • Деформация и напряжение под воздействием электромагнитных сил и крутящих моментов
  • Силы Лоренца в твердых телах и жидкостях

Доступные при наличии дополнительных модулей расширения:

  • Тепловое излучение
  • Контактное тепловое сопротивление
  • Биологический нагрев
  • Электростатическая деформация
  • Пьезоэлектрический эффект
  • Пьезорезистивный эффект
  • Электрострикция
  • Магнитострикция
  • Термоэлектрический эффект
  • Индуктивно-связанная плазма
  • Плазма с ёмкостной связью
  • Абляция тканей
  • Трассировка заряженных частиц
  • Диэлектрофорез
  • Оптимизация, в т.ч. для мультифизических задач
Пример моделирования индукционного нагрева стальной заготовки с помощью модуля AC/DC. Показана температура стальной заготовки, магнитное поле вокруг нее и ток в катушках.

Основные функции и возможности, доступные в модуле AC/DC

Ниже систематизирован и описан ключевой функционал и преимущества модуля AC/DC.
Модуль AC/DC содержит набор физических интерфейсов для анализа явлений, относящихся к различным областям электротехники: электростатика, электрические токи и поля, магнитостатика и переменные электромагнитные поля с учетом индукционных эффектов. Можно использовать эти интерфейсы совместно в любых комбинациях для расширения возможностей моделирования.

Did You Know? Физический интерфейс — полноценный набор функций, материальных моделей и граничных условий, разработанных для конкретной области исследований.

Физические интерфейсы модуля AC/DC:

  • Electric Currents (Электрические токи)
  • Electric Currents, Shell (Электрические токи, оболочка)
  • Electrical Circuit (Электрические сосредоточенные цепи, в т.ч. с импортом списка соединений SPICE)
  • Electrostatics (Электростатика)
  • Magnetic and Electric Fields (Магнитные и электрические поля)
  • Magnetic Field Formulation (Формулировка на основе магнитного поля)
  • Magnetic Fields (Магнитные поля)
  • Magnetic Fields, No Currents (Магнитные поля без источников токов)
  • Particle Field Interaction, Relativistic (Взаимодействие частиц и полей, в т.ч. релятивистское)
  • Rotating Machinery, Magnetic (Вращающееся магнитное оборудование, в 2d и 3d)
  • Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы)
  • Magnetic Fields, No Currents, Boundary Elements (Магнитные поля без токов, граничные элементы)
Графический интерфейс COMSOL с запущенной моделью для расчета переключаемого конденсатора. Переключаемый конденсатор моделируется с использованием гибридного подхода на основе комбинации метода конечных и граничных элементов. В пакете доступна возможность их автоматического связывания для расчета электрического потенциала в таких системах.

Помимо базовых граничных условий типа задания потенциала, тока, заряда и поля, в модуле доступны более сложные и комплексные граничные условия. Некоторые из них, например Terminal (Терминал) и Floating Potential (Плавающий потенциал), используются для выделения эквивалентных параметров цепи из двухмерной или трехмерной модели, в т.ч. значения и матрицы сопротивления, ёмкости, индуктивности и импеданса.

Граничные условия в модуле AC/DC:

  • Электрический терминал
  • Контактное сопротивление
  • Диэлектрический экран
  • Распределенная емкость
  • Распределенный импеданс
  • Распределенное сопротивление
  • Электрический экран
  • Электрический контакт
  • Сосредоточенный порт
  • Периодическое граничное условие
  • Секторная симметрия
  • Поверхностный импеданс
  • Поверхностная плотность магнитного тока
  • Тонкий зазор с низкой проницаемостью
  • Переходное граничное условие
  • Возбуждение катушки
  • Многовитковая катушка
  • Одиночный проводник
  • Плавающий потенциал
  • Магнитное поле
  • Магнитная индукция
  • Магнитная изоляция
  • Магнитный потенциал
  • Идеальный магнитный проводник
  • Поверхностный ток
  • Граничный источник тока
  • Непрерывность
  • Поле смещения
  • Электрическая изоляция
  • Электрический потенциал
  • Заземление/Нулевой потенциал
  • Нормальная плотность тока
  • Плотность поверхностного заряда
  • Нулевой заряд
  • Магнитный экран
  • Задание B-H и H-B кривых
Пример модели для проектирования устройств с сенсорными экранами. Модель устройства с сенсорным экраном. Управляющие электроды часто задаются как поверхности с постоянными значениями потенциала, заряда и тока, а в случае приемных электродов, т.е. для металлических поверхностей с неизвестным потенциалом используется граничное условие Плавающий электрический потенциал.

Моделирование тонких структур

Для моделирования тонкостенных конструкций можно использовать формулировки для оболочек, которые доступны при исследовании постоянного тока, электростатики, магнитостатики и индукционных эффектов. Посредством такой электромагнитной оболочки, можно перейти от тонкого 3d объекта конечной толщины к эквивалентной поверхности с данной толщиной в качетсве физического параметра, что позволит получить более эффективную с расчетной точки зрения модель.

Открытые неограниченные или большие области

Для точного моделирования неограниченных или больших областей при расчете электрических и магнитных полей доступно использование т.н. бесконечных элементов (infinite elements). В электростатических и магнитостатических расчетах в качестве альтернативы можно для этих целей использовать формулировки на основе метода граничных элементов, в том числе и в комбинации с физическими интерфейсами, основанными на методе конечных элементов.

Моделирование катушек

Чтобы упростить процесс задания катушек в различных магнитостатических и низкочастотных электромагнитных задачах, в пакете доступны специальные инструменты и условия. Магнитное поле в большинстве таких случаев создается за счет протекания электрического тока по проводящим материалам: кабелям, проводам, катушкам и соленоидам. Указанные инструменты для моделирования катушек позволят эффективно моделировать такие компоненты и преобразовывать сосредоточенные величины (например, ток и напряжение) в распределенные по проводнику (плотность тока и электрическое поле). Доступны условия как для одиночных проводников, так и для многовитковых катушек в 3D и двухмерных осесимметричных постановках.

Вращающееся оборудование и линейное перемещение

С помощью встроенного интерфейса для вращающегося оборудования можно легко моделировать электродвигатели и генераторы. Например, исследовать работу асинхронных электродвигателей или электродвигателей с постоянными магнитами, в частности, для определения потерь на вихревые токи в магнитах. В любой модели перемещения под действием электромагнитного поля можно изучить динамику жестких и гибких тел под воздействием магнитных сил и крутящего момента, наведенные токи, механические нагрузки и другие связанные величины.

Благодаря универсальной и базовой техногии подвижной сетки возможно моделирование линейного перемещения, что важно для понимания работы плунжеров, электромагнитных клапанов, магнитных силовых выключателей и различных приводов.

Модель подводной лодки в графическом интерфейсе пакета COMSOL.

Подводная лодка, геометрия которой построена из тонкостенных элементов, моделируется с помощью граничного условия Magnetic Shielding (Магнитный экран). С помощью метода граничных элементов можно определить магнитную сигнатуру на больших расстояниях.

 

Модуль включает обширную базу данных по материалам:

  • Ферромагнитные материалы
  • Ферримагнитные материалы
  • B-H кривые намагниченности
  • H-B кривые намагниченности

Кроме того, можно использовать материалы из библиотек, уже имеющихся в составе других модулей расширения.

Свойства материалов могут быть заданы изменяющимися в пространстве, анизотропными, изменяющимися по времени, комплексными и неоднородными. Можно задавать собственные материалы с помощью математических выражений, справочных (интерполяционных) таблиц или их сочетаний. Дополнительно можно использовать внешние материалы в формате скрипта на языке C.

В общем случае, используя возможности моделирования на основе пользовательских уравнений, можно изменять граничные условия, свойства материалов и уравнения для настройки модели согласно собственным требованиям.

Пример моделирования на основе пользовательских уравнений для задания пользовательской материальной модели для модуля AC/DC. Исследованиt магнитного поля в модели Ш-образного сердечника с использованием модели анизотропного векторного гистерезиса Джилса-Атертона. В качестве характерных результатов представлена магнитного гистерезиса (зависимость B-H) и распределение нормы магнитной индукции в сечении сердечника.

В модуле AC/DC доступно построение сеток в автоматическом, полуавтоматическом или адаптивном режиме. Решение уравнений Максвелла в данном модуле производится с помощью метода конечных элементов (МКЭ - FEM), метода граничных элементов (МГЭ - BEM) или их сочетания с использованием самых современных решателей. Доступно несколько типов конечных и граничных сеточных элементов.

Численные методы в модуле AC/DC:

  • Метод конечных элементов (МКЭ - FEM)
  • Метод граничных элементов (МГЭ - BEM)
  • Доступна как линейная, так и высокого порядка дискретизация для узловых и векторных элементов
  • Сочетания тетраэдральных, призматических, пирамидальных, шестигранных, треугольных и четырехугольных элементов
  • Линейные и нелинейные решатели

Доступные типы исследований в модуле AC/DC:

  • Статическое
  • Исследование в частотной области
  • Исследование во временной области
  • Автоматическое свипирование терминалов для получения сосредоточенных параметров
Пример моделирования электрических и магнитных полей в модуле AC/DC.

Пакет позволяет сочетать в рамках одного исследования несколько шагов и связывать их между собой. В этом примере расчета генератора последовательно добавлены и совместно используются следующие исследования: Coil Geometry Analysis (Анализ геометрии катушки), Stationary (Стационарное) и Time Dependent (Нестационарное во временной области).

Для каждого используемого интерфейса в постобработке доступен ряд графиков по умолчанию, которые включают визуализации электрических и магнитных полей, тока, заряда и напряжения. Пакет позволяет с легкостью добавить визуализацию любой полевой переменной, а также для любых составных выражений и производних на их основе, с необходимыми пользовательскими настройками.

С помощью средств постобработки можно расчитывать матрицы сосредоточенных параметров, например, матрицу емкостей или импедансов, а также определять интегральные, усредненные, максимальные и минимальные значения. Например, можно использовать операцию для поиска максимального значения поля, чтобы убедиться в том, что в модели нигде не превышена электрическая прочность диэлектрика, или определить суммарный заряд, проинтегрировав плотность заряда по нескольким поверхностям. Используя секущие линии и плоскости, можно исследовать параметры поля в произвольных сечениях модели.

Инструменты постобработки в модуле AC/DC:

  • Графики напряжения
  • Графики электрического поля
  • Графики магнитного поля
  • Графики плотности тока
  • Графики плотности заряда
  • Произвольные выражения для физических величин
  • Произвольные наборы (таблицы) значений, таких как матрицы R, L, C, Z, Y и S
  • Суммарный заряд и ток
  • Сила и крутящий момент, в т.ч. как функции от времени
Пример визуализации электродинамического расчета в модуле AC/DC. Включение и отключение силового выключателя моделируется и затем визуализируется с помощью встроенных средств постобработки. На иллюстриации показаны электрические потери в три различных момента времени.

Оптимизируйте процесс моделирования с помощью встроенной Среды разработки приложений - преобразуйте модели в специальные приложения с заданными параметрами ввода и вывода. Вы можете предоставить доступ к этим приложениям коллегам, не имеющим опыта в моделировании, чтобы они могли самостоятельно выполнять анализ, и тем самым упростить и расширить процесс проектирования в вашей организации.

Рабочий процесс создания и использования приложений для моделирования очень прост:

  1. Создайте для вашей сложной электродинамической модели простой пользовательский графический интерфейс (приложение)
  2. Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям
  3. Добавьте пользовательские скрипты или дополнительные нестандартные операции
  4. Используйте продукт COMSOL Server™ для удаленного хранения и систематизации приложений и предоставления к ним доступа вашим коллегам и/или заказчикам
  5. Ваши коллеги и/или заказчики смогут проводить заданные в приложении типовые расчеты и проекты без вашей помощи

Используя функционал приложений для моделирования вы сможете предоставить доступ к численным расчетам и проектированию вашим коллегам внутри отдела, лаборатории или всей организации целиком, студентам и аспирантам, клиентам и заказчикам.

Пример приложения, созданного для эффективного моделирования сенсорных экранов. Приложение Touchscreen Simulator (Проектировщик сенсорных экранов) было сделанов программном пакете COMSOL Multiphysics® с использованием модуля AC/DC. Возможность создания подобных приложений упрощает разработку электротехнических приборов.

Если вы используете программное обеспечение MATLAB®, то сможете легко управлять моделированием в COMSOL Multiphysics® с помощью скриптов и функций MATLAB®. Благодаря модулю интеграции LiveLink™ for MATLAB® возможно обращаться к модели COMSOL® и её составным частям посредством специальных оберточных функций и команд для MATLAB® и встраивать эти команды в текст программы непосредственно в среде MATLAB®.

Чтобы облегчить использование в электротехнических расчетах внешних CAD-геометрий и топологий печатных плат, в пакете COMSOL доступны модули Импорт данных из ECAD, Импорт данных из CAD, Проектирование и продукты LiveLink™ для ведущих сторонних CAD-программ. С помощью продуктов LiveLink™ можно обеспечить двустороннюю интеграцию: работать с геометрией в исходном фармате и "родной" среде, но при это иметь возможность контролировать геометрические размеры CAD-модели в интерфейсе COMSOL Multiphysics®, изменять их, к примеру, в процессе параметрических исследований и синхронизировать эти изменения со сторонним CAD-пакетом.

С помощью модуля LiveLink™ for Excel® можно также синхронизировать данные из электронных таблиц Microsoft® Excel® с параметрами, заданными в среде COMSOL Multiphysics®.

Доступные модули расширения:

  • LiveLink™ for MATLAB®
  • модуль Импорт данных из ЕCAD
  • модуль Импорт данных из CAD
  • модуль Проектирование (Design)
  • Модули LiveLink™ для ведущих сторонних CAD-пакетов
  • LiveLink™ for Excel®

Подробная информация по каждому из них доступна на странице Продукты.

Пример импорта в COMSOL Multiphysics топологии печатной платы в формате IPC-2581. Файл IPC-2581, содержащий модель шестислойной печатной платы, импортирован с помощью модуля ECAD в программный пакет COMSOL Multiphysics® для дальнейшего моделирования. Тестовый файл предоставлен компанией Cadence Design Systems, Inc.

Разработка электротехнических устройств для практических применений

Электротехнические и электродинамические приборы и системы, проектируемые и работающие в статике или на низких частотах, должны иметь высокую надежность. Комплексный анализ с помощью пакета COMSOL Multiphysics® и модуля AC/DC позволит определить, как различные комбинации физических явлений влияют на ваш проект.

При анализе электротехнических устройств важен учет связанных тепловых, механических, акустических и прочих эффектов, и благодаря платформе COMSOL Multiphysics® вы сможете в единой и удобной программной среде провести такой мультифизический расчёт.

Пример проектирования программного пакета COMSOL Multiphysics для комплексного практического электротехнического исследования. Для комплексного учета электромеханических явлений в асинхронном электродвигателе используется модуль AC/DC и модуль Динамика многотельных систем. На изображении показано распределение напряжения по Мизесу на корпусе утройства.

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.