Обновление модуля AC/DC

Для пользователей COMSOL Multiphysics® версии 5.3 в модуль AC/DC добавлен новый физический интерфейс Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы), новый шаг исследования Stationary Source Sweep (Анализ стационарного источника) и несколько новых учебных моделей. Ниже можно ознакомиться с обновлением модуля AC/DC.

Новый физический интерфейс: Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы)

Новый интерфейс Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы) разработан для построения и запуска моделей, для которых невозможно использовать метод конечных элементов (FEM). Формулировка основана на методе граничных элементов (BEM). Физический интерфейс, доступный в двухмерном и трехмерном пространстве, решает уравнение Лапласа для электрического потенциала с использованием скалярного электрического потенциала в качестве зависимой переменной. Этот новый интерфейс можно использовать в качестве замены интерфейса Electrostatics (Электростатика) для вычисления распределения потенциала в диэлектриках. Он особенно удобен для структур, для которых затруднено построение сетки. Обратите внимание, что распределение электрического потенциала на границах должно быть явно задано, поэтому вам понадобятся постоянные характеристики материалов в областях.

Интерфейс Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы) также можно объединять с интерфейсом Electrostatics (Электростатика), основанным на методе конечных элементов, используя мультифизический узел Boundary Electric Potential Coupling (Граничная взаимосвязь электрического потенциала) В качестве примера можно использовать комбинацию двух интерфейсов для включения эффектов бесконечного пространства вместо использования опции Infinite Element Domain (Область с бесконечными элементами).

Пример модели, созданной с граничными элементами, в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Электростатическое поведение настраиваемого конденсатора, смоделированного с использованием граничных элементов. Электрическое поле и потенциал показаны в виде векторной диаграммы, а плотность наведенных поверхностных зарядов отображается на поверхности электродов. При использовании метода граничных элементов для такого моделирования не нужно определять конечную область моделирования и ее границы, а также строить сетку на тонкой внутренней области конденсатора. Электростатическое поведение настраиваемого конденсатора, смоделированного с использованием граничных элементов. Электрическое поле и потенциал показаны в виде векторной диаграммы, а плотность наведенных поверхностных зарядов отображается на поверхности электродов. При использовании метода граничных элементов для такого моделирования не нужно определять конечную область моделирования и ее границы, а также строить сетку на тонкой внутренней области конденсатора.

**Путь к файлу с примером использования интерфейса Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы) ACDC_Module/Capacitive_Devices/capacitor_tunable

Новый шаг исследования: анализ стационарного источника

Для быстрого вычисления сосредоточенных параметров в интерфейсах Electrostatics, Electric Currents (Электростатика, электрические токи) и Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы) доступно новое настраиваемое исследование Stationary Source Sweep (Анализ стационарного источника). Для прямых решателей оно повторно использует LU-разложение системной матрицы, что делает эту реализацию в несколько раз быстрее предыдущей реализации анализа портов. Также улучшена скорость использования итеративного решателя.

Снимок экрана программного интерфейса COMSOL, на котором показана базовая модель приложения Touchscreen Simulator (Модель сенсорного экрана).

Приложение Touchscreen Simulator (Модель сенсорного экрана) в Библиотеке приложений модуля AC/DC вычисляет матрицу емкостей сенсорного экрана при прикосновении человеческого пальца. Положение и ориентация пальца задаются входными параметрами, на основе которых вычисляется результирующая матрица емкости. На изображении показана базовая модель, используемая для создания приложения Touchscreen Simulator (Модель сенсорного экрана). Теперь модель использует шаг исследования Stationary Source Sweep (Анализ стационарного источника), обеспечивающий гораздо более быстрое решение.

Приложение Touchscreen Simulator (Модель сенсорного экрана) в Библиотеке приложений модуля AC/DC вычисляет матрицу емкостей сенсорного экрана при прикосновении человеческого пальца. Положение и ориентация пальца задаются входными параметрами, на основе которых вычисляется результирующая матрица емкости. На изображении показана базовая модель, используемая для создания приложения Touchscreen Simulator (Модель сенсорного экрана). Теперь модель использует шаг исследования Stationary Source Sweep (Анализ стационарного источника), обеспечивающий гораздо более быстрое решение.

Путь к файлу с примером использования шага исследования Stationary Source Sweep (Анализ стационарного источника) в Библиотеке приложений:
ACDC_Module/Applications/touchscreen_simulator

Поддержка решателя для гибридных задач BEM/FEM

Иногда задачи мультифизического моделирования решаются с помощью одного численного метода, но оптимально их можно решить с использованием различных численных методов: BEM (метода граничных элементов) и FEM (метода конечных элементов) для различных физик. Гибридные модели BEM/FEM могут использоваться там, где матрица хранится в оптимальном разреженном формате для части FEM и в плотном или в безматричном формате для части BEM. Тогда становится возможным использовать отдельно предобуславливатель или сглаживатель для отдельных FEM (метод конечных элементов) и BEM (метод граничных элементов) частей матрицы.

Например, можно использовать эффективный итеративный решатель с гибридным предобуславливателем. Часть FEM (метод конечных элементов) можно предварительно обусловить как обычно, а для части BEM (метод граничных элементов) подойдет один из ранее упомянутых предобуславливателей для матриц ближнего поля. Итерационный метод вычисляет невязку с помощью гибридного метода матричных и безматричных вычислений, оптимально используя различные виды быстрых матрично-векторных произведений.

Новая учебная модель: емкостный датчик положения (граничные элементы и конечные элементы)

Две новые электростатические учебные модели в Библиотеке приложений модуля AC/DC объясняют, как извлечь сосредоточенные матрицы с помощью нового шага исследования Stationary Source Sweep (Стационарный анализ источников), и показывают преимущества использования BEM.

Матрица емкостей пятиполюсной системы вычисляется и используется для идентификации положения металлического объекта. Показаны дополнительные возможности исследования и методы моделирования, такие как анализ на подмножестве терминалов. В моделях также выполнено сравнение производительности исследования при использовании прямых и итеративных решателей.

В учебных моделях дополнительно сравниваются методы FEM и BEM при использовании двух разных физических интерфейсов: Electrostatics (Электростатика) and Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы). При использовании FEM необходимо производить построение объемной сетки части окружающей среды. При использовании BEM это не обязательно. BEM требует построить сетку только на поверхностях проводников и границах, на которых изменяются диэлектрические свойства.

График результатов из учебной модели Capacitive Position Sensor (Емкостный датчик положения).

Результаты модели Capacitive Position Sensor (Емкостный датчик положения), использующей интерфейс Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы). Параметры электрического поля показаны направлением и размером вектора; электрический потенциал представлен вектором и цветом поверхности датчика (радужный график). На тестовом металлическом блоке представлена плотность наведенного поверхностного заряда с цветовой схемой Jupiter Aurora Borealis (Полярное сияние на Юпитере).

Результаты модели Capacitive Position Sensor (Емкостный датчик положения), использующей интерфейс Electrostatics, Boundary Elements (Электростатика, граничные элементы). Параметры электрического поля показаны направлением и размером вектора; электрический потенциал представлен вектором и цветом поверхности датчика (радужный график). На тестовом металлическом блоке представлена плотность наведенного поверхностного заряда с цветовой схемой Jupiter Aurora Borealis (Полярное сияние на Юпитере).

** Путь к моделям Capacitive Position Sensor (Емкостной датчик положения) в Библиотеке приложений:**
ACDC_Module/Tutorials/capacitive_pressure_sensor
ACDC_Module/Tutorials/capacitive_pressure_sensor_bem

Новая учебная модель: Осесимметричная аппроксимация трехмерного индуктора

На высоких частотах в индуктивных устройствах появляется емкостная связь между проводниками. Для моделирования этого явления нужно описать электрические поля, компоненты которых располагаются параллельно и перпендикулярно проводу. Это соображение приводит к выводу, что для моделирования такого явления всегда необходима трехмерная модель, даже если катушка является спиралью, что на самом деле не так.

Пример трехмерного индуктора демонстрирует, как при использовании осесимметричного моделирования получать информацию, связанную с авторезонансом трехмерного индуктора. Для построения правильной двухмерной осесимметричной модели создается эффективное осесимметричное ядро и используется опция RLC Coil Group (Группа катушек RLC). Этот экономичный метод особенно подходит для исследования систем с большим количеством витков, например, датчиков или трансформаторов, что позволяет снизить вычислительные затраты.

Учебная модель The Axisymmetric Approximation of a 3D Inductor (Осесимметричная аппроксимация трехмерного индуктора), появившаяся в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Трехмерное изображение вращения двухмерной осесимметричной модели индуктора. Моделирование показывает результаты на частоте 6.5 МГц, близкой к авторезонансу. Показана плотность магнитного потока в сердцевине (радужный график) и плотность потерь (Вт/м3) на поверхности обмотки (цветовая схема Heat Camera (Тепловизор)). Векторная диаграмма показывает электрическое поле. Трехмерное изображение вращения двухмерной осесимметричной модели индуктора. Моделирование показывает результаты на частоте 6.5 МГц, близкой к авторезонансу. Показана плотность магнитного потока в сердцевине (радужный график) и плотность потерь (Вт/м3) на поверхности обмотки (цветовая схема Heat Camera (Тепловизор)). Векторная диаграмма показывает электрическое поле.

Путь к модели осесимметричной аппроксимации трехмерного индуктора в Библиотеке приложений:
ACDC_Module/Inductive_Devices_and_Coils/axisymmetric_approximation_of_inductor_3d

Новая учебная модель: двигатель с постоянными магнитами в трехмерном представлении

Двигатели с постоянными магнитами используются во многих высококачественных устройствах, например, в электрических и гибридных транспортных средствах. Важным ограничением конструкции является чувствительность магнитов к высоким температурам, которые возникают из-за тепловых потерь, вызванных токами — в частности, вихревыми токами.

18-полюсный двигатель с постоянными магнитами моделируется в трехмерном представлении, чтобы точно отобразить потери, вызванные вихревыми токами в магнитах. Центральная часть геометрии, содержащая ротор и часть воздушного зазора, моделируется вращающейся относительно системы координат статора. Симметрия секторов и симметрия осевого зеркала используются для уменьшения вычислительных затрат при сохранении полного трехмерного поведения устройства.

Для вычисления и сохранения интеграла по времени плотности потерь, вызванных вихревыми токами в магнитах, используется дополнительная зависимая переменная. В дальнейшем решение может быть использовано как распределенный, усредненный по времени источник тепла в отдельном анализе теплопередачи, в котором характерные тепловые времена обычно намного больше, чем у потерь, вызванных вихревыми токами.

Электродвигатель с постоянными магнитами, смоделированный в трехмерном представлении с использованием модуля AC/DC.

Изображение полной геометрии электродвигателя с постоянными магнитами с катушками (медь), ротором и статором (серый цвет) и постоянными магнитами (красный и синий, в зависимости от радиальной намагниченности). Плотность магнитного потока B показана векторной диаграммой с соответствующей цветовой шкалой.

Изображение полной геометрии электродвигателя с постоянными магнитами с катушками (медь), ротором и статором (серый цвет) и постоянными магнитами (красный и синий, в зависимости от радиальной намагниченности). Плотность магнитного потока B показана векторной диаграммой с соответствующей цветовой шкалой.
 

Анимация электродвигателя с постоянными магнитами с катушками (медь), ротором и статором (серый цвет) и постоянными магнитами (красный и синий, в зависимости от радиальной намагниченности). Плотность магнитного потока B показана векторной диаграммой с соответствующей цветовой шкалой.

 

Анимация цикла сектора, на которой показаны векторные диаграммы вихревых токов в магните (белый), плотность магнитного потока B (цветовая схема Thermal Light (ИК)) и ток катушки (серый). График скалярного поля (цветовая схема Heat Camera (Тепловизор)) показывает усредненную по времени плотность потерь на вихревые токи в магните.

Путь к Библиотеке приложений к файлу, содержащему модель Permanent Magnet Motor in 3D (Двигатель с постоянными магнитами):
ACDC_Module/Motors_and_Actuators/pm_motor_3d

Новая учебная модель: электродинамика магнитного выключателя

Разного рода перегрузки в электрических цепях могут серьезно повредить электрические цепи или линии электропередачи. Чтобы избежать дорогостоящей замены важных элементов, производится установка размыкателей электрических цепей. При достижении критического тока они механически прерывают ток или скачок напряжения в сети, механически перемещая толкатель. В отличие от предохранителя, который требует замены после срабатывания, автоматический выключатель можно использовать повторно.

Основная цель этой учебной модели — изучение принципа работы и некоторых возможных решений для моделирования одного класса автоматического выключателя — выключателей с электромагнитным размыкателем. Это электромеханическое устройство, в котором металлические толкатели перемещаются под действием магнитного поля, создаваемого током, протекающим в катушке размыкателя. Отключение тока размыкателя переводит переключатель в исходное состояние.

Моделируется динамика твердого тела под действием индуцированных токами магнитных сил и пружин/ограничительных устройств, которые удерживают толкатель в его равновесном положении. Медная катушка размещается на центральном стержне нижнего (фиксированного) E-образного сердечника. При протекании тока в катушке на верхний E-образный сердечник (подвижный толкатель), который удерживается на месте предварительно напряженной пружиной, действует сила электромагнитного притяжения. Когда сила достигает порогового значения, толкатель перемещается к нижнему E-образному сердечнику, закрывая воздушный зазор. Моделируется движение и время закрытия зазора, зависящее от жесткости пружины.

 
Переходное поведение магнитного силового выключателя. При увеличении тока катушки опускается железный поршень. После того, как поршень останавливается, магнитный поток продолжает насыщать сердечник.

Путь в библиотеке приложения к файлам модели Magnetic Power Switch (Электромагнитный выключатель):
ACDC_Module/Motors_and_Actuators/power_switch

Новая учебная модель: операционный усилитель с емкостной нагрузкой

Операционный усилитель — дифференциальный усилитель напряжения, широко применяющийся в аналоговой электронике. В этой учебной модели представлен операционный усилитель, подключенный к контуру обратной связи и емкостной нагрузке.

Операционный усилитель моделируется в виде эквивалентной линейной схемы в интерфейсе Electrical Circuit (Электрическая цепь), которую можно подключить к внешней цепи. Модель частично написана в формате SPICE. Моделирование осуществляется в течение 10 мс с выводом данных каждые 0,05 мс. Операционный усилитель взаимодействует с контуром обратной связи, что приводит к возникновению затухающего звона в выходном сигнале (реакция на входное ступенчатое воздействие).

График из учебной модели Operational Amplifier with Capacitive Load (Операционный усилитель с емкостной нагрузкой). Выходное напряжение на нагрузочном конденсаторе измеряется для шагового входного напряжения 0,5 В. Измеренное напряжение на нагрузочном конденсаторе демонстрирует затухающие колебания. Выходное напряжение на нагрузочном конденсаторе измеряется для шагового входного напряжения 0,5 В. Измеренное напряжение на нагрузочном конденсаторе демонстрирует затухающие колебания.

Путь в Библиотеке приложений к модели Operational Amplifier with Capacitive Load (Операционный усилитель с емкостной нагрузкой):
ACDC_Module/Tutorials/opamp_capacitive_load

Новая учебная модель: учебная серия Cable (Моделирование кабелей)

В новом наборе, состоящем из шести учебных моделей и соответствующей документации, исследуются емкостные, индуктивные и термические свойства стандартного трехжильного освинцованного подводного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, по которому протекает переменный ток высокого напряжения (500 мм2, 220 кВ). Серия моделей ориентирована на специалистов, стремящихся ускорить процесс моделирования таких задач в программном пакете COMSOL Multiphysics®, а также студентов и инженеров, изучающих электромагнитные явления в кабелях и способы их моделирования.

Серия начинается с рассмотрения основных принципов используемого раздела физики, а затем сложность возрастает при добавлении дополнительных физических факторов и явлений, которые можно учесть. Помимо описания физических характеристик кабелей при электромагнитном моделировании, таких как зарядные токи, типы соединений, виды оплетки и зависимость от температуры, большое внимание также уделяется моделированию электромагнетизма и применяемым методам.

Снимок экрана из учебной серии Cable Tutorial Series (Моделирование кабелей), появившейся в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Трехжильный кабель с освинцованной оболочкой моделируется с учетом окружающей среды (земля). Распределение температуры внутри кабеля показано в виде трехмерного цветового графика над геометрией. Трехжильный кабель с освинцованной оболочкой моделируется с учетом окружающей среды (земля). Распределение температуры внутри кабеля показано в виде трехмерного цветового графика над геометрией.

Ссылка на галерею приложений: Учебная серия Cable (Моделирование кабелей)