COMSOL AC&DC模塊

AC/DC 模塊

低頻電磁和機(jī)電元器件的仿真工具

作為 COMSOL Multiphysics? 仿真平臺(tái)的附加專業(yè)模塊，“AC/DC 模塊”是一款分析靜態(tài)、低頻電磁問(wèn)題的強(qiáng)大而靈活的工具，提供了豐富的建模功能和數(shù)值方法，幫助用戶通過(guò)求解麥克斯韋方程來(lái)深入研究電磁場(chǎng)和 EMI/EMC 問(wèn)題。

借助于 COMSOL? 軟件的多物理場(chǎng)耦合功能，用戶還可以進(jìn)一步研究電磁場(chǎng)與其他如熱、結(jié)構(gòu)、聲等物理效應(yīng)之間的相互影響，獲得更加準(zhǔn)確、貼近實(shí)際場(chǎng)景的仿真結(jié)果。

電流

通過(guò)模擬直流、瞬態(tài)或交流等各種形式的電流，用戶可以有效地分析電阻和導(dǎo)電器件。在靜態(tài)和低頻條件下，如果可以忽略磁場(chǎng)，基于歐姆定律來(lái)計(jì)算器件的電流和電勢(shì)將非常高效，并足以提供準(zhǔn)確的結(jié)果。基于電勢(shì)結(jié)果，可以進(jìn)一步計(jì)算如電阻、電導(dǎo)率、電場(chǎng)、電流密度和功率損耗等物理量。

“AC/DC 模塊”支持穩(wěn)態(tài)、頻域、時(shí)域和小信號(hào)分析；時(shí)域和頻域分析支持電容效應(yīng)的計(jì)算。

靜電

對(duì)于不涉及電流流動(dòng)，電場(chǎng)由電勢(shì)和電荷分布決定的介電結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)靜電計(jì)算來(lái)分析電容器件和電絕緣?！癆C/DC 模塊”提供了有限元（FEM）和邊界元（BEM）方法來(lái)求解電勢(shì)，也支持組合使用兩種方法（有限元-邊界元混合方法）來(lái)滿足不同問(wèn)題的需求?；陔妱?shì)場(chǎng)結(jié)果，可以進(jìn)一步計(jì)算如電容矩陣、電場(chǎng)、電荷密度和靜電能等物理量，幫助您深入理解和優(yōu)化系統(tǒng)的靜電特性。

靜磁場(chǎng)計(jì)算

靜磁場(chǎng)仿真可以分析靜磁場(chǎng)、寄生電感以及線圈、導(dǎo)體和磁體上的磁力?！癆C/DC 模塊”提供了豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，包含各種非線性磁性材料，也支持自定義添加材料。用戶需根據(jù)所研究問(wèn)題是否存在電流、是否包含磁性材料等因素，來(lái)選擇不同的分析方法。

在沒(méi)有電流的情況下，推薦使用有限元法和邊界元法求解靜磁問(wèn)題，或結(jié)合使用這兩種方法，采用混合有限元-邊界元法以提高計(jì)算效率。

對(duì)于最常見的、同時(shí)存在電流和磁性材料的情況，需要通過(guò)矢量場(chǎng)公式來(lái)定義電勢(shì)和輸入電流，并計(jì)算電流密度分布、磁場(chǎng)、磁力、功耗和互感。

“AC/DC 模塊”支持對(duì)線圈進(jìn)行詳細(xì)的三維建模，精確計(jì)算每根導(dǎo)線內(nèi)的電流分布；也支持通過(guò)近似等效的方式簡(jiǎn)化建模，通過(guò)計(jì)算線圈電流分布來(lái)分析形狀復(fù)雜的線圈，這對(duì)于多匝線圈尤其有效。

電磁場(chǎng)

“AC/DC 模塊”可以模擬電纜、導(dǎo)線、線圈、螺線管和其他感應(yīng)設(shè)備中由導(dǎo)電材料中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于具有顯著感應(yīng)效應(yīng)的時(shí)變場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間雙向耦合。在這類情況下，集膚深度往往與設(shè)備尺寸相當(dāng)，但遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因此需要使用矢量場(chǎng)公式以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。

“AC/DC 模塊”支持在二維和三維中進(jìn)行頻域、小信號(hào)分析和時(shí)域建模。對(duì)于具有強(qiáng)非線性 E-J 特性的材料，例如超導(dǎo)體，還提供了專門的公式用于時(shí)域磁建模。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械

“AC/DC 模塊”中內(nèi)置了旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析功能，可用于分析電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。用戶可以通過(guò)計(jì)算磁體內(nèi)產(chǎn)生的渦流損耗等，研究感應(yīng)電機(jī)或永磁電機(jī)的特性。在所有模擬電磁運(yùn)動(dòng)的模型中，均支持磁力和扭矩、感應(yīng)電流以及機(jī)械載荷等物理量的計(jì)算。

通用的動(dòng)網(wǎng)格功能還支持研究線性運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于分析含柱塞的部件（例如磁力開關(guān)、螺線管和通用執(zhí)行器）起著重要的作用。

電路

“AC/DC 模塊”自帶集總電路分析功能，支持對(duì)包含各種元器件（如電壓和電流源、電阻、電容、電感和半導(dǎo)體器件）的電路進(jìn)行電流和電壓分析。電路模型還可以連接到詳細(xì)的二維和三維電磁場(chǎng)分析模型，以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的電路仿真。此外，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還支持以 SPICE 網(wǎng)表格式導(dǎo)出和導(dǎo)入，方便與其他工具進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

AC/DC 模塊的主要功能

“AC/DC 模塊”提供了一系列專用工具來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、低頻電磁場(chǎng)仿真。

內(nèi)置用戶界面

“AC/DC 模塊”為上述各個(gè)電磁領(lǐng)域都提供了預(yù)置的用戶接口，讓用戶能夠快速創(chuàng)建復(fù)雜的模型。用戶可以使用這些接口設(shè)置域方程、邊界條件、初始條件、預(yù)定義的網(wǎng)格、帶有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析求解器設(shè)置的預(yù)定義研究，以及預(yù)定義的繪圖和派生值等。

模塊中還提供一系列用于連接不同接口的耦合功能，特別適用于電感器、線圈和電機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。

使用磁場(chǎng) 接口和線圈 特征在三維中模擬電感器，該特征連接到電路 接口以確定激勵(lì)電

非線性材料

“AC/DC 模塊”預(yù)置了一個(gè)包含鐵磁材料、亞鐵磁材料、B-H 曲線和 H-B 曲線數(shù)據(jù)的大型材料數(shù)據(jù)庫(kù)。材料屬性可以隨空間或時(shí)間而變化，也可以呈各向異性、有損耗、為復(fù)值以及不連續(xù)等特性。您只需進(jìn)行少量的額外工作，就能輕松擴(kuò)展仿真的應(yīng)用范圍，使用數(shù)學(xué)表達(dá)式、查找表或兩者的組合來(lái)定義自己的材料。軟件支持使用 Jiles-Atherton 材料模型進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)參數(shù)化建模和全瞬態(tài)分析，并支持全各向異性滯回仿真。在此基礎(chǔ)上，用戶甚至還可以用 C 代碼編譯自己的材料模型，并將其作為外部材料進(jìn)行鏈接。

使用磁場(chǎng) 接口中的安培定律 特征，磁化模型包含許多選項(xiàng)，包括用來(lái)模擬非線性材料的滯回 Jiles-Atherton 模型。

線圈

模塊中內(nèi)置了專門的線圈建模功能，支持將電流和電壓等集總物理量轉(zhuǎn)換成電流密度和電場(chǎng)等分布物理量，方便用戶輕松建模。無(wú)論是單導(dǎo)線還是均勻多匝線圈，都可以在全三維、二維或二維軸對(duì)稱模型中定義。零件庫(kù)中還提供完全參數(shù)化的線圈和磁芯形狀，讓您在分析變壓器、電感器、電機(jī)和執(zhí)行器等設(shè)備時(shí)更快地建立模型。

在變壓器仿真中，使用均勻多匝導(dǎo)線模型對(duì)線圈進(jìn)行建模，以計(jì)算鐵芯中的損耗密度。

電機(jī)和變壓器的損耗建模

疊片鐵芯和磁軛的損耗是影響電機(jī)和變壓器效率的重要因素，電機(jī)和變壓器的分析需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些損耗。

特別是對(duì)于層壓鐵（電工鋼），宏觀焦耳熱或感應(yīng)加熱并不能完全描述引起損耗的效應(yīng)，使得經(jīng)驗(yàn)性的電磁損耗模型成為了必不可少的工具。但是，由于單獨(dú)對(duì)層合板進(jìn)行建模往往不切實(shí)際，因此需要一種高效的建模方法。

“AC/DC 模塊”包含多個(gè)著名的經(jīng)驗(yàn)損耗計(jì)算模型，與高保真模型相比，前者只需少量計(jì)算即可給出非常準(zhǔn)確的損耗估計(jì)，其中不僅考慮了滯回和渦流的影響，還包含造成損耗的其他現(xiàn)象。

經(jīng)驗(yàn)損耗模型也稱為 Steinmetz 模型，用于確定定子軛疊片鐵中的周期平均（頻率相關(guān)）損耗

無(wú)邊界或大空間問(wèn)題

對(duì)于無(wú)邊界或大空間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)問(wèn)題，用戶可以使用無(wú)限域進(jìn)行分析。對(duì)于靜電和靜磁分析，軟件還提供邊界元法作為替代方法。除此以外，也可以將邊界元和有限元方法結(jié)合使用。

例采用混合 FEM-BEM 方法為可調(diào)電容器建模，并通過(guò)這兩種方法的自動(dòng)耦合來(lái)計(jì)算電勢(shì)。

薄結(jié)構(gòu)和多層材料

殼公式可以用來(lái)模擬非常薄的結(jié)構(gòu)，支持直流、靜電、靜磁和感應(yīng)仿真。軟件還提供了專門的工具，用于計(jì)算多層殼中的電流。殼公式支持使用帶有材料屬性的表面幾何元素來(lái)代替 CAD 模型中帶有厚度的薄實(shí)體域，使此類計(jì)算更加高效。

多層殼中的電流 接口用于有效計(jì)算加熱電路中的電勢(shì)，其中薄導(dǎo)電層嵌入玻璃中。

寄生電感和參數(shù)提取

“AC/DC 模塊”提供了計(jì)算 PCB 中的寄生電感的專用工具，可用于提取三維模型的電感矩陣。用戶可以使用磁場(chǎng)，僅電流 接口計(jì)算開放導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的部分貢獻(xiàn)，以降低建模的復(fù)雜性。

在假設(shè)所有區(qū)域均為非磁性的情況下，使用磁矢勢(shì)作為因變量來(lái)計(jì)算電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。也就是說(shuō)，這些區(qū)域具有統(tǒng)一的相對(duì)磁導(dǎo)率“1”。該接口可與穩(wěn)態(tài)源掃描 特征一起使用，以便在一次仿真中掃描多個(gè)終端。

穩(wěn)態(tài)源掃描 研究步驟與磁場(chǎng)，僅電流 接口結(jié)合使用，以模擬寄生電感并生成電感矩陣，通過(guò)“圖形”窗口中的二維繪圖進(jìn)行可視化。

低頻電磁和多物理場(chǎng)

電磁元器件工作時(shí)會(huì)涉及多種物理效應(yīng)，在 COMSOL Multiphysics? 中可以輕松分析這些多物理場(chǎng)效應(yīng)。

焦耳熱和電阻熱1

固體、流體、殼和多層殼中的焦耳熱（也稱為電阻熱）。

母線板中由焦耳熱引起的溫度分布。

感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱用于模擬管線感應(yīng)加熱器和金屬加工。

鋼坯通過(guò)由交流電激勵(lì)的線圈時(shí)的溫度，在鋼坯中產(chǎn)生感應(yīng)渦流并產(chǎn)生熱量。

電磁力和扭矩

基于有限元和邊界元的電磁應(yīng)力、力和扭矩計(jì)算。

磁體在銅管中下落的三維仿真。

洛倫茲力

使用電流感應(yīng)的洛倫茲力作為體結(jié)構(gòu)載荷來(lái)模擬電聲換能器等裝置。

聲-結(jié)構(gòu)相互作用和作用于音圈的電磁力。

電接觸電阻

在相互接觸的金屬片之間流動(dòng)的電流。結(jié)合熱接觸2和機(jī)械接觸3進(jìn)行分析。

開關(guān)的兩個(gè)接觸部分的熱電性能。

鐵電

鐵電功能用于模擬可能表現(xiàn)出磁滯特性的時(shí)變極化。

圖中顯示鐵電材料在四種不同電壓下的磁滯現(xiàn)象。

磁致伸縮4

磁性材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生的形狀變化，這對(duì)聲吶和變壓器噪聲來(lái)說(shuō)非常重要。

通過(guò)為磁致伸縮換能器建模，來(lái)模擬換能器中的應(yīng)力和位移，以及整個(gè)磁場(chǎng)。

電感耦合等離子體5

半導(dǎo)體加工中使用的電感耦合等離子體。

電感耦合等離子體炬內(nèi)的溫度分布。

帶電粒子追蹤6

由電磁力引起的帶電粒子或磁粒子的運(yùn)動(dòng)。

電子軌跡和電勢(shì)等值面的結(jié)果。

介電泳6

由電場(chǎng)梯度引起的中性顆粒的運(yùn)動(dòng)。

使用介電泳進(jìn)行連續(xù)顆粒分離。

備注：

1. 不 需要“AC/DC 模塊”

2. 還需要“傳熱模塊”

3. 還需要“MEMS 模塊”或“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”

4. 還需要“聲學(xué)模塊”、“MEMS 模塊”或“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”

5. 還需要“等離子體模塊”

6. 還需要“粒子追蹤模塊”

將第三方軟件與 COMSOL Multiphysics? 結(jié)合使用

MATLAB? 軟件用戶可以使用 MATLAB? 腳本和函數(shù)輕松運(yùn)行 COMSOL Multiphysics? 仿真。借助 LiveLink? for MATLAB? 接口產(chǎn)品，用戶可以直接在 MATLAB? 環(huán)境中訪問(wèn) COMSOL? 操作，并與現(xiàn)有的 MATLAB? 代碼結(jié)合使用。

COMSOL 提供了 ECAD 導(dǎo)入模塊、CAD 導(dǎo)入模塊、設(shè)計(jì)模塊以及用于銜接主流 CAD 系統(tǒng)的 LiveLink? 產(chǎn)品，幫助用戶更便捷地處理 CAD 模型和電子布局，更輕松地進(jìn)行建模分析。

除此之外，通過(guò)使用 LiveLink? for Excel? 接口產(chǎn)品，您還可以將 Microsoft Excel? 電子表格數(shù)據(jù)與 COMSOL Multiphysics? 環(huán)境中定義的參數(shù)進(jìn)行同步，大幅提高工作效率。

通過(guò)“ECAD 導(dǎo)入模塊”將 ODB++ 存檔導(dǎo)入 COMSOL Multiphysics? 以進(jìn)行仿真分析。該電路板包含一個(gè)印刷電路板，其中兩個(gè)銅層用通孔連接。