COMSOL Multiphysics^® 6.2 Release Highlights

Neuerungen im AC/DC Module

Für Nutzer des AC/DC Module bietet COMSOL Multiphysics^® ein neues Interface Magnetic Machinery, Rotating, Time Periodic, neue Kopplungen für die Modellierung von Elektromotoren und Generatoren sowie Funktionen zur einfachen Definition von Modellen mit sich bewegenden Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern. Hier erfahren Sie mehr über die Updates.

Schneller neuer Löser für elektrische Maschinen

Für nichtlineare zeitperiodische Probleme ist es jetzt möglich, den stationären Zustand direkt mit dem neuen Interface Magnetic Machinery, Rotating, Time Periodic zu lösen. Dies wird erreicht, indem die Periodizität in der Zeitdimension eingeführt wird und alle Zeitfenster gleichzeitig mit einem stationären Löser gelöst werden. Dieser Ansatz spart eine beträchtliche Menge an Rechenzeit, da die Alternative darin bestünde, ein zeitabhängiges Problem so lange laufen zu lassen, bis der periodische Gleichgewichtszustand erreicht ist. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz einen direkten Zugriff auf Größen des Frequenzbereichs (Harmonische höherer Ordnung), die in weiteren Simulationen und Auswertungen verwendet werden können. Typische Anwendungsfälle sind Motor- und Transformatorstudien, bei denen die Eisenverluste und die elektromagnetischen Kräfte mit Wärmetransport, Strukturmechanik und Druckakustik gekoppelt werden - mit besonderem Schwerpunkt auf parametrischen Sweeps und Optimierungsstudien. Sehen Sie sich dieses neue Interface in den Tutorial-Modellen Permanent Magnet Motor with Campbell Diagram und Permanent Magnet Motor Efficiency Map an.

Einstellungen im Interface Magnetic Machinery, Rotating, Time Periodic am Beispiel einer Permanentmagnet-Synchronmaschine.

Periodizitätsunterstützung für Spulen mit einzelnen Leitern und Multiturn-Spulen

Für Spulen und allgemeine Leiter (Leiterbündel oder Vollmaterial) gibt es jetzt eine echte Periodizitätsunterstützung in 3D. Die Unterfunktion Geometry Analysis, die für das Gebiet Coil im Interface Magnetic Fields, im Interface Magnetic and Electric Fields und im Interface Rotating Machinery, Magnetic verwendet wird, wurde jetzt mit einer Unterfunktion Periodic Boundaries ausgestattet, die zusammen mit dem Feature Periodic Condition verwendet wird. Dies ist besonders nützlich für die Modellierung elektrischer Maschinen, die eine Form von Sektorsymmetrie aufweisen, wie in der Motor Tutorial Series gezeigt wird.

Neue Multiphysik-Interfaces und -Kopplungen für Motoren und Generatoren

Das neue Multiphysik-Interface Magnetic-Elastic Interaction in Rotating Machinery kombiniert ein Interface Solid Mechanics mit einem Interface Rotating Machinery, Magnetic, mithilfe der Multiphysik-Kopplung Magnetic Forces, Rotating Machinery. Diese Multiphysik-Kopplung verbindet die Strukturmechanik und die Elektromagnetik auf den Gebieten. Sie fügt die durch Maxwell-Spannungen verursachte Belastung auf eine verformbare und rotierende Struktur hinzu. Für dieses Multiphysik-Interface ist das Structural Mechanics Module erforderlich.

Das Multiphysik-Interface Magnetic-Rigid Body Interaction in Rotating Machinery kombiniert ein Interface Multibody Dynamics mit einem Interface Rotating Machinery, Magnetic über die gleiche Multiphysik-Kopplung Magnetic Forces, Rotating Machinery. In diesem Fall berechnet die Multiphysik-Kopplung, wie sich Verformungen und Spannungen, die von Luftspaltkräften herrühren, im Stator und im Rotor verteilen. Einige der Anwendungen sind Magnetlager und Motoren mit unwuchtigen Rotoren. Für dieses Multiphysik-Interface ist das Multibody Dynamics Module erforderlich.

Sie können sich diese Ergänzungen in den Tutorial-Modellen Electromagnetic and Mechanical Analysis of an Interior Permanent Magnet Motor und Magnetic-Structure Interaction in a Permanent Magnet Motor ansehen.

Die Kopplung zwischen dem Interface Solid Mechanics und dem Interface Rotating Machinery, Magnetic zur Durchführung einer elektromagnetischen und mechanischen Analyse eines Permanentmagnetmotors mit innenliegenden Magneten (IPM).

Neustrukturierte Multiphysik-Kopplung Magnetomechanics

Die Multiphysik-Kopplungen Magnetic Forces, Lorentz Coupling und Magnetomechanical Forces wurden durch eine einzige Multiphysik-Kopplung namens Magnetomechanics ersetzt. Diese Kopplung kann verwendet werden, um das Interface Solid Mechanics entweder mit dem Interface Magnetic Fields oder mit dem Interface Magnetic Fields, No Currents zu kombinieren. Wird sie verwendet, um das Interface Solid Mechanics mit dem Interface Magnetic Fields, No Currents zu koppeln, entspricht die Kopplung der früheren Kopplung Magnetic Forces. Wird sie verwendet, um das Interface Solid Mechanics mit dem Interface Magnetic Fields zu koppeln, kann der Benutzer über ein Kontrollkästchen zwischen Optionen wählen, die den früheren Kopplungen Lorentz Coupling und Magnetomechanical Forces entsprechen. Die neue Multiphysik-Kopplung Magnetomechanics erfordert das MEMS Module, das Structural Mechanics Module oder das Acoustics Module.

Verbesserte Handhabung von Festkörpern und Flüssigkeiten für das Interface Magnetic Fields

Die neuen, vorgefertigten Funktionen Ampère's Law in Solids und Ampère's Law in Fluids im Interface Magnetic Fields erleichtern das Erstellen von Modellen mit bewegten Materialien. Diese Funktionen bieten eine benutzerfreundlichere Implementierung, die dazu beiträgt, dass die richtigen Bezugssysteme für Flüssigkeiten, Gase und Vakuum einerseits und Festkörper andererseits verwendet werden. Darüber hinaus ermöglichen die Funktionen eine intuitivere Einrichtung von Multiphysik-Kopplungen, wobei die Funktion Ampère's Law in Fluids zum Beispiel Kopplungen mit der Magnetohydrodynamik oder der Plasmaphysik und die Funktion Ampère's Law in Solids magnetomechanische Kopplungen ermöglicht. Sehen Sie sich diese neuen Funktionen in den Tutorial-Modellen Hartmann Boundary Layer und E-Core Transformer an.

Neues Feature Free Space für das Interface Magnetic Fields

Das Interface Magnetic Fields wurde um eine neue Standardfunktion Free Space ergänzt. Sie wird verwendet, um die physikalischen Bedingungen in unmittelbarer Nähe des modellierten Geräts anzugeben - typischerweise in Luft oder im Vakuum. Das Feature bietet einen Ausgangspunkt, zu dem andere Features (wie zum Beispiel Ampère's Law in Solids oder Fluids) hinzugefügt werden können, um Materialeigenschaften und Anregungsformen lokal zu spezifizieren. Das Feature Free Space verfügt über eine integrierte Option Stabilization. Diese fügt einen künstlichen Leitfähigkeitsterm hinzu, so dass die Skin-Tiefe im Vakuum eine Größenordnung größer ist als die des modellierten Systems bei seiner typischen Betriebsfrequenz. Es wird angenommen, dass eine geringe Leitfähigkeit, die zu einer solch großen Skin-Tiefe führt, nur geringe oder gar keine Auswirkungen auf die Genauigkeit der Ergebnisse hat, aber ihre Anwesenheit verbessert sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Geschwindigkeit des Lösers. Es gibt auch eine benutzerdefinierte Option, mit der Sie die Stabilisierung manuell einstellen können. Die Tutorial-Modelle Submarine Cable 8 - Inductive Effects 3D und Multiturn Coil Above an Asymmetric Conductor Plate veranschaulichen diese neue Ergänzung.

Die Standardfunktion Free Space mit der Option Stabilization, demonstriert am Modell eines dreiphasigen Leistungstransformators.

Litzendraht-Unterstützung für Multiturn-Spulen

Der Abschnitt Wire Properties der Spule Homogenized Multiturn Conductor wurde erweitert, um mehrere Optionen zu unterstützen, die typischerweise für die Modellierung von Litzendraht verwendet werden. Dazu gehört die Option, den (Wechselstrom-)Widerstand pro Längeneinheit anzugeben - entweder aus einem benutzerdefinierten analytischen Modell, aus Messungen oder aus einer vom Lieferanten bereitgestellten Spezifikation - und die Option, den effektiven Gesamtwiderstand anzugeben. Diese Optionen ermöglichen einen einfacheren Workflow bei der Modellierung von Litzen, die unter nicht idealen Bedingungen arbeiten, wie zum Beispiel Milliken-Leiter mit innerem Kontaktwiderstand und Litzen (und Spulen), die bei höheren Frequenzen arbeiten.

Der Spulendrahtwiderstand pro Längeneinheit, der verwendet wird, um die Eigenschaften eines Milliken-Leiters (einer der Kernleiter eines dreiphasigen Seekabels) anzugeben.

2D-Achsensymmetrie mit dem Feature Periodic Pair

Das Interface Magnetic Fields unterstützt jetzt die Funktion Periodic Pair für die Modellierung von linearen magnetischen Maschinen in 2D-Achsensymmetrie, die vorher nur in planarem 2D verfügbar war. Damit ist es möglich, rotationssymmetrische (röhrenförmige) Maschinen in 2D zu modellieren. Die Funktion Periodic Pair verbindet die Physik auf beiden Seiten von gleitenden Netzen, wobei die Periodizität in der Bewegungsrichtung liegt. Ein typischer Anwendungsfall für Periodic Pair ist das Modell Linear Motor in 2D.

Erweiterte Unterstützung für iterative Löser und CAD-Baugruppen

Für die Paarfunktionen Continuity und Sector Symmetry im Interface Electric Currents, im Interface Magnetic Fields, No Currents und im Interface Rotating Machinery, Magnetic ist eine neue Beschränkungsoption für den skalaren Potentialfreiheitsgrad namens Nitsche Constraints verfügbar. Diese Nebenbedingungen erfordern keine konformen Netze und auch keinen Lagrange-Multiplikator, was die Vernetzungssequenz vereinfacht und eine größere Auswahl an Löseroptionen ermöglicht.

Die Option Nitsche Constraints wird verwendet, um die Lagen einer Leiterplatte zu verbinden, wobei für jede Lage ein eigenes Netz verwendet wird. (Beachten Sie, dass die Ansicht in vertikaler Richtung gestreckt ist).

Spannungsanregung für Terminated Terminal

Das Feature Terminal im Interface Electrostatics, im Interface Electric Currents und im Interface Magnetic and Electric Fields ist mit einer Option Terminated ausgestattet. Damit können Sie den Anschluss mit einer Impedanz verbinden, die eine Last oder eine Übertragungsleitung darstellen könnte. Die Option Terminated wurde jetzt um die Unterstützung von Spannungsanregung erweitert. Diese Option eignet sich für die Modellierung verschiedener hochfrequenter piezoelektrischer MEMS-Geräte.

Der spannungsgespeiste Anschluss, der für die Modellierung eines interdigitalen Kondensators verwendet wird.

Debye-Dispersionsmodell für elektrische Ströme

Im Interface Electric Currents wurden dispersive Polarisationsmodelle eingeführt. Diese Modelle beschreiben transiente Effekte in schwach leitenden Dielektrika. Unter Current Conservation, wenn der Materialtyp auf Solid eingestellt ist, ist es jetzt möglich, das dielektrische Materialmodell Dispersion zu verwenden. Im Unterknoten Dispersion sind die Dispersionsmodelle Debye oder Multipole Debye als Optionen verfügbar. Diese Modelle können zum Beispiel bei der Simulation der elektromagnetischen Erwärmung für die Bioelektromagnetik und die Gewebemodellierung verwendet werden und sind für die Analyse im Frequenz- und im Zeitbereich verfügbar.

Das Dispersionsmodell Multipol Debye wird verwendet, um frequenzabhängige dielektrische Materialeigenschaften zu modellieren.

Neues Feature Piezoelectric Material, Layered für das Interface Shell

Ähnlich wie das Feature Piezoelectric Material, das in früheren Versionen im Interface Layered Shell verfügbar war, wurde das Interface Shell um das Feature Piezoelectric Material, Layered erweitert. Diese Ergänzung spart Aufbau- und Berechnungszeit beim Lösen dünner piezoelektrischer Verbundwerkstoffe mit dem Interface Shell. Für diese Funktionalität ist das Structural Mechanics Module erforderlich.

Floating Potential für Conducting Shell und Piezoresistive Shell

Für das Interface Electric Currents in Shells und das Interface Electric Currents in Layered Shells wurde ein neues Unterfeature Floating Potential zu den Features Conductive Shell und Piezoresistive Shell hinzugefügt. Der Knoten Floating Potential wird bei der Modellierung einer Metallelektrode bei Floatingpotential verwendet. Für die Funktion Piezoresistive Shell ist das MEMS Module erforderlich.

Hintergrundfeld-Feature für das Interface Magnetic and Electric Fields

Das Interface Magnetic and Electric Fields wurde um eine neues Feature Background Magnetic Flux Density ergänzt. Damit können Sie bequem ein Hintergrundfeld hinzufügen, zum Beispiel wenn Sie flüssige Metalle modellieren. Sie können diese neue Funktion in dem Tutorial-Modell Hartmann Flow in Liquid Metal Blanket with Heat Transfer sehen.

Die Funktion Background Magnetic Flux Density, die bei der Modellierung der Magnetohydrodynamik (MHD) verwendet wird.

Neue und aktualisierte Tutorial-Modelle und Geometrieteile

COMSOL Multiphysics^® Version 6.2 enthält mehrere neue und aktualisierte Tutorial-Modelle und Geometrieteile für das AC/DC Module.

Motor Tutorial Series

Diese Modellserie demonstriert, wie Sie mit COMSOL Multiphysics^® elektrische Maschinen modellieren können - in 2D, 2,5D und vollständigem 3D, einschließlich der Endeffekte. Sie untersucht die Leistung eines Permanentmagnet-Synchronmotors, der häufig in modernen Elektrofahrzeugen eingesetzt wird.

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Motor Tutorial Series, Geometry Parts

Diese Geometrieteile sind Teil der Motor Tutorial Series. Standardmäßig hat die Geometrie acht Rotorpole mit segmentierten Magneten, die in einer V-förmigen Konfiguration eingebettet sind. Es werden verschiedene Kombinationen von geraden oder stufenförmig geneigten Rotoren sowie geraden oder schrägen Statoren unterstützt. Der Stator hat 48 Nuten mit einer verteilten Hairpin-Wicklung. Die Geometrie der Teile kann an Ihre speziellen Bedürfnisse angepasst werden.

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Permanent Magnet Motor Efficiency Map

In einem laufenden Motor geht ein Teil der Energie in Form von Wärme verloren. Viele Eigenschaften, die die Motoreffizienz beeinflussen, werden von der Temperatur beeinflusst. Dieses Modell berechnet die Motoreffizienz, indem es dieses temperaturabhängige Verhalten in einem Permanentmagnetmotor berücksichtigt.

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pm_motor_2d_efficiency_map
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Permanent Magnet Motor with Campbell Diagram

Die Geräusche eines Motors werden untersucht. Die natürlichen Schwingungsfrequenzen und Harmonischen werden über eine Reihe von Motordrehzahlen modelliert. Die Lautstärke der verschiedenen Frequenzen bei unterschiedlichen Drehzahlen kann dann in einem Campbell-Diagramm dargestellt werden.

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pm_motor_2d_campbell_diagram
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Electromagnetic and Mechanical Analysis of an Interior Permanent Magnet Motor

Die Magnete in einem Permanentmagnetmotor mit innenliegenden Magneten (IPM) bilden schmale Brücken im Rotorkern. Diese müssen stabil genug sein, um den Belastungen der Rotation standzuhalten, ohne die Motorleistung zu beeinträchtigen. Die magnetische Flussdichte (oben), Spannungsverteilungen (unten links) und Verformungen (unten rechts) werden visualisiert.

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Magnetic–Structure Interaction in a Permanent Magnet Motor

Dieses Beispiel demonstriert die Kopplung zwischen dem Interface Multibody Dynamics und dem Interface Rotating Machinery, Magnetic. Um die Kopplung zwischen Magnet und Struktur zu modellieren, wird die Rotorbewegung durch ein bewegliches Netz verkörpert, das durch die berechnete elektromagnetische Kraft angetrieben wird.

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pm_motor_2d_structure_interaction
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Resonant Spiral Coil

Eine eigenresonante Spule aus Kupferdraht mit 5 Windungen wird mit Hilfe des Interfaces Magnetic and Electric Fields in 3D und 2D-Achsensymmetrie analysiert. Die kapazitive Kopplung wird mit einer speziellen Randbedingung in 3D modelliert, wodurch eine kostspielige volumetrische Vernetzung vermieden werden kann.

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resonant_spiral_coil_3d
resonant_spiral_coil_2daxi
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Hartmann Flow in Liquid Metal Blanket with Heat Transfer

In Kernfusionsreaktoren interagiert flüssiges Metall mit dem Hintergrundmagnetfeld in einem Strömungsregime, das als Magnetohydrodynamik (MHD) bekannt ist. Dieses Modell demonstriert MHD durch die Kopplung der Fluidströmung mit dem EM-Feld und dem Wärmetransport.

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3d_hartmann_flow_with_heat_transfer
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Iron Sphere in a Magnetic Field

Diese Modellserie verwendet eine Eisenkugel in einem Magnetfeld als Lehrbuchbeispiel für die Modellierung von EM-Effekten. Sie umfasst 4 Modelle, die verschiedene Verhaltensweisen, Annahmen und Modellierungstechniken abdecken. Das Bild zeigt das 20-kHz-Magnetfeldmodell.

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iron_sphere_bfield_00_introduction
iron_sphere_bfield_01_static
iron_sphere_bfield_02_60hz
iron_sphere_bfield_03_20khz
iron_sphere_bfield_04_13mhz
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FEM Resistor in Circuit

Dieses Einführungsmodell veranschaulicht zwei verschiedene Möglichkeiten, ein Modell einer elektrischen Schaltung mit einer Finite-Elemente-Simulation zu verbinden. Der Zylinder ist der Finite-Elemente-Teil, der einen Widerstand darstellt, der mit dem Interface Electrical Circuit verbunden ist.

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circuit_fem_resistor
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