Simulation statischer und niederfrequenter elektromagnetischer Felder mit dem AC/DC Module

Simulationssoftware für niederfrequente Elektromagnetik und elektromechanische Komponenten

Die Analyse von elektromagnetischen Systemen und Prozessen, die statische und niederfrequente Bereiche umfassen, erfordert ein leistungsfähiges und flexibles Simulationstool. Das AC/DC Module Add-on zur COMSOL Multiphysics® Plattform bietet Ihnen eine breite Palette von Modellierungsfunktionen und numerischen Methoden zur Untersuchung elektromagnetischer Felder und EMV durch die Lösung der Maxwell-Gleichungen.

Die Multiphysik-Fähigkeiten der COMSOL® Software ermöglichen es, den Einfluss anderer physikalischer Effekte wie Wärmeübertragung, Strukturmechanik und Akustik auf ein elektromagnetisches Modell zu untersuchen.

Was Sie mit dem AC/DC Module erhalten

Wenn Sie COMSOL Multiphysics® mit dem AC/DC Module erweitern, schalten Sie zusätzlich zur Kernfunktionalität der COMSOL Multiphysics® Softwareplattform Funktionen für die spezielle niederfrequente elektromagnetische Modellierung frei.

Das AC/DC Module enthält die für die Modellierung notwendigen Werkzeuge:

  • Kondensatoren
  • Induktoren
  • Isolatoren
  • Dielektrische Belastung
  • Spulen
  • Motoren
  • Sensoren
  • Zylinderspulen
  • Extraktion der Schaltungsparameter (R-, L-, Z-Matrizen)
  • Parasitäre Kapazität und Induktivität
  • Kombinierte SPICE-Schaltungs- und Feldsimulationen
  • Elektroschweißen
  • Elektrische Isolierung
  • EMV
  • Elektromagnetische Abschirmung
  • Kapazitive Touchscreens
  • Magnetische Lager
  • Elektromigration
  • Induktionsöfen
  • Induktionslogging
  • Dielektrika
  • Generatoren
  • Dauermagnete
  • Elektromagnete
  • Aktoren
  • Stößel
  • Transformatoren
  • Übertragungsleitungen
  • Graphen
  • Elektromechanische Geräte
  • Elektronische Zuverlässigkeit
  • Elektrischer Übergangswiderstand
  • Elektromagnetische Felder in porösen Medien
Ein Beispiel für die Modellierung von Transformatoren mit dem AC/DC Module. Ein E-Kern-Transformator-Beispielmodell, das die Wirkung einer nichtlinearen B-H-Kurve im Weicheisenkern berücksichtigt. Die Ergebnisse umfassen die magnetischen und elektrischen Felder, den magnetischen Sättigungseffekt, das Einschwingverhalten und vieles mehr.

Multiphysik-Kopplungen

Im AC/DC Module enthalten:

  • Induktive Erwärmung
  • Joulesche Erwärmung und Widerstandsheizung
  • Verformung und Belastung durch elektromagnetische Kraft und Drehmoment
  • Lorentzkräfte in Feststoffen und Flüssigkeiten

Mit zusätzlichen Modulen verfügbar:

  • Wärmestrahlung
  • Thermischer Übergangswiderstand
  • Bioheizung
  • Elektrostatische Verformung
  • Piezoelektrischer Effekt
  • Piezoresistiver Effekt
  • Elektrostriktion
  • Magnetostriktion
  • Thermoelektrischer Effekt
  • Induktiv gekoppeltes Plasma
  • Kapazitiv gekoppeltes Plasma
  • Gewebeablation
  • Verfolgung geladener Partikel
  • Dielektrophorese
  • Allgemeine Einzel- und Multiphysik-Optimierung
Ein Beispiel für die Modellierung der Erwärmung eines Stahlbolzens mit dem AC/DC Module. Die Temperatur in einem Stahlbolzen wird ebenso angezeigt wie das Magnetfeld und der Strom in den Spulen.

Eigenschaften und Funktionsweise des AC/DC Module

Erfahren Sie mehr über die Leistungsmerkmale und Funktionalitäten des AC/DC Module, indem Sie die folgenden Abschnitte aufklappen.
Das AC/DC Module verfügt über eine Auswahl an physikalischen Interfaces für den Aufbau von Analysen in einer Reihe von Anwendungsbereichen, wie z.B. Elektrostatik, elektrische Ströme, Magnetostatik und zeitvariable elektromagnetische Felder einschließlich Induktionseffekte. Sie können Kombinationen dieser Interfaces zusammenstellen, um allgemeinere Modellierungsmöglichkeiten zu erhalten.

Wußten Sie bereits? Ein Physik-Interface ist eine Schnittstelle für einen bestimmten Physikbereich, welche Gleichungen zusammen mit Einstellungen für Netzgenerierung, Löser, Visualisierung und Ergebnisse vorgibt.

Physik-Interfaces im AC/DC Module:

  • Elektrische Ströme mit Stromerhaltung
  • Elektrische Ströme, Schalen
  • Elektrischer Schaltkreis mit SPICE-Netzlistenimport
  • Elektrostatik mit Ladungserhaltung
  • Magnetische und elektrische Felder
  • Magnetisches Feld Formulierung
  • Magnetische Felder
  • Magnetische Felder, keine Ströme
  • Partikel-Feld-Wechselwirkung, relativistisch
  • Rotierende Maschinen in 2D und 3D, magnetisch
  • Elektrostatik, Randelemente
  • Magnetfelder, keine Ströme, Randelemente
Ein Screenshot der COMSOL Software GUI bei der Modellierung eines regelbaren Kondensators. Ein regelbarer Kondensator wird mit einem hybriden FEM-BEM-Ansatz mit einer automatischen Kopplung zwischen den beiden modelliert, um das elektrische Potential zu berechnen.

Neben den grundlegenden Randbedingungen - wie Potentiale, Ströme, Ladungen und Feldwerte - sind eine Reihe von erweiterten Randbedingungen enthalten. Einige davon, einschließlich der Randbedingungen Anschluss, Floating Potential und Schaltkreis Anschluss, werden verwendet, um aus einem 2D- oder 3D-Modell äquivalente Stromkreisparameter wie Widerstand, Kapazität, Induktivität, Impedanzwerte und -matrizen zu extrahieren.

Randbedingungen im AC/DC Module:

  • Stromkreis Anschluss
  • Kontaktwiderstand
  • Dielektrische Abschirmung
  • Verteilte Kapazität
  • Verteilte Impedanz
  • Verteilter Widerstand
  • Elektrische Abschirmung
  • Elektrischer Kontakt
  • Lumped Port
  • Periodische Randbedingung
  • Sektorsymmetrie
  • Oberflächenimpedanz
  • Oberflächenmagnetischer Strom
  • Dünner Spalt mit geringer Permeabilität
  • Übergang
  • Spulenanregung
  • Homogenisierte Mehrfachwicklung
  • Einzelleiter
  • Floating Potential
  • Magnetisches Feld
  • Magnetische Flussdichte
  • Magnetische Isolation
  • Magnetisches Potential
  • Idealer magnetischer Leiter
  • Oberflächenstromdichte
  • Randstromquelle
  • Kontinuität
  • Verschiebungsfeld
  • Elektrische Isolation
  • Elektrisches Potential
  • Erdung / Nullpotential
  • Normale Stromdichte
  • Oberflächenladungsdichte
  • Null Ladung
  • Magnetische Abschirmung
  • B-H und H-B Kennlinieneingabe
Ein Beispiel für ein Modell zur Analyse von Touchscreen-Geräte-Designs. Ein Modell eines Touchscreen-Gerätes. Elektroden werden häufig mit festen Potential-, Ladungs- oder Stromwerten zusammen mit Floating Potential-Bedingungen für metallische Oberflächen mit unbekanntem Potential modelliert.

Modellierung dünner Strukturen

Für die Modellierung sehr dünner Strukturen können Sie Dünnschichtformulierungen verwenden, die für Gleichströme, Elektrostatik, Magnetostatik und Induktionssimulationen zur Verfügung stehen. Die elektromagnetische Schalenmodellierung ermöglicht es, die Materialdicke eines dünnen Festkörpers in einem CAD-Modell durch eine physikalische Eigenschaft einer Oberfläche zu ersetzen, was zu einer wesentlich effizienteren Modellierung führt.

Unbegrenzte oder große Gebiete

Für die genaue Modellierung unbegrenzter oder großer Modellierungsbereiche stehen Infinite Elemente sowohl für elektrische als auch für magnetische Felder zur Verfügung. Für die elektrostatische und magnetostatische Modellierung steht die Randelementmethode (BEM) als alternative Methode zur Modellierung großer oder unendlicher Bereiche zur Verfügung und arbeitet in Kombination mit physikalischen Interfaces auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM).

Spulenmodellierung

Spezielle Spulenmerkmale können verwendet werden, um den Aufbau von Spulen für eine Reihe von magnetostatischen und niederfrequenten elektromagnetischen Modellen erheblich zu vereinfachen. In vielen dieser Anwendungen wird das Magnetfeld durch elektrische Ströme erzeugt, die in leitenden Materialien fließen, z.B. Kabel, Drähte, Spulen oder Magnete. Die speziellen Spulenmerkmale werden verwendet, um diese Strukturen einfach zu modellieren und pauschale Größen, wie Ströme und Spannungen, in räumlich verteilte Größen, wie Stromdichten und elektrische Felder, zu übersetzen. Einzelleiter- und homogenisierte Mehrwendelspulen können in vollsymmetrischen 3D- oder rotationssymmetrischen 2D-Modellen definiert werden.

Rotierende Maschinen und Linearbewegungen

Über das eingebaute Interface für rotierende Maschinen ist es einfach, Motoren und Generatoren zu modellieren. Sie können beispielsweise das Verhalten von Induktions- oder PM-Motoren verstehen, insbesondere durch die Erfassung der Wirbelstromverluste, die in den Magneten auftreten. In jedem Modell, das zur Simulation elektromagnetischer Bewegungen verwendet wird, können Sie die starre oder flexible Körperdynamik unter dem Einfluss von magnetischen Kräften und Drehmomenten, induzierten Strömen sowie mechanischen Last- und Federkonfigurationen untersuchen.

Eine universell einsetzbare Moving-Mesh-Funktionalität ermöglicht es, lineare Bewegungen zu modellieren. Dies ist wichtig für das Verständnis der Funktionsweise von Komponenten mit Stößeln, wie z.B. in magnetischen Leistungsschaltern und allgemeinen Aktoren.

Ein U-Boot-Modell in der COMSOL-Softwareoberfläche.

Ein U-Boot wird über die Randbedingung Magnetische Abschirmung mit dünnen Strukturen modelliert. Die magnetische Signatur kann mit der Randelementmethode in großen Entfernungen ermittelt werden.

 

Sie können aus einer großen Materialdatenbank wählen, die Folgendes beinhaltet:

  • Ferromagnetische Materialien
  • Ferrimagnetische Materialien
  • B-H-Kurven
  • H-B-Kurven

Darüber hinaus können Sie Materialien aus Bibliotheken verwenden, die von anderen Zusatzprodukten zur Verfügung gestellt werden.

Materialien können räumlich variieren, anisotrop, zeitvariabel, verlustbehaftet, komplexwertig und diskontinuierlich sein. Es ist einfach, den Umfang einer Simulation mit wenig Mehraufwand zu erweitern. Sie können Ihre eigenen Materialien mit Hilfe von mathematischen Ausdrücken, Referenztabellen oder Kombinationen aus beidem definieren. Alternativ können Sie auch extern definierte, in C-Code geschriebene Materialien einbinden.

Generell können Sie mit Hilfe der gleichungsbasierten Modellierungsfunktionalität Randbedingungen, Materialeigenschaften und Gleichungen ändern, um eine Simulation an Ihre speziellen Bedürfnisse anzupassen.

Ein Beispiel für die Anwendung der gleichungsbasierten Modellierung mit dem AC/DC Module zur Einbeziehung benutzerdefinierter Materialien. Ein anisotropes hysteretisches Jiles-Atherton Materialmodell wird verwendet, um das Magnetfeld in einem E-Kern Modell zu berechnen, wobei die Ergebnisse eine B-H-Kurve und die magnetische Flussdichte-Norm zeigen.

Das AC/DC Module bietet automatische, halbautomatische und adaptive Netzgenerierung. Im Hintergrund formuliert und löst das AC/DC Module die Maxwell-Gleichungen mit Hilfe von FEM, BEM oder einer Kombination beider Methoden in Verbindung mit modernsten Lösern. Es stehen verschiedene Arten von Finite-Elemente- und Randelemente-Netzelementen zur Verfügung.

Numerische Methoden im AC/DC Module:

  • FEM
  • BEM
  • Lineare netzknotenbasierte und Kantenelement-Diskretisierungen höherer Ordnung
  • Kombinationen aus tetraedrischen, prismatischen, pyramidalen, hexaedrischen, dreieckigen und viereckigen Elementen
  • Lineare und nichtlineare Löser

Studientypen im AC/DC Module:

  • Statisch
  • Frequenzbereich
  • Zeitbereich
  • Automatisierte Anschluss-Sweeps zur Extraktion von Schaltungsparametern
Ein Beispiel für die Lösung von Elektro- und Magnetfeldmodellen mit dem AC/DC Module.

Es ist einfach, mehrere Lösungsschritte durch Hinzufügen von Studien einzubeziehen. In diesem Generatorbeispiel werden Analyse der Spulengeometrie, Stationär und Zeitabhängige Studien in aufeinanderfolgender Reihenfolge hinzugefügt.

Die Standardvisualisierungen werden automatisch an das von Ihnen verwendete Interface angepasst und beinhalten Darstellungen von elektrischen und magnetischen Feldern, Strömen, Ladungen und Spannungen. Sie können auf einfache Weise benutzerdefinierte Visualisierungen beliebiger Feldgrößen sowie zusammengesetzte Ausdrücke von Feldgrößen und deren Ableitungen hinzufügen.

Mit den Nachbearbeitungswerkzeugen lassen sich zusammengefasste Parametermatrizen wie Kapazitäts- oder Impedanzmatrizen sowie integrierte, gemittelte, maximale und minimale Werte erzeugen. Beispielsweise können Sie mit einer Maximalwert-Auswertung sicherstellen, dass die Spannungsfestigkeit an keiner Stelle in Ihrem Modell überschritten wird, oder Sie erhalten die Gesamtladung durch Integration der Ladungsdichte über eine Reihe von Oberflächen. Durch die Verwendung von Schnittlinien und Schnittflächen ist es möglich, die Feldwerte auf beliebigen Querschnitten eines Modells zu untersuchen.

Nachbearbeitungs- und Visualisierungsfunktionen im AC/DC Module:

  • Spannungsplots
  • E-Feldplots
  • Magnetfeldplots
  • Stromdichteplots
  • Ladungsdichteplots
  • Beliebige Ausdrücke physikalischer Größen
  • Abgeleitete tabellarische Größen wie R-, L-, C-, Z-, Y- und S-Matrizen
  • Gesamtladung und Strom
  • Kraft und Drehmoment über der Zeit
Ein Beispiel für die Visualisierung von EM-Plots mit dem AC/DC Module. Das Öffnen und Schließen eines Netzschalters wird modelliert und anschließend mit Nachbearbeitungswerkzeugen visualisiert. Die elektrischen Verluste werden für drei verschiedene Zeiten zusammen dargestellt.

Machen Sie Ihren Simulationsprozess mit dem integrierten Application Builder effizienter, indem Sie Ihre Modelle in spezialisierte Apps mit angepassten Ein- und Ausgaben verwandeln. Sie können die von Ihnen erstellten Apps an Kollegen ohne Simulationserfahrung verteilen, so dass diese selbstständig wiederholte Analysen durchführen und den Designprozess optimieren können.

Der Workflow ist einfach:

  1. Verwandeln Sie Ihr EM-Modell in eine spezialisierte Benutzeroberfläche (eine App)
  2. Passen Sie die App an Ihre Bedürfnisse an, indem Sie Ein- und Ausgaben für die Benutzer der App auswählen
  3. Fügen Sie optionalen Code für die Logik der Benutzeroberfläche oder zusätzliche nicht standardmäßige Operationen hinzu
  4. Verwenden Sie das Produkt COMSOL Server™, um die App an andere Teammitglieder oder darüber hinaus zu verteilen
  5. Ermöglichen Sie Ihrem Team, eigene Designanalysen ohne weitere Unterstützung durchzuführen

Sie können die Möglichkeiten der Simulation auf Ihr gesamtes Team, Ihre Organisation, Ihren Schulungsraum oder Ihre Kunden- oder Geschäftspartner ausdehnen, indem Sie Simulations-Apps erstellen und verwenden.

Ein Beispiel für eine App zur effizienten Simulation von Touchscreens. Die Touchscreen Simulator App wurde mit COMSOL Multiphysics® und dem AC/DC Module erstellt. Indem Sie Apps wie diese erstellen, können Sie den Entwicklungsprozess von EM-Geräten optimieren.

Wenn Sie die MATLAB® Software verwenden, können Sie ganz einfach COMSOL Multiphysics® Simulationen mit MATLAB® Skripten und Funktionen ausführen. Das Schnittstellenprodukt LiveLink™ for MATLAB® ermöglicht es Ihnen, über MATLAB®-Befehle auf COMSOL®-Operationen zuzugreifen und diese Befehle mit Ihrem vorhandenen MATLAB®-Code direkt in der MATLAB®-Umgebung zu kombinieren.

Um Ihnen die Analyse der elektromagnetischen Eigenschaften von CAD-Modellen und elektronischen Entwürfen zu erleichtern, bietet COMSOL als Teil unserer Produktpalette die Produkte ECAD Import Module, CAD Import Module, Design Module und LiveLink™ Produkte für führende CAD-Systeme an. Die LiveLink™ Produkte ermöglichen es, das parametrische CAD-Modell in seiner nativen Umgebung intakt zu halten, aber dennoch die geometrischen Dimensionen aus der COMSOL Multiphysics® Software heraus zu steuern und gleichzeitig parametrische Sweeps über mehrere Modellparameter durchzuführen..

Sie können auch Microsoft® Excel® Tabellenkalkulationsdaten mit den Parametern synchronisieren, die Sie in der COMSOL Multiphysics® Umgebung über das Schnittstellenprodukt LiveLink™ for Excel® definieren.

Zu den verfügbaren Schnittstellenprodukten gehören:

  • LiveLink™ for MATLAB®
  • ECAD Import Module
  • CAD Import Module
  • Design Module
  • LiveLink™ Produkte für führende CAD-Programme
  • LiveLink™ for Excel®

Alle verfügbaren Schnittstellenprodukte in der Produktpalette anzeigen.

Ein Beispiel für den Import einer IPC-2581-Testdatei in COMSOL Multiphysics®. Eine IPC-2581-Testdatei einer sechsschichtigen Leiterplatte wurde mit dem ECAD Module zur Simulationsanalyse in COMSOL Multiphysics® importiert. Der Testfall wurde von Cadence Design Systems, Inc. zur Verfügung gestellt.

Elektromagnetische Geräte und Systeme für die Praxis entwickeln

Die Produkte, Geräte und Komponenten, die Sie für den statischen oder niederfrequenten Bereich entwickeln, müssen in der Praxis sicher funktionieren. Für eine umfassende Analyse verwenden Sie die COMSOL Multiphysics® Software und das AC/DC Module, um zu sehen, wie sich multiple physikalische Vorgänge auf Ihr Design auswirken.

Die meisten elektromagnetischen Komponenten, Geräte und Produkte werden von weiteren Zweigen der Physik beeinflusst, sei es Wärmeübertragung, Strukturmechanik oder Akustik, um nur einige zu nennen. Für eine möglichst genaue Untersuchung können Sie eine Vielzahl dieser Effekte gemeinsam untersuchen. Die COMSOL Multiphysics® Plattform ermöglicht die Kopplung mehrerer physikalischer Effekte in einer Softwareumgebung.

Ein Beispiel für den Entwurf realer elektromagnetischer Geräte mit der Software COMSOL Multiphysics. Ein Induktionsmotor wird mit dem AC/DC Module und dem Multibody Dynamics Module modelliert, um elektromechanische Effekte zu berücksichtigen. Die von Mises Spannungsverteilung im Gehäuse ist dargestellt.

Nächster Schritt:
Eine Software Demonstration
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Jedes Geschäftsfeld und jeder Simulationsbedarf ist anders. Um zu beurteilen, ob die Software COMSOL Multiphysics® Ihren Anforderungen entspricht, sollten Sie sich mit uns in Verbindung setzen. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie personalisierte Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen dabei helfen, eine qualifizierte Bewertung treffen zu können. Sie werden außerdem bei der Auswahl der passenden Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse unterstützt. Klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "COMSOL kontaktieren", geben Sie Ihre Kontaktdaten sowie Ihre spezifischen Kommentare und Fragen ein und senden Sie diese ab. Sie erhalten innerhalb eines Arbeitstages eine Antwort von einem Vertriebsmitarbeiter.