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® um das 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 notwendigen Werkzeuge für die folgenden Modellierungsaufgaben:

  • Kondensatoren
  • Induktoren
  • Isolatoren
  • Dielektrische Belastung
  • Spulen
  • Motoren
  • Sensoren
  • Zylinderspulen
  • Extraktion von Netzwerkparametern (R-, L-, Z-Matrizen)
  • Parasitäre Kapazität und Induktivität
  • Kombinierte SPICE-Schaltungs- und Feld-Simulationen
  • Elektroschweißen
  • Elektrische Isolierung
  • EMV
  • Elektromagnetische Abschirmung
  • Kapazitive Touchscreens
  • Magnetische Lager
  • Elektromigration
  • Induktionsöfen
  • Induktionslogging
  • Dielektrika
  • Generatoren
  • Dauermagnete
  • Elektromagnete
  • Aktoren
  • Kolben und Stempel
  • 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
  • Joule'sche Erwärmung und Widerstandsheizung
  • Verformung und Belastung durch elektromagnetische Kräfte und Drehmomente
  • Lorentzkräfte in Feststoffen und Flüssigkeiten

Mit zusätzlichen Modulen verfügbar:

  • Wärmestrahlung
  • Thermischer Übergangswiderstand
  • Biologische Erwärmung
  • Elektrostatische Verformung
  • Piezoelektrischer Effekt
  • Piezoresistiver Effekt
  • Elektrostriktion
  • Magnetostriktion
  • Thermoelektrischer Effekt
  • Joul'sche Erwärmung in geschichteten Materialien
  • Induktiv gekoppelte Plasmen
  • Kapazitiv gekoppelte Plasmen
  • Gewebeablation
  • Trajektorienberechnung 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 bietet eine Auswahl an physikalischen Interfaces für den Aufbau von Analysen in einer Reihe von Anwendungsbereichen. Zu diesen gehören u.A. 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 in mehrschichtigen 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. Diese elektromagnetische Schalenmodellierung ermöglicht es, zur effizienteren Modellierung die Materialdicke eines dünnen Festkörpers in einem CAD-Modell durch die physikalischen Eigenschaften seiner Oberfläche zu ersetzen.

Unbegrenzte oder große Gebiete

Zur genauen 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. Diese kann ebenfalls in Kombination mit physikalischen Interfaces auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt werden.

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 Solenoidspulen. 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 Mehrfachwicklungsspulen können in vollsymmetrischen 3D- oder rotationssymmetrischen 2D-Modellen definiert werden. Eine Bauteilbibliothek mit parametrischen Spulen- und Magnetkernformen ermöglicht eine schnellere Modellbildung bei der Analyse von Transformatoren, Induktoren, Motoren und Aktoren.

Rotierende Maschinen und Linearbewegungen

Das vordefinierte Interface für rotierende Maschinen vereinfacht die Modellierung von Motoren und Generatoren erheblich. Das Interface ermöglicht einen Zugang beim Verständnis von Induktions- oder PM-Motoren, insbesondere durch die Erfassung der Wirbelstromverluste, die in den Magneten auftreten. In jedem beliebigem Modell, das zur Simulation elektromagnetischer Bewegungen verwendet wird, können Sie die Dynamik starrer oder flexibler Körper unter dem Einfluss von magnetischen Kräften und Drehmomenten, induzierten Strömen sowie mechanischen Last- und Federkonfigurationen untersuchen.

Eine universell einsetzbare Moving-Mesh-Funktionalität ermöglicht es zudem, lineare Bewegungen zu modellieren. Dies ist wichtig für das Verständnis der Funktionsweise von Komponenten mit Kolben oder Stempeln, wie diese z.B. in magnetischen Leistungsschaltern und allgemeinen Aktoren zum Einsatz kommen.

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.

 

Bei der Materialiendefinition können Sie auf die Auswahl einer großen Materialdatenbank zurückgreifen. Diese umfasst u.a.:

  • 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. Dabei ist es bereits mit geringem Mehraufwand möglich, den Umfang einer Simulation zu erweitern. Sie können Ihre eigenen Materialien mit Hilfe von Referenztabellen, mathematischen Ausdrücken 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 die 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.

Jedes verwendete Interface stellt automatisch-generierte Standardvisualisierungen von elektrischen und magnetischen Feldern, Strömen, Ladungen und Spannungen zur Verfügung. Sie können auf einfache Weise benutzerdefinierte Visualisierungen beliebiger Feldgrößen sowie zusammengesetzte Ausdrücke von Feldgrößen und deren Ableitungen hinzufügen.

Mit den Werkzeugen des Postprocessing lassen sich Parametermatrizen von Netzwerkgrößen wie Kapazitäts- oder Impedanzmatrizen sowie integrierte, gemittelte, maximale und minimale Werte erzeugen. Beispielsweise können Sie mit einer Maximumsauswertung sicherstellen, dass die Spannungsfestigkeit an keiner Stelle in Ihrem Modell überschritten wird, oder Sie erhalten die Gesamtladung durch Integration der Ladungsdichte über verschiedene 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 Netzwerkparameter wie R-, L-, C-, Z-, Y- und S-Matrizen
  • Gesamtladung und Strom
  • Kraft und Drehmoment über die 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 Applications mit angepassten Ein- und Ausgaben verwandeln. Sie können die von Ihnen erstellten Applications 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 Application)
  2. Passen Sie die App an Ihre Bedürfnisse an, indem Sie Ein- und Ausgaben für die Benutzer der Application auswählen
  3. Fügen Sie optionalen Code für die Logik der Benutzeroberfläche oder zusätzliche nicht standardmäßige Operationen hinzu
  4. Verwenden Sie das COMSOL Server™ oder das COMSOL Compiler™ Produkt, um Applications für andere zugänglich zu machen
  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-Applications 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®

Lassen Sie sich 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 Komponenten, Geräte und Produkte, die Sie für den statischen oder niederfrequenten Bereich entwickeln, müssen in der Praxis sicher funktionieren. Die COMSOL Multiphysics®-Software und das AC/DC Module ermöglichen eine umfassende Analyse der vielfältigen physikalischen Vorgänge, die sich auf Ihr Design auswirken.

Zur Auslegung der meisten elektromagnetischen Komponenten, Geräte und Produkte muss der Einfluss weiterer Physikfelder untersucht werden, sei es Wärmeübertragung, Strukturmechanik oder etwa Akustik. 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
anfordern

Jedes Geschäftsfeld und jeder Simulationsbedarf ist anders. Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics®-Software 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.