Software zur Simulation statischer und niederfrequenter Elektromagnetik

Ein Heizkreismodell, das die Oberflächenverluste in der Rainbow-Farbtabelle und die Temperatur in der Wärmebildkamera-Farbtabelle zeigt.

Elektrische Ströme

Analysieren Sie resistive und leitende Komponenten effizient durch Modellierung von Gleich-, Wechsel- oder Transient-Strömen. Unter statischen, niederfrequenten Bedingungen und wenn Magnetfelder vernachlässigbar sind, ist die Modellierung elektrischer Ströme ausreichend für genaue Ergebnisse. Die auf dem Ohm'schen Gesetz basierenden Berechnungen werden durch die Lösung des elektrischen Potentials sehr effizient durchgeführt. Auf der Grundlage des sich daraus ergebenden Potenzialfelds können eine Reihe von Größen berechnet werden: Widerstand, Leitwert, elektrisches Feld, Stromdichte und Verlustleistung.

Mit dem AC/DC Module können Sie Analysen im stationären Bereich, im Frequenzbereich und im Zeitbereich sowie eine Kleinsignalanalyse (small-signal analysis) durchführen. Im Zeit- und Frequenzbereich können Sie auch kapazitive Effekte berücksichtigen.

Elektrostatik

Analysieren Sie kapazitive Bauelemente und elektrische Isolatoren mit Hilfe von elektrostatischen Berechnungen. Dieser Ansatz ist für dielektrische Strukturen anwendbar, in denen keine Ströme fließen und die Felder durch das elektrische Potenzial und die Ladungsverteilung bestimmt werden. Zur Lösung des elektrischen Potenzials stehen sowohl die Finite-Elemente-Methode (FEM) als auch die Randelement-Methode (BEM) zur Verfügung, die zu einer hybriden Finite-Elemente-Randelement-Methode kombiniert werden können. Auf der Grundlage des berechneten Potenzialfeldes können eine Reihe von Größen berechnet werden: Kapazitätsmatrizen, elektrisches Feld, Ladungsdichte und elektrostatische Energie.

Ein Modell eines Hochspannungsisolators, das die elektrische Potenzialverteilung in der Rainbow-Farbtabelle zeigt.

Detailaufnahme eines Magneten mit einem Stab, der die Verschiebung und die magnetische Flussdichte zeigt.

Detailansicht eines induktiven Matrixmodells mit Darstellung der magnetischen Flussdichte.

Detailaufnahme eines Halbach-Rotors mit Darstellung der magnetischen Flussdichte.

Detailansicht des Modells einer Helmholtz-Spule mit Darstellung des Magnetfelds.

Magnetostatik

Berechnen Sie magnetostatische Felder, parasitäre Induktivitäten und Kräfte an Spulen, Leitern und Magneten. Sie können aus einer umfangreichen Materialdatenbank wählen, die eine breite Palette nichtlinearer magnetischer Materialien enthält, oder Ihre eigenen nichtlinearen Materialien definieren. Je nachdem, ob Ströme, magnetische Materialien oder beides vorhanden sind, stehen verschiedene Formulierungen zur Verfügung.

Sowohl FEM als auch BEM sind für die Magnetostatik verfügbar, wenn keine Ströme vorhanden sind, und können für eine hybride Finite-Elemente-Randelement-Methode kombiniert werden.

Für den allgemeinsten Fall, in dem sowohl Stromfluss als auch magnetische Materialien vorhanden sind, ermöglicht eine Vektorfeldformulierung die Definition des elektrischen Potenzials und der Eingangsströme sowie die Berechnung der Stromdichteverteilung, der Magnetfelder, der Magnetkräfte, der Verlustleistung und der gegenseitigen Induktivitäten.

Spulen können entweder explizit modelliert werden, wobei die exakte Stromverteilung in jedem Draht berechnet wird, oder in einem homogenisierten Sinne, was für Spulen mit vielen Windungen sehr effizient ist. Komplexe Spulenformen werden automatisch durch Berechnung der Spulenstromverteilungen behandelt.

Elektromagnetische Felder

Bei der Modellierung von Kabeln, Drähten, Spulen, Zylinderspulen und anderen induktiven Bauteilen wird das Magnetfeld durch elektrische Ströme erzeugt, die in leitenden Materialien fließen. Im Allgemeinen gibt es bei zeitlich veränderlichen Feldern mit bedeutenden Induktionseffekten eine bidirektionale Kopplung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. In diesen Fällen ist eine Vektorfeldformulierung erforderlich, typischerweise dann, wenn die Skin-Tiefe in der Größenordnung der Bauteilgröße liegt, die Wellenlänge jedoch viel größer ist.

Frequenzbereich, Kleinsignalanalyse (small-signal analysis) und Modellierung im Zeitbereich werden in 2D und 3D unterstützt. Es steht eine spezialisierte Formulierung zur Verfügung, die sich besonders für die magnetische Modellierung im Zeitbereich von Materialien mit stark nichtlinearer E-J-Charakteristik, wie z. B. Supraleitern, eignet.

Ein Leistungstransformator, der die Verlustverteilung zeigt.

Detailansicht eines Stahlknüppelmodells mit Temperatur und Magnetfeld.

Eine detaillierte Ansicht von drei Leistungsschaltermodellen, die die elektrischen Verluste jedes Modells zeigt.

Detailansicht eines Unterseekabels mit Darstellung der ohmschen und magnetischen Verlustdichte.

Rotierende Maschinen

Die integrierte Funktionalität für rotierende Maschinen macht es einfach, Motoren und Generatoren zu modellieren. Sie können zum Beispiel das Verhalten von Induktions- oder Permanentmagnetmotoren untersuchen, insbesondere durch Erfassung der Wirbelstromverluste, die innerhalb der Magnete auftreten. In jedem Modell, das zur Simulation elektromagnetischer Bewegungen verwendet wird, können Sie die Dynamik starrer oder flexibler Teile unter dem Einfluss magnetischer Kräfte und Drehmomente, induzierter Ströme und mechanischer Last- und Federkonfigurationen untersuchen.

Eine allgemeine Moving-Mesh-Funktionalität ermöglicht es, lineare Bewegungen zu modellieren. Dies ist wichtig, um die Funktionsweise von Komponenten zu verstehen, die Kolben enthalten, wie z. B. in magnetischen Leistungsschaltern, Solenoiden und allgemeinen Aktuatoren.

Elektrische Schaltungen

Erstellen Sie einfache Systeme zur Modellierung von Strömen und Spannungen in Schaltungen, einschließlich Spannungs- und Stromquellen, Widerständen, Kondensatoren, Induktoren und Halbleiterbauelementen. Elektrische Schaltungsmodelle können auch mit Modellen für verteilte Felder in 2D und 3D verbunden werden. Außerdem können Schaltungstopologien im SPICE-Netzlistenformat exportiert und importiert werden.

Eine 1D-Darstellung der Ausgangsspannung eines Operationsverstärkermodells mit der Spannung am Voltmeter auf der y-Achse und der Zeit auf der x-Achse.

Features und Funktionen des AC/DC Module

Das AC/DC Module enthält spezialisierte Features und Funktionen für die verschiedenen auf dieser Seite vorgestellten Möglichkeiten.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Coil-Knoten und einem 3D-Induktormodell im Grafikfenster.

Integrierte Interfaces

Das AC/DC Module bietet integrierte Interfaces für jeden der oben aufgeführten elektromagnetischen Bereiche sowie Variationen für spezielle Modellierungszwecke. Diese Interfaces definieren jeweils Sätze von Bereichsgleichungen, Randbedingungen, Anfangsbedingungen, vordefinierte Netze, vordefinierte Studien mit Löser-Einstellungen für stationäre und transiente Analysen sowie vordefinierte Plots und abgeleitete Werte.

Es gibt auch Funktionen, die die verschiedenen Interfaces miteinander verbinden, um sie auf einfache Weise zusammen zu modellieren, was für Induktoren, Spulen und Motoren praktisch sein kann.

Eine Nahaufnahme der Coil-Einstellungen und Simulationsergebnisse eines Leistungstransformatormodells im Grafikfenster.

Spulen

Spezialisierte Funktionen ermöglichen die einfache Modellierung von Spulen und die Umwandlung von effektiven Größen, wie Strömen und Spannungen, in verteilte Größen, wie Stromdichten und elektrische Felder. Einzelleiter- und homogenisierte Multiturn-Spulen können in vollständigen 3D-, 2D- oder axialsymmetrischen 2D-Modellen definiert werden. Eine Teilebibliothek mit vollständig parametrischen Spulen- und Magnetkernformen ermöglicht eine schnellere Modellbildung bei der Analyse von Transformatoren, Induktoren, Motoren und Aktoren.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Electrostatics, Boundary Elements und einem abstimmbaren Kondensatormodell im Grafikfenster.

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 Modellierung von Elektrostatik und Magnetostatik steht die Randelemente-Methode (BEM) als alternative Methode für die Modellierung großer oder unendlicher Bereiche zur Verfügung. Außerdem können Sie BEM mit den FEM-basierten Physik-Interfaces kombinieren, um hybride FEM-BEM-Simulationen durchzuführen.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Electric Currents in Layered Shell und dem elektrischen Potenzial eines Heizkreises im Grafikfenster.

Dünne Strukturen und geschichtete Materialien

Für die Modellierung sehr dünner Strukturen können Sie Schalenformulierungen verwenden, die für Gleichstrom-, Elektrostatik-, Magnetostatik- und Induktionssimulationen verfügbar sind. Zusätzlich gibt es spezielle Funktionen für die Modellierung von Gleichströmen in dünnen Mehrfachschichten. Die elektromagnetische Schalenmodellierung ermöglicht es, die Dicke eines dünnen Festkörpers in einem CAD-Modell als physikalische Eigenschaft einer Fläche auszudrücken, was zu einer wesentlich effizienteren Beschreibung führt.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für das Ampèresche Gesetz und ein 1D-Plot der magnetischen Flussdichte eines Vektor-Hysterese-Modells im Grafikfenster.

Nichtlineare Materialien

Sie können aus einer großen Materialdatenbank wählen, die ferromagnetische Materialien, ferrimagnetische Materialien, B-H-Kurven und H-B-Kurven enthält.

Materialien können räumlich variierend, anisotrop, zeitlich variierend, verlustbehaftet, komplexwertig und diskontinuierlich sein. Es ist einfach, den Rahmen einer Simulation mit geringem Mehraufwand zu erweitern. Sie können Ihre eigenen Materialien mithilfe von mathematischen Ausdrücken, Referenztabellen oder einer Kombination aus beidem definieren. Vollständig anisotrope Hysterese wird durch das Jiles-Atherton-Materialmodell für quasistatische parametrische Modellierung und vollständige transiente Analyse unterstützt. Sie können sogar Ihr eigenes Materialmodell in C-Code kompilieren und es als externes Material einbinden.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Loss Calculation und einem 3D-Motormodell im Grafikfenster.

Modellierung von Verlusten in Motoren und Transformatoren

Die Modellierung von Verlusten in den laminierten Eisenkernen und Jochen von Motoren und Transformatoren ist wichtig für die Vorhersage ihrer Effizienz und Leistung.

Insbesondere für laminiertes Eisen (Elektrostahl) sind empirische elektromagnetische Verlustmodelle wichtig, da die makroskalige Joulesche Erwärmung oder die Induktionserwärmung die verlustverursachende Wirkung nicht vollständig beschreiben kann. Gleichzeitig ist die individuelle Modellierung der einzelnen Bleche oft nicht praktikabel.

Das AC/DC Module enthält mehrere bekannte empirische Verlustberechnungsmodelle, die sehr gute Verlustabschätzungen für nur einen Bruchteil des Rechenaufwands liefern, den ein High-Fidelity-Modell erfordern würde. Dabei werden die Auswirkungen magnetischer Hysterese und Wirbelströme sowie andere Phänomene, die zu den Verlusten beitragen, berücksichtigt.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen des Stationary Source Sweep und der Simulationsergebnisse einer Induktivitätsmatrix im Grafikfenster.

Parasitäre Induktivität und Parameterextraktion

Für die Berechnung parasitärer Induktivitäten in PCBs (Leiterplatten) steht eine spezielle Berechnungsmethode zur Verfügung, die besonders effizient für große Induktivitätsmatrizen in 3D ist. Das Interface Magnetic Fields, Currents Only wird verwendet, um die Teilbeiträge von Magnetfeldern zu berechnen, die von offenen Leitern erzeugt werden, wodurch die Komplexität der Modellierung reduziert wird.

Das magnetische Vektorpotential wird als abhängige Variable verwendet, um die durch Ströme erzeugten Magnetfelder unter der Annahme zu berechnen, dass alle Regionen nichtmagnetisch sind. Das heißt, dass die Regionen eine einheitliche relative magnetische Permeabilität von "eins" haben. Das Interface kann mit der Funktion Stationary Source Sweep verwendet werden, um in einer Simulation über viele Terminals zu sweepen.

Niederfrequente Elektromagnetik und Multiphysik

Elektromagnetische Komponenten beeinflussen multiple physikalische Phänomene und werden von diesen beeinflusst. In COMSOL Multiphysics^® unterscheidet sich dies nicht von der Modellierung eines einphysikalischen Problems.

Detailansicht einer Stromschienen-Baugruppe mit Darstellung der Temperaturverteilung.

Joule-Erwärmung und Widerstandserwärmung¹

Joule-Erwärmung (auch bekannt als Widerstandserwärmung) in Festkörpern, Flüssigkeiten, Schalen und geschichteten Schalen.

Detaillierte Darstellung der Temperaturverteilung in einem Stahlknüppel beim Durchlaufen von drei stromführenden Spulen.

Induktionserwärmung

Induktionserwärmung zum Modellieren von Inline-Induktionsheizungen und Metallverarbeitung.

Detailaufnahme eines Magneten, der durch ein Kupferrohr fällt.

Elektromagnetische Kraft und Drehmoment

Finite-Elemente- und Randelement-basierte Berechnung von elektromagnetischer Spannung, Kraft und Drehmoment.

Detailansicht eines Lautsprechertreibers, die die Größe der Auslenkung zeigt.

Lorentz-Kräfte

Strominduzierte Lorentz-Kräfte, die als volumetrische Strukturlasten für die Modellierung von elektroakustischen Wandlern und mehr verwendet werden.

Detaillierte Darstellung des Stromflusses durch einen Kontaktschalter und der Temperaturverteilung.

Elektrischer Kontaktwiderstand

Ströme, die zwischen in Kontakt gebrachten Metallteilen fließen. Kombiniere Sie mit thermischem² und mechanischem³ Kontakt.

Ein 1D-Plot der Hysterese in einem ferroelektrischen Material.

Ferroelektrizität

Die Funktion der Ferroelektrizität dient der Modellierung einer zeitlich veränderlichen Polarisation, die ein hysteretisches Verhalten aufweisen kann.

Detailansicht eines magnetostriktiven Transducer mit Darstellung der Spannung und des Magnetfelds.

Magnetostriktion⁴

Formveränderungen von magnetischen Materialien, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wichtig für Sonar- und Transformatorgeräusche.

Detailansicht eines Plasmabrennermodells mit Darstellung der Temperaturverteilung.

Induktiv gekoppeltes Plasma⁵

Induktiv gekoppelte Plasmen, die in der Halbleiterverarbeitung eingesetzt werden.

Detailansicht des Modells einer Einzel-Linse mit Darstellung der Partikelbahnen und des elektrischen Potenzials.

Charged Particle Tracing⁶

Die Bewegung von elektrisch geladenen oder magnetischen Teilchen aufgrund elektromagnetischer Kräfte.

Detailansicht einer DEP-Filtervorrichtung mit kontinuierlicher Partikelabscheidung.

Dielektrophorese⁶

Die Bewegung von neutralen Teilchen aufgrund von elektrischen Feldgradienten.

Benötigt nicht das AC/DC Module
Benötigt zusätzlich das Heat Transfer Module
Erfordert zusätzlich das MEMS Module oder Structural Mechanics Module
Erfordert zusätzlich das Acoustics Module, MEMS Module, oder Structural Mechanics Module
Erfordert zusätzlich das Plasma Module
Erfordert zusätzlich das Particle Tracing Module

Verwendung von Drittanbieter-Software mit COMSOL Multiphysics^®

Wenn Sie die Software MATLAB^® verwenden, können Sie COMSOL Multiphysics^®-Simulationen leicht mit MATLAB^®-Skripten und -Funktionen steuern. Mit dem LiveLink™ for MATLAB^® Interface können Sie auf COMSOL^® Operationen direkt in der MATLAB^® Umgebung zugreifen und sie mit Ihrem bestehenden MATLAB^® Code verbinden.

Um Ihnen die Analyse elektromagnetischer Eigenschaften von CAD-Modellen und elektronischen Layouts zu erleichtern, bietet COMSOL als Teil unserer Produktpalette die Produkte ECAD Import Module, CAD Import Module, Design Module und LiveLink™ für führende CAD-Systeme.

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

Ein Beispiel für den Import von Daten aus einem ODB++-Archiv in COMSOL Multiphysics zur Erstellung einer Geometrie.