AC/DC 模块 低频电磁和机电元器件的仿真工具

技术前沿 / 2024-03-06 14:11:13

作为 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的附加专业模块，“AC/DC 模块”是一款分析静态、低频电磁问题的强大而灵活的工具，提供了丰富的建模功能和数值方法，帮助用户通过求解麦克斯韦方程来深入研究电磁场和 EMI/EMC 问题。

借助于 COMSOL® 软件的多物理场耦合功能，用户还可以进一步研究电磁场与其他如热、结构、声等物理效应之间的相互影响，获得更加准确、贴近实际场景的仿真结果。

通过模拟直流、瞬态或交流等各种形式的电流，用户可以有效地分析电阻和导电器件。在静态和低频条件下，如果可以忽略磁场，基于欧姆定律来计算器件的电流和电势将非常高效，并足以提供准确的结果。基于电势结果，可以进一步计算如电阻、电导率、电场、电流密度和功率损耗等物理量。

“AC/DC 模块”支持稳态、频域、时域和小信号分析；时域和频域分析支持电容效应的计算。

对于不涉及电流流动，电场由电势和电荷分布决定的介电结构，可以通过静电计算来分析电容器件和电绝缘。“AC/DC 模块”提供了有限元（FEM）和边界元（BEM）方法来求解电势，也支持组合使用两种方法（有限元-边界元混合方法）来满足不同问题的需求。基于电势场结果，可以进一步计算如电容矩阵、电场、电荷密度和静电能等物理量，帮助您深入理解和优化系统的静电特性。 

静磁场仿真可以分析静磁场、寄生电感以及线圈、导体和磁体上的磁力。“AC/DC 模块”提供了丰富的材料数据库，包含各种非线性磁性材料，也支持自定义添加材料。用户需根据所研究问题是否存在电流、是否包含磁性材料等因素，来选择不同的分析方法。

在没有电流的情况下，推荐使用有限元法和边界元法求解静磁问题，或结合使用这两种方法，采用混合有限元-边界元法以提高计算效率。

对于最常见的、同时存在电流和磁性材料的情况，需要通过矢量场公式来定义电势和输入电流，并计算电流密度分布、磁场、磁力、功耗和互感。

“AC/DC 模块”支持对线圈进行详细的三维建模，精确计算每根导线内的电流分布；也支持通过近似等效的方式简化建模，通过计算线圈电流分布来分析形状复杂的线圈，这对于多匝线圈尤其有效。

AC/DC 模块”可以模拟电缆、导线、线圈、螺线管和其他感应设备中由导电材料中流动的电流产生的磁场。一般来说，对于具有显著感应效应的时变场，电场与磁场之间双向耦合。在这类情况下，集肤深度往往与设备尺寸相当，但远小于波长，因此需要使用矢量场公式以确保计算的准确性。

“AC/DC 模块”支持在二维和三维中进行频域、小信号分析和时域建模。对于具有强非线性 E-J 特性的材料，例如超导体，还提供了专门的公式用于时域磁建模。

AC/DC 模块”中内置了旋转机械分析功能，可用于分析电动机和发电机。用户可以通过计算磁体内产生的涡流损耗等，研究感应电机或永磁电机的特性。在所有模拟电磁运动的模型中，均支持磁力和扭矩、感应电流以及机械载荷等物理量的计算。

通用的动网格功能还支持研究线性运动，这对于分析含柱塞的部件（例如磁力开关、螺线管和通用执行器）起着重要的作用。

“AC/DC 模块”自带集总电路分析功能，支持对包含各种元器件（如电压和电流源、电阻、电容、电感和半导体器件）的电路进行电流和电压分析。电路模型还可以连接到详细的二维和三维电磁场分析模型，以实现更加精细的电路仿真。此外，电路拓扑结构还支持以 SPICE 网表格式导出和导入，方便与其他工具进行数据交换。

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