Aggiornamenti dell'AC/DC Module
Agli utenti dell'AC/DC Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre la nuova interfaccia Electrostatics, Boundary Elements, un nuovo passo di studio Stationary Source Sweep e diversi nuovi tutorial. Gli aggiornamenti sono descritti in dettaglio qui di seguito.
Nuova interfaccia fisica: Electrostatics, Boundary Elements
La nuova interfaccia Electrostatics, Boundary Elements è stata sviluppata per creare ed eseguire modelli che non si adattano bene al metodo agli elementi finiti (FEM). La formulazione si basa sul metodo agli elementi al contorno (BEM). L'interfaccia fisica, disponibile in 2D e 3D, risolve l'equazione di Laplace per il potenziale elettrico utilizzando come variabile dipendente il potenziale elettrico scalare. Questa nuova interfaccia è un'utile alternativa all'interfaccia Electrostatics per calcolare la distribuzione del potenziale nei dielettrici ed è comoda soprattutto per le strutture che avrebbero mesh complesse. Si noti che la distribuzione del potenziale elettrico sui contorni deve essere definita in modo esplicito, pertanto sono necessari materiali con proprietà costanti all'interno dei domini.
L'interfaccia Electrostatics, Boundary Elements può anche essere combinata con l'interfaccia Electrostatics basata sugli elementi finiti, utilizzando il nodo multifisico Boundary Electric Potential Coupling. Ad esempio, è possibile utilizzare una combinazione delle due interfacce per includere gli effetti di uno spazio infinito anziché utilizzare la funzione Infinite Element Domain.
Il comportamento elettrostatico di un condensatore regolabile modellato con gli elementi al contorno. Il campo e il potenziale elettrico sono mostrati in un grafico a frecce, mentre la densità della carica superficiale indotta è rappresentata sulle superfici dell'elettrodo. L'uso del metodo agli elementi al contorno elimina la necessità di definire un dominio e un contorno di modellazione finito, così come la necessità di creare la mesh molto sottile del volume del condensatore.
Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza l'interfaccia Electrostatics, Boundary Elements:
ACDC_Module/Capacitive_Devices/capacitor_tunable
Nuovo passo di studio: Stationary Source Sweep
È disponibile il nuovo studio personalizzato Stationary Source Sweep per calcolare più velocemente i parametri concentrati nelle interfacce Electrostatics, Electric Currents ed Electrostatics, Boundary Elements. Per i solutori diretti, riutilizza la decomposizione LU della matrice di sistema, accelerandola sensibilmente rispetto all'implementazione precedente di sweep sulle porte. Anche la velocità del solutore iterativo è stata aumentata.
L'app Touchscreen Simulator nell'Application Library dell'AC/DC Module calcola la matrice di capacità elettrica di un touchscreen in presenza di un dito umano. La posizione e l'orientamento del dito vengono controllati tramite i parametri di input e viene valutata la matrice di capacità elettrica risultante. L'immagine mostra il modello sottostante utilizzato per creare l'app Touchscreen Simulator. Il modello utilizza ora il passo di studio Stationary Source Sweep, che genera molto più velocemente la soluzione.
Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza il passo di studio Stationary Source Sweep:
ACDC_Module/Applications/touchscreen_simulator
Supporto di un solutore per problemi ibridi BEM/FEM
Talvolta si possono risolvere i problemi multifisici con un solo metodo numerico, ma la soluzione ottimale richiede metodi numerici diversi - il metodo degli elementi al contorno (BEM) e il metodo agli elementi finiti (FEM) - per problemi fisici diversi. I modelli ibridi BEM/FEM possono essere utilizzati laddove si usa il formato sparse, ottimale per la memorizzazione della matrice per la parte FEM, e il formato denso o matrix free per la parte BEM. Ciò consente di utilizzare un precondizionatore/smoother distinto per le parti FEM e BEM della matrice.
Ad esempio, è possibile utilizzare un solutore iterativo efficiente con un precondizionatore ibrido. La parte FEM può essere precondizionata liberamente come al solito, mentre la parte BEM può essere trattata con uno di questi precondizionatori per la matrice di campo vicino. Il metodo iterativo calcola il residuo con un metodo ibrido matrix-based/matrix-free, ottimizzando l'utilizzo dei diversi tipi di prodotto veloce matrice-vettore.
Nuovi tutorial: Capacitive Position Sensor (Boundary Elements and Finite Elements)
Due nuovi tutorial elettrostatici nell'Application Library dell'AC/DC Module illustrano come estrarre matrici concentrate mediante il nuovo passo di studio Stationary Source Sweep, e come trarre vantaggio dall'utilizzo del BEM.
La matrice di capacità elettrica di un sistema a cinque terminali viene calcolata e utilizzata per identificare la posizione di un oggetto metallico. Vengono presentate le nuove funzionalità dello studio e le tecniche di modellazione aggiuntive, ad esempio lo sweep di un sottoinsieme dei terminali. I tutorial mostrano anche come cambiano le prestazioni dello studio quando si utilizzano solutori diretti e iterativi.
I tutorial confrontano poi FEM e BEM utilizzando due interfacce fisiche diverse: Electrostatics e Electrostatics, Boundary Elements. A differenza di quanto avviene con il BEM, quando si utilizza il FEM è necessaria una mesh volumetrica di una porzione dell'aria circostante. Il BEM richiede solo la mesh delle superfici del conduttore e delle interfacce dove cambiano le proprietà dielettriche.
Risultati del modello Capacitive Position Sensor con l'interfaccia Electrostatics, Boundary Elements. Il campo elettrico è rappresentato dalla direzione e dimensione delle frecce; il potenziale elettrico è mostrato attraverso la freccia singola e la mappa di colore sulla superficie del sensore (grafico arcobaleno). La densità di carica superficiale indotta è tracciata sul blocco di metallo (grafico a colori aurora boreale Giove).
Percorso dell'Application Library con i nuovi tutorial Capacitive Position Sensor:
ACDC_Module/Tutorials/capacitive_position_sensor
ACDC_Module/Tutorials/capacitive_position_sensor_bem
Nuovo tutorial: Axisymmetric Approssimation of a 3D Inductor
I dispositivi induttivi esibiscono un accoppiamento capacitivo tra i conduttori alle alte frequenze. Per modellare questo fenomeno è necessario descrivere i campi elettrici in cui sono presenti componenti parallele e perpendicolari al filo elettrico. Questa considerazione può indurre a pensare che sia sempre necessario un modello 3D per simulare il fenomeno, anche se la bobina è un'elica, ma non è così.
L'esempio dell'induttore 3D dimostra come estrarre le informazioni relative all'autorisonanza di un induttore 3D mediante una simulazione assialsimmetrica. Per ottenere un modello assialsimmetrico 2D corretto, si crea un nucleo assialsimmetrico e si utilizza la funzione RLC Coil Group. Questo metodo leggero è adatto soprattutto per studiare sistemi con migliaia di spire (come sensori o trasformatori), contenendo l'utilizzo delle risorse computazionali.
Una vista 3D di una simulazione assialsimmetrica 2D ruotata di un induttore. La simulazione mostra i risultati a 6,5 MHz, vicino all'autorisonanza. Sono rappresentate la densità di flusso magnetico nel nucleo (grafico arcobaleno) e la densità di perdita (in W/m3) sulla superficie dell'avvolgimento (grafico a colori termocamera). Il grafico a frecce mostra il campo elettrico.
Percorso dell'Application Library con il modello Axisymmetric Approssimation of a 3D Inductor:
ACDC_Module/Inductive_Devices_and_Coils/axisymmetric_approximation_of_inductor_3d
Nuovo tutorial: Permanent Magnet Motor in 3D
I motori a magneti permanenti (PM) sono utilizzati in molte applicazioni di fascia alta, ad esempio nei veicoli elettrici e ibridi. Un limite di progettazione importante consiste nel fatto che i magneti sono sensibili alle alte temperature che possono verificarsi per la dispersione di calore causata dalle correnti - in particolare, le correnti parassite.
Qui, un motore PM a 18 poli è modellato in 3D per calcolare con precisione le perdite per correnti parassite nei magneti. La parte centrale della geometria, contenente il rotore e una parte del traferro, è modellata come rotante rispetto al sistema di coordinate dello statore. La simmetria settoriale e la simmetria speculare assiale sono utili per ridurre le risorse computazionali, pur catturando correttamente il comportamento 3D del dispositivo.
Una variabile dipendente aggiuntiva viene utilizzata per calcolare e memorizzare l'integrale nel tempo della densità di perdita per correnti parassite nei magneti. Questo valore, mediato su un periodo, potrebbe essere utilizzato in seguito come fonte di calore distribuita e mediata in un'analisi di scambio termico, in cui la scala temporale termica è tipicamente molto maggiore di quella delle correnti parassite.
Rappresentazione della geometria completa di un motore a magneti permanenti con bobine (rame), rotore e statore (grigio) e magneti permanenti (rosso e blu, a seconda della magnetizzazione radiale). La densità del flusso magnetico, B, viene mostrata come un grafico a frecce con la relativa legenda.
Animazione del motore a magneti permanenti con bobine (rame), rotore e statore (grigio) e magneti permanenti (rosso e blu, a seconda della magnetizzazione radiale). La densità del flusso magnetico, B, viene mostrata come un grafico a frecce con la relativa legenda.
Animazione di un ciclo settoriale che mostra i grafici a frecce delle correnti parassite nel magnete (bianco), la densità di flusso magnetico B (grafico a colori, termica chiara) e la corrente della bobina (grigio). Il grafico superficiale (grafico a colori, termocamera) mostra la densità di perdita della corrente parassita (media temporale) nel magnete.
Percorso dell'Application Library con il modello Permanent Magnet Motor in 3D:
ACDC_Module/Motors_and_Actuators/pm_motor_3d
Nuovo tutorial: Electrodynamics of a Magnetic Power Switch
Eventi elettrici quali sovracorrente o sovraccarico possono danneggiare seriamente circuiti e linee elettriche. Per evitare costose sostituzioni dei componenti, si possono installare interruttori elettrici automatici. Questi interrompono meccanicamente il flusso di corrente o il picco transitorio mediante un pistoncino, non appena viene raggiunta una corrente critica. A differenza di un fusibile, che deve essere sostituito dopo essere intervenuto per proteggere i componenti elettrici circostanti, un interruttore automatico può essere reimpostato.
Lo scopo principale di questo tutorial è l'esplorazione del principio di funzionamento e di alcune possibili soluzioni per modellare un tipo particolare di interruttore automatico: quello magnetico. Si tratta di un dispositivo elettromeccanico in cui i pistoncini di ferro si muovono per attrazione magnetica esercitata dalla corrente che scorre nelle bobine che lo circondano. La disattivazione della corrente di comando riporta l'interruttore allo stato iniziale.
Il modello simula la dinamica di un corpo rigido soggetto a forze magnetiche, correnti indotte e combinazioni di molla/vincolo che mantengono il pistoncino nella sua posizione di equilibrio. Una bobina di rame è posta sulla porzione centrale di un nucleo inferiore, che viene mantenuto fisso. Mentre la corrente scorre nella bobina, viene esercitata una forza di attrazione sul nucleo superiore (il pistoncino mobile), che viene trattenuto in posizione da una molla pretensionata. Quando la forza raggiunge un valore di soglia, il pistoncino si sposta verso il nucleo inferiore, chiudendo il traferro. Il modello illustra come simulare correttamente il movimento e il tempo di chiusura, che dipende dalla rigidità della molla.
Percorso dell'Application Library con il modello Magnetic Power Switch:
ACDC_Module/Motors_and_Actuators/power_switch
Nuovo tutorial: Operational Amplifier with Capacitive Load
Un amplificatore operazionale è un amplificatore di tensione differenziale adatto per un'ampia gamma di applicazioni di elettronica analogica. Questo tutorial modella un amplificatore operazionale collegato a un anello di retroazione e a un carico capacitivo.
L'amplificatore operazionale è modellato nell'interfaccia Electrical Circuit come un sotto-circuito lineare equivalente, inserito in un circuito esterno. Il modello è parzialmente basato sul formato SPICE e viene simulato per 10 ms con generazione dei dati ogni 0,05 ms. La dinamica interna dell'amplificatore operazionale interagisce con la rete di retroazione, causando oscillazioni nel segnale di uscita (variazione a gradino).
La tensione di uscita attraverso il condensatore di carico viene misurata per un ingresso di tensione di fase di 0,5 V. La tensione misurata attraverso il condensatore di carico presenta oscillazioni smorzate.
Percorso dell'Application Library con il modello Operational Amplifier with Capacitive Load:
ACDC_Module/Tutorials/opamp_capacitive_load
Nuovi tutorial: Cable Tutorial Series
Una nuova serie di tutorial costituita da sei modelli e documentazione associata esamina le proprietà capacitive, induttive e termiche di un normale cavo sottomarino piombato a tre conduttori HVAC XLPE (polietilene reticolato, corrente alternata ad alta tensione) di 500 mm 2, 220 kV. La serie è pensata per gli esperti che desiderano accelerare la modellazione di queste applicazioni in COMSOL Multiphysics®, ma anche per gli studenti e i progettisti interessati ai fenomeni elettromagnetici associati ai cavi.
La serie prende le mosse dai principi fondamentali della fisica coinvolta e si fa di volta in volta più complessa, mentre si aggiungono nuovi fattori fisici e comportamenti da considerare. Oltre a discutere la modellazione elettromagnetica in relazione ai cavi - correnti di carica, tipi di giunti, attorcigliamento di armature e dipendenza dalla temperatura - si presta particolare attenzione anche alla modellazione elettromagnetica e ai metodi coinvolti.
Un cavo piombato a tre conduttori è modellato tenendo conto del suo ambiente, circondato da terra. La distribuzione di temperatura all'interno del cavo è mostrata come un grafico a colori 3D sopra la geometria.
Link all'Application Gallery: Cable Tutorial Series
Percorso dell'Application Library con i modelli nella Cable Tutorial Series:
ACDC_Module/Tutorials,Cables/submarine_cable_01_introduction
ACDC_Module/Tutorials,Cables/submarine_cable_02_capacitive_effects
ACDC_Module/Tutorials,Cables/submarine_cable_03_bonding_capacitive
ACDC_Module/Tutorials,Cables/submarine_cable_04_inductive_effects
ACDC_Module/Tutorials,Cables/submarine_cable_05_bonding_inductive
ACDC_Module/Tutorials,Cables/submarine_cable_06_thermal_effects