AC/DC Module

Simulare l'elettromagnetismo a bassa frequenza e i componenti elettromeccanici

L'AC/DC Module, modulo aggiuntivo della piattaforma COMSOL Multiphysics®, fornisce strumenti di modellazione e metodi numerici per l'analisi dei campi elettromagnetici statici e a bassa frequenza. Le sue applicazioni spaziano dai dispositivi capacitivi, resistivi e induttivi utilizzati nei componenti elettrici e nell'elettronica di potenza agli attuatori, ai sistemi di elettrificazione dei veicoli, ai sistemi di alimentazione e alle interferenze e compatibilità elettromagnetiche (EMI/EMC). Grazie alle sue capacità di simulazione multifisica, l'AC/DC Module può essere utilizzato anche per analizzare come il trasferimento di calore, la meccanica strutturale, l'acustica e il flusso dei fluidi interagiscono con l'elettromagnetismo. Ciò consente di valutare le prestazioni, l'affidabilità e la sicurezza in condizioni reali di motori, trasformatori, cavi, apparecchiature ad alta tensione, sensori e molti altri dispositivi elettromagnetici durante l'intero ciclo di sviluppo del prodotto.

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Motore elettrico sincrono in 3D, con rotore inclinato e conduttori dello statore a forcella, che mostra la densità del flusso magnetico radiale nel nucleo laminato e la densità di corrente assiale nei conduttori dello statore in rame.

Elettrostatica

La modellazione elettrostatica viene utilizzata per analizzare le proprietà capacitive di dispositivi e sistemi. È possibile calcolare matrici di capacità, densità di carica, campi elettrici, coppie e forze. Le applicazioni includono componenti ad alta tensione, isolanti, touch screen, sensori e attuatori. L'AC/DC Module offre sia il metodo degli elementi finiti (FEM) che il metodo degli elementi al contorno (BEM), che possono anche essere combinati in metodi ibridi. Ciò consente una progettazione e un'ottimizzazione affidabili in applicazioni quali condensatori, quadri elettrici e attuatori. Nei sistemi ad alta tensione, l'analisi elettrostatica viene tipicamente utilizzata per valutare e ridurre il rischio che si verifichi una scarica elettrica. Se le condizioni sono tali da non poter evitare una scarica, il fenomeno può essere studiato utilizzando le funzionalità dedicate dell'Electric Discharge Module. Per la modellazione dei dispositivi MEMS, l'AC/DC Module fornisce funzionalità di modellazione elettromagnetica, mentre il MEMS Module aggiunge funzionalità specializzate per le interazioni elettrostatiche-strutturali.

Correnti elettriche

La modellazione delle correnti elettriche viene utilizzata per analizzare dispositivi e sistemi resistivi e conduttivi con correnti in corrente continua, transitoria o alternata, in cui i campi magnetici possono essere trascurati. I risultati includono resistenza, conduttanza, campi elettrici, densità di corrente e dissipazione di potenza. Le applicazioni spaziano dall'ottimizzazione delle piste dei circuiti stampati, delle sbarre collettrici e dei connettori al miglioramento dell'elettronica di potenza, dei cavi, dei processi di galvanoplastica e dei sistemi di distribuzione dell'energia. Con l'AC/DC Module è possibile eseguire analisi stazionarie, transitorie, nel dominio della frequenza e a piccolo segnale. Le analisi nel dominio del tempo e della frequenza vengono utilizzate per catturare simultaneamente gli effetti resistivi e capacitivi. Le simulazioni di corrente elettrica sono spesso accoppiate all'analisi termica per migliorare la gestione termica, evitare i punti caldi e ridurre i costi dei materiali. Tali studi multifisici aiutano a ottimizzare la durata, l'efficienza e la sicurezza dei dispositivi. Pertanto, l'AC/DC Module viene spesso utilizzato insieme all'Heat Transfer Module e, quando è necessario includere gli effetti di espansione termica, viene combinato con lo Structural Mechanics Module o con il MEMS Module. Studi più dettagliati sui singoli portatori di carica vengono eseguiti separatamente utilizzando il Semiconductor Module o il Plasma Module.

Magnetostatica

L'analisi dei campi magnetostatici viene utilizzata per studiare le forze che agiscono su bobine, conduttori e magneti, nonché le distribuzioni di campo e le induttanze parassite. È possibile applicare l'approccio FEM, BEM o un approccio ibrido FEM-BEM, con strumenti dedicati per l'estrazione della matrice di induttanza e l'accoppiamento dei circuiti. Le bobine possono essere modellate in modo esplicito o in senso omogeneizzato, con gestione automatica del flusso di corrente in geometrie complesse. I materiali supportati includono tipi morbidi (curve B–H), duri (magneti permanenti), con perdite e anisotropi, nonché modelli personalizzati dipendenti dalla temperatura con effetti di isteresi e punto di Curie. È supportata anche l'isteresi vettoriale completa tramite il modello di materiale di Jiles–Atherton. Per gli studi multifisici, l'AC/DC Module può essere combinato, ad esempio, con lo Structural Mechanics Module o con il MEMS Module per analizzare la risposta meccanica alle forze magnetiche, inclusi gli effetti magnetostrittivi non lineari.

Elettromagnetismo

La modellazione elettromagnetica completa viene utilizzata per analizzare componenti elettrici in cui correnti elettriche e campi magnetici sono accoppiati. Nei problemi soggetti a variazioni temporali con effetti di induzione significativi, i campi magnetici inducono correnti e queste, a loro volta, generano campi magnetici.

È possibile studiare gli effetti elettrodinamici, inclusi gli effetti di pelle e di prossimità, le forze di Lorentz (induzione dovuta al movimento), la risonanza e il crosstalk. Sono supportate sia la modellazione nel dominio della frequenza che nel dominio del tempo, in 2D e 3D. Sono inoltre disponibili formulazioni specifiche per la modellazione magnetica transitoria dei superconduttori.

Le applicazioni tipiche includono bobine, caricatori e riscaldatori a induzione, interruttori, barre collettrici, trasformatori, effetti transitori dei circuiti stampati, schermatura, crosstalk, dispositivi superconduttori, magnetoidrodinamica e prove non distruttive (NDT).

Le simulazioni elettromagnetiche possono essere accoppiate a qualsiasi altro prodotto aggiuntivo, come l'Heat Transfer Module, lo Structural Mechanics Module o il CFD Module.

Macchine elettriche

La modellazione delle macchine elettriche consente l'ottimizzazione di motori, generatori e attuatori. Le funzionalità integrate permettono di analizzare motori a induzione e a magneti permanenti, includendo la valutazione della coppia, delle perdite per correnti parassite nei magneti, delle forze, delle correnti indotte e dell'impatto dei carichi meccanici. È possibile studiare la dinamica sia dei corpi rigidi che di quelli flessibili sotto l'influenza di forze e coppie elettromagnetiche.

Funzionalità specifiche supportano la progettazione di vari tipi di macchine, dai motori a flusso radiale ai rotori ibridi a flusso assiale-radiale, fino ai rotori a poli a pinza e alle macchine lineari tubolari. È inoltre possibile modellare il movimento lineare utilizzando la funzionalità di mesh mobile, importante per dispositivi quali pistoni, solenoidi, interruttori e attuatori.

Combinando l'AC/DC Module con altri moduli di fisica, è possibile eseguire analisi multifisiche, tra cui la meccanica strutturale per la deformazione, la rotodinamica, il trasferimento di calore per la gestione termica, l'acustica per rumore e vibrazioni e la CFD per l'ottimizzazione dei canali di raffreddamento.

Circuiti elettrici

L'AC/DC Module offre un'interfaccia fisica dedicata all'analisi di sistemi e circuiti a parametri concentrati. Utilizzando questa interfaccia, è possibile modellare componenti comuni quali sorgenti di tensione e corrente, resistenze, condensatori, induttori, trasformatori, diodi e transistor. È possibile aggiungere elementi più complessi utilizzando sottocircuiti. I circuiti possono inoltre essere importati ed esportati nel formato netlist SPICE.

I modelli di circuiti possono essere combinati con modelli a elementi finiti 2D o 3D. È possibile estrarre matrici di resistenza, capacità e induttanza dai modelli a elementi finiti, che possono quindi essere utilizzate per creare rappresentazioni efficienti di circuiti concentrati. L'accoppiamento diretto tra circuiti e modelli a elementi finiti consente la simulazione, ad esempio, di circuiti di controllo dei motori o circuiti oscillatori nei caricabatterie a induzione. È possibile anche la submodellazione ibrida, in cui le regioni dettagliate degli elementi finiti vengono ridotte a rappresentazioni circuitali per una simulazione efficiente.

Caratteristiche e funzionalità dell'AC/DC Module

L'AC/DC Module supporta la modellazione di fenomeni elettrostatici, correnti elettriche, magnetostatica, elettromagnetismo, macchine elettriche e circuiti elettrici.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Coil evidenziato e un modello di filo Litz nella finestra Graphics.

Interfacce utente integrate e tipi di studio

L'AC/DC Module offre interfacce utente integrate per ciascuna delle aree dell'elettromagnetismo descritte nelle sezioni precedenti, oltre a interfacce specializzate per specifici scopi di modellazione. Queste interfacce fisiche definiscono i propri insiemi di equazioni, condizioni al contorno, impostazioni di mesh e studi predefiniti, nonché grafici e valutazioni numeriche predefiniti. Gli studi predefiniti includono impostazioni del risolutore per analisi in regime stazionario, transitorio e nel dominio della frequenza. Sono disponibili anche tipi di studio avanzati, tra cui analisi transitorie a frequenza combinata, periodiche nel tempo, di perturbazione e di frequenza propria, nonché l'estrazione di parametri tramite sweep ausiliari quasi-statici. Inoltre, gli accoppiamenti multifisici integrati consentono una perfetta integrazione tra le interfacce all'interno dell'AC/DC Module e quelle di altri moduli aggiuntivi.

Vista in primo piano delle impostazioni Ampère's Law in Solids e di un modello di serbatoio con trasformatore nella finestra Graphics.

Materiali magnetici

L'AC/DC Module include un database completo di materiali magnetici che copre materiali ferromagnetici, ferrimagnetici, magnetici morbidi (curve B–H) e magnetici duri (magneti permanenti). È previsto il supporto per modelli di materiali non lineari, la modellazione delle perdite magnetiche nel dominio della frequenza utilizzando curve B–H effettive e permeabilità complessa, nonché l'isteresi anisotropica basata sul modello di Jiles–Atherton.

Le funzionalità specializzate per la modellazione dell'acciaio elettrico laminato includono caratteristiche di modellazione dei nuclei laminati e modelli di perdita empirici come Steinmetz e Bertotti, che consentono una stima realistica delle perdite senza risolvere le singole lamine.

I materiali possono essere definiti come variabili nello spazio, anisotropi, variabili nel tempo o dipendenti dal campo. È fornito pieno supporto per le proprietà definite dall'utente e la modellazione di comportamenti personalizzati, tra cui la non linearità anisotropa, la smagnetizzazione permanente e gli effetti Curie.

Vista in primo piano delle impostazioni del Conductive Shell e di un modello di circuito di riscaldamento nella finestra Graphics.

Strutture sottili e materiali stratificati

Le strutture molto sottili possono essere modellate in modo efficiente utilizzando formulazioni shell per analisi in corrente continua, elettrostatiche, magnetostatiche e di induzione. Inoltre, funzionalità specializzate supportano la modellazione di correnti continue in strutture shell multistrato. Le funzionalità di modellazione elettromagnetica shell consentono di sostituire domini volumetrici sottili con condizioni al contorno a spessore zero con comportamento fisico equivalente, semplificando notevolmente la preparazione della geometria, la mesh e le procedure di risoluzione.

A frequenze più elevate, dove la profondità di pelle diventa ridotta e le correnti sono confinate alla superficie del conduttore, caratteristiche al contorno specializzate forniscono una rappresentazione più efficiente del conduttore.

Per i materiali dielettrici e debolmente conduttivi, il framework supporta:

  • Effetti di polarizzazione e spostamento elettrico residuo
  • Un'ampia gamma di modelli di perdita complessi, compreso il comportamento ferroelettrico
  • Modelli di dispersione sia nel dominio della frequenza che in quello del tempo

Le formulazioni di dispersione integrate includono i modelli multipolari di Debye, Cole–Cole e Havriliak–Negami. Queste funzionalità sono particolarmente importanti per la modellazione dei tessuti e le applicazioni di bioingegneria.

Lo stesso livello di flessibilità disponibile per i materiali magnetici si applica anche ai conduttori e ai dielettrici. Attraverso formulazioni definite dall'utente, la libreria dei materiali può essere facilmente estesa per incorporare modelli di materiali personalizzati.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electric Potential evidenziato e un modello di linea elettrica nella finestra Graphics.

Domini illimitati o di grandi dimensioni

Per modellare con precisione domini illimitati o di grandi dimensioni, sono disponibili elementi infiniti sia per le formulazioni del campo elettrico che per quelle del campo magnetico. Per le analisi elettrostatiche e magnetostatiche, il metodo degli elementi al contorno (BEM) offre un approccio alternativo per rappresentare regioni di grandi dimensioni o infinite. Inoltre, il BEM può essere accoppiato con interfacce fisiche basate sugli elementi finiti per consentire simulazioni ibride BEM-FEM.

Vista in primo piano delle impostazioni Coil e di un modello di motore nella finestra Graphics.

Bobine, terminali ed eccitazioni dei dispositivi

Le funzionalità di modellazione elettromagnetica dell'AC/DC Module includono strumenti specializzati per la simulazione accurata di eccitazioni elettromagnetiche, carichi e comportamenti dei dispositivi.

Gli strumenti di modellazione delle bobine gestiscono ogni aspetto, dai conduttori solidi con effetti di pelle e di prossimità ai fasci di fili intrecciati progettati per ridurre al minimo le perdite in corrente alternata. Supportano inoltre progetti quali fili Litz, bobine ad avvolgimento stretto e conduttori ad alta tensione segmentati.

Le definizioni dei terminali facilitano la specificazione di tensioni, correnti o cariche, supportando al contempo potenziali flottanti, punti di misura e connessioni dei circuiti elettrici. Le opzioni per la modellazione della capacità e dell’impedenza distribuite consentono una rappresentazione accurata degli elettrodi con rivestimenti dielettrici o resistivi.

È disponibile anche una gamma di metodi di eccitazione generici, che include il supporto per i vincoli di tensione, ad esempio i piani di massa, e la possibilità di definire direttamente le correnti di superficie.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Current Conservation evidenziato e un modello IGBT nella finestra Graphics.

Materiali elettrici e dielettrici

I materiali conduttori presentano comportamenti che dipendono sia dalla temperatura che dai campi elettromagnetici. In condizioni elettrodinamiche, è possibile includere o sopprimere selettivamente gli effetti di pelle e di prossimità, consentendo una modellazione efficiente di acciaio laminato, bobine avvolte e fasci di fili intrecciati. In particolare, i cavi Litz possono essere modellati alla loro frequenza di progetto o a frequenze superiori senza dover risolvere i singoli fili.

Vista in primo piano del nodo Global Matrix Evaluation evidenziato e di un modello di touchscreen nella finestra Graphics.

Estrazione dei dati e valutazione dei risultati

Le caratteristiche di eccitazione, quali Coil, Terminal e Port, forniscono automaticamente variabili di uscita per diverse grandezze elettriche, tra cui:

  • Tensione, corrente e carica
  • Resistenza, induttanza e capacità
  • Parametri S

La funzionalità dedicata di scansione di frequenza, insieme alle impostazioni ottimizzate del risolutore, consente un'efficiente estrazione delle matrici di capacità, resistenza e induttanza. Questa funzionalità semplifica la conversione di un modello dettagliato agli elementi finiti in una rappresentazione semplificata del circuito elettrico concentrato.

Sono inoltre disponibili funzioni specializzate per il calcolo di grandezze fisiche specifiche, quali le forze elettromagnetiche e le perdite totali.

Ampie opzioni di personalizzazione consentono di valutare, integrare o differenziare qualsiasi grandezza derivata dalla soluzione. Una vasta gamma di strumenti di valutazione dei risultati permette l'estrazione precisa dei dati necessari per l'analisi.

Vista in primo piano del nodo Electromechanics, Boundary evidenziato e un modello di microfono nella finestra Graphics.

Multifisica

Poiché i fenomeni elettromagnetici si verificano tipicamente in un contesto multifisico, l'AC/DC Module offre numerose opzioni per accoppiare i propri modelli fisici con quelli di altri prodotti aggiuntivi, quali:

  • Structural Mechanics Module
  • Heat Transfer Module
  • Acoustics Module
  • CFD Module
  • Plasma Module
  • Electric Discharge Module

Gli accoppiamenti multifisici integrati forniscono funzionalità per la modellazione di magnetomeccanica, elettromeccanica, riscaldamento Joule ed espansione termica, riscaldamento a induzione, piezomagnetismo, piezoelettricità, piezoresistività, magnetostrizione non lineare, elettrostrizione, ferroelastica, effetto termoelettrico, piroelettricità e magnetoidrodinamica.

Oltre a questi accoppiamenti predefiniti, è possibile definire e risolvere accoppiamenti multifisici manuali utilizzando approcci completamente accoppiati o sequenziali.

Elettromagnetismo a bassa frequenza e modellazione multifisica

I componenti elettromagnetici influenzano e sono influenzati da molteplici fenomeni fisici. In COMSOL Multiphysics®, questo si può modellare tanto quanto un problema a fisica singola.

Vista in primo piano di un gruppo barra collettrice-anodo che mostra la distribuzione delle fonti di calore elettromagnetico.

Riscaldamento per effetto Joule, o riscaldamento resistivo1

Modellare il riscaldamento per effetto Joule (noto anche come riscaldamento resistivo) in solidi, fluidi, shell e shell stratificati.

Vista in primo piano di un modello di pezzo in lavorazione che illustra il riscaldamento a induzione industriale.

Riscaldamento a induzione

Simulare il riscaldamento nei dispositivi induttivi e nelle applicazioni di lavorazione dei metalli.

Vista in primo piano delle sbarre collettrici fissate con bulloni, con i punti di contatto elettrico.

Resistenza di contatto elettrico

Cogliere le correnti che scorrono tra elementi metallici messi a contatto e combinarle con gli effetti di contatto termico2 e meccanico3.

Vista in primo piano di un modello a magneti permanenti che mostra la deformazione di una lamiera di ferro.

Forza elettromagnetica e coppia

Calcolare le sollecitazioni elettromagnetiche, le forze e le coppie utilizzando metodi basati sugli elementi finiti e sugli elementi di contorno.

Vista in primo piano di un modello di altoparlante che mostra il circuito magnetico e la bobina di eccitazione elettrica.

Forze di Lorentz

Applicare le forze di Lorentz indotte dalla corrente come carichi strutturali volumetrici per la modellazione di trasduttori elettroacustici e altro ancora.

Vista in primo piano di un modello di trasformatore che mostra le vibrazioni causate dalle forze magnetostrittive.

Magnetostrizione4

Simulare le variazioni di forma dei materiali magnetici sottoposti a un campo magnetico, un fenomeno importante per il rumore dei sonar e dei trasformatori.

Vista in primo piano di un trasduttore tonpilz con anelli piezoceramici.

Piezoelettricità1

Modellare dispositivi piezoelettrici, compresi componenti metallici e dielettrici.

Grafico 1D con il campo elettrico sull'asse x e la polarizzazione sull'asse y

Ferroelettricità

Applicare la funzionalità di ferroelettricità per modellare una polarizzazione variabile nel tempo che può presentare un comportamento isteretico.

Vista in primo piano di una pompa magnetoidrodinamica che mostra il flusso di fluidi elettricamente conduttivi.

Magnetoidrodinamica

Modellare l'interazione tra campi elettromagnetici e fluidi elettricamente conduttivi.

Vista in primo piano di un modello di lampada senza elettrodi in cui il plasma funge da avvolgimento secondario.

Plasma ad accoppiamento induttivo5

Simulare i plasmi accoppiati induttivamente utilizzati nella lavorazione dei semiconduttori.

Vista in primo piano di un modello di fascio di elettroni che diverge a causa della propria carica spaziale.

Tracciamento di particelle cariche6

Analizzare il moto delle particelle cariche elettricamente o magnetiche sotto l'azione delle forze elettromagnetiche.

Dielettroforesi6

Modellare il movimento delle particelle neutre dovuto ai gradienti del campo elettrico.

Vista in primo piano di un modello di nucleo di altoparlante con topologia ottimizzata.

Ottimizzazione7

Combinare l'analisi elettromagnetica con l'ottimizzazione dei parametri, l'ottimizzazione di forma e l'ottimizzazione topologica.

  1. Non richiede l'AC/DC Module
  2. Richiede l'Heat Transfer Module
  3. Richiede uno tra il MEMS Module e lo Structural Mechanics Module 4. Richiede uno tra l'Acoustics Module, il MEMS Module e lo Structural Mechanics Module
  4. Richiede il Plasma Module
  5. Richiede il Particle Tracing Module
  6. Richiede l'Optimization Module

Utilizzo di software di terze parti con COMSOL Multiphysics®

Se si utilizza il software MATLAB®, è facile eseguire simulazioni COMSOL Multiphysics® tramite script e funzioni MATLAB®. Il prodotto di interfaccia LiveLink™ for MATLAB® consente di accedere alle operazioni COMSOL® direttamente dall'ambiente MATLAB® e di integrarle con il codice MATLAB® esistente.

Per facilitare l'analisi delle proprietà elettromagnetiche dei modelli CAD e dei layout elettronici, COMSOL offre i prodotti ECAD Import Module, CAD Import Module, Design Module e LiveLink™ per diversi programmi CAD leader del settore come parte della suite di prodotti.

È inoltre possibile sincronizzare i dati dei fogli di calcolo Microsoft Excel® con i parametri definiti nell'ambiente COMSOL Multiphysics® tramite il prodotto di interfaccia LiveLink™ for Excel®.

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