Simula fenomeni elettromagnetici statici e in bassa frequenza con l'AC/DC Module

Software di simulazione per elettromagnetismo a bassa frequenza e componenti elettromeccanici

L'analisi dei sistemi e dei processi elettromagnetici statici e a bassa frequenza richiede uno strumento di simulazione potente e flessibile. L'AC/DC Module, add-on della piattaforma COMSOL Multiphysics®, offre un'ampia gamma di funzioni di modellazione e metodi numerici per lo studio dei campi elettromagnetici e per l'analisi EMI/EMC attraverso la soluzione delle equazioni di Maxwell. Le funzionalità multifisiche del software COMSOL® consentono di studiare l'impatto di altri effetti fisici su un modello elettromagnetico: per esempio, il trasferimento di calore, la meccanica strutturale e l'acustica.

Cosa troverai nell'AC/DC Module

Quando si espande COMSOL Multiphysics® con l'AC/DC Module, si sbloccano le funzionalità specializzate per la modellazione elettromagnetica a bassa frequenza, che si aggiungono alle funzionalità principali della piattaforma software COMSOL Multiphysics®. L'AC/DC Module include gli strumenti necessari per la modellazione di:
  • Condensatori
  • Induttori
  • Isolatori
  • Stress dielettrico
  • Bobine
  • Motori
  • Sensori
  • Solenoidi
  • Estrazione parametri circuitali (matrici R, L, Z)
  • Capacità e induttanza parassita
  • Combinazione di simulazioni di campi e circuiti SPICE
  • Saldatura elettrica
  • Isolamento elettrico
  • EMI/EMC
  • Schermatura elettromagnetica
  • Touchscreen capacitivi
  • Cuscinetti magnetici
  • Elettromigrazione
  • Forni a induzione
  • Logging a induzione
  • Dielettrici
  • Generatori
  • Magneti permanenti
  • Elettromagneti
  • Attuatori
  • Pistoni
  • Trasformatori
  • Linee di trasmissione
  • Grafene
  • Elettromacchine
  • Affidabilità elettronica
  • Resistenza elettrica di contatto
  • Campi elettromagnetici in mezzi porosi
Esempio di modellazione di trasformatori con l'AC/DC Module Esempio di trasformatore con nucleo ad E che tiene conto dell'effetto della curva BH non lineare del nucleo di ferro dolce. I risultati includono i campi magnetici ed elettrici, l'effetto di saturazione magnetica, la risposta al transiente e altro ancora.

Accoppiamenti multifisici

Inclusi nell'AC/DC Module:

  • Riscaldamento a induzione
  • Riscaldamento Joule e riscaldamento resistivo
  • Deformazione e stress dovuti a forza e coppia elettromagnetica
  • Forze di Lorentz in solidi e fluidi

Accessibili con moduli aggiuntivi:

  • Radiazione termica
  • Resistenza termica di contatto
  • Bioheating
  • Deformazione elettrostatica
  • Effetto piezoelettrico
  • Effetto piezoresistivo
  • Elettrostrizione
  • Magnetostrizione
  • Effetto termoelettrico
  • Plasma ad accoppiamento induttivo
  • Plasma ad accoppiamento capacitivo
  • Ablazione di tessuti
  • Tracciamento di particelle cariche
  • Dielettroforesi
  • Ottimizzazione generale per singola fisica e multifisica
Modellazione del riscaldamento di una billetta d'acciaio con l'AC/DC Module Temperatura in una billetta d'acciaio, campo magnetico circostante e corrente all'interno delle bobine.

Funzionalità e strumenti dell'AC/DC Module

Scopri nel dettaglio le funzionalità dell'AC/DC Module espandendo le sezioni seguenti.
L'AC/DC Module include una selezione di interfacce fisiche per l'impostazione di analisi in molteplici aree di applicazione, come elettrostatica, correnti elettriche, magnetostatica e campi elettromagnetici variabili nel tempo, compresi gli effetti di induzione. È possibile creare combinazioni di queste interfacce per ottenere funzionalità di modellazione più generali.

Lo sapevi? Un'interfaccia fisica è un'interfaccia utente per una specifica area fisica, che definisce le equazioni e le impostazioni per la generazione di mesh, solutori, postprocessing e risultati.

Interfacce fisiche incluse nell'AC/DC Module:

  • Electric Currents with Current Conservation
  • Electric Currents, Shell
  • Electrical Circuit with SPICE netlist import
  • Electrostatics with Charge Conservation
  • Magnetic and Electric Fields
  • Magnetic Field Formulation
  • Magnetic Fields
  • Magnetic Fields, No Currents
  • Particle Field Interaction, Relativistic
  • Rotating Machinery in 2D and 3D, Magnetic
  • Electrostatics, Boundary Elements
  • Magnetic Fields, No Currents, Boundary Elements
Schermata della GUI del software COMSOL durante il tuning di un condensatore Un condensatore regolabile modellato con approccio ibrido FEM-BEM, con un accoppiamento automatico tra i due per il calcolo del potenziale elettrico.

Oltre alle principali condizioni al contorno, come potenziali, correnti, cariche e valori dei campi, è inclusa una serie di condizioni al contorno avanzate. Alcune di queste, tra cui le condizioni Terminal, Floating Potential e Circuit Terminal, vengono utilizzate per estrarre da un modello 2D o 3D parametri circuitali equivalenti come valori (o matrici) di resistenza, capacità, induttanza e impedenza.

Condizioni al contorno incluse nell'AC/DC Module:

  • Terminali di circuiti
  • Resistenza di contatto
  • Schermatura dielettrica
  • Capacità distribuita
  • Impedenza distribuita
  • Resistenza distribuita
  • Schermatura elettrica
  • Contatto elettrico
  • Porta concentrata (lumped)
  • Condizioni al contorno periodiche
  • Simmetria settoriale
  • Impedenza di superficie
  • Corrente magnetica di superficie
  • Gap a bassa permeabilità
  • Transizione
  • Eccitazione tramite bobine
  • Avvolgimento omogeneo
  • Singolo conduttore
  • Potenziale flottante
  • Campo magnetico
  • Densità del flusso magnetico
  • Isolamento magnetico
  • Potenziale magnetico
  • Conduttore magnetico perfetto
  • Corrente di superficie
  • Sorgente di corrente su contorno
  • Continuità
  • Campo di spostamento
  • Isolamento elettrico
  • Potenziale elettrico
  • Massa/potenziale nullo
  • Densità corrente di normale
  • Densità di carica superficiale
  • Carica nulla
  • Schermatura magnetica
  • Curve BH e HB
Modello per la progettazione di dispositivi touchscreen Un modello di dispositivo touchscreen. Gli elettrodi sono spesso modellati con valori fissi di potenziale, carica o corrente, insieme a condizioni di potenziale flottante per superfici metalliche con potenziale sconosciuto.

Modellazione di strutture sottili

Per la modellazione di strutture molto sottili, è possibile utilizzare formulazioni di shell disponibili per la simulazione di correnti continue, elettrostatica, magnetostatica e induzione. La modellazione di shell elettromagnetiche consente di sostituire lo spessore sottile di un solido in un modello CAD con una proprietà fisica di una superficie, ottenendo una rappresentazione molto più efficiente.

Domini illimitati o molto grandi

Per la modellazione accurata di domini illimitati o di grandi dimensioni, sono disponibili elementi infiniti per campi elettrici e magnetici. Per la modellazione elettrostatica e magnetostatica, il Boundary Element Method (BEM) è disponibile come metodo alternativo per la modellazione di regioni grandi o infinite e funziona in combinazione con le interfacce fisiche basate sul metodo degli elementi finiti (FEM).

Modellazione di bobine

Funzionalità specializzate per la modellazione di bobine possono essere utilizzate per semplificare notevolmente il processo di caratterizzazione degli avvolgimenti per una gamma di modelli magnetostatici ed elettromagnetici a bassa frequenza. In molte di queste applicazioni, il campo magnetico è generato da correnti elettriche che scorrono in materiali conduttivi, per esempio cavi, fili, bobine o solenoidi. Le caratteristiche della bobina sono utilizzate per modellare facilmente queste strutture e per tradurre quantità concentrate, come le correnti e le tensioni, in quantità distribuite, come densità di corrente e campi elettrici. Le bobine a conduttore singolo e multi-avvolgimento possono essere definite in modelli completi 3D o 2D assialsimmetrici.

Macchine rotanti e movimento lineare

Utilizzando l'interfaccia integrata per macchine rotanti, modellare motori e generatori diventa semplice. È possibile, ad esempio, comprendere il comportamento dei motori a induzione o PM, in particolare catturando le perdite di correnti parassite che si verificano all'interno dei magneti. In qualsiasi modello utilizzato per simulare il movimento elettromagnetico, è possibile esaminare la dinamica di corpi rigidi o flessibili sotto l'influenza di forze e coppie magnetiche, correnti indotte, carichi meccanici e molle.

La funzionalità Moving Mesh consente di modellare il movimento lineare. Questo è importante per descrivere il funzionamento dei componenti che contengono pistoni, come elettrovalvole e attuatori in generale.

Modello di sottomarino mostrato nella GUI del software COMSOL

Un sottomarino è modellato con strutture sottili attraverso la condizione al contorno Magnetic Shielding. La segnatura magnetica può essere calcolata a grandi distanze con il metodo degli elementi di contorno.

 

Potete scegliere da un vasto database di materiali che include:

  • Materiali ferromagnetici
  • Materiali ferrimagnetici
  • Curve BH
  • Curve HB

È possibile inoltre utilizzare materiali provenienti dalle librerie di altri prodotti aggiuntivi.

I materiali possono essere variabili nello spazio, anisotropi, variabili nel tempo, con perdite, a valori complessi e discontinui. Espandere l'ambito di una simulazione richiede uno sforzo minimo. Potete definire i vostri materiali utilizzando espressioni matematiche, tabelle di dati o combinazioni di entrambi. In alternativa, è possibile utilizzare materiali definiti esternamente in codice C.

Più in generale, utilizzando la funzionalità Equation-based modeling, potrete modificare le condizioni al contorno, le proprietà dei materiali e le equazioni per personalizzare le simulazioni secondo le vostre esigenze specifiche.

Esempio di utilizzo dell'equation-based modeling con l'AC/DC Module per includere materiali personalizzati Un modello di materiale isteretico anisotropo di Jiles-Atherton viene utilizzato per simulare il campo magnetico in un modello di nucleo ad E; i risultati mostrano una curva BH e il modulo della densità del flusso magnetico.

L'AC/DC Module offre una generazione automatica, semiautomatica e adattiva della mesh. Per l'elaborazione, l'AC/DC Module formula e risolve le equazioni di Maxwell usando il metodo FEM, il BEM o una loro combinazione, utilizzando i solutori più avanzati. Sono disponibili diversi tipi di elementi di mesh, sia di dominio che di contorno.

Metodi numerici inclusi nell'AC/DC Module:

  • FEM
  • BEM
  • Discretizzazione lineare e di ordine superiore con elementi nodali o "edge"
  • Combinazioni di elementi tetraedrici, prismatici, piramidali, esaedrici, triangolari e quadrilateri
  • Solutori lineari e non lineari

Studi disponibili nell'AC/DC Module:

  • Statico
  • Dominio della frequenza
  • Dominio temporale
  • Scansione automatica dei terminali per l'estrazione dei parametri circuitali
Soluzione dei modelli di campo elettrico e magnetico con l'AC/DC Module

È semplice includere più passi del solutore aggiungendo studi. In questo esempio di generatore, gli studi Coil Geometry Analysis, Stationary e Time Dependent vengono aggiunti tutti in una volta in ordine sequenziale.

I grafici predefiniti si adattano automaticamente all'interfaccia utilizzata e includono grafici di campi elettrici e magnetici, correnti, cariche e tensioni. È possibile aggiungere visualizzazioni personalizzate di qualsiasi quantità di campo, nonché espressioni composte di quantità di campo e loro derivate.

Gli strumenti di postprocessing consentono di generare matrici di parametri concentrati, come matrici di capacità o impedenza, insieme a valori integrati, medie, massimi e minimi. Per esempio, è possibile calcolare il campo massimo per assicurarsi che la rigidità dielettrica non venga superata in alcun punto del modello, oppure ottenere la carica totale integrando la densità di carica su un set di superfici. Utilizzando linee e superfici di taglio è possibile esaminare i valori del campo su sezioni trasversali arbitrarie di un modello.

Funzionalità di postprocessing e visualizzazione nell'AC/DC Module:

  • Diagrammi di tensione
  • Diagrammi di campi elettrici
  • Diagrammi di campi magnetici
  • Grafici di densità di corrente
  • Grafici di densità di carica
  • Espressioni di quantità fisiche arbitrarie
  • Tabelle di quantità derivate come le matrici R, L, C, Z, Y e S
  • Carica totale e corrente
  • Forza e coppia rispetto al tempo
Visualizzazione di grafici EM con l'AC/DC Module L'apertura e la chiusura di un interruttore di alimentazione sono modellate e visualizzate con strumenti di post-processing. Le perdite elettriche sono mostrate in tre instanti diversi.

Potete rendere il vostro processo di simulazione più efficiente grazie all'Application Builder, che trasforma i vostri modelli in app specializzate con input e output personalizzati. Potrete distribuire le app ai vostri colleghi che non hanno esperienza di simulazione, in modo che possano eseguire autonomamente analisi ripetitive, semplificando così il processo di progettazione.

Il flusso di lavoro è semplice:

  1. Trasformate il vostro modello EM in una semplice interfaccia utente (un'app)
  2. Personalizzate l'app in base alle vostre esigenze, selezionando input e output disponibili per gli utenti
  3. Aggiungete codice opzionale per la gestione dell'interfaccia utente o ulteriori operazioni avanzate
  4. Utilizzate il prodotto COMSOL Server™ per rendere accessibili le app agli altri membri del team
  5. Consentite al vostro team di eseguire analisi sul progetto senza bisogno di ulteriore assistenza

Attraverso le app di simulazione potete estendere la capacità di eseguire simulazioni ai colleghi del vostro team, della vostra organizzazione o istituto, e anche ai vostri clienti e fornitori.

App creata per simulare in modo efficiente i touchscreen L'app Touchscreen Simulator è stata creata con COMSOL Multiphysics® e l'AC/DC Module. Creando app come questa, potete semplificare il processo di progettazione dei dispositivi EM.

Se utilizzate il software MATLAB®, potrete guidare facilmente le simulazioni COMSOL Multiphysics® con gli script e le funzioni MATLAB®. Il prodotto di interfacciamento LiveLink™ for MATLAB® consente di accedere alle operazioni COMSOL® tramite i comandi MATLAB® e di combinare questi comandi con il codice MATLAB® esistente, direttamente all'interno dell'ambiente MATLAB®.

Per semplificare l'analisi delle proprietà elettromagnetiche dei modelli CAD e dei layout elettronici, COMSOL offre l'ECAD Import Module, il CAD Import Module, il Design Module e prodotti LiveLink™ per i principali sistemi CAD. I prodotti LiveLink™ consentono di mantenere intatto il modello parametrico CAD nel suo ambiente nativo, controllando comunque le dimensioni geometriche dall'interno del software COMSOL Multiphysics® e consentendo sweep parametrici simultanei su diversi parametri del modello.

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

I prodotti di interfacciamento disponibili comprendono:

  • LiveLink™ for MATLAB®
  • ECAD Import Module
  • CAD Import Module
  • Design Module
  • LiveLink™ products for leading CAD software
  • LiveLink™ for Excel®

Visualizzate tutti i prodotti di interfaccia disponibili nella gamma di prodotti COMSOL.

Importazione di un file di test IPC-2581 in COMSOL Multiphysics Un file di test IPC-2581 di un PCB a sei strati importato in COMSOL Multiphysics® con il modulo ECAD per la simulazione. Test case per gentile concessione di Cadence Design Systems, Inc.

Progettare dispositivi e sistemi elettromagnetici per il mondo reale

È fondamentale che prodotti, dispositivi e componenti progettati per simulazioni in statica o a bassa frequenza possano funzionare in sicurezza nel mondo reale. Per un'analisi completa, potete utilizzare il software COMSOL Multiphysics® e l'AC/DC Module per verificare come altri effetti fisici influiscano sul vostro progetto.

La maggior parte di componenti, dispositivi e prodotti elettromagnetici sono influenzati da altri rami della fisica, come trasferimento termico, meccanica strutturale o acustica, solo per citarne alcuni. Per uno studio più accurato, è possibile esaminare questi effetti contemporaneamente: la piattaforma COMSOL Multiphysics® consente di accoppiare più effetti fisici in un unico ambiente software.

Esempio di progettazione di dispositivi elettromagnetici reali con il software COMSOL Multiphysics. Un motore a induzione modellato con l'AC/DC Module e il Multibody Dynamics Module per tenere conto degli effetti elettromeccanici. Viene mostrata la distribuzione degli sforzi di von Mises nell'alloggiamento.

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Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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