Simulazione Elettromagnetica - Software Modellazione Elettromagnetica

Modello di circuito di riscaldamento che mostra le perdite superficiali nella tabella dei colori arcobaleno e la temperatura nella tabella dei colori di una termocamera.

Correnti elettriche

È possibile analizzare in modo efficiente i dispositivi resistivi e conduttivi modellando le correnti DC, transitorie o AC. In condizioni statiche e a bassa frequenza e quando i campi magnetici sono trascurabili, la modellazione delle correnti elettriche è sufficiente per ottenere risultati accurati. I calcoli, basati sulla legge di Ohm, diventano molto efficienti risolvendo il potenziale elettrico. Sulla base del campo potenziale risultante, si può calcolare un certo numero di quantità: resistenza, conduttanza, campo elettrico, densità di corrente e dissipazione di potenza.

Con l'AC/DC Module è possibile eseguire analisi stazionarie, nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo, così come l'analisi dei piccoli segnali. Nel dominio del tempo e della frequenza, è possibile anche tenere conto degli effetti capacitivi.

Elettrostatica

È possibile analizzare dispositivi capacitivi e isolanti elettrici tramite calcoli elettrostatici. Questo approccio è applicabile per strutture dielettriche dove non scorrono correnti e i campi sono determinati dal potenziale elettrico e dalla distribuzione della carica. Sia il metodo degli elementi finiti (FEM) che il metodo degli elementi al contorno (BEM) sono disponibili per risolvere il potenziale elettrico, e possono essere combinati in un metodo ibrido degli elementi finiti e degli elementi al contorno. Sulla base del campo potenziale ottenuto, possono essere calcolate diverse quantità: matrici di capacità, campo elettrico, densità di carica ed energia elettrostatica.

Modello di isolante ad alta tensione che mostra la distribuzione del potenziale elettrico nella tabella colori arcobaleno.

Visualizzazione dettagliata di un magnete con un'asta che mostra lo spostamento e la densità del flusso magnetico.

Visualizzazione dettagliata di un modello a matrice induttiva che mostra la densità del flusso magnetico.

Visualizzazione dettagliata di un rotore Halbach che mostra la densità del flusso magnetico.

Visualizzazione dettagliata di un modello di bobina di Helmholtz che mostra il campo magnetico.

Magnetostatica

È possibile calcolare campi magnetostatici, induttanze parassite e forze su bobine, conduttori e magneti. Si può scegliere da un ampio database di materiali che include una vasta gamma di materiali magnetici non lineari, o definire i propri materiali non lineari. È disponibile una varietà di formulazioni a seconda che siano presenti correnti, materiali magnetici o entrambi.

Sia il metodo FEM che il BEM sono disponibili per la magnetostatica in assenza di correnti, e possono essere combinati per ottenere un metodo ibrido a elementi finiti ed elementi al contorno.

Per il caso più generale, in cui sono presenti sia il flusso di corrente che i materiali magnetici, una formulazione di campo vettoriale permette di definire il potenziale elettrico e le correnti in ingresso e calcola la distribuzione della densità di corrente, i campi magnetici, le forze magnetiche, la dissipazione di potenza e le induttanze reciproche.

Le bobine possono essere modellate sia esplicitamente, calcolando l'esatta distribuzione di corrente all'interno di ogni filo, o in modo omogeneizzato, che è molto efficiente per bobine con numerose spire. Le forme complesse delle bobine sono gestite automaticamente calcolando le distribuzioni di corrente della bobina.

Campi elettromagnetici

Quando si modellano cavi, fili, bobine, solenoidi e altri dispositivi induttivi, il campo magnetico è generato da correnti elettriche che scorrono in materiali conduttivi. In generale, per i campi variabili nel tempo con effetti significativi di induzione, c'è un accoppiamento bidirezionale tra campi elettrici e magnetici. In questi casi, è necessaria una formulazione del campo vettoriale, tipicamente quando la profondità di penetrazione è dell'ordine della dimensione del dispositivo, ma la lunghezza d'onda è molto più grande.

Il dominio della frequenza, l'analisi dei piccoli segnali e la modellazione nel dominio del tempo sono supportati in 2D e 3D. È disponibile una formulazione specializzata che è particolarmente adatta per la modellazione magnetica nel dominio del tempo di materiali con una caratteristica E-J fortemente non lineare, come nel caso dei superconduttori.

Trasformatore di potenza che mostra la distribuzione delle perdite.

Visualizzazione dettagliata del modello di una billetta di acciaio che mostra la temperatura e il campo magnetico.

Visualizzazione dettagliata di tre modelli di interruttori di alimentazione che mostrano le perdite elettriche di ciascuno.

Visualizzazione dettagliata di un cavo sottomarino che mostra la densità di perdita resistiva e magnetica.

Macchine rotanti

La funzionalità incorporata per le macchine rotanti semplifica la modellazione di motori e generatori. È possibile, per esempio, studiare il comportamento dei motori a induzione o a magneti permanenti, in particolare catturando le perdite di corrente parassita che si verificano all'interno dei magneti. In qualsiasi modello utilizzato per simulare il movimento elettromagnetico, è possibile esaminare la dinamica dei corpi rigidi o flessibili sotto l'influenza di forze e coppie magnetiche, correnti indotte, configurazioni di carico meccanico e molla.

Una funzionalità generica di mesh mobile rende possibile modellare il movimento lineare. Questo è importante per comprendere il funzionamento dei componenti che coinvolgono pistoni, come nel caso degli interruttori di potenza magnetici, dei solenoidi e degli attuatori in generale.

Circuiti elettrici

Si possono creare sistemi a parametri concentrati per modellare correnti e tensioni in circuiti che includono sorgenti di tensione e corrente, resistenze, condensatori, induttori e dispositivi a semiconduttore. I modelli di circuiti elettrici possono essere anche collegati a modelli di campi distribuiti in 2D e 3D. Inoltre, le topologie dei circuiti possono essere esportate e importate nel formato netlist SPICE.

Grafico 1D che mostra la tensione di uscita di un modello di amplificatore operazionale con la tensione ai capi del voltmetro sull'asse y e il tempo sull'asse x.

Caratteristiche e funzionalità nell'AC/DC Module

L'AC/DC Module contiene caratteristiche e funzionalità specializzate per le varie capacità presentate in questa pagina.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Coil evidenziato e modello di un induttore 3D nella finestra Graphics.

Interfacce utente integrate

L'AC/DC Module fornisce interfacce utente integrate per ciascuna delle aree elettromagnetiche elencate sopra, così come varianti destinate a scopi specifici di modellazione. Ciascuna di queste interfacce definisce diverse serie di equazioni di dominio, condizioni al contorno, condizioni iniziali, mesh predefinite, studi predefiniti con impostazioni del solutore per analisi stazionarie e transitorie, nonché grafici predefiniti e valori derivati.

Sono disponibili anche funzionalità che collegano le diverse interfacce, per modellarle facilmente insieme, il che può essere utile nel caso di induttori, bobine e motori.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni della bobina e dei risultati della simulazione di un modello di trasformatore di alimentazione nella finestra Graphics.

Bobine

Sono disponibili funzioni speciali incorporate per modellare facilmente le bobine e per convertire le quantità concentrate, come correnti e tensioni, in quantità distribuite, come densità di corrente e campi elettrici. Le bobine a conduttore singolo e le bobine multiturn omogeneizzate possono essere definite in modelli completi 3D, 2D o 2D a simmetria assiale. Una Part Library, con forme di bobine e nuclei magnetici completamente parametrici, permette una configurazione più veloce del modello quando si analizzano trasformatori, induttori, motori e attuatori.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Electrostatics, Boundary Elements evidenziato e un modello di condensatore sintonizzabile nella finestra Graphics.

Domini non delimitati o grandi

Per una modellazione accurata di domini non delimitati o di grandi dimensioni, sono disponibili elementi infiniti sia per i campi elettrici che per i campi magnetici. Per la modellazione elettrostatica e magnetostatica, il BEM è disponibile come metodo alternativo per la modellazione di regioni grandi o infinite. Inoltre, è possibile combinare il BEM con le interfacce fisiche basate su FEM per eseguire simulazioni ibride FEM–BEM.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con evidenziato il nodo Electric Currents in Layered Shell e il potenziale elettrico di un circuito di riscaldamento nella finestra Graphics.

Strutture sottili e materiali stratificati

Per la modellazione di strutture molto sottili, è possibile utilizzare le formulazioni di shell che sono disponibili per le simulazioni di correnti dirette, elettrostatica, magnetostatica e induzione. Inoltre, è disponibile una funzionalità specializzata per la modellazione di correnti dirette in shell con strati multipli. La modellazione elettromagnetica a shell permette di sostituire lo spessore di un solido sottile in un modello CAD con la proprietà fisica di una superficie, ottenendo una rappresentazione molto più efficiente.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni di Ampère's Law e un grafico 1D della densità del flusso magnetico di un modello di isteresi vettoriale nella finestra Graphics.

Materiali non lineari

È possibile scegliere da un ampio database di materiali che include materiali ferromagnetici, materiali ferrimagnetici, curve B-H e curve H-B.

I materiali possono essere spazialmente variabili, anisotropi, variabili nel tempo, con perdite, con valori complessi e discontinui. Espandere la portata di una simulazione è semplice e richiede poco lavoro aggiuntivo. Potete definire i vostri materiali usando espressioni matematiche, tabelle di ricerca o combinazioni di entrambe. L'isteresi anisotropa completa è supportata grazie al modello di materiale Jiles–Atherton per la modellazione parametrica quasistatica e l'analisi transitoria completa. È anche possibile compilare un modello di materiale in codice C e collegarlo come materiale esterno.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Loss Calculation evidenziato e modello di un motore 3D nella finestra Graphics.

Modellazione delle perdite nei motori e nei trasformatori

Modellare le perdite nei nuclei di ferro laminato e nelle bobine di motori e trasformatori è importante per prevedere la loro efficienza e le loro prestazioni.

In particolare, per il ferro laminato (acciaio elettrico), i modelli empirici di perdita elettromagnetica sono importanti poiché il riscaldamento Joule su macroscala o il riscaldamento per induzione non sono in grado di descrivere completamente l'effetto che causa le perdite. Allo stesso tempo, modellare i laminati individualmente è spesso poco pratico.

L'AC/DC Module include diversi modelli di calcolo delle perdite, ben noti ed empirici, che danno ottime stime delle perdite con un impegno computazionale molto inferiore rispetto a quello che richiederebbe un modello ad alta fedeltà. Sono inclusi gli effetti dell'isteresi magnetica e delle correnti parassite, così come altri fenomeni che contribuiscono alle perdite.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni di Stationary Source Sweep e dei risultati della simulazione di una matrice di induttanza nella finestra Graphics.

Induttanza parassita ed estrazione dei parametri

Per calcolare le induttanze parassite nei PCB è disponibile un metodo di calcolo specializzato, particolarmente efficiente per grandi matrici di induttanza in 3D. L'interfaccia Magnetic Fields, Currents Only è usata per calcolare i contributi parziali dei campi magnetici generati dai conduttori aperti, riducendo la complessità della modellazione.

Il potenziale vettoriale magnetico è usato come variabile dipendente per calcolare i campi magnetici generati dalle correnti sotto l'ipotesi che tutte le regioni siano non magnetiche, ovvero che le regioni abbiano una permeabilità magnetica relativa uniforme pari a "uno". L'interfaccia può essere usata con la funzione Stationary Source Sweep per fare lo sweep su molti terminali in una simulazione.

Elettromagnetismo a bassa frequenza e multifisica

I componenti elettromagnetici influenzano e sono influenzati da più fenomeni fisici. In COMSOL Multiphysics^®, questo scenario si può modellare esattamente come un problema di fisica singola.

Visualizzazione dettagliata di un gruppo di busbar che mostra la distribuzione della temperatura.

Riscaldamento Joule e riscaldamento resistivo¹

Riscaldamento Joule (noto anche come riscaldamento resistivo) in solidi, fluidi, shell e shell stratificati.

Visualizzazione dettagliata della distribuzione della temperatura in una billetta di acciaio mentre passa attraverso tre bobine energizzate.

Riscaldamento a induzione

Riscaldamento a induzione per modellare riscaldatori a induzione in linea e lavorazione dei metalli.

Visualizzazione dettagliata di un magnete che cade attraverso un tubo di rame.

Forza e coppia elettromagnetica

Calcolo di sollecitazioni, forza e coppia elettromagnetica basato sugli elementi finiti e sugli elementi al contorno .

Visualizzazione dettagliata di un driver per altoparlante che mostra l'entità dello spostamento.

Forze di Lorentz

Forze di Lorentz indotte dalla corrente usate come carichi strutturali volumetrici per la modellazione di trasduttori elettroacustici e altro.

Visualizzazione dettagliata dei flussi di corrente elettrica attraverso un interruttore a contatto e distribuzione della temperatura.

Resistenza di contatto elettrico

Correnti che scorrono tra pezzi metallici messi in contatto. Si combina con il contatto termico² e meccanico³.

Grafico 1D che mostra l'isteresi in un materiale ferroelettrico.

Ferroelettricità

La funzionalità della ferroelettricità è usata per modellare una polarizzazione variabile nel tempo che può avere un comportamento isteretico.

Visualizzazione dettagliata di un trasduttore magnetostrittivo che mostra lo stress e il campo magnetico.

Magnetostrizione⁴

Cambiamenti di forma dei materiali magnetici quando sono sottoposti a un campo magnetico; è importante per il rumore dei sonar e dei trasformatori.

Visualizzazione dettagliata di un modello di torcia al plasma che mostra la distribuzione della temperatura.

Plasma ad accoppiamento induttivo⁵

Plasmi accoppiati induttivamente utilizzati nella lavorazione dei semiconduttori.

Visualizzazione dettagliata di un modello di lente di Einzel che mostra le traiettorie delle particelle e il potenziale elettrico.

Tracciamento di particelle cariche⁶

Movimento di particelle elettricamente cariche o magnetiche dovuto a forze elettromagnetiche.

Visualizzazione dettagliata di un dispositivo di filtraggio DEP che mostra la separazione continua delle particelle.

Dielettroforesi⁶

Movimento di particelle neutre dovuto a gradienti del campo elettrico.

Non richiede AC/DC Module
Richiede inoltre Heat Transfer Module
Richiede inoltre uno tra MEMS Module o Structural Mechanics Module
Richiede inoltre uno tra Acoustics Module, MEMS Module o Structural Mechanics Module
Richiede inoltre Plasma Module
Richiede inoltre Particle Tracing Module

Utilizzo di software di terze parti con COMSOL Multiphysics^®

Se si utilizza il software MATLAB^®, è possibile gestire facilmente le simulazioni COMSOL Multiphysics^® con gli script e le funzioni MATLAB^®. Il prodotto di interfacciamento LiveLink™ for MATLAB^® permette di accedere alle operazioni COMSOL^® direttamente nell'ambiente MATLAB^® e di integrarle con il vostro 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 i principali sistemi CAD come parte della nostra suite di prodotti.

Potete anche sincronizzare i dati del foglio elettronico Microsoft^® Excel^® con i parametri definiti nell'ambiente COMSOL Multiphysics^® tramite il prodotto di interfacciamento LiveLink™ for Excel^®.

Esempio di importazione di dati da un archivio ODB++ in COMSOL Multiphysics per creare una geometria.