课程:在COMSOL®中建模电磁线圈

2020年7月16日

正在寻找使用COMSOL Multiphysics®软件和AC/DC模块的电磁线圈建模的快速、自定进度、有指导的介绍?我们制作了一个视频讲座课程,引导您了解电磁线圈的建模,旨在展示构建此类模型的关键方面。让我们快速回顾一下这些视频中的内容,以及如何充分利用本课程!

开始建模电磁线圈

最简单的电磁线圈是一个单匝的载流导线,正如你将在几乎任何介绍该主题。这通常是一个合理的工程简化假设线圈可以被视为一个闭环,这意味着它是轴对称的,或围绕中心线不变。

一个简单的单匝线圈的二维轴对称模型。
一个简单的单圈线圈也可以用二维轴对称假设来建模。

正是基于这个假设,我们的线圈建模课程开始了。对于前五部分,我们将在2D轴对称空间中工作。

第1-5部分

在课程的前五部分,我们提供关于线圈建模的基础知识和目前的信息,是建立在其余的会议上。我们开始建立一个单匝线圈的模型在直流条件下,从开始到结束。空气域以一个无限元域为界。我们考虑1安培电流通过线圈,并在二维轴对称平面上对其建模。我们还提供了一些关于为什么以及如何使用2D轴对称假设的额外背景。

在计算模型的基础上,我们还计算了线圈的电导和电阻。然后我们将线圈移动到频域。我们用1安培电流激励线圈,并假设激励电流变化为正弦,且发生在已知频率。

在构建和检查直流和交流情况下的线圈模型之后,我们将讨论在构建这些类型的模型时应该注意的潜在建模问题。

然后,我们继续扩展线圈模型,模拟它被连接到一个电路。我们通过引入一个磁芯以及一个次级拾取线圈来实现这一目的,通过次级拾取线圈可以拾取流过初级第一线圈的部分电流。然后,我们将演示如何执行一些后处理来可视化线圈之间的电流大小和方向。

从这里开始,我们开始对包含多匝和不同绕组模式的线圈进行建模。此外,我们还对第一谐振频率附近的线圈以及扁平线圈进行了建模。然后,我们以对磁场物理界面和不同的功能包含其中,你可以利用时,建立线圈模型。

一旦完成了本课程的介绍部分的视频,您将看到二维轴对称线圈建模技术的基础。

线圈中的电磁加热

COMSOL Multiphysics与AC/DC模块和传热模块的一个常见用途是对感应加热进行建模,感应加热是一个线圈随时间加热工件的过程。在本课程接下来的五个部分中,我们将深入探讨这个主题。

感应加热工件的模型。
工件随时间感应加热,具有非线性材料特性。

6 - 10部分

在课程的第6至10部分,我们演示了建立和解决感应加热线圈建模问题的完整演练。我们首先在自由空间中建立一个三匝线圈的二维轴对称模型,并指定每匝线圈流过的电流为1千安培。我们还包括在中心由钛合金制成的工件。这个问题是在频率域中以10千赫兹的恒定频率建模的。在计算模拟之后,我们执行一些后处理来查看工件部分的损失。

就是从这里,我们把最初的电磁问题扩展成电磁加热问题。为了找出电磁损耗是如何导致温度上升的,以及上升到什么程度,我们在线圈模型中加入了第二个物理,传热。之后,我们将向您展示如何将材料属性从使用标量、常数值修改为模型输入(在本例中是温度)的函数。然后,我们继续扩展模型,展示如何改变工件的加热轮廓随时间以及解决多个频率。

从那里,我们深入讨论关于求解器的各种主题。我们还通过在热模型中包含对流和辐射来解决先前没有涉及的热模型考虑。我们还演示了如何模拟活动部件的加热。

一旦完成本部分的课程,你应该有信心解决大多数线圈加热问题。

力的建模,运动,非线性,和更多

本课程接下来的五个部分将讨论另一种多重物理:电磁力与零件变形和运动的耦合,例如在螺线管中。

螺线管执行器随时间的位移图,带有三维模型的镶嵌。
电磁执行器随时间的位移。

11 - 15号的部分

当然,在第11部分到第15部分中,我们构建并使用几种不同的线圈模型几何进行各种分析。这与前面的部分不同,在前面的部分中,我们通常使用单个几何体和模型设置,但对其进行了更改,以逐步使我们的模型更加复杂并扩展分析。

我们首先演示如何建模电磁力,并精确地做到这一点,这是通过添加力的计算功能到我们的模型,然后使用全球评估特征,以找到在模型中观察到的线圈上的总力。然后,我们探索如何确定的精度的力的数量,评估,这是快速和容易地通过执行网格自适应。通过生成一个绘图,将力的值作为网格细化的函数显示出来,我们观察力是否开始收敛到某个值。

我们继续讨论如何对线圈内的磁铁运动和感应电流进行建模。磁铁是使用安培定律域功能定义的,而运动是使用软件中的几个移动网格功能定义的。在求解该模型时,我们会遇到一些与解算器设置相关的问题,这是由于模型的源项和初始值之间不一致造成的,我们将详细介绍如何解决这些问题。

从那里,我们进入模拟一个反向版本的前一个问题,电磁驱动器。这一次,我们有一个线圈,并施加一个时变电流,以诱导附近的部分运动。随后,我们演示了如何用非线性磁芯材料建模电感。在此过程中,我们将涉及前面模型中讨论的主题,如解的准确性和收敛性。我们还向您展示了如何通过对线圈电流的方程进行积分,将另一个方程引入到我们的模型中,从而可视化在核心区域的周期平均损耗全球评估接口,并使用at操作符执行全局求值。

我们的会议以另一个模型结束,我们采取一个线圈,并优化该线圈,使b场在几何中心线尽可能均匀。我们演示了定义一个目标函数,并通过改变线圈匝数和线圈位置的电流来改进该函数。

完成本节课程后,您应该熟悉大多数线圈模型的建模、计算和评估力、运动和非线性。

三维线圈建模

线圈建模课程的最后五部分解决了与建模3D线圈相关的问题。虽然大多数线圈建模的概念可以仅在2D轴对称模型中学习,但仍有一些独特的问题需要在3D中解决。

仿真结果的电流大小和磁场的三维线圈模型。
三维线圈模型显示线圈上的电流大小和周围的磁场。

部分16 - 20

在第16至20部分的课程,我们建立了我们的第一个3D线圈模型,我们将解决在静止,直流政权。当我们在3D中构建线圈的几何形状时,我们使用螺旋模式,在线圈弯曲的末端,将线圈挤压成垂直的直管。在这样做的过程中,我们将向您展示一些不同的方法,您可以使用这些方法来确保线圈几何形状是一个单一的域。这可以使用删除实体联盟,或形成复合材料领域然而,这并不是必需的,最终是一个偏好和记帐的问题。添加一个线圈与之前的二维轴对称线圈模型不同,我们的模型的域特征包括几何分析我们需要指定电流流入和流出线圈的位置的子功能。

在计算模型时,我们收到一个错误消息,然后解释为什么以及如何发生以及如何解决它。一个新的研究步骤,线圈几何分析,在我们的研究中,首先计算通过结构的电流方向。在成功求解该模型后,利用磁场接口,然后使用磁场和电场接口。

在完成了这些单导体线圈的模型之后,我们将演示用于建模不同类型线圈的专门功能。我们讨论并展示了如何代替显式建模的匝数为多匝线圈,我们可以使用一个近似等效几何模型均质多匝线圈和调整线圈域特性设置。其他类型的线圈包括薄的,带状的线圈;紧密封装线圈,匝间无间隙;并使用边缘,线圈几何。软件中的部分库包含几种不同类型的内置线圈,供您添加和使用。

我们还引入了一个无限元素区域到空气域的线圈模型,并详细讨论了这个功能的使用和它的物理代表。从那里,我们离开静态,直流体制和移动我们的3D线圈建模到频率域。我们还将在低频、中频和高频频段进行线圈建模。然后,我们讨论了如何处理这些模型在网格划分和收敛过程中可能遇到的一些问题。最后,我们演示了如何建模共振和处理线圈之间的耦合。

一旦你通过了本课程的最后一部分,你将有解决3D线圈模型的基础。我们希望这个材料将教育和激励你建立线圈模型多物理场耦合分析交直流模块,这样做更快,并且对您的建模充满信心!


评论(3)

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丹尼尔·比克
丹尼尔·比克
2020年9月25日

亲爱的沃尔特:非常感谢你的系列讲座。

我有个问题,你知道模特什么时候上传吗?

谢谢提前

最好的问候,

丹尼尔

卡洛斯·阿兹卡拉加
卡洛斯·阿兹卡拉加
2021年4月29日

我有一个关于线圈连接的问题。我正试图模拟一台150槽同步发电机。每个插槽有两个线圈侧。它具有分数螺距和分布式绕组。我画了它的横截面图(2D)。我的问题是:是否有可能以某种方式将单个线圈串联起来?例如,让我们考虑两个线圈A和B。每个线圈都有两个端侧,A1、A2、B1和B2。我在A1端注入电流,电流进入平面,在A2中以相反的符号退出(相同的线圈,只是电流方向不同)。如何将该点A2与B1连接,以便对两个线圈进行串联连接?提前谢谢!

大卫Ashirov
大卫Ashirov
2021年9月3日

嗨,卡洛斯
这是本课程的第三部分:
//www.dvdachetez.com/support/learning-center/article/Modeling-a-Coil-Connected-to-an-Electric-Circuit-2621/112

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