课程:在COMSOL®中建模电磁线圈

2020年7月16日

寻找一个快速,自我节奏,指导介绍电磁线圈建模与COMSOL Multiphysics®软件和AC/DC模块?我们制作了一套视频课程,让您了解电磁线圈的建模,旨在展示建立这种模型的关键方面。让我们快速回顾一下这些视频中的内容,以及如何充分利用课程的优势!

开始建模电磁线圈

最简单的电磁线圈是一圈载流导线,就像你在几乎任何介绍这一主题的文章中看到的那样。假设线圈可以被视为一个闭合的环,这通常是一个合理的工程简化,这意味着它是轴对称的,或围绕中心线不变的。

一个简单的单圈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。

这是与这个假设,我们线圈建模课程开始。对于前五部分,我们将在二维轴对称空间中工作。

部分1 - 5

在课程的前五个部分,我们提供有关线圈建模的基础知识和目前的信息,是建立在其余的会议。我们首先在直流条件下建立一个单匝线圈的模型,从开始到结束。空气域以一个无限元区域为界。我们考虑通过线圈的电流为1安培,并在二维轴对称平面上建立模型。我们也提供一些额外的背景关于为什么和如何我们可以使用二维轴对称假设。

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安培的电流激励线圈,并假设激励电流的变化是正弦的,并且发生在一个已知的频率。

在建立和审查线圈模型在直流和交流的情况下,我们讨论了潜在的建模问题,你应该意识到,当建立这些类型的模型。

此后,我们继续扩展线圈模型,模拟它连接到一个电路。我们通过引入一个磁芯和一个次级拾取线圈来实现这一点,通过次级拾取线圈,一些流过初级第一线圈的电流被拾取。然后我们展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,我们将对包含多个匝和不同绕组模式的线圈进行建模。此外,我们去建模线圈到和围绕第一个共振频率以及扁平线圈。然后我们以一个全面的概述结束磁场物理界面和其中包含的不同功能,你可以利用当建立线圈模型。

一旦完成了本课程的介绍部分的视频,你就会看到二维轴对称线圈建模技术的基础。

线圈电磁加热

COMSOL Multiphysics与交流/直流模块和传热模块的共同用途之一是建模感应加热,即使用线圈随时间对工件加热的过程。在本课程接下来的五个部分中,我们将深入讨论这个主题。

经过感应加热的工件模型。
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部分到第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。首先,我们建立了一个自由空间中三圈线圈的二维轴对称模型,并规定了每一圈线圈流过的电流为1千安培。我们还包括一个工件在中心的钛合金。这个问题是在频率恒定为10千赫兹的频域内建模的。在计算仿真后,我们执行一些后处理,以查看工件部分的损失。

从这里,我们将最初的电磁学问题扩展为电磁加热问题。为了找出电磁损耗是如何导致温度上升的,以及温度上升到何种程度,我们在线圈模型中加入了第二个物理原理——传热。之后,我们将向您展示如何将材料属性从使用标量、常量值修改为模型输入的函数(在本例中是温度)。然后,我们继续扩展模型,通过显示如何改变加热剖面的工件随着时间的推移,以及解决多个频率。

从这里开始,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括对流和辐射来解决之前没有涉及的热建模考虑事项。我们还演示了如何建模运动部件的加热。

一旦完成这部分课程,你应该有信心解决大多数线圈加热问题。

力、运动、非线性等建模

本课程的下五个部分将讨论另一种多元物理:电磁力与零件(如螺线管)的变形和运动的耦合。

螺线管执行器随时间变化的位移图,并嵌入3D模型。
随着时间的推移,螺线管执行器的位移。

11 - 15号的部分

在课程的第11到15部分,我们建立和工作与几个不同的线圈模型几何进行各种分析。这与前面的部分有所不同,在前面的部分中,我们通常使用单一的几何和模型设置,但对其进行了更改,以逐步使我们的模型更复杂,并扩展分析。

我们开始演示如何建模电磁力,这样做准确,这是通过添加完成力的计算我们的型号的功能然后使用全球评估特征,以找出在模型线圈上观察到的总力。然后,我们探索如何确定所评估的力的精度,这是通过执行网格自适应快速和容易地完成。通过生成一个图,将力的值作为网格细化的函数显示出来,我们观察力的值是否开始收敛到某个值。

我们继续如何模型一个磁体移动和感应电流在线圈内。磁体定义使用安培定律域特征,而运动定义使用软件中的几个移动网格特征。在解决这个模型时,我们会遇到一些与求解器设置相关的问题,这是由于源项和模型初始值不一致的结果,我们将详细说明如何解决这些问题。

在此基础上,我们开始建立与之前问题相反的电磁执行器模型。这一次,我们有一个线圈,并施加一个时变电流,以诱导附近的部分的运动。其后,我们将演示如何模拟一个具有非线性铁芯材料的电感器。在此过程中,我们将涉及前面模型中讨论的主题,例如解的精度和收敛性。我们也向你展示如何通过积分我们的线圈电流方程来可视化在核心区域的周期平均损耗,通过引入另一个方程到我们的模型全球评估接口,并使用AT运算符执行全局评估。

我们的会议以另一个模型结束,我们采取一个线圈和优化线圈,使b场在几何图形的中心线是均匀的尽可能多。我们演示了定义一个目标函数,并通过改变线圈的匝数和线圈的位置来改善这个函数。

一旦完成本部分课程,您应该在建模、计算和评估力、运动和大多数线圈模型的非线性方面有丰富的知识。

三维线圈建模

线圈建模课程的最后五部分涉及建模3D线圈相关的问题。虽然大多数线圈建模的概念可以在二维轴对称模型上学习,但有一些独特的问题需要在三维中解决。

模拟结果电流大小和磁场的三维线圈模型。
三维线圈模型显示了线圈和周围磁场的电流大小。

部分16 - 20

在16到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,直流体制。当在3D中构建我们的线圈的几何形状时,我们使用螺旋图案,并在线圈弯曲的末端,将线圈挤压成垂直的直管。为此,我们向您展示了一些不同的方法,您可以使用这些方法来确保线圈的几何形状是单一域的。可以使用删除实体,联盟,或形成复合材料领域然而,操作并不是必需的,它最终是一个偏好和簿记的问题。添加一个线圈与之前的2D轴对称线圈模型不同,我们模型的域特征包括一个几何分析子特征,我们需要指定我们想要电流流进和出线圈的地方。

在计算模型之后,我们会收到一条错误消息,然后解释为什么会发生这种情况,以及如何处理它。一个新的研究步骤,线圈几何分析,在我们的研究中,首先计算当前的方向通过结构。成功地解决模型后,使用磁场接口,然后我们用。解决了同样的问题磁场和电场接口。

在完成单个导体线圈的这些模型后,我们然后进入演示为不同类型的线圈建模的专门功能。我们讨论并展示了如何代替为多圈线圈明确建模匝数,我们可以通过使用近似等效的几何形状来建模一个均匀的多圈线圈,并调整线圈域功能设置。其他类型的线圈包括薄,带状线圈;紧密包装的线圈,转弯之间没有间隙;并使用边缘线圈几何形状。软件中的第零件库包含可用于添加和使用的几种不同类型的内置线圈。

我们还引入一个无限元区域到我们的线圈模型的空气域,并深入讨论这个特征的使用和它的物理表示。从那里,我们离开静态的,直流的区域,并把我们的3D线圈建模到频域。我们还将在低频、中频和高频区域进行线圈建模。然后,我们讨论如何处理一些问题,你可能会遇到网格和收敛这些模型。最后,我们演示了如何建模共振和处理线圈之间的耦合。

一旦你通过了这最后一部分的课程,你会有解决3D线圈模型的基础。我们希望这个材料将教育和启发您建立线圈模型COMSOL多重物理量AC / DC模块,并这样做更快和信心在您的建模!


评论(1)

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丹尼尔Biek
丹尼尔Biek
2020年9月25日

亲爱的沃尔特,非常感谢你的有趣的系列讲座。

我有个问题:你知道模型什么时候上传吗?

提前致谢

最好的祝福,

丹尼尔

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