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Module AC/DC

Simuler des composants électromagnétiques et électromécaniques à basse fréquence

Le module AC/DC, un produit complémentaire de la plateforme COMSOL Multiphysics®, fournit des outils de modélisation et des méthodes numériques permettant d'analyser les champs électromagnétiques statiques et à basse fréquence. Ses applications vont des dispositifs capacitifs, résistifs et inductifs utilisés dans les composants électriques et l'électronique de puissance aux actionneurs, aux systèmes d'électrification des véhicules, aux réseaux électriques, ainsi qu'aux interférences et à la compatibilité électromagnétiques (EMI/EMC).

Grâce à ses capacités de simulation multiphysique, le module AC/DC permet également d'analyser les interactions entre le transfert thermique, la mécanique des structures, l'acoustique et la mécanique des fluides d'une part, et l'électromagnétisme d'autre part. Cela permet d'évaluer les performances, la fiabilité et la sécurité en conditions réelles des moteurs, transformateurs, câbles, équipements haute tension, capteurs et de nombreux autres dispositifs électromagnétiques tout au long du cycle de développement du produit.

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Un modèle 3D de moteur à aimants permanents visualisé avec des bobines de cuivre et un noyau Arc-en-ciel.
Une vue rapprochée d'un modèle d'appareillage de commutation sur lequel on peut voir la distribution du potentiel électrique.
Une vue rapprochée d'un modèle d'isolateur montrant la distribution du potentiel électrique.
Une vue rapprochée d'un modèle de ligne électrique montrant la distribution du champ électrique.
Une vue rapprochée de la visualisation du champ électrique d'un réseau d'électrodes sur un écran tactile activé.

Electrostatique

Les matrices de capacités peuvent etre calculées, ainsi que les densités de charge, les champs électriques , les couples et les forces. Parmi les applications, on peut citer les composants haute tension, les isolateurs, les écrans tactiles, les capteurs et les actionneurs.

Le module AC/DC propose aussi bien la méthode des éléments finis (FEM) que la méthode des éléments de frontière (BEM), qui peuvent également être combinées dans le cadre de méthodes hybrides. Cela permet d'assurer la fiabilité de la conception et d'optimiser des applications telles que les condensateurs, les appareillages de commutation et les actionneurs.

Dans les systèmes haute tension, l'analyse électrostatique est généralement utilisée pour évaluer et réduire le risque de décharge électrique. Si les conditions sont telles qu'une décharge ne peut être évitée, le phénomène peut être étudié à l'aide des fonctionnalités dédiées du module Electric Discharge.

Pour la modélisation des dispositifs MEMS, le module AC/DC offre des capacités de modélisation électromagnétique, tandis que le module MEMS ajoute des fonctionnalités spécialisées pour les interactions électrostatique-structure.

Courants électriques

La modélisation des courants électriques permet d'analyser des dispositifs et des systèmes résistifs et conducteurs soumis à des courants continus, transitoires ou alternatifs, lorsque les champs magnétiques peuvent être négligés. Les résultats comprennent la résistance, la conductance, les champs électriques, les densités de courant et la dissipation de puissance. Les applications vont de l'optimisation des pistes de circuits imprimés, des barres omnibus et des connecteurs à l'amélioration de l'électronique de puissance, des câbles, des procédés de galvanoplastie et des systèmes de distribution d'énergie.

Avec le module AC/DC, il est possible d'effectuer des analyses stationnaires, transitoires, dans le domaine fréquentiel et de petits signaux. Les analyses dans le domaine temporel et fréquentiel sont utilisées pour décrire simultanément les effets résistifs et capacitifs.

Les simulations de courant électrique sont souvent couplées à une analyse thermique afin d'améliorer la gestion thermique, d'éviter les points chauds et de réduire les coûts des matériaux. Ces études multiphysiques contribuent à optimiser la durabilité, l'efficacité et la sécurité des dispositifs. C'est pourquoi le module AC/DC est fréquemment associé au module Heat Transfer ; lorsque les effets de dilatation thermique doivent être pris en compte, il est combiné au module Structural Mechanics ou au module MEMS. Des études plus détaillées sur les porteurs de charge individuels peuvent être réalisées séparément à l'aide du module Semiconductor ou du module Plasma.

Une vue rapprochée de la distribution de la densité de courant dans un module IGBT.
Une vue rapprochée de la chute de tension et de la densité de courant dans un assemblage busbar-anode.
Une vue rapprochée de la distribution de la densité de courant sur des pistes de PCB.
Une vue rapprochée des sources de chaleur électromagnétiques dans un assemblage de busbar haute puissance.
Une vue rapprochée des lignes de champ magnétique et de la densité de flux à proximité d'un sous-marin.
Une vue rapprochée de l'extraction de la matrice d'inductance d'un réseau de bobines d'un PCB.
Une vue rapprochée de la distribution de densité de flux magnétique dans un coeur de haut-parleur optimisé.
Une vue rapprochée d'un rotor Halbach multipolaire avec un arrangement d'aimant concentrant le champ magnétique sur la partie intérieure ou extérieure.

Magnétostatique

L'analyse des champs magnétostatiques sert à étudier les forces exercées sur les bobines, les conducteurs et les aimants, ainsi que les distributions de champ et les inductances parasites. Il est possible d'utiliser la méthode des éléments finis (FEM), la méthode des éléments de frontière (BEM) ou une approche hybride FEM-BEM, avec des outils dédiés à l'extraction de la matrice d'inductance et au couplage des circuits. Les bobines peuvent être modélisées de manière explicite ou homogénéisée, avec une gestion automatique de la densité de courant dans des géométries complexes.

Le logiciel permet de modéliser des matériaux doux (courbes B–H), durs (aimants permanents), à pertes et anisotropes, ou encore d'utiliser des modèles personnalisés dépendant de la température, tenant compte des effets d'hystérésis et du point de Curie. L'hystérésis vectorielle complète est également prise en charge via le modèle de Jiles-Atherton.

Pour les études multiphysiques, le module AC/DC peut être combiné, par exemple, avec le module Structural Mechanics ou le module MEMS afin d'analyser la réponse mécanique aux forces magnétiques, y compris les effets magnétostrictifs non linéaires.

Electromagnétisme

La modélisation électromagnétique complète est utilisée pour analyser des composants électriques dans lesquels les courants électriques et les champs magnétiques sont couplés. Dans des cas transitoires avec des effets inductifs significatifs, les champs magnétiques induisent des courants, qui génèrent à leur tour des champs magnétiques.

Les effets électrodynamiques peuvent être investigués, notamment les effets de peau et les effets de proximité, les forces de Lorentz (induction liée au mouvement), la résonance et la diaphonie. La modélisation peut être réalisée dans les domaines temporels et fréquentiels, en 2D et en 3D. Des formulations spécialisées sont également disponibles pour la modélisation magnétique transitoire des supraconducteurs.

Les applications courantes incluent les bobines, les chargeurs et chauffages à induction, les commutateurs, les busbars, les convertisseurs, les effets transitoires dans les PCB, le blindage, la diaphonie, les dispositifs supraconducteurs, la magnétohydrodynamique, et le contrôle non destructif (NDT).

Les simulations électromagnétiques peuvent être couplées avec n'importe quel autre produit complémentaire, tel que le module Heat Transfer, le module Structural Mechanics, ou le module CFD.

Une vue rapprochée de la distribution de la densité de courant dans un fil de Litz triplement torsadé de type 4.
Une vue rapprochée des pertes électromagnétiques, de l'écoulement, et de la distribution de la température dans une cuve de transformateur 2D axisymétrique.
Une vue rapprochée de la distribution des pertes électromagnétiques dans le coeur en tôle laminée d'un transformateur triphasé.
Une vue rapprochée de la densité de courant et de flux magnétique dans un cable sous-marin AC triphasé.
Une vue rapprochée du flux magnétique radial dans un rotor et de la température dans le stator.
Une vue rapprochée de la distribution de flux magnétique vertical dans le coeur d'un moteur linéaire.
Une vue rapprochée du flux magnétique axial dans le coeur d'un stator et dans la plaque du rotor d'un moteur à flux axial.
Une vue rapprochée d'un modèle de moteur électrique avec aimants de rotor montés en surface.

Machines électriques

La modélisation des machines électriques rend possible l'optimisation de moteurs, générateurs et actionneurs. Les fonctionnalités prédéfinies permettent d'étudier les moteurs à induction et à aimants permanents, avec notamment l'évaluation du couple, des pertes par induction dans les aimants, des forces, des courants induits, et de l'influence des chargements mécaniques. Il est possible d'analyser la dynamique des corps rigides et flexibles sous l'influence des forces et couples électromagnétiques.

Les fonctionnalités dédiées offrent un appui pour la conception de divers types de machines, des moteurs à flux radial aux rotors à flux hybride axial-radial, les rotors à pôles à griffes, et les machines linéaires tubulaires. Les mouvements linéaires peuvent également être modélisés avec une fonctionnalité de maillage mobile, ce qui est important pour les dispositifs tels que les pistons, solénoïdes, commutateurs et actionneurs.

En combinant le module AC/DC avec d'autres modules physiques, des analyses multiphysiques — incluant par exemple la mécanique des structures pour la déformation, la dynamique des rotors, le transfert de chaleur pour la gestion thermique, l'acoustique pour les bruits et les vibrations, et la CFD pour l'optimisation des canaux de refroidissement — peuvent être menées.

Circuits électriques

Le module AC/DC fournit une interface physique dédiées à l'analyse de systèmes discrets et de circuits. En utilisant cette interface, des composants courants comme les sources de tension ou de courant, les résistances, les condensateurs, les inducteurs, les convertisseurs, les diodes et les transistors peuvent être modélisés. Des éléments plus complexes peuvent être ajoutés à l'aide de sous-circuits. Les circuits peuvent également être importés et exportés en utilisant le format SPICE netlist.

Les modèles de circuits peuvent être combinés avec des modèles éléments finis 2D ou 3D. Les matrices de résistance, de capacitance d'inductance peuvent être extraites à partir des modèles par éléments finis, puis être utilisées pour créer des représentations sous forme de circuit réduit efficaces. Le couplage direct entre circuits et modèles par éléments finis permet par exemple de simuler des circuits de contrôle de moteurs, ou des circuits oscillateurs pour les chargeurs à induction. Le submodeling hybride est également possible, dans lequel les régions détaillées par éléments finis sont réduites en représentations de circuits pour une simulation efficace.

Un graphique 1D avec le temps en abscisse et la contre-tension en ordonnée.
Un graphique 1D avec le temps en abscisse et le potentiel à travers le voltmètre en ordonnée.

Caractéristiques et fonctionnalités du Module AC/DC

Le Module AC/DC contient des caractéristiques et des fonctionnalités spécialisées pour les différentes capacités présentées sur cette page.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Bobine mis en évidence et un modèle de fils de litz dans la fenêtre graphique.

Interfaces utilisateur intégrées et types d'études

Le module AC/DC fournit des interfaces physiques prédéfinies pour chacun des domaines électromagnétiques détaillés dans les sections précédentes, ainsi que des interfaces spécialisées pour des besoins de modélisation spécifiques. Ces interfaces physiques définissent leurs propres ensembles d'équations, de conditions aux limites, de paramètres de maillage et d'études prédéfinis, ainsi que des graphiques et des évaluations numériques.

Les études prédéfinies incluent des paramètres de solveur pour les analyses en régime permanent, transitoire et dans le domaine fréquentiel. Des types d'études avancées sont également disponibles pour mener des analyses fréquentielles-transitoires combinées, périodiques en temps, en petits signaux et de fréquences propres, ainsi que pour extraire des paramètres via des balayages de paramètres auxiliaires quasi-statiques.

En outre, les couplages multiphysiques prédéfinis permettent une intégration transparente entre les interfaces du module AC/DC et celles d'autres modules complémentaires.

Une vue rapprochée des réglages de la loi d'Ampère dans les solides et un modèle de cuve de transformateur dans la fenêtre graphique.

Matériaux magnétiques

Une base de donnée de matériaux magnétiques très complète est incluse dans le module AC/DC, englobant les matériaux ferromagnétiques, ferrimagnétiques, magnétiquement doux (courbes B-H), et magnétiquement durs (aimants permanents). Des fonctionnalités sont disponibles pour prendre en charge les modèles matériaux non-linéaires, la modélisation des pertes magnétiques dans le domaine fréquentiel à l'aide de courbes B-H effectives et de perméabilités complexes, ainsi que pour l'hysteresis anisotrope basée sur le modèle de Jiles-Atherton.

Les capacités dédiés à la modélisation de tôles magnétiques laminées incluent des fonctionnalités de modélisation pour les coeurs laminés et des modèles de pertes empiriques comme celui de Steinmetz et Bertotti, ce qui permet d'obtenir une estimation réaliste des pertes sans résoudre individuellement le laminé.

Les matériaux peuvent être définis avec des variations spatiales, temporelles, de l'anisotropie ou avec une dépendance aux champs. Les propriétés définies par l'utilisateur et la modélisation de comportements spécifiques, incluant les effets de non-linéarité anisotrope, de démagnétisation permanente et de Curie sont prises en charge.

Une vue rapprochée des réglages de la Coque conductrice et un modèle de circuit de chauffage dans la fenêtre graphique.

Structures minces et matériaux multicouches

Les structures très minces peuvent être modélisées efficacement à l'aide de formulations coques pour les analyses en courants directs, en électrostatique, magnétostatique et induction. En outre, des fonctionnalités spécifiques prennent en charge la modélisation des courants directs dans des structures en coques multicouches. Les capacités de modélisation électromagnétiques des coques permettent de remplacer de fins domaines volumiques par des conditions aux limites sans épaisseur avec un comportement physiquement équivalent. Cela simplifie de façon significative les processus de préparation de la géométrie, du maillage et de résolution.

A plus hautes fréquences, lorsque l'épaisseur de peau se réduit et que les courants sont confinés à la surface du conducteur, des fonctionnalités de frontières spécifiques fournissent une représentation plus efficace du conducteur.

Pour les matériaux diélectriques et faiblement conducteurs, le cadre de travail prend en charge:

  • Les effets de polarisation et de déplacement électrique rémanent
  • Une large gamme de modèles de pertes complexes, notamment le comportement ferroélectrique
  • Des modèles de dispersion dans les domaines fréquentiels et temporels

Les formulations de dispersion prédéfinies incluent les modèles de Debye multipôles, Cole–Cole, et Havriliak–Negami. Ces capacités sont particulièrement importantes pour la modélisation de tissus et les applications en bioingénierie.

Le même niveau de flexibilité disponible pour les matériaux magnétiques s'applique aux conducteurs et diélectriques. A travers des formulations définies par les utilisateurs, la bibliothèque matériaux peut facilement être étendue pour inclure des modèles matériaux personnalisés.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Potentiel électrique mis en évidence et un modèle de ligne électrique dans la fenêtre graphique.

Domaines ouverts ou de grande taille

Pour modéliser fidèlement les domaines ouverts ou de grande taille, les éléments infinis sont disponibles pour les formulations en champs électriques et en champs magnétiques. Pour les analyses électrostatiques et magnétostatiques, la méthode des éléments de frontière (BEM) fournit une approche alternative à la représentation de régions grandes ou infinies. En outre, la BEM peut être couplée avec des interfaces physiques basées sur les éléments pour réaliser des simulations hybrides BEM-FEM.

Une vue rapprochée des réglages de Bobine et un modèle de moteur dans la fenêtre graphique.

Excitations pour les bobines, terminaux et dispositifs

Les capacités de modélisation électromagnétiques du module AC/DC comprennent des fonctionnalités dédiées pour la simulation précise des excitations, chargements et comportements de dispositifs électromagnétiques.

Les outils de modélisation de bobines gèrent tout, des conducteurs solides avec effets de peau et de proximité jusqu'aux faisceaux de câbles toronnés conçus pour minimiser les pertes AC. Ils prennent également en charge des conceptions telles que les fils de Litz, les bobines avec un enroulement très serré, et les conducteurs haute tension segmentés.

Les définitions de terminaux facilitent l'application de potentiels, courants ou charges tout en prenant en charge les potentiels flottants, les points de mesure et les connexions à des circuits électriques. Les options pour la modélisation de capacitance et inductance distribuées permettent d'obtenir des représentation fiables d'électrodes avec des revêtements diélectriques ou résistifs.

Un ensemble de méthodes d'excitations généraliste est également disponible, incluant la prise en charge de contraintes de tension, par exemple, de plans de masses, ainsi que la possibilité de définir directement des courants de surface.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Conservation du courant mis en évidence et un modèle de module IGBT dans la fenêtre graphique.

Matériaux électriques et diélectriques

Les matériaux conducteurs prennent en charge les comportements dépendant à la fois des champs de température et électromagnétiques. Dans des conditions électrodynamiques, les effets de peau et de proximité peuvent être inclus ou supprimés de façon sélective, ce qui permet une modélisation efficace des tôles laminées, des enroulements de bobines, et des faisceaux de câbles torsadés. En particulier, les fils de Litz peuvent être modélisés à leur fréquence de conception ou au dessus de celle-ci sans résoudre les brins individuels.

Une vue rapprochée du noeud Evaluation globale de matrice mis en évidence et un modèle d'écran tactile dans la fenêtre graphique.

Extraction de données et évaluation de résultats

Les fonctionnalités d'excitation, telles que Bobine, Terminal et Port, fournissent automatiquement des variables de sortie pour diverses quantités électriques, comprenant:

  • Potentiel, courant et charge
  • Résistance, inductance et capacitance
  • Paramètres S

La fonctionnalité dédiée de balayage fréquentiel, utilisée conjointement à des réglages solveurs optimisés, permet une extraction efficace des matrices de capacitance, de résistance et d'inductance. Cette fonctionnalité permet une conversion directe du modèle par éléments finis en une représentation réduite de circuit électrique.

Des fonctionnalités spécialisées sont également disponibles pour calculer des quantités physiques spécifiques telles que les forces électromagnétiques et les pertes totales.

Les options de personnalisation étendues permettent d'évaluer, d'intégrer ou de différencier n'importe quelle quantité issue de la solution. Une large gamme d'outils d'évaluation des résultats permettent une extraction précise des données requises pour l'analyse.

Une vue rapprochée du noeud Electromécanique, frontière mis en évidence et un modèle de microphone dans la fenêtre graphique.

Multiphysique

Parce que les phénomènes électromagnétiques se produisent généralement dans un contexte multiphysique, le module AC/DC fournit des options étendues pour coupler ses phénomènes physiques avec ceux d'autres produits complémentaires, tels que:

  • Le module Structural Mechanics
  • Le module Heat Transfer
  • Le module Acoustics
  • Le module CFD
  • Le module Plasma
  • Le module Electric Discharge

Les couplages multiphysiques intégrés fournissent des fonctionnalités pour modéliser la magnétomécanique, l'électromécanique, le chauffage par effet Joule avec dilatation thermique, le chauffage par induction, le piézomagnétisme, la piézorésistivité, la magnétostriction non-linéaire, l'électrostriction, la ferroélectroélasticité, les effets thermoélectriques, la pyroélectricité et la magnétohydrodynamique.

En plus de ces couplages prédéfinis, des couplages multiphysiques peuvent être définis manuellement et résolus avec des approches totalement couplées ou séquentielles, au choix.

Électromagnétique basse fréquence et multiphysique

Les composants électromagnétiques affectent et sont affectés par de multiples phénomènes physiques. Dans COMSOL Multiphysics®, cela n'est pas différent de la modélisation d'un problème à physique unique.

Une vue rapprochée d'un assemblage busbar-anode montrant la distribution des sources de chaleur électromagnétiques.

Chauffage par effet Joule et chauffage résistif1

Le chauffage par effet Joule (également appelé chauffage résistif) dans les solides, les fluides, les coques et les coques multicouches.

Une vue rapprochée d'un modèle de pièce montrant un chauffage par induction industriel.

Chauffage par induction

Chauffage par induction pour modéliser les dispositifs de chauffage par induction et le traitement des métaux.

Une vue rapprochée de busbars assemblés montrant les points de contact électrique.

Résistance de contact électrique

Courants circulant entre des pièces métalliques mises en contact. Se combine avec le contact thermique2 et mécanique3.

Une vue rapprochée d'un modèle d'aimant permanent montrant la déformation dans une plaque de fer.

Force et couple électromagnétiques

Calcul des contraintes, de la force et du couple électromagnétiques par éléments finis élements de frontières.

Vue détaillée d'un haut-parleur montrant l'amplitude du déplacement.

Forces de Lorentz

Forces de Lorentz induites par le courant utilisées comme chargement volumique pour la modélisation de transducteurs électroacoustiques et autres.

Un transformateur électrique montrant la répartition des pertes.

Magnétostriction4

Modification de la forme des matériaux magnétiques lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, importante pour les sonars et le bruit des transformateurs.

Une vue rapprochée d'un transducteur tonpilz montrant les cercles en piézocéramique.

Piézoélectricité1

Modéliser des dispositifs piézoélectriques, comprenant des composants métalliques et diélectriques.

Un graphique 1D avec le champ électrique sur l'axe des abscisses et la polarisation sur l'axe des ordonnées.

Ferroélectricité

Fonctionnalité de ferroélectricité utilisée pour modéliser une polarisation variant dans le temps et pouvant présenter un comportement hystérétique.

Une vue rapprochée d'une pompe magnétohydrodynamique montrant l'écoulement de fluides électriquement conducteurs.

Magnétohydrodynamique

Modéliser l'interaction entre champs électromagnétiques et fluides électriquement conducteurs.

Une vue rapprochée d'un modèle de lampe sans électrode avec un plasma agissant comme un bobinage secondaire.

Plasma inductif5

Plasma inductif utilisé typiquement dans les procédés semi-conducteurs.

Une vue rapprochée d'un modèle de faisceau électronique divergeant en raison de sa propre charge d'espace.

Suivi de particules chargées6

Le mouvement de particules chargées électriquement ou magnétiques dû aux forces électromagnétiques.

Dielectrophorèse6

Le mouvement des particules neutres dû aux gradients de champ électrique.

Une vue rapprochée d'un modèle de coeur de haut-parleur dont la topologie est optimisée.

Optimisation7

Combiner l'analyse électromagnétique avec l'optimisation paramétrique, l'optimisation de forme et l'optimisation topologique.

  1. Ne nécessite pas le module AC/DC
  2. Le module Heat Transfer est également requis
  3. L'un des modules MEMS ou Structural Mechanics est également requis
  4. L'un des modules Acoustics, MEMS ou Structural Mechanics est également requis
  5. Le module Plasma est également requis
  6. Le module Particle Tracing est également requis

Utilisation de logiciels tiers avec COMSOL Multiphysics®

En utilisant le logiciel MATLAB®, il est facile de piloter les simulations COMSOL Multiphysics® avec les scripts et fonctions MATLAB®. Le produit d'interfaçage LiveLink™ for MATLAB® permet d'accéder aux opérations COMSOL® directement dans l'environnement MATLAB® et de les intégrer à un code MATLAB® existant.

Pour faciliter l'analyse des propriétés électromagnétiques des modèles de CAO et des schémas électroniques, COMSOL propose les produits ECAD Import Module, CAD Import Module, Design Module et LiveLink™ pour les principaux systèmes de CAO.

Il est également possible de synchroniser les données des feuilles de calcul Microsoft Excel® avec les paramètres définis dans l'environnement COMSOL Multiphysics® via le produit d'interface LiveLink™ for Excel®.

Une géométrie 3D d'un modèle de PCB visualisé en vert et en rendu matériau cuivre.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation est unique.

Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des ressources détaillées qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir l'option la plus adaptée à vos besoins en matière de licence.

Il vous suffit de cliquer sur le bouton "Contacter COMSOL", d'indiquer vos coordonnées et tout commentaire ou toute question spécifique et de soumettre votre demande. Vous recevrez une réponse d'un représentant de COMSOL très rapidement.

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